2020年, 第49卷, 第6期　
刊出日期：2020-06-20

  

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专题——碳基功能薄膜材料与应用
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  超浸润金刚石薄膜的研究进展

  王强, 白洁, 朱嘉琦

  表面技术. 2020, 49(6): 1-9. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.001

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  金刚石具有极高的硬度和化学惰性，通过其表面能和微纳结构调控，金刚石薄膜构筑的超浸润表面稳定性极佳，具有重要的实际应用前景。概述了超浸润材料的特点与发展现状，介绍了人工超浸润表面的设计与制备原理，即基于分级制微纳结构和表面能建立超浸润界面体系。归纳了超浸润金刚石表面微纳结构制备原理与方法，包括“自上而下”与“自下而上”两种合成策略，并分别介绍了各策略中模板法和无模板法构筑金刚石表面分级制微纳结构的技术手段。总结了金刚石表面化学状态与浸润性能的关系，重点分析了金刚石表面氧化、氢化以及氟化处理对其表面浸润特性的影响规律，其中金刚石表面氧化处理将强化其亲水性能，而表面氢化或氟化处理将显著增强其疏水性能。在此基础上，综述了超浸润金刚石的应用，包括无损转移腐蚀性液体微滴、电解污染物以及生物医学成像等。最后，总结了超浸润金刚石合成与应用中存在的主要问题，阐述了其实际应用中面临的重大挑战，并展望了超浸润金刚石在多学科交叉领域未来的发展方向。
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  类金刚石薄膜固体超滑的研究现状和挑战

  王康, 陈新春, 马天宝

  表面技术. 2020, 49(6): 10-21. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.002

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  类金刚石（Diamond-like carbon，DLC）薄膜，具有高硬度、高化学惰性及低摩擦磨损等特性，特别是在一定条件下的超滑特性（摩擦系数低于0.01），为真正的近零摩擦和磨损的实现提供了可能性，因此在固体润滑领域展现出巨大的应用前景。从元素掺杂种类和键合结构特点，概述了DLC薄膜的种类多样性，归纳了不同DLC薄膜的力学及摩擦学特性。通过对比分析不同DLC薄膜在不同环境条件下的摩擦学行为，阐述了DLC薄膜超滑实现的环境敏感性，其中薄膜和环境中氢原子的作用十分关键，同时提出Si等元素掺杂改善超滑环境敏感性的可行方案。重点介绍了3种DLC超滑机理——界面钝化理论、界面石墨化理论以及转移膜形成理论，这三者均具有一定的局限性，如何更深入且全面认识DLC超滑仍是一个科学难题。最后强调了先进界面检测和表征技术对探秘DLC超滑态界面组成的重要性，并对今后亟需开展的深入研究方向进行了展望。
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  质子交换膜燃料电池金属双极板改性碳基涂层技术研究进展

  辛洋, 郭鹏, 李昊, 陈仁德, 孙丽丽, 马冠水, 汪爱英

  表面技术. 2020, 49(6): 22-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.003

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  对比了碳基涂层改性金属极板、未涂覆的金属极板和传统石墨极板性能的优劣，阐述了碳基涂层在优化金属极板导电耐蚀性能方面取得的最新成果，以及在质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs）环境长期运行后，碳基涂层出现性能失效及寿命受限等问题。通过分析影响碳基涂层性能的因素，指出由于非晶碳材料设计、微观结构等对其性能影响规律的系统化研究不足，导致非晶碳涂层/金属极板损伤及退化机理不明确。重点阐述了国内外关于PEMFCs金属极板改性碳基涂层材料技术的研究进展，包括调控本征碳基涂层（a-C）微观形貌优化涂层性能；采用理论计算与实验相结合的方法制备金属掺杂碳基涂层(a-C: Me)，解决涂层与特定金属基体间粘附性差、压应力高等问题；设计多层结构碳基涂层以减少贯穿性缺陷。探讨了几类涂层失效机制，并对金属极板改性用碳基涂层技术进行了展望。
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  纳米复合薄膜水润滑摩擦学性能的研究进展

  周飞, 王谦之, 付永强, 张懋达

  表面技术. 2020, 49(6): 34-44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.004

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  评述了类金刚石基（DLC、a-C）、非晶氮化碳基（a-CNx）、过渡金属氮化物基（TiN、CrN）及其改性纳米复合薄膜的水润滑摩擦学性能，分析了微观结构、梯度结构、元素掺杂、对磨材料及摩擦参数对其水润滑摩擦磨损性能的影响，并揭示了水润滑中纳米复合薄膜存在的摩擦磨损机制，指出了三种纳米复合薄膜体系在水润滑中均可表现出优异的减摩抗磨特性，但与薄膜成分、层状结构、力学性能及对磨材料物理化学性能密切相关。一般而言，相比于过渡金属氮化物基薄膜，类金刚石基及非晶氮化碳基薄膜由于在水润滑中形成转移层和水合润滑层而呈现出更低的摩擦系数和磨损率。当选用的对磨材料易于发生摩擦水合反应时，形成的水合层起到的保护作用使得纳米复合薄膜均表现出了更低的磨损率。在保证薄膜未发生剥落而失效时，适当地加载载荷和滑移速度也是获得最优水润滑摩擦学性能的关键因素。为薄膜应用在水润滑器械作业提供了一定的参考，并展望了纳米复合薄膜水润滑摩擦学未来的研究方向。
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  聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究进展

  管文, 王永欣, 党蕊, 苏云飞

  表面技术. 2020, 49(6): 45-51. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.005

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  硬度低、耐磨性能差等固有缺点已成为限制聚合物材料在一些苛刻环境中工业应用的重要因素。为了改善表面硬度和耐磨性能，多种表面改性技术被用于聚合物材料的耐磨防护，其中在聚合物材料表面制备一层非晶碳薄膜被认为可有效提高材料表面硬度和耐磨性能。综述了聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究进展，分析了非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基结合强度不足的本质原因，聚合物材料与非晶碳薄膜两种材料在结构和性质上的不匹配使两者之间的突变界面在载荷作用下极易发生失稳，造成了膜基结合强度的不足。探讨和对比了目前常用于改善非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基结合强度的改性技术。其中，利用等离子体对聚合物材料表面进行处理，可以诱导材料表面有机碳质结构向无机碳质结构的逐渐转变，使非晶碳薄膜在聚合物材料表面获得可靠结合强度。利用等离子体处理法可以在聚合物基体表面构建原位转变层，原位转变层通过化学键的形式，为非晶碳薄膜在基体表面获得了可靠的膜基结合强度，有效提高了聚合物材料表面的硬度和减摩耐磨性能。
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  人工髋关节摩擦界面蛋白质吸附变性分解行为及类石墨碳润滑层形成的分子机制

  经佩佩, 张悦, 罗潇雨, 龚艳丽, 冯庆国, 冷永祥, 邓乔元

  表面技术. 2020, 49(6): 52-59. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.006

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  人工关节置换术被认为是治疗晚期关节炎、关节功能丧失等关节类疾病最有效和最终的治疗方式。首先介绍了人工髋关节体内服役环境特点及关节摩擦界面生物蛋白膜与类石墨碳润滑层的形成，进一步论述了在模拟体内服役环境下，过渡族金属铜催化摩擦界面的蛋白质变性降解，促进生物蛋白膜向类石墨碳润滑层的转变，最后探讨了过渡族金属离子介导产生活性氧自由基（ROS）催化蛋白质吸附、变性、分解及生物蛋白膜、类石墨碳润滑层形成的分子机制，并对未来陶瓷人工关节材料的设计提出展望。
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  基于非晶碳膜压阻效应的MEMS压力传感器研究

  马鑫, 张琪, 郭鹏, 同笑珊, 赵玉龙, 汪爱英

  表面技术. 2020, 49(6): 60-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.007

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  目的 研究非晶碳膜的压阻性能和机理，并将其作为压敏电阻应用于MEMS压力传感器敏感电路中。方法 使用直流溅射工艺制备非晶碳膜压敏薄膜材料，对典型样品进行内部组分和电学、力学、温度等性能测试和研究，使用有限元方法进行器件设计仿真，借助MEMS加工工艺完成非晶碳膜压力传感器芯片的加工，最后进行器件级别的测试和分析。结果 在0~1 MPa范围内，压力传感器芯片的灵敏度为9.4 μV/kPa，输出信号的非线性度为5.57% FS；对压敏电阻进行–70~150 ℃范围内的温度性能研究，其阻值与温度之间表现出较强的线性关系，且在–20~150 ℃段，线性度更强，表明非晶碳膜压敏材料在高温段应用时更容易补偿。机理研究方面，非晶碳膜在厚度方向上表现出组分差异化，因此该方向也应被纳入机理模型建立中。结论 非晶碳膜在加工工艺、力学性能以及电学性能上与传统的MEMS传感器芯片能够很好地结合，加工得到的非晶碳膜压阻式压力传感器灵敏度和线性度较为理想。此外，其压阻机理研究应纳入薄膜厚度方向。
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  类富勒烯结构对含氢碳膜摩擦学性能的影响

  裴露露, 吉利, 李红轩, 刘晓红, 周惠娣, 陈建敏

  表面技术. 2020, 49(6): 68-75. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.008

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  目的 研究类富勒烯结构含氢碳膜的摩擦学性能及润滑机理。方法 采用闭合场非平衡反应磁控溅射技术，通过调节靶电流制备出类富勒烯结构含氢碳膜（FL-C:H）与非晶含氢碳膜（a-C:H）。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜观察薄膜表面与断面的形貌，通过傅里叶红外光谱仪表征了碳膜的碳氢键结构，通过纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损实验评价薄膜的力学及摩擦学性能，通过透射电子显微镜分析磨屑结构，并通过光学显微镜及三维轮廓仪对磨斑及磨痕形貌进行分析。结果 类富勒烯结构对薄膜的机械力学性能影响不大，但是对其大载荷下的摩擦学性能有影响。与a-C:H碳膜相比，小载荷下（5 N），FL-C:H碳膜的摩擦系数较高，大载荷下（20 N），FL-C:H碳膜具有较低的摩擦系数（0.03）和磨损率（4.8×10-8 mm3/(m?N)），并且其摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。随着载荷的增加，FL-C:H碳膜的摩擦系数和磨损率先降低，后基本不变，在载荷大于15 N时，摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。结论 类球状纳米结构颗粒的形成能降低薄膜的摩擦系数和磨损率，而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成类球状纳米结构颗粒。这种类球状纳米结构的形成还依赖于载荷的大小（大载荷时更易形成），因此类富勒烯碳膜在大载荷下更易保持低的摩擦系数及磨损率。
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  硅烷流量对钛合金双极板表面改性碳膜性能的影响

  牟志星, 张兴凯, 高凯雄, 张斌, 王兆龙, 贾倩, 张俊彦

  表面技术. 2020, 49(6): 76-84. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.009

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  目的 通过对钛合金基底进行表面改性，提高其作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）金属双极板的耐蚀导电性能。方法 通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD），调控不同的SiH4流量（0~10 mL/min），在钛基底表面制备了含硅非晶碳膜。利用电化学工作站、界面接触电阻测量仪、水接触角测量仪、纳米压痕仪，分别测试了薄膜的耐蚀性、导电性、疏水性和力学性能。通过拉曼光谱分析了腐蚀前后薄膜内部杂化比变化，并结合扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜研究了薄膜厚度、腐蚀形貌和内部结构。结果 SiH4流量为8 mL/min时，制备的含硅非晶碳膜具有最佳耐蚀性和导电性，该含硅非晶碳膜水接触角为102.91o，硬度为9.28 GPa，弹性模量为60.34 GPa，厚度为2.822 μm。其动电位腐蚀电流密度为0.017 μA/cm2，相比钛基底提升3个数量级（80.51 μA/cm2），在1.4 MPa压力下，其界面接触电阻为47.06 mΩ?cm2。结论 硅的引入诱导非晶碳膜生成类石墨烯结构，提高了非晶碳膜的导电性能和耐蚀性能，提升了薄膜的力学性能及疏水性。用含硅非晶碳膜对钛双极板进行表面改性，有望显著提高极板的燃料电池性能。
研究综述
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  唾液蛋白的吸附与润滑行为研究进展

  曾启航, 唐悦, 周均, 郑靖, 周仲荣

  表面技术. 2020, 49(6): 85-91. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.010

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  首先针对唾液蛋白的吸附行为，介绍了唾液蛋白吸附膜的多层膜结构，分析了唾液蛋白在牙齿表面的选择性吸附机制，指出口腔内的唾液蛋白通过静电作用吸附于牙釉质表面形成初始膜，唾液蛋白之间通过氢键和范德华力吸附形成外层膜，并归纳总结了唾液蛋白种类、吸附时间、基体种类和口腔环境等因素对唾液蛋白吸附与成膜行为的影响。在此基础上，进一步介绍了唾液蛋白吸附膜的边界润滑行为，以及唾液膜成分、基体表面亲疏水性和口腔环境等因素对唾液膜边界润滑行为的影响规律，并对唾液蛋白吸附膜润滑性能的宏微观测试手段进行了归纳总结。最后，分析讨论了现阶段唾液蛋白吸附行为和润滑行为研究中存在的不足以及未来的发展趋势。
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  氧化物掺杂YSZ热障涂层的最新研究进展

  魏晓东, 侯国梁, 赵荻, 安宇龙, 周惠娣

  表面技术. 2020, 49(6): 92-103. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.011

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  随着先进航空发动机涡轮叶片热障涂层服役温度、服役寿命以及隔热性能的不断提升，研制温度高、使用寿命长和隔热性能优异的热障涂层材料，已成为国际高温防护涂层领域的研究热点。氧化物掺杂YSZ涂层因其良好的热学性能，成为最有可能替代YSZ涂层在航空发动机热端部件表面获得应用的热障涂层材料。综述了氧化物掺杂YSZ热障涂层研究取得的成果和存在的问题，重点阐述了不同氧化物掺杂对YSZ涂层性能的影响机理，并简述了目前国内外对该类涂层相关制备技术的研究进展。提出未来关于热障涂层的研究，应在进一步优化设计多元氧化物掺杂改性YSZ涂层的基础上，结合计算模拟，对多元氧化物掺杂的耦合作用机制进行深入剖析，同时结合新一代高温合金的性质，发展高温合金-粘结层-陶瓷层相匹配的新型热障涂层体系，从热力学-动力学两个方面考察其使役行为和失效机制，最终促进该类涂层的实际应用。
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  基于微弧氧化技术耐磨减摩涂层的研究进展

  马圣林, 张蓬予, 朱新河, 于洪飞, 付景国, 马春生

  表面技术. 2020, 49(6): 104-113. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.012

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  轻金属材料（铝、镁、钛及其合金等）具有质轻、比强度高等优良性能，被广泛应用于航天航空、汽车电子、海洋工程等机械领域，但化学性质活泼易腐蚀、硬度低易磨损等性质限制了其使役寿命及使用范围。为提升轻质材料表层界面的耐腐蚀性能和摩擦学性能，微弧氧化作为有效的表面强化技术得到了广泛研究。对基于微弧氧化处理铝、镁、钛及其合金表面，并采用复合技术制备耐磨、减摩复合涂层的研究现状进行了一个系统的总结。将复合技术分为三类：第一类，前处理（机械预处理、预置膜层）+微弧氧化；第二类，微弧氧化直接复合技术（减摩复合、抗磨复合）；第三类，微弧氧化+后处理（抛光、重熔、固体润滑涂层）。介绍了三类复合技术的制备工艺、注意事项，分析了其对运动摩擦副部件摩擦学性能的影响及优化方向。最后，指出了微弧氧化陶瓷膜层在摩擦学应用领域所面临的挑战，并从陶瓷膜层结构设计制备、增强韧性、降低对基体疲劳性能的影响和摩擦润滑机理等方面展望了其发展方向。
表面功能化
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  纳米硫化铋-锌复合镀膜的制备及其抗菌性能研究

  任亚东, 翟晓凡, 管方, 刘欣, 王楠, 段继周, 鞠鹏, 侯保荣

  表面技术. 2020, 49(6): 114-123. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.013

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  目的 将锌镀层与具有光催化抗菌性能的纳米粒子复合，实现对锌镀层的改性，成功制备一种具有光催化抗菌性能的功能性复合镀层。方法 通过向弱酸性硫酸盐锌镀液中加入梯度浓度具有可见光催化杀菌性能的硫化铋纳米粒子，在20#碳钢表面利用恒电流法一步成功制备了系列硫化铋-锌复合镀膜。利用电化学工作站监测了沉积过程中的沉积电位，分别记录沉积前和沉积后的样品质量并测量沉积面积，通过计算，确定了沉积过程的电流效率。通过扫描电子显微镜（SEM）、X-射线晶体衍射仪（XRD）及电子能谱仪（EDS）对镀层进行了形貌及成分分析，采用大肠杆菌作为代表性的细菌，检测了复合镀膜的抗菌性能。结果 与纯锌镀膜相比，硫化铋的加入显著促进了(100)晶相的晶体生长，而抑制了(102)晶相的晶体生长，使镀膜形貌由标准六方晶系变为块状晶体；硫化铋的加入使沉积电位变得更正，且随硫化铋添加量的增加，变正增幅变大；硫化铋的加入使电沉积过程的电流效率与纯锌镀膜的电流效率相比增大了5%左右，但硫化铋的添加量对电流效率的影响不大；硫化铋-锌复合镀膜在可见光下对大肠杆菌具有良好的抗杀性能，且硫化铋的复合量越高，抗菌效果越好。结论 通过笔者提出的电沉积方法，硫化铋可成功复合到了锌镀膜中，从而使硫化铋-锌复合镀膜获得了良好的抗菌性能，最终发现当镀液中硫化铋质量浓度为2 g/L时，硫化铋在锌镀层中的复合量最高，抗菌性能最好。
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  火焰法制备螺旋碳纳米纤维及其亲水改性

  张尚云, 附青山, 张伟, 何雪梅, 陈超, 陈建

  表面技术. 2020, 49(6): 124-131. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.014

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  目的 利用乙醇火焰法制备螺旋碳纳米纤维，并考查不同表面改性方法对螺旋碳纳米纤维亲水性的影响。方法 首先研究不同烧制时间、镍片-火焰距离、SnCl4溶液浓度对制备螺旋碳纳米纤维的影响，然后用水蒸气、聚乙烯吡咯烷酮K30（PVP）溶液以及氢氧化钠-浓硝酸溶液改性螺旋碳纳米纤维。通过扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪对所制备的螺旋碳纳米纤维进行表征，利用红外光谱分析、X射线光电子能谱分析和沉降实验评价不同改性方法的改性效果。结果 随着镍片-火焰距离的增加，螺旋碳纳米纤维含量增加，均匀度逐渐下降；随着烧制时间的延长，螺旋碳纳米纤维的均匀度先增加后降低；SnCl4 的浓度会影响碳纳米纤维的形貌和均匀度。制备均匀的螺旋碳纳米纤维的最佳条件为：73% SnCl4溶液，镍片-火焰距离1.5 cm，烧制9 min。通过红外光谱分析发现，三种改性方法都使螺旋碳纳米纤维表面接上亲水基团。沉降实验表明，PVP溶液和氢氧化钠-浓硝酸改性的螺旋碳纳米纤维在水溶液中静置48 h后的沉降率均为26.7%，而未改性的螺旋碳纳米纤维的沉降率为58.3%。结论 通过乙醇火焰法可以制备出均匀的螺旋碳纳米纤维，其中烧制时间、镍片-火焰距离、SnCl4溶液浓度对制备的螺旋碳纳米纤维的形貌和均匀度影响很大，需要在特定的条件下才能制备出均匀的螺旋碳纳米纤维。通过三种方法对螺旋碳纳米纤维进行改性，发现PVP溶液和氢氧化钠-浓硝酸改性的螺旋碳纳米纤维的表面亲水性更好，其中PVP溶液改性操作简单，且对螺旋碳纳米纤维的形貌没有破坏，对于螺旋碳纳米纤维改性会更有利。
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  能量过滤磁控溅射技术制备Cu2O/TiO2复合薄膜及其光催化性能

  王朝勇, 黄晓亚, 魏瑞朋, 田高旗, 刘志清, 王新练, 张飞鹏, 姚宁

  表面技术. 2020, 49(6): 132-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.015

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  目的 制备具备良好光催化性能的Cu2O/TiO2叠层复合薄膜。方法 利用直流磁控溅射技术（DMS）和能量过滤直流磁控溅射技术（EFMS）在玻璃基底上制备Cu2O/TiO2叠层复合薄膜，利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、椭偏仪和光催化测试系统表征和分析了薄膜的表面形貌、结构、透射率和光催化性能。结果 DMS技术和EFMS技术制备的TiO2和Cu2O薄膜都有良好的结晶特性，其中TiO2为单一的锐钛矿结构。相对于DMS技术制备的Cu2O薄膜，EFMS样品中的Cu2O薄膜的衍射峰较弱，而且衍射峰的宽度变宽，衍射曲线比较平滑。薄膜表面较平整，颗粒均匀，较细小，边界明显。DMS和EFMS两种技术制备的薄膜的平均晶粒直径分别为15.4 nm和10.8 nm。透射光谱测试结果表明，EFMS技术制备的复合薄膜平均透射率较大，在350~800 nm范围内，平均透射率为0.388，DMS薄膜的值为0.343。对罗丹明B（RhB）的光催化降解结果表明，EFMS技术制备的薄膜的降解速率为-0.00411，大于DMS技术制备的薄膜的降解速率-0.00334。结论 EFMS技术制备的Cu2O/TiO2叠层复合薄膜对罗丹明B具有较大的光催化降解速率。
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  Co-Cr3C2-WC/Al2O3太阳能选择性吸收涂层制备与性能研究

  邵豪, 曾鲜, 李擎煜, 刘富生, 刘统治, 程旭东

  表面技术. 2020, 49(6): 138-145. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.016

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  目的 研究不同比例的Co-Cr3C2-WC吸收层的光谱发射与吸收性能，并在吸收层表面制备Al2O3减反膜，进而得到一种新型中高温金属-陶瓷型太阳能选择性吸收涂层。方法 采用超音速火焰喷涂法（HVOF）在不锈钢基底制备Co-Cr3C2-WC吸收层，并对其成分比例进行优化，再通过溶胶-凝胶法（Sol-Gel）在吸收层表面制备Al2O3减反膜。通过X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等，对涂层的物相、元素价态、微观形貌进行表征分析。采用表面粗糙度仪测量涂层的表面均方根粗糙度。利用傅里叶红外光谱仪和紫外可见分光光度计分别测量涂层在远红外波段和紫外可见近红外波段的光谱反射率。结果 90Co-5Cr3C2-5WC（wt.%）吸收层具有最高的品质因子（吸收率/发射率α/?=0.805/0.308），且表面增加Al2O3减反膜后的涂层吸收率增加至0.903，发射率降低至0.278。涂层表面均匀致密，表面粗糙度Ra降低到1.109 μm。在750 ℃大气环境下热处理100 h后，涂层吸收率增大到0.910，发射率为0.315，选择吸收性能稳定。结论 90Co-5Cr3C2-5WC吸收层在保持较高的吸收性能下，有效地改善了热喷涂涂层的表面状态，降低了吸收层的发射率。Al2O3减反膜通过增大短波段光的透过作用以及封孔作用，进一步增大了复合涂层的吸收率，提高了涂层的选择吸收性能和高温服役性能。有望作为中高温太阳能集热系统中的选择吸收涂层材料。
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  基于Stoney公式适用性分析——取向硅钢绝缘涂层张应力的计算

  刘兆月, 司良英, 马家骥, 黎先浩, 杨平, 滕仁昊, 王现辉

  表面技术. 2020, 49(6): 146-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.017

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  目的 改善涂层张应力状态，进而提升取向硅钢的电磁性能。方法 用扫描电镜、辉光光谱仪分析了添加磷酸盐的胶体二氧化硅绝缘涂层的厚度和微观结构，采用静态拉伸试验得到了取向硅钢沿不同位向的力学特性。在此基础上，根据取向硅钢各向异性的特点和绝缘涂层的实际状态，用Stoney公式对取向硅钢涂层应力的适用性进行了讨论。结果 取向硅钢的各向异性不满足Stoney公式的适用条件，实际测试的取向硅钢的力学性能结果表明，取向硅钢符合正交对称各向异性材料的一般规律，据此给出了涂层对取向硅钢产生的张应力的计算公式，利用该公式对不同涂覆工艺条件下的胶体二氧化硅绝缘涂层的张应力进行了计算，涂层厚度在1~2 μm范围内，双面张应力的计算值为4~11 MPa。结论 文中张应力的计算公式不仅适用于取向硅钢，同样适用于其他基体为各向异性的类似情况。通过张应力的计算可知，涂层厚度与张应力呈正相关，张应力的增大将会促使取向硅钢的铁损降低。因此，开发大张力的绝缘涂层，是进一步改善取向硅钢磁性能的有效途径之一。
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  KCC-1/PVDF超疏水与超滑表面的制备及其性能研究

  曹京宜, 张海永, 杨文静, 陈蓉蓉, 刘婧媛, 王君

  表面技术. 2020, 49(6): 152-158. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.018

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  目的 将海胆状纳米二氧化硅（KCC-1）微球掺入聚偏氟乙烯（PVDF）中，制备出KCC-1/PVDF超疏水涂层，并在此基础上利用不同涂层修饰剂修饰，进一步制备出超滑涂层。方法 以溴化十六烷基吡啶作为模板，结合煅烧法合成了海胆状KCC-1微球，分散到PVDF溶液中，在镁合金表面制备KCC-1/PVDF涂层，并进一步用不同修饰剂（全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTES）、十六烷基三甲氧基硅烷（HDTES）和二甲基硅油）对涂层表面进行改性。结果 经过十六烷基三甲氧基硅烷改性，得到水接触角为155°的超疏水涂层，而灌注二甲基硅油后得到滑动角为4.5°的超滑表面。摩擦磨损实验中，超滑表面的耐磨性优于超疏水表面，优于空白镁合金；防覆冰实验结果表明超疏水和超滑表面能有效延缓液滴在表面结冰。结论KCC-1/PVDF超疏水与超滑涂层能有效地保护镁合金基底，且超滑涂层的防腐蚀性优于超疏水涂层，其腐蚀抑制效率IE分别为100%和98.28%。
表面摩擦磨损与润滑
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  TaWTiVCr高熵合金薄膜的制备及微观结构、力学性能研究

  李荣斌, 黄天, 蒋春霞, 张如林

  表面技术. 2020, 49(6): 159-167. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.019

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  目的 使用磁控溅射设备进行共沉积，制备不同元素组成的TaWTiVCr高熵合金薄膜，并对薄膜力学性能进行表征，为该体系高熵合金最佳元素组成的筛选提供依据。方法 在共沉积中，通过对TaW和TiVCr两组中间合金靶的沉积电流进行调整，实现薄膜元素组成的调整。使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能量色散X射线光谱仪（EDX）和原子力显微镜（AFM），研究了不同元素组成下薄膜的表面形貌、粗糙度、元素组成及相结构的变化。使用纳米压痕法分析了材料的硬度和模量，通过往复磨损实验分析了材料的耐磨性，使用共聚焦显微镜（CLSM）计算磨损体积，同时将力学性能的实验数据以及热力学计算的结果相结合进行分析。结果 随Ti、V、Cr含量的增加，薄膜结晶性能变差，由BCC晶体结构向BCC+非晶态混合结构转变，表面形貌由褶皱状形貌转变为凹坑状形貌，并伴有微小团聚颗粒形成。硬度和模量先升高，随后下降，其中Ta24W25Ti16V18Cr17薄膜在多种强化机制的作用下，表现出最好的力学性能，硬度和模量分别达到27.61 GPa和274.42 GPa。同时受较高的硬度和特殊表面形貌特征影响，薄膜表现出较低的平均摩擦系数和磨损率，分别为0.34和5.01×10-9 mm3/(N?mm)，具备优异的耐磨性能。结论 通过共沉积法制备高熵合金薄膜并进行表征，可以快速筛选出TaWTiVCr高熵合金的最佳元素组成，在特定的元素组成下，形成BBC和非晶态混合结构有助于提高材料的力学性能。
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  工艺参数对镍钴合金胎体摩擦磨损性能的影响

  杨航城, 卢雨, 田海燕

  表面技术. 2020, 49(6): 168-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.020

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  目的 研究镀液中氨基磺酸钴浓度、电流密度及糖精钠含量对低钴镍钴合金镀层摩擦磨损性能的影响，提高耐磨性能，利于后续电镀用于航空材料孔系加工的金刚石刀具。方法 在氨基磺酸盐镀液体系中，采用电沉积法制备低钴Ni-Co合金镀层。应用销盘式摩擦磨损试验机对镀层进行摩擦因数研究。采用三维形貌仪与LEICA DVM500显微镜观察镀层磨损宽度、深度与磨损形貌。分析不同电流密度、氨基磺酸钴浓度与糖精钠浓度对镀层摩擦因数、耐磨性能与磨损形貌的影响。结果 当钴盐质量浓度从6 g/L升至18 g/L时，摩擦因素从2.273下降至1.915，提高了镀层表面平整性，降低了摩擦因数。随钴盐浓度提高，磨损形式从粘着磨损为主转为以磨粒磨损为主，镀层的抗塑性流变能力与耐磨性能得到提高。随电流密度升高，镀层平均摩擦因数从1.132增加至2.346，上升了107%，表面平整性下降，磨损横截面面积呈上升趋势，镀层的耐磨性能减弱，磨损机制转为粘着磨损和磨粒磨损双重磨损形式。糖精钠的加入使得摩擦因数从0.926上升至2.429，增加了1.6倍，但其磨损量下降明显，且磨损机制以磨粒磨损为主。结论 提高钴盐浓度可细化晶粒，减小摩擦因数，提高镀层耐磨性，促进磨粒磨损发生。增大电流密度使得镀层晶粒粗大，致使摩擦因数升高，减小抗塑性变形能力，耐磨性能降低，促进粘着磨损发生。糖精钠有细晶作用，可缓解镀层磨损疲劳程度，提高其抗塑性流变能力，但对摩擦因数却起反向效果。综合，可选择电流密度2 A/dm2、钴盐质量浓度18 g/L及糖精钠质量浓度0.5 g/L作为工艺参数制备金刚石刀具胎体材料，由此获得的刀具具有较好的摩擦磨损性能，可提高使用寿命。
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  等离子熔覆Fe-Cr-C合金涂层工艺优化及性能研究

  李响, 来佑彬, 杨波, 王冬阳, 孙铭含, 吴海龙, 苑仁月, 孙世杰, 于锦

  表面技术. 2020, 49(6): 177-184. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.021

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  目的 采用等离子熔覆技术在Q235钢表面制备Fe-Cr-C合金熔覆层，提高基材表面的硬度和耐磨性。方法 通过正交试验确定最佳工艺参数，用SEM、EDS、XRD分析熔覆层的组织结构和物相，用显微硬度计和摩擦磨损试验机测试熔覆层的硬度和耐磨性。结果 工作电流和送粉速度对等离子熔覆层的硬度和磨损量的综合影响最为显著，最佳工艺参数为：工作电流110 A，扫描速度110 mm/min，送粉速度6 r/min，搭接率40%，离子气流量1 L/h。熔覆层硬质相为(Cr,Fe)7C3，其余物相为γ-Fe、(Fe,Cr)、(Fe,Ni)、(Fe,C)、(Fe,Ni)23C6、Cr7C3、Ni3Si、Fe3Mo、Fe2Nb。最优参数试样熔覆层的平均显微硬度为545.1HV0.5，比Q235钢基体的硬度高3倍左右。经过5 h摩擦磨损试验后，其总磨损量为0.25 g，比基体磨损量减少约2/3；磨损体积为45.09 mm3，约为基体磨损体积的1/3；磨损率为1.22×10-4 mm3/(N?m)，约为基体磨损率的1/3；摩擦系数为0.23，约为基体摩擦系数的1/2。结论 在Q235钢基体表面采用等离子熔覆技术制备出Fe-Cr-C合金熔覆层，其硬度和耐磨性能得到显著提升。
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  钴基合金等离子熔覆工艺研究与优化

  来佑彬, 杨波, 王冬阳, 孙铭含, 吴海龙, 李响

  表面技术. 2020, 49(6): 185-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.022

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  目的 优化钴基合金等离子熔覆工艺参数，提高熔覆层的成形质量。方法 以熔覆于Q235钢表面的多道钴基合金耐磨涂层为研究对象，开展正交试验，利用MIRA3X-MHX型扫描电子显微镜分析涂层组织结构及不同区域的物相成分，采用KEYENCE VHX-5000超景深显微镜和HXD-1000TMC/LCD维氏显微硬度计对熔覆层表面平整度和横断面的显微硬度进行测量分析，并结合灰关联分析法和极差分析法，探究工作电流、扫描速度和送粉速度对熔覆层表面平整度和显微硬度的综合影响，优化出最佳工艺参数组合。 结果 工作电流对熔覆层成形质量的影响最为显著，其次是扫描速度、送粉速度。各组熔覆层横断面纵向显微硬度的波动情况大致相同，且最大显微硬度均出现在距离上表层约0.4 mm处，熔覆层平均显微硬度是基体材料的3倍多。熔覆层中上部的组织结构分布均匀且致密，随着熔覆层深度的增加，熔覆层稀释率呈增大趋势，显微硬度逐渐降低。在工作电流为95 A、扫描速度为90 mm/min、送粉速度为12 r/min的工艺参数下，熔覆层与基板结合良好，无气孔和空隙，横断面平均显微硬度较高，且熔覆层表面较为平整。结论 经等离子熔覆成形质量工艺参数优化后，熔覆层表面性能有效提高，该结果可为等离子熔覆技术应用于易磨损工件的耐磨性研究提供参考。
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  胆碱氨基酸离子液体水润滑添加剂的原位制备及性能研究

  凡明锦, 鲁昱, 马琳, 韩云燕, 靳亚英, 李文倩

  表面技术. 2020, 49(6): 194-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.023

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  目的 研究原位制备胆碱氨基酸离子液体水润滑添加剂的摩擦学性能、物理化学性能及其毒性。方法 以氨基酸和胆碱为原料，在去离子水中原位制备7种氨基酸离子液体水润滑添加剂（[Ch][AA] ILs）。以去离子水为对照样，对其摩擦学性能、物理化学性质进行系统研究。以传统离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（L-B104）为对照样，绿藻和海虾作为实验对象，对其水生生物毒性进行评价。结果 添加不同种胆碱氨基酸离子液体添加剂后，水溶液的运动黏度明显增加，并且呈现出递增的趋势。浸泡在含400 mmol/L胆碱氨基酸离子液体的水基润滑剂中时，铸铁棒条的腐蚀极为轻微。作为润滑剂使用时，测试原位制备的胆碱氨基酸离子液体水基润滑剂的浓度为400 mmol/L时的减摩抗磨性能，其摩擦系数都比水小。毒性试验显示，[Ch][AA] ILs的半抑制浓度（EC50）和半致死浓度（LC50）值远远大于L-B104。结论 与去离子水相比，以胆碱氨基酸离子液作为水润滑添加剂，在钢/钢摩擦副上表现出优异的润滑性能。其中，含有芳杂环的[Ch][Trp]具有最优异的减摩抗磨性能，其摩擦学系数和磨损体积最小。这可能归因于芳杂环的引入使得含有该离子液体添加剂的水溶液黏度显著增大，在摩擦过程中能够形成更牢固的润滑保护膜，从而使该氨基酸胆碱离子液体具备优越的减摩抗磨性能。在毒性试验中发现，氨基酸胆碱离子液体水润滑剂的毒性远小于传统离子液体（L-B104），对试验生物体基本无毒害作用。
表面失效及防护
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  热处理对激光熔覆IN939合金涂层组织与性能的影响

  盛家锦, 王梁, 刘蓉, 丁银萍, 薛承感, 姚建华, 陈智君

  表面技术. 2020, 49(6): 202-209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.024

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  目的 优化IN939镍基高温合金涂层的组织与性能。方法 采用同轴送粉激光熔覆技术制备了IN939涂层，并将涂层分成四组，一组作为对照，其余三组分别采用单固溶处理、单时效处理、完全热处理（固溶+时效）。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD），分析了显微组织结构和物相组成，并通过显微硬度测试、电化学腐蚀试验来研究热处理过程中涂层组织的变化对硬度和耐蚀性能的影响。结果 激光熔覆IN939高温合金涂层的形貌良好，并且没有出现气孔、裂纹等缺陷。热处理前试样中很难观察到γ′相，而三组热处理后的试样中均出现了γ′相沉淀，其中单固溶处理后析出的γ′颗粒的平均粒径为60 nm，而单时效和完全热处理所析出的γ′颗粒的平均粒径为100 nm。热处理后涂层显微硬度有所提高，其中单时效后的涂层平均硬度为472.7HV0.2，比热处理前提高了10.2%；完全热处理后的涂层平均硬度为475.6HV0.2，比热处理前提高了10.9%。此外，电化学腐蚀试验结果显示，单时效处理和完全热处理后的IN939涂层的自腐蚀电流密度明显减小（分别为3.014×10–7、3.441×10–7 A/cm2），使得极化电阻分别提高了35.1%和39.3%，腐蚀速率大大降低。结论 热处理能够使激光熔覆IN939涂层中的γ′相析出，单时效与完全热处理过程中γ′相的析出方式不同，但最终的尺寸和分布基本一致。热处理可以提高涂层的硬度和耐蚀性能，其中完全热处理对性能的提升最明显，单时效处理次之。
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  马来酸酐聚丁二烯改性聚氨酯涂层的耐水及耐蚀性研究

  刘江涛, 王金伟, 张达威, 柳伟

  表面技术. 2020, 49(6): 210-215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.025

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  目的 改善聚氨酯涂层的耐水性和耐蚀性等综合性能。方法 采用可反应型橡胶马来酸酐聚丁二烯（MAPB）化学改性聚氨酯，并通过红外光谱、接触角、耐水性及电化学阻抗谱等对复合涂层的结构与性能进行表征。结果 通过比较分析红外光谱（FT-IR）中改性前后聚氨酯基团对应吸收峰的变化，确定了MAPB成功对聚氨酯进行化学改性。随着马来酸酐丁二烯用量的增加，改性聚氨酯涂料表面疏水性增强，吸水率降低，物理机械性能也得到提高。当加入MAPB含量约为3%~5%时，复合涂层的接触角由75°提高到了95°，吸水率由1.5%降低到最低约0.5%，硬度由3H提高到4H，附着力从4B提高为5B。另外，随着浸泡时间的增加，改性涂层的阻抗值下降的更缓慢，表明MAPB的加入提高了涂层的耐腐蚀性能，尤其是含3%马来酸酐丁二烯改性聚氨酯涂层的耐蚀性表现最优异，这也得到盐雾试验的进一步验证。结论 加入约3%的马来酸酐丁二烯改性聚氨酯可大幅降低涂层的吸水率，同时涂层的耐蚀性等综合性能得到改善，这主要归因于可反应基团参与交联提高了涂层的致密度，及其主链烯烃的疏水特性提高了涂层阻隔水和腐蚀介质渗透扩散的能力。
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  二次喷丸42CrMo钢表面完整性的数值模拟研究

  何嘉禧, 汪舟, 甘进, 杨莹, 王晓丽, 石明, 任旭东

  表面技术. 2020, 49(6): 216-223. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.026

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  目的 探究二次喷丸工艺参数对42CrMo钢零件表面完整性的影响规律。方法 建立三维随机喷丸有限元模型，并通过实验验证有限元模型预测残余应力的准确性。将一次喷丸后零件的表面形貌和应力应变结果作为初始状态导入到二次喷丸模型中，构建出二次喷丸预测模型。分析二次喷丸参数对42CrMo钢零件表面残余应力场、表面粗糙度以及等效塑性形变场的影响情况。结果 二次喷丸后，42CrMo钢零件近表层（0~100 μm）的残余压应力值均比初始状态有所增加。增加二次喷丸覆盖率对表面残余应力的提升作用最为明显，最大可比初始状态提高63.3%，而增加二次喷丸直径对残余应力的改善效果最不明显。过度增加二次喷丸速度会导致表面粗糙度明显增加，提高二次喷丸覆盖率可显著降低表面粗糙度，覆盖率为300%时，粗糙度比初始状态减小了14.4%。表层PEEQ值随着二次喷丸速度、弹丸直径和覆盖率的增加而增加，但当二次喷丸速度、弹丸直径和覆盖率增加到一定程度后，表层PEEQ值会趋于饱和。结论 二次喷丸预测模型揭示了二次喷丸参数与42CrMo钢零件表面完整性之间的影响规律，为二次喷丸的工业应用提供了一定的参考意义。
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  新型NbMoCrTiAl-1Si-xB(x=0、1)难熔高熵合金的微观组织及高温氧化行为研究

  要玉宏, 梁霄羽, 金耀华, 王正品, 刘江南, 南條弘

  表面技术. 2020, 49(6): 224-235. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.027

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  目的 进一步改善新型低密度难熔高熵合金NbMoCrTiAl-1Si的高温氧化能力。方法 采用非自耗真空电弧熔炼技术配合水冷铜模制备了NbMoCrTiAl-1Si-xB(x=0、1)合金，于1173 K下，在TGA/DSC1型热重及同步热分析仪上进行了48 h高温氧化试验，通过XRD、SEM及EDS分析了该合金的组织结构和高温氧化机制。结果 铸态NbMoCrTiAl-1Si-xB(x=0、1)合金具有典型的枝晶状组织，1% B元素的添加不会改变合金枝晶的组织结构，但会使枝晶间组织形态由黑色纳米颗粒状转变为亮白色短棒状。NbMoCrTiAl-1Si合金的氧化过程由初期线性快速氧化阶段和后期抛物线慢速氧化阶段组成，氧化总增重为1.064 mg/cm2，而NbMoCrTiAl-1Si-1B合金氧化过程则可分为具有两个不同氧化速率常数的抛物线氧化阶段，氧化总增重约为NbMoCrTiAl-1Si合金氧化总增重的1/2。经48 h高温氧化后，NbMoCrTiAl-1Si合金表面氧化膜凹凸不平，枝晶间发生了明显的内氧化现象，形成了枝晶内以片状和针状刚玉结构的Al2O3为主，枝晶间以团簇状金红石结构的TiO2为主的氧化膜，NbMoCrTiAl-1Si-1B合金表面氧化膜相对平坦，整个试样表面覆盖了一层由Al2O3、TiO2和Ti0.4Al0.3Nb0.3O2等组成的连续、致密的氧化膜。结论 1% B元素的添加会促进NbMoCrTiAl- 1Si-1B合金表面Al2O3和TiO2等致密氧化物的形成，抑制合金内氧化进程，显著提高合金抗高温氧化能力。
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  PS-PVD制备粘结层及其对热障涂层性能的影响

  张啸, 刘敏, 毛杰, 刘飞, 邓子谦, 邓春明, 郑黎

  表面技术. 2020, 49(6): 236-243. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.028

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  目的 探究真空热处理对PS-PVD制备的粘结层的影响，并研究PS-PVD制备粘结层对热障涂层性能的影响。方法 采用PS-PVD技术在高温合金基体上制备不同材料体系的粘结层和陶瓷层，采用真空热处理和高温氧化试验，对粘结层与基体界面间的元素扩散过程以及不同材料粘结层对热障涂层抗氧化性能的影响进行研究，并通过X射线衍射和EDS能谱对涂层的物相及元素分布进行分析。结果 通过PS-PVD制备的不同粘结层体系的热障涂层试样，在近粘结层处的陶瓷层物相组成并无明显区别。粘结层与基体的元素扩散情况受真空热处理时间和温度的影响，随着真空热处理时间的延长，基体一侧的富铝相逐渐增多。当热处理8 h后，形成的扩散区的宽度已超过20 μm；随着热处理温度的提高，同样也形成了更宽的扩散区。NiCoCrAlYTa/7YSZ热障涂层氧化100 h后，TGO层的厚度达到4.0 μm，氧化150 h时，涂层发生脱离。NiCrAlY/7YSZ热障涂层氧化150 h后，TGO层的厚度达到4.4 μm，但未出现脱离现象。结论 热处理的时间越长，温度越高，粘结层与基体的元素扩散行为越剧烈。不同的粘结层材料会影响热障涂层的氧化动力学过程。
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  不同退火温度下a-C:Si涂层的热稳定性研究

  唐昆, 张家豪, 李典雨, 谭可成, 张明军, 毛聪, 张健, 胡永乐

  表面技术. 2020, 49(6): 244-252. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.029

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  目的 在碳化硅基底上制备a-C:Si涂层，通过分析涂层在不同退火温度下的热稳定性机制，拓宽其在高温领域的应用。方法 采用非平衡磁控溅射法在碳化硅表面沉积a-C:Si涂层，并进行不同温度的退火热处理，通过XPS、SEM、拉曼光谱对涂层进行表征与分析。利用分子动力学对a-C:Si涂层退火过程进行仿真，从涂层与原子结构、原子径向分布函数、配位数、键长及键角等多方面对涂层石墨化行为进行分析。通过仿真与实验数据的交叉分析，探究a-C:Si涂层热稳定性机制。结果 a-C:Si涂层主要由C、Si元素组成，且碳原子之间主要形成sp2和sp3两种杂化键，其中sp3键居多，随退火温度的上升，其相对含量下降。a-C:Si涂层的拉曼光谱在400~500 ℃时出现明显的D峰，ID/IG积分强度比和G峰峰值具有相似的变化趋势。退火温度升高时，涂层中键长较长的sp3-sp3键最先开始向sp2-sp2转化，随着退火温度的升高，键长较短的sp3-sp3键才开始变化。石墨化过程中，sp3-sp3键转化率最大，Si与C形成高热稳定性的Si—C键。结论 退火处理对a-C:Si涂层的热稳定性有重要影响，退火温度为400 ℃时，a-C:Si涂层开始发生石墨化转变。Si元素能稳定原子结构，与Si成键的C-sp3杂化原子具有更高的热稳定性，降低了石墨化的速率。
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  还原氧化石墨烯对复合材料电阻焊接头强度的增强作用

  熊需海, 张忠宝, 任荣, 赵普, 王道晟, 崔旭

  表面技术. 2020, 49(6): 253-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.030

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  目的 通过还原氧化石墨烯（RGO）与不锈钢网的结合，改善不锈钢网作为电阻焊接玻璃纤维增强聚醚酰亚胺（GF/PEI）层合板植入体时的界面性能。方法 在相同的焊接工艺下，对不同焊接时间的焊接强度进行比较。利用扫描电镜、红外光谱、拉曼光谱对改进的Hummers法合成的氧化石墨烯（GO）和水合肼还原的GO进行表征。使用扫描电镜和动态接触角对包裹不同次数RGO的不锈钢网进行测试分析。以包裹不同次数RGO的不锈钢网为植入体进行电阻焊接试验，并对焊接强度和失效模式进行分析。结果 不同的焊接时间下，确定120 s左右时达到最高单搭接剪切强度，为26.6 MPa。由于RGO的疏水性，表面包裹不同次数RGO的不锈钢网动态接触角由89.8°增长到127.7°。在优化后的焊接时间下，用包裹5次RGO的不锈钢网为植入体的电阻焊接强度达到最高，为41 MPa。同时，RGO的加入使电阻焊接失效模式由最初的不锈钢网直接剥离失效向不锈钢网与层合板同时撕裂失效转变。结论 RGO包裹的不锈钢网有效地改善了纯不锈钢网作为植入体和PEI树脂的界面相容性，对电阻焊接接头强度有着明显的提高。
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  磁针磁力研磨去除涡轮轴内壁积碳

  陈燕, 胡玉刚, 巫昌海, 杨大鹏, 韩冰

  表面技术. 2020, 49(6): 259-266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.031

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  目的 去除航空发动机涡轮轴内壁的积碳。方法 采用磁针磁力研磨法对涡轮轴内壁积碳进行研磨去除，利用3D超景深电子显微镜对研磨去除积碳前后的涡轮轴内壁表面形貌进行观察，利用扫描电子显微镜对涡轮轴内壁积碳成分和涡轮轴基体成分进行测定与分析，并对磁针磁力研磨去除积碳后的涡轮轴内壁成分进行测定，与基体成分进行对比，验证积碳去除的彻底性。结果 涡轮轴内壁积碳经磁针磁力研磨后被完全去除；积碳成分中包括的元素有O、C、Na、Al、Si、Ti、Fe、Zr、Mo、S、K，基体成分中包括的元素有C、Al、Si、Ti、Zr、Mo，经磁针磁力研磨存有积碳的涡轮轴内壁后，测得内壁成分中包含的元素有C、Al、Si、Ti、Mo、O、Fe，表明经磁针磁力研磨后，涡轮轴内壁积碳被完全去除。结论 成分测定分析的验证结果表明了从表面形貌分析中得到的涡轮轴内壁积碳被完全去除的结果的正确性，同时也表明了用磁针磁力研磨去除涡轮轴内壁积碳的方法具有可行性，并且可以达到较好的效果。
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  蠕墨铸铁中性盐雾腐蚀行为及机理研究

  崔静, 路梦柯, 李虎林, 张杭, 翟巍, 庞铭, 杨广峰

  表面技术. 2020, 49(6): 267-275. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.032

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  目的 揭示蠕墨铸铁的大气腐蚀行为，阐明其腐蚀规律及腐蚀机理。方法 采用室内加速中性盐雾腐蚀实验，并用失重法、SEM\EDS、XRD、电化学的方法来表征实验现象。结果 蠕墨铸铁在中性盐雾环境中锈层截面具有明显的分层现象，前期腐蚀速率为0.53 mg/(cm2?h)，后期腐蚀速率在波动中总体趋于稳定，为0.36 mg/(cm2?h)。蠕墨铸铁带锈试样的自腐蚀电位（Ecorr）在-680~-600 mV之间先减小后增大，极化电阻（Rp）变化趋势与自腐蚀电位（Ecorr）一致，自腐蚀电流（Icorr）大小在整个腐蚀周期内具有明显的波动。蠕墨铸铁在中性盐雾环境中的腐蚀产物为Fe(OH)3、Fe2O3、FeOOH及少量Fe3O4和金属碳化物Fe2C。结论 蠕墨铸铁在中性盐雾环境中腐蚀84 h后发展为全面腐蚀，形貌呈沟壑状，腐蚀产物微观形貌呈团簇状和片层状。腐蚀早期，基体表面发生电化学腐蚀形成一层氧化膜，腐蚀介质沿石墨侵蚀基体从而产生内应力，导致外部锈层断裂，同时蠕虫状石墨处腐蚀产物呈疏松团簇状，二者共同构成介质传质通道，使腐蚀更容易发展。
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  镀层厚度对铝基化学镀镍磷导电性和耐蚀性的影响

  刘冰洋, 周根树, 任颖, 周凡, 曹雅心, 李忠齐, 赵金凤

  表面技术. 2020, 49(6): 276-283. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.033

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  目的 提高铝合金耐蚀性的同时，保证其良好的导电性。方法 通过化学镀的方法，在铝合金表面沉积一层镍磷合金。研究镀层厚度对试样导电性和耐蚀性的影响。通过电化学试验和浸泡试验，分析施镀前后的铝合金试样在模拟不同性质隧道渗水环境中的耐腐蚀性能。结果 当镍磷镀层厚度为11.6 μm时，镀层致密无孔隙，且表面胞状物分布均匀，试样具有最佳导电耐蚀综合性能。随着镀层厚度的增加，试样的体积电阻率随之增加。镀层厚度为11.6 μm时，试样实测体积电阻率为3.01×10–8 Ω?m。试样在3.5%NaCl溶液中的阻抗值随镀层厚度的增加，先增加后降低，镀层厚度为11.6 μm时，具有最佳的耐腐蚀性能。在pH=2、3.5%NaCl和pH=12的腐蚀介质中，化学镀镍磷后的试样自腐蚀电流密度相对于铝基体分别下降30%、60%和5个数量级。结论 厚度为11.6 μm的镍磷镀层可以赋予铝合金在各模拟环境中最佳的耐腐蚀性能，同时保障良好的导电性能。
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  稀土铈对Ni-P镀层组织和性能的影响

  赵丹, 侯金明, 马青青, 崔睿, 王亮, 金洁

  表面技术. 2020, 49(6): 284-289. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.034

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  目的 研究稀土铈对Ni-P镀层表面组织、沉积速率和耐腐蚀性能的影响，提高沉积速率，改善镀层表面质量，进而提高镀层的耐腐蚀性能。方法 采用酸式化学镀方法在50钢基体表面制备了添加稀土铈的Ni-P合金镀层，研究稀土铈的添加量对Ni-P合金镀层表面组织形貌和性能的影响。采用金相显微镜观察镀层表面组织形貌，参照GB/T 13913—2008计算镀层沉积速率；使用HV-1000Z型显微硬度计测定合金镀层的硬度，采用均匀腐蚀全浸试验法测试合金镀层在5%NaCl溶液和10%NaOH溶液中的耐蚀性能。结果 稀土铈的添加量为40 mg/L时得到的合金镀层组织细小、均匀、平整、致密，沉积速率达到最大值10.4 mg/(cm2?h)。随着稀土铈添加量的增加，镀层硬度明显增大，在稀土铈质量浓度为60 mg/L时，最大硬度值达到487.2HV，硬度提高了13.5%。Ni-P合金镀层在5%NaCl和10%NaOH溶液中耐腐蚀实验结果表明，未添加铈的镀层腐蚀速率最大，添加稀土铈的镀层腐蚀速率呈现先降低后增加的趋势，稀土铈质量浓度为40 mg/L时，镀层的腐蚀速率最低。结论 稀土铈可以明显改善镀层表面质量，提高镀层沉积速率、硬度和耐腐蚀性能。
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  航空弓形结构框喷丸强化变形计算及工艺规范建立

  蒋建军, 陈飞, 门向南, 钞欣, 方丁, 王成雨, 李伟刚, 杨杰

  表面技术. 2020, 49(6): 290-296. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.035

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  目的 研究航空弓形结构框喷丸强化变形的力学理论、有限元模拟的预测方法，建立喷丸强化工艺规范，为国内航空工业中的喷丸工艺提供一定指导。方法 首先利用有限元软件ABAQUS进行若干组不同喷丸速度的随机弹丸撞击模拟，创建与喷丸平均速度相关的喷丸诱导应力数据库，在此基础上，进行弓形结构框喷丸强化变形的理论预测和有限元仿真。在ABAQUS环境下开发一个快速模拟不同喷丸参数下弓形结构框喷丸强化变形的插件，实现各种不同类型的弓形结构框的自动前处理以及理论解和仿真解的给出。在以上研究的基础上，发展一套快速确定各类弓形结构框喷丸强化参数的工艺规范。结果 针对某型号弓形结构框，在相同的喷丸参数下，理论计算的最大变形量为1.25 mm，有限元计算的最大变形量为1.13 mm，实验结果为1.8 mm。结合计算预测和工艺规范，确定了喷丸矫形区域及参数，最终弓形结构框的变形为0.15 mm，满足精度要求，验证了计算预测与规范的有效性。结论 分析认为，建立的理论预测方法和有限元方法可以快速准确地预测弓形结构框喷丸强化变形结果。本研究对于国内航空工业中弓形结构框喷丸强化变形的快速仿真以及理论预测具有较大的工程价值。
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  TC4钛合金表面沉积TiCN涂层及其耐磨耐腐蚀性能研究

  张冬冬, 史昆玉, 汤皓晨

  表面技术. 2020, 49(6): 297-304. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.036

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  目的 提高TC4钛合金的耐磨耐蚀性能。方法 采用双阴极等离子溅射沉积技术在TC4合金表面制备了TiCN涂层。通过XRD表征了涂层的物相组成，并通过SEM表征了涂层的微观形貌。利用声发射划痕仪研究了涂层与基体的结合力，摩擦磨损试验机用于研究TiCN涂层的摩擦磨损性能。用电化学工作站在3.5%NaCl溶液中进行电化学实验。结果 所沉积涂层均匀致密，无明显缺陷，涂层由外层厚度约为8 μm的TiCN沉积层和其下约4 μm厚的过渡层组成。TiCN涂层与TC4基体的结合强度比较高，其结合力达到66.4 N。室温条件下法向载荷相同时，TiCN涂层的磨痕宽度远小于TC4钛合金基体的磨痕宽度。TiCN涂层的比磨损率为(1~2)×10-5 mm3/(N?m)，TC4钛合金的比磨损率为(2~4)×10-4 mm3/(N?m)，TiCN涂层的比磨损率较TC4钛合金降低了1个数量级以上，并且对载荷的变化不敏感。TiCN涂层与TC4钛合金基体比较，具有更高的自腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度，涂层的腐蚀电流密度为1.57×10-9 A/cm2，TC4钛合金的腐蚀电流密度为1.35×10-8 A/cm2，涂层的腐蚀电流密度较钛合金基体小1个数量级。TiCN涂层的EIS阻抗谱容抗弧值也较大。结论 双阴极等离子溅射沉积TiCN涂层可以有效提高TC4钛合金的耐磨耐腐蚀性能。
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  表面接枝含氟树脂改性HGB对聚氨酯涂层耐老化性能的影响

  潘越, 文庆珍, 朱金华

  表面技术. 2020, 49(6): 305-313. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.037

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  目的 在中空玻璃微珠（HGB）表面接枝含氟树脂，以其为填料改善聚氨酯（PU）涂层的耐老化性能。方法 采用表面接枝法将中空玻璃微珠分别经NaOH溶液、硅烷偶联剂KH550、HDI三聚体、含氟树脂处理，制备表面接枝含氟树脂的中空玻璃微珠（F-HGB），并以HGB、F-HGB为填料制备HGB/PU、F-HGB/PU涂层。通过FTIR、SEM、EDS、接触角测定仪表征HGB表面接枝情况。利用紫外老化装置、氙灯老化箱分别对涂层进行紫外老化和氙灯老化，以涂层的外观、色差和光泽度变化评价玻璃微珠添加量、表面改性对涂层耐老化性能的影响。结果 HGB表面成功接枝含氟树脂。相比于PU、HGB/PU涂层，F-HGB/PU涂层的耐老化性能有较大提高。当F-HGB添加量为20 phr时，F-HGB/PU涂层紫外老化1320 h后，色差为24.38，相比PU、HGB/PU涂层分别降低了48.03%、12.21%，光泽度为49.2，相比PU、HGB/PU涂层分别提升了11.58%、5.70%。氙灯老化360个循环后，色差为18.82，相比PU、HGB/PU涂层分别降低了37.62%、20.05%，光泽度为48.6，相比PU、HGB/PU涂层分别提升了7.52%、7.76%。结论 表面接枝含氟树脂改性中空玻璃微珠具有良好的耐老化性能，可作为功能填料提高聚氨酯涂料的耐老化性能。
表面质量控制及检测
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  基于介电泳效应的高速抛光电极分布仿真研究与实验验证

  王佳焕, 邓乾发, 袁巨龙, 王旭, 吕冰海, 赵萍, Duc-Nam Nguyen

  表面技术. 2020, 49(6): 314-322. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.038

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  目的 解决传统平面环抛过程中存在的两种问题：（1）抛光液受抛光盘和工件旋转离心力作用而抛光液在加工区域分布不均，导致加工工件高平面度差；（2）抛光液受到的离心力作用限制了抛光盘转速，导致抛光效率低。方法 提出一种基于介电泳效应的平面抛光方法（DEPP），在抛光区域增加一个非均匀电场，利用中性粒子在非均匀电场中极化后受介电泳力的作用，使其具有向电极和抛光区域中心运动的现象，降低旋转离心力对抛光液的甩出作用，实现对平面工件的高速、高精度抛光。采用有限元分析软件数值模拟极化后磨粒所受介电泳力对离心力的抑制作用，优化产生非均匀电场的不同电极宽度，得到最优非均匀电场电极分布参数，实际测量优化电极后抛光液所受介电泳力的大小和方向，最后搭建试验平台验证介电泳效应高速抛光平面工件的有效性。结果 提高抛光盘转速，进行抛光磨砂玻璃对比实验，加工1 h 以后，采用介电泳效应抛光能完全去除玻璃磨砂层，工件平整度好，最终RMS值为0.276 λ；无介电泳效应抛光后，工件中心部分磨砂层仍有存在，工件平整度相对较差，最终RMS值为0.694 λ。通过测量加工去除量，介电泳效应抛光比无介电泳效应抛光的去除率提升了18% 结论 通过仿真模拟和实验验证，证明了调整电极布置形式以及优化电极分布参数后，介电泳效应高速平面抛光的方法能够有效提升抛光效率和抛光后工件表面平面度。
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  变极性电解酸洗对碳素钢丝表面性质的影响

  王震, 夏德贵, 廖小珍

  表面技术. 2020, 49(6): 323-329. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.039

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  目的 综合提高碳素钢丝的外观及功能性，深入理解新型变极性电解酸洗过程及其对钢丝表面的修饰作用。方法 使用电化学工作站，通过设计电解程序模拟了不同电流密度下的变极性电解酸洗过程，根据电位曲线对电解过程进行分析；通过OM、CLSM、SEM、XPS等手段对酸洗后钢丝的表面性质进行表征。结果 非稳态的变极性电解酸洗阳极过程均首先发生Fe的活性溶解，仅当电流密度高至816.0 A/dm2时可使钢丝表面迅速转入钝态，并进一步极化至析氧过程。极低电流密度下（54.4 A/dm2）的酸洗可获得光亮的表面；较高电流密度下（163.2~272.0 A/dm2）的酸洗会使钢丝表面发暗，氧化程度变高，但形成了特殊的片层状表面微观形貌；更高电流密度（544.0 A/dm2）的酸洗会导致钢丝表面过度侵蚀，呈破碎状态；而极高电流密度（816.0 A/dm2）下的酸洗，获得了同时具有片层状微观形貌的光亮表面。结论 通过控制酸洗电流密度可调控碳素钢丝的外观、表面微观形貌及氧化程度。816.0 A/dm2电流密度下的电解酸洗可使钢丝保持光亮的同时形成片层状的微观形貌，可能使后续镀层具有特殊的功能性。
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  采用神经网络和遗传算法优化磁粒研磨TC4弯管工艺参数

  李文龙, 陈燕, 赵杨, 吕旖旎

  表面技术. 2020, 49(6): 330-336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.040

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  目的 提高研磨TC4弯管内表面质量及加工效率，对磁粒研磨加工工艺参数进行优化。方法 首先设定最优表面质量为优化的目标，然后将影响磁粒研磨TC4弯管内表面质量的四个主要工艺参数作为优化对象，对所要建立的神经网络隐含层节点数的个数进行试验，并选择最优值，之后建立反映TC4弯管内表面粗糙度和主要工艺参数的非线性映射模型，最终使用遗传算法得到TC4弯管内表面粗糙度最优值和磁粒研磨加工TC4弯管内表面的最优工艺参数组合，并且通过试验验证其预测结果的精确性。结果 通过建立结构为4-5-1的BP神经网络，并利用遗传算法的预测，得到了磁粒研磨加工TC4弯管最优工艺参数配置组合：磁极转速为570 r/min，加工间隙为2.0 mm，磨料粒径为178 μm（80目），进给速度为80 mm/min。结论 使用BP神经网络创建的反映TC4弯管内表面粗糙度与加工TC4弯管内表面工艺参数之间的映射模型具有较好的精度，同时应用遗传算法全局寻优得到了最佳的工艺参数，是一种准确度较高的优化磁粒研磨TC4弯管内表面加工工艺参数的新方法。
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  磁流变抛光加工中磁场发生装置的设计与实验

  周琴琴, 彭可, 陈永福, 许亮, 马国芝, 赵卓

  表面技术. 2020, 49(6): 337-344. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.041

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  目的 研究磁流变抛光加工中磁场发生装置设计对抛光效果的影响。方法 设计三种基于电磁铁的磁场发生装置，分别为圆形阵列、扇形和环形磁场，进行三维静磁场有限元仿真，对比分析不同磁场发生装置的磁场强度、方向云图及5 mm高处磁场强度曲线。为保证加工过程中磁场和磁流变液的稳定性，针对三种磁场结构设计不同的冷却方式。制造环形磁场发生装置，将其集成到自制磁流变抛光平台，使用表面经过阳极氧化的铝合金样件进行抛光实验。结果 圆形阵列磁场极头间隙处形成高磁场区，随着高度的升高，磁场强度迅速下降。在离极头5 mm高处，磁场强度从300 mT下降到约145 mT，抛光区域磁场强度较小。扇形磁场5 mm高处，磁场强度呈抛物线分布，最大可达330 mT，磁场方向单一，有效抛光区域占比较小。环形磁场5 mm高处，磁场强度最大可达240 mT，工件运动整个过程都处于高磁场区域，抛光效率高。 结论 环形磁场发生装置磁场强度和磁场方向都满足抛光要求，有效抛光区域较大，抛光后表面质量明显改善，抛光效果较好。
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  固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面损伤的预测

  王建彬, 马睿, 江本赤, 王刚, 李军, 朱永伟

  表面技术. 2020, 49(6): 345-351. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.042

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  目的 为了准确预测工件亚表面损伤，合理确定材料去除量，优化固结磨料研磨单晶蓝宝石的工艺参数。方法 针对固结磨料研磨特点和单晶蓝宝石特性，采用离散元模拟技术，建立单晶蓝宝石材料的离散元模型，仿真固结磨料对材料研磨的动态过程，分析载荷作用下材料单元颗粒间裂纹的产生和扩展规律，研究磨粒切入深度对亚表面损伤的影响，预测固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面裂纹的数量和深度，并借助化学腐蚀法验证预测结果。结果 采用粒度分别为W14、W28、W50、W65的金刚石固结磨料垫，其对应的研磨单晶蓝宝石亚表面损伤层深度预测值分别为3.75、5.28、7.62、10.92 μm，预测的裂纹数量分别为199、236、526、981条，对应的实验实测值分别为3.79、5.88、8.76、11.44 μm。固结磨料垫中的磨料粒径越大，单晶蓝宝石亚表面损伤层的深度越大，裂纹数量越密集。对比发现腐蚀实验的实测值和理论预测值基本一致，验证了预测结果模型的正确性。结论 采用离散元法可以快速有效地预测固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面损伤层的裂纹数量和深度，为研磨工艺参数的优化和后续抛光工艺参数的制定提供指导。
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  EPS处理对热浸镀锌高强钢表面质量的影响

  马二清, 崔磊, 彭梦都, 肖洋洋, 刘阳, 王忠乐

  表面技术. 2020, 49(6): 352-358. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.043

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  目的 研究湿法抛丸（EPS）处理对800 MPa级高强钢表面质量及热浸镀锌效果的影响。方法 采用金相显微镜、扫描电镜和辉光光谱仪，对EPS处理及盐酸酸洗、冷轧和热浸镀锌各生产工序中的800 MPa级高强钢表面形貌和表层成分分布进行研究。结果 EPS处理卷表面凹凸不平，而盐酸酸洗态表面平整，EPS处理卷表面粗糙度Ra值为2.645 μm，约为盐酸酸洗卷的2倍，残留的表面氧化铁皮厚度为0.93 μm，比盐酸酸洗试样厚45%。冷轧状态下，EPS处理卷表面凸起被轧平，表面基体“露白”比例约为63.5%，比盐酸酸洗低20.1%，残留的表面氧化铁皮厚度为0.36 μm，比盐酸酸洗试样厚57%。热浸镀锌态下，EPS处理卷锌晶界存在尺寸3~5 μm的孔隙，表面易出现尺寸约1 cm的漏镀缺陷。去除表面锌层后发现，EPS处理卷基板表面存在“翘皮”，微观观察抑制层形貌发现，界面处Fe-Al抑制层颗粒未充分形成，甚至未形成。GDS分析表明，抑制层处Al峰值较盐酸酸洗卷低17%。结论 EPS处理后表面凹凸不平，冷轧时易“折叠”分层，去锌层基板表面有“翘皮”，易造成锌层厚薄不均，同时EPS处理的残留氧化层较厚，且易造成氧化铁皮嵌入基体，导致锌层与基板界面Fe-Al抑制层稀疏，锌层粘附性低，甚至漏镀。
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  基于改进的Faster-RCNN模型的汽车轮毂表面缺陷在线检测算法研究

  朱超平, 杨永斌

  表面技术. 2020, 49(6): 359-365. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.044

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  目的 通过构建轮毂在线生产视觉检测系统，预测轮毂生产过程中轮毂表面的缺陷。方法 根据轮毂表面缺陷的定义和评价标准，给出了轮毂表面缺陷的计算模型，采用了改进型的Faster-RCNN目标检测算法，引入了深度生成式对抗网络，消除图像的模糊性，再利用清晰的轮毂表面图像进行模型训练，结合领域专家的判别标准，优化网络参数，构建轮毂表面缺陷检测模型。利用深度学习Pytorch框架，在NVIDIA Tesla P100图像加速卡上进行模型训练，并对模型结果进行对比性实验分析，找出最优的预测模型。结果 在基础网络部分，采用残差模型ResNet101网络比采用VGG16模型的准确率提高了24%。在目标检测网络模型中引入了多通道特征融合模块，准确率提升了2%。再引入FPN金字塔模型，融入低级和高级语义信息，使得输出的多尺度的预测特征图谱效果更好。最后把残差网络的ROI-Pooling算法改为ROI-Align算法，准确率提高了5%。通过对网络模型的不断改进和优化，轮毂表面缺陷的识别率不断提高。结论 利用改进型的Faster-RCNN网络能够识别出轮毂表面缺陷的种类和位置，满足生产环境的要求，具有一定的工程应用价值。