2021年, 第50卷, 第12期　
刊出日期：2021-12-20

  

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专题——磨粒与光整加工技术及其零件表面完整性
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  齿轮类零件滚磨光整加工技术现状及发展思考

  杨英波, 李文辉, 李东祥, 侯圣文, 杨胜强

  表面技术. 2021, 50(12): 1-16. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.001

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  齿轮类零件是制约我国各类高端装备自主研发的核心基础件，齿轮表面质量对其长寿命、低噪声、高稳定性运行至关重要。在全面分析齿轮类零件多种不同光整加工工艺基础上，从形性协同、一体化普适高效加工的角度，明确了滚磨光整加工工艺改善齿轮类零件表面完整性的优势。在综合概述滚磨光整加工基本特征后，全面系统地综述了国内外有关齿轮类零件滚磨光整加工技术的研究与应用现状，归纳总结了不同工艺的技术原理、特点及适用范围。针对齿轮类零件滚磨光整加工现阶段存在的不同问题，立足优质高效、绿色普适和产业化实用的高质量发展理念，从齿轮结构特征、滚磨光整方式、加工表面演化、复合加工机理、介质基本特征和改性工艺组合等方面，提出了系统的新思考、新策略，对进一步推进齿轮类零件滚磨光整加工技术不断升级发展有积极的参考与借鉴。
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  陶瓷基复合材料加工技术及其表面亚表面损伤机制研究进展

  王晓博, 李璐璐, 赵波, 宋超胜

  表面技术. 2021, 50(12): 17-34. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.002

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  综述了陶瓷基复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工、多能场复合加工等加工方式的研究进展，并简述了几种加工方式的优缺点。对陶瓷基复合材料的表面及亚表面损伤机制进行了总结和分析，包括材料表面亚表面损伤形式、材料表面亚表面理论及模型研究。提出了传统的陶瓷基复合材料加工技术需要进一步优化刀具材料、开发新的刀具结构、优化工艺参数等，以减少加工缺陷。研究了复合加工中材料去除率最大条件下的损伤容限条件、材料加工后的性能保持性等，同时探究了高效高质量的多能场复合加工新方法及其应用理论，以及研究探索了在复杂载荷及动载荷(如动态切削力、高温切削及超声动态冲击载荷)耦合作用下陶瓷基复合材料的内在损伤机理及演化问题。
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  关联系统动静态特征端面磨削表面创成机理

  孙聪, 修世超, 李清良, 邹显楠, 洪远

  表面技术. 2021, 50(12): 35-43. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.003

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  目的 关联主轴系统动静态特征，研究端面磨削表面创成机理。方法 以粉末冶金不锈钢316L为研究对象，首先构建关联主轴系统动静态特征的有限元模型，分析主轴系统动静态特征对砂轮端面各位置位移大小的影响。然后基于端面砂轮表面磨粒的位置和尺寸信息，建立端面砂轮磨粒三维空间轨迹方程，推导相邻磨粒运动关系式，采用轮廓搜索法确定端面磨削表面的动静态创成过程。最后，结合端面磨削加工实验，分析端面磨削系统动态、静态特征对加工表面粗糙度与轮廓度的影响规律，阐释加工表面材料去除不均匀的本质，并提出创成表面质量的参数化修正方法。结果 靠近砂轮边缘的磨粒静态退让量大于靠近砂轮中心部分的磨粒静态退让量，但不同位置的磨粒动态振动量差异不大。静态退让量随切深的增加而增大，动态振动量随砂轮转速的增加而增大。结论 砂轮表面磨粒的静态退让性是造成加工表面轮廓度误差的重要因素，同时主轴系统动态振动特征会影响加工表面粗糙度。分析可得，砂轮转速在400 r/min左右，与之匹配无理数转速比的工件转速和较小的法向切深，可提高端面磨削表面质量表征。
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  磨粒刻划单晶SiC的SPH与FEM耦合仿真分析

  李龙, 葛培琪

  表面技术. 2021, 50(12): 44-53. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.004

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  目的 进一步理解金刚石线锯加工硬脆晶体材料的去除特性。方法 采用SPH与FEM耦合算法，分析磨粒刻划单晶碳化硅工件过程中的材料去除动态响应，研究不同磨粒压入深度与几何形状条件对磨粒接触力、工件刻划表面形貌与应力分布的影响规律，分析磨粒恒定深度刻划与变深度刻划两种方式下磨粒刻划工件材料的动态响应。结果 磨粒接触力的各方向分量均随刻划时间发生波动，其中x与z轴方向的磨粒接触力随时间的变化趋势相近，平稳刻划时段的磨粒接触力均值拟合方程分别为fx=3.0956h^2.7264，fz= 11.3813h^2.6214。磨粒压入深度是影响刻划过程中工件刻划截面形貌及应力分布的主要因素。相较于圆锥体磨粒，球体磨粒刻划后的工件材料截面形貌更粗糙，但工件材料的变形及损伤层深度更小。在磨粒变深度刻划方式下，随着磨粒压入深度的增加，刻划过程中的工件材料发生了脆塑转变。结论 在保证材料去除率的条件下，需降低磨粒压入深度，以降低磨粒接触力，获得更平整的工件表面刻划形貌与更低的等效应力。
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  多磁极旋转磁场的钛合金表面磁性剪切增稠光整加工特性

  范增华, 田业冰, 石晨, 孙志光, 钱乘

  表面技术. 2021, 50(12): 54-61, 93. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.005

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  目的 探究多磁极旋转磁场下钛合金(Ti-6Al-4V)表面磁性剪切增稠光整加工特性。方法 设计不同磁极排布的多磁极旋转磁场，通过仿真分析和实验测量，分析N-S-N、N-S-N-S和N-S等3种磁极排布下的磁场特性。基于研制的磁性剪切增稠光整介质，构建光整加工实验装置，探究磁极排布、主轴转速、旋转平台转速和加工间隙对工件表面粗糙度的影响规律，并通过扫描电子显微镜对加工前后的工件表面微观形貌进行对比分析。结果 在N-S-N磁极排布下，加工区域的磁场强度较大，磁力线闭合回路较多，能够形成刚性较大和数量多的磁力刷。在N-S-N磁极排布、主轴转速600 r/min、旋转平台速度160 r/min、加工间隙0.7 mm的实验条件下，光整加工效果最优，工件表面粗糙度下降趋势明显，表面粗糙度由初始的1.2 μm下降至67 nm，表面光洁度提高94%。通过扫描电子显微镜观测，工件表面的划痕显著去除，仅残留磨粒切削造成的微细划痕。结论 调控多磁极旋转磁场的磁极排布可以有效控制光整加工效率，配合磁性剪切增稠光整介质和加工工艺参数优化，钛合金表面能够实现纳米级光整，表面质量显著改善。
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  SG砂轮磨削镍基合金GH4169砂轮磨损机理与磨削性能的实验评价

  黄保腾, 张彦彬, 王晓铭, 陈云, 曹华军, 刘波, 聂晓霖, 李长河

  表面技术. 2021, 50(12): 62-70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.006

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  目的 减少磨削镍基合金GH4169过程中砂轮磨损和堵塞现象，提高工件表面质量。方法 采用WA和SG砂轮磨削镍基合金GH4169，通过观察磨削前后砂轮表面微观形貌，研究两种砂轮表面材料粘附、堵塞以及磨粒破碎等主要磨损机制。从磨削力、工件表面形貌、磨削比能3个方面评价两种砂轮的磨削性能，并探究磨削参数对砂轮磨削力、工件表面形貌、磨削比能的影响规律。结果 在去除相同体积材料时，SG砂轮的磨削力较小，所消耗的能量较WA砂轮低21.5%，SG砂轮所加工工件表面的粗糙度明显低于WA砂轮所加工工件表面的粗糙度，两者表面粗糙度差值均在1 μm以上。SG砂轮表面材料粘附现象较轻，WA砂轮表面出现了大面积的材料粘附，造成了砂轮堵塞。结论 SG磨粒因内部致密的微小晶粒所决定的微破碎机制，使SG砂轮在磨削镍基合金GH4169过程中保持了锋利的磨削刃，减少了砂轮表面的材料粘附，同时也获得了良好的工件表面质量。另外，SG磨粒较WA磨粒具有更佳的力学性能，使其在去除相同体积材料时所消耗的能量更少。
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  生物润滑剂微量润滑磨削GH4169镍基合金性能实验评价

  施壮, 郭树明, 刘红军, 李长河, 张彦彬, 杨敏, 陈云, 刘波, 周宗明, 聂晓霖

  表面技术. 2021, 50(12): 71-84. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.007

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  目的 改善蓖麻油的综合润滑性能，尝试与黏度较小、流动性好的其他植物油混合，探究混合植物油同纯蓖麻油磨削GH4169镍基合金时的润滑性能差异。方法 先进行1︰1混合植物油的探索性实验，以比磨削能、比磨削力、表面粗糙度、磨削温度为筛选参数，对筛选出的3个较优组同纯蓖麻油做对比，得出最优组，从脂肪酸角度分析润滑性能改善原因，并测量油膜接触角，进行验证。由于脂肪酸种类及含量的差异造成了润滑性能的不同，通过调节最优组的不同体积配比，改变其油液的脂肪酸含量占比，对相同的评价参数做进一步实验探究，分析脂肪酸含量占比变化对润滑性能的影响程度，最后根据表面微观形貌进行验证性分析。结果 探索性实验得到的3个较优组分别为棕榈油、大豆油、玉米油同蓖麻油的混合组，发现随着这3组的不饱和脂肪酸含量依次提高，微液滴的接触角逐步减小。蓖麻油/大豆油在3组中的磨削温度最低，为100.7 ℃;表面微观形貌最优;接触角最合适，为70°;不饱和脂肪酸含量占比(质量分数)最合适，为66.5%。经过不同体积配比，进一步发现，随着不饱和脂肪酸占比逐步增大，润滑性能的评价参数在整体趋势上均阶段性地先减小、后增大，但在相邻的每种配比之间，各参数并不随不饱和脂肪酸占比的逐步增大而出现明显规律性。结论 油液中的脂肪酸种类、含量占比对润滑性能的改善起着不可或缺的作用。硬脂酸促进皂化反应，提高成膜能力，不饱和脂肪酸C=C双键结构能够降低油膜密度，提高油液流动性。蓖麻油同其他植物油混合后，均不同程度地提高了不饱和脂肪酸比例，提高了油膜流动性，因此合适的不饱和脂肪酸占比可以兼顾液滴成膜能力和流动性。通过调小不饱和脂肪酸含量占比的变化幅度，发现不饱和脂肪酸占比可以阶段性对润滑性能的改善程度进行调控，但对润滑性能的精确调控还受到其他多种因素的制约。
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  基于田口法的石英玻璃剪切增稠抛光工艺参数优化

  邵琦, 邵蓝樱, 吕冰海, 赵萍, 王金虎, 袁巨龙

  表面技术. 2021, 50(12): 85-93. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.008

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  目的 研究石英玻璃剪切增稠抛光(STP)过程中，不同抛光参数对材料去除率及表面粗糙度的影响，提高石英玻璃表面质量，并优化工艺参数。方法 基于田口法设计实验，以材料去除率、表面粗糙度为评价指标，分析抛光速度、磨粒浓度和抛光液pH值三个关键参数对石英玻璃STP抛光效果的影响。通过信噪比评估实验结果，采用方差分析(ANOVA)法计算各因素的权重，并得出最优工艺参数组合。结果 抛光液pH值对Sa的影响最大(41.85%)，其次是磨粒浓度(39.06%)和抛光速度(19.09%)。磨粒浓度对材料去除率(MRR)的影响最显著(63.78%)，其次是抛光速度(28.81%)和抛光液pH值(7.41%)。在优选的抛光参数组合(抛光速度100 r/min，磨粒质量分数12%，抛光液pH=8)下，石英玻璃在抛光8 min后，表面粗糙度Sa从(110±10) nm降低到(1.2±0.3) nm，MRR达到165.2 nm/min。结论 在优化工艺参数下进行剪切增稠抛光，可有效去除石英玻璃表面划痕，提高石英玻璃表面质量。剪切增稠抛光可应用于石英玻璃平面及曲面抛光。
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  基于进化神经网络的磁粒研磨表面粗糙度预测方法研究

  徐良, 陈燕, 韩冰, 程海东, 刘文浩

  表面技术. 2021, 50(12): 94-100, 118. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.009

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  目的 为实现磁粒研磨光整加工的表面粗糙度精准预测，提出一种遗传算法优化表面粗糙度BP神经网络的预测模型。方法 将表面粗糙度作为预测的目标，影响磁粒研磨5052铝合金管内表面粗糙度的五个主要工艺参数作为神经网络的输入。合理设计正交试验，得到不同工艺参数配置下的表面粗糙度值，将其作为神经网络的输出。通过建立非线性预测模型，对比遗传算法优化后和传统BP神经网络的均方差与仿真时间，分析优化前后表面粗糙度的预测效果。结果 通过试验数据建立了结构为5-11-1的神经网络，进化BP神经网络预测模型均方差为0.044，建模仿真时间为0.187 s，其平均相对误差率为13.2%。传统的BP神经网络预测模型均方差为0.231，建模仿真时间为1.840 s。结论 通过遗传算法优化后的BP神经网络均方差更小，建模仿真时间更短，进化BP神经网络可以实现更为精准的预测，同时能够极大地避免传统BP神经网络易陷入局部极小值的弊端。
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  单层磨料凝胶抛光垫的加工性能研究

  罗求发, 陆静, 林莹超, 俞能跃

  表面技术. 2021, 50(12): 101-110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.010

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  目的 研究单层磨料凝胶抛光垫的加工性能，为提高磨料利用率以及降低磨料对凝胶基体的破坏提供解决思路。方法 使用自行搭建的测力装置，对磨粒与基体的界面结合强度进行研究，分析磨料粒度和偶联剂对界面结合强度的影响，研究磨料粒度和结合剂厚度对磨粒附着的影响，并将制备的单层磨料凝胶抛光垫与常规多层磨料凝胶抛光垫分别在湿抛光和干抛光工艺条件下加工碳化硅衬底，对比两者的材料去除率、表面粗糙度和工具的磨损情况。结果 200/230目金刚石磨粒的界面结合强度是80/100目的4倍有余，添加偶联剂后，80/100目金刚石磨料与基体的界面结合强度提高了75%。粗粒度的W40多层磨料容易破坏凝胶基体的结构，而细粒度的W5单层磨料不会破坏凝胶基体结构，且单层磨料工具的凝胶体涂覆厚度应低于0.6 mm。湿抛光条件下，单层磨料工具能达到多层磨料工具的抛光效果;干抛光条件下，单层磨料工具的材料去除率相比多层磨料工具提升11.5%;湿抛光和干抛光条件下，单层磨料凝胶工具的耐磨性都显著强于多层磨料工具。结论 单层磨料凝胶工具在湿抛光条件下具有与多层磨粒凝胶工具等效的加工能力，但是在干抛光条件下，单层磨料凝胶工具的加工能力和使用寿命要显著优于多层磨料凝胶工具。
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  扫描式阴极电化学光整加工对车削外圆面边缘毛刺的去除

  朱肖飞, 樊双蛟, 闫兆彬, 卜繁岭, 庞桂兵, 王满富

  表面技术. 2021, 50(12): 111-118. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.011

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  目的 通过电化学光整加工，在改善车削零件表面粗糙度的同时，有效去除工件边缘两侧方向的微小毛刺，提高零件表面的完整性。方法 在扫描式阴极电化学光整加工能实现表面良好光整加工效果的参数范围内，通过改变阴极局部形状，改变毛刺部位的电场分布，进而改变其材料去除速度，实现毛刺去除。对不同形状阴极条件下，毛刺表面的电流密度分布及毛刺顶端和底部的电流密度差值进行仿真分析，得到使毛刺高度值下降较快的阴极形状。对工件进行扫描式阴极电化学光整加工，获得表面粗糙度Ra与毛刺高度值的变化规律。结果 使用凸圆角阴极时，毛刺顶端和底部的电流密度差值较大，去除效率较高。Ra值在加工时间为16~18 min时出现拐点，加工20 min时，Ra值由2.76 μm降低至0.32 μm;毛刺高度值在加工时间为10~14 min时出现拐点，加工20 min时，从17.10 μm降低至2.64 μm，与表面粗糙度Rz值为同一量级。结论 通过改变阴极形状，在电化学光整加工过程中能有效降低车削工件边缘两侧方向的微小毛刺，实现零件使用性能的提高，具有实际应用中的可行性。
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  TC4钛合金纵扭超声磨削表面残余应力及其试验研究

  闫艳燕, 王晓旭, 赵波, 刘俊利

  表面技术. 2021, 50(12): 119-129. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.012

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  目的 探究纵扭超声磨削工艺参数对TC4钛合金加工表面残余应力状态的影响规律，提高TC4钛合金的抗疲劳性能。方法 通过纵扭超声磨削力模型，对磨削过程中的机械应力和热应力展开理论分析，并进一步建立纵扭超声磨削表面残余应力模型，通过MATLAB仿真获取磨削加工残余应力分布状况。基于力-热耦合作用，建立纵扭超声单颗磨粒磨削有限元模型，分析磨削参数对残余应力的影响规律，并通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验，对模型的合理性进行验证。结果 TC4钛合金超声磨削加工表面残余应力为残余压应力，且该应力沿工件深度方向的分布曲线与“对号”相似。工件表面残余压应力起初随磨削深度增加逐渐增大，当磨削深度增加到8 μm时，残余压应力达到最大值，为–488 MPa，之后随磨削深度的增加，呈现减小趋势。随磨削线速度的增大，残余压应力整体呈现减小趋势，随纵扭超声振幅的增大，整体呈现增大趋势。加工表面残余应力仿真与试验结果的平均误差为9.8%，且变化趋势具有一致性。结论 纵扭超声辅助磨削加工可有效消除加工表面的残余拉应力，并获得较为理想的残余压应力，进而显著提高TC4钛合金的抗疲劳性能。
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  偏置量对固结磨料小工具头抛光面形收敛效率的影响

  徐成宇, 张云, 刘纪东, 朱永伟

  表面技术. 2021, 50(12): 130-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.013

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  目的 解决自由曲面磨抛面形收敛困难的问题，提高抛光小工具头的抛光效率。方法 提出一种偏置式固结磨料小工具头，基于固结磨料小工具头的结构特征参数，建立抛光小工具头的去除函数理论模型，并进行仿真分析，应用定点抛光法建立抛光小工具头去除函数实验模型，并验证抛光小工具头理论去除函数合理性，基于CCOS技术原理建立工件表面定量去除模型，通过虚拟加工实验探索偏置量对固结磨料小工具头抛光钛合金后的面形收敛效率的影响。结果 归一化理论去除函数曲线与实验曲线吻合度较高，定点抛光去除函数仿真模型能够很好地预测定点抛光斑的去除轮廓形状。抛光小工具头抛光钛合金的面形误差随偏置量增加，呈现先减小、后增大的趋势，无偏置的抛光小工具头抛光后，面形数据均方根(RMS)收敛效率为54.56%，波峰值与谷峰值之差(PV)的收敛效率为60.21%，当抛光小工具头偏置量为1.5 mm时，抛光后的RMS收敛效率达到最高，为73.83%，PV收敛效率为69.68%。结论 固结磨料小工具头去除函数理论模型可指导确定性材料去除，偏置量为1.5 mm时的抛光小工具头具有最强的修正误差能力，可以显著提高固结磨料小工具头抛光工艺的面形收敛效率。
表面强化技术
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  微粒子喷丸高速动车组车轴钢疲劳性能的影响因素研究

  朱守东, 张继旺, 卢琪, 张浩楠

  表面技术. 2021, 50(12): 140-148, 166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.014

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  目的 研究微粒子喷丸EA4T车轴钢表面残余应力、组织结构强化层以及表面粗糙度对疲劳性能的影响。方法 使用250 ℃保温2 h和550 ℃保温4 h的回火工艺对微粒子喷丸试样进行处理，研究微粒子喷丸试样表面残余应力和组织结构强化层对疲劳强度的影响。分析喷丸及回火处理试样表面的粗糙度、三维形貌、深度方向残余应力分布、X射线衍射峰、半高宽以及表面硬度，并进行旋转弯曲疲劳实验，确定疲劳性能。结果 微粒子喷丸增加了试样的表面粗糙度，在表面引入了深度为80~100 μm的残余压应力和加工硬化。微粒子喷丸将材料的疲劳极限由365 MPa提高至470 MPa。回火处理使得喷丸试样表面微观组织发生了回复，其硬度降低，残余应力松弛。250 ℃保温2 h和550 ℃保温4 h的回火处理使得喷丸试样的疲劳强度分别降低至450 MPa和430 MPa。结论 微粒子喷丸在EA4T车轴钢试样表面引入的残余应力和组织结构强化层对疲劳强度的提高分别约为16%和23.8%，而表面粗糙度则降低了疲劳强度，降幅约为10%。
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  次表面偏折裂纹尖端力学行为的分布位错理论分析

  张雪朋, 李文俊, 李楠, 江晓禹

  表面技术. 2021, 50(12): 149-158. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.015

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  目的 在复杂载荷作用下，采用理论方法求解半无限大平面内次表面偏折裂纹的力学性质。方法 根据叠加原理把问题分成两部分，其一采用弹性力学，其二采用分布位错原理，并利用Gauess-Chebyshev数值求解法进行求解，二者联合求解力学参量。结果 得到了偏折裂纹在相应偏折角下，不同深度、长度比、载荷比对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响曲线，并分析在此工况下裂纹的扩展方向。应力强度因子，会随着偏折部分长度的增加而增大，随着裂纹埋置深度的增加而减小，随着裂纹横、剪载荷比的增加而增大。裂纹会沿着顺时针方向扩展并随着偏折角的增大而增大，靠近表面的一侧更容易发生扩展。结论 载荷比、裂纹埋置深度以及长度比较大时，裂纹更容易向表面扩展，从而形成开放裂纹，裂纹沿着顺时针方向扩展，且随偏折角的改变而改变。
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  38CrMoAl钢钛催渗等离子氮化工艺研究

  钟厉, 王帅峰, 门昕皓, 韩西

  表面技术. 2021, 50(12): 159-166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.016

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  目的 探究38CrMoAl钢钛催渗等离子渗氮工艺及机理。方法 在其他工艺参数确定的情况下，通过常规等离子渗氮与钛催渗等离子渗氮处理对比试验，研究38CrMoAl钢钛催渗离子渗氮处理随渗氮时间的变化规律。对试样进行表面硬度、渗层深度检测和显微金相组织与SEM形貌的观察，探究不同处理工艺的催渗效果及钛催渗等离子渗氮的机理。结果 在渗氮的前3 h，渗氮层厚度增加明显，当渗氮时间超过3 h后，其氮化层的厚度便趋于饱和。对比不同时间(3、5、8 h)钛催渗等离子渗氮的表面硬度，差距不大。综合得出38CrMoAl钢在渗氮温度535 ℃、氨气流量2.0 L/min的工艺参数下，钛催渗等离子渗氮效率最优的渗氮时间为3 h，其表面硬度为1160.8HV，渗层深度为300 μm，优于常规离子渗氮8 h的作用效果。结论 38CrMoAl钢试样经过钛催渗等离子渗氮后，渗层的表面硬度和深度明显高于常规离子渗氮。钛的加入可以促使合金元素向表面富集，有利于表面合金化，提升渗氮效率，增强渗氮效果。
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  TP304L不锈钢快速热处理的固溶渗氮

  刘蔚, 吴静娜, 蔡志刚, 苏诚, 沈育明, 陆军伟, 钱炯, 钟强

  表面技术. 2021, 50(12): 167-173, 201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.017

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  目的 研究TP304L不锈钢在N2气氛下快速高温热处理的固溶渗氮行为。方法 对样管进行快速高温热处理，分别采用N2、Ar作为保护气氛，制备固溶渗氮样管及无渗氮样管。使用SEM-EDS、XPS对两种样管进行组织观察和成分分析，采用显微硬度仪测量表面硬度，并通过晶间腐蚀实验和电化学点蚀实验对比耐蚀性。结果 相比于无渗氮样管，渗氮样管表面的平均硬度上升30HV0.1。能谱结果显示，渗氮样管表面N元素含量升高，N的渗透深度约为2 μm，扫描电镜没有发现化合物相。通过XPS的元素价态分析，渗入的N元素会形成类似α″-Fe16N2/α′-Fe8N中Fe—N键的结构，以固溶和过饱和固溶的形式存在，没有形成Cr—N键，说明没有出现有害的Cr2N相。渗氮样管的抗晶间腐蚀能力不变，电化学测试结果表明，点蚀电位提高20~100 mV，抗点蚀能力提高。结论 在N2气氛中进行快速高温热处理，TP304L不锈钢会发生高温固溶渗氮行为，过饱和N元素没有析出Cr-N相或Fe-N相，且使材料的表面硬度、耐蚀性提高。
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  吸收层对铜箔飞秒激光冲击强化的影响

  田甜, 张景泉, 黄婷, 肖荣诗

  表面技术. 2021, 50(12): 174-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.018

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  目的 通过对不同吸收层下飞秒激光冲击后Cu箔的显微组织和力学性能变化分析，选出强化效果更好的吸收层。方法 利用飞秒激光对覆有百纳米厚度吸收层的铜箔(Cu-nm)和覆有百微米厚度吸收层的铜箔(Cu-μm)进行冲击强化，通过扫描电镜、电子背散射衍射仪、X射线衍射仪、显微硬度计对两个样品进行显微组织和力学性能的观测分析。结果 飞秒激光冲击后，Cu-nm主要产生形变孪晶，孪晶比例提高了60.9%，大角度晶界比例提高了12.8%，显微硬度提高了10.8%;Cu-μm主要发生位错变化，位错密度增加16%，小角度晶界比例提高9.8%，显微硬度提高2.2%。除此之外，经飞秒激光冲击后，Cu-nm产生了更大的残余压应力，不仅中和了母材的残余拉应力，还表现为残余压应力;而Cu-μm经飞秒激光冲击后，产生的残余压应力无法完全中和母材的残余拉应力，仍显示为残余拉应力。结论 对比研究得出，飞秒激光冲击Cu-nm后，实现了微观组织孪晶化，改变了残余应力状态，提高了铜箔表面的硬度。
研究综述
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  表面改性技术降低生长棒临床并发症发生率研究进展

  张悦, 边焱焱, 马东林, 黄楠, 仉建国, 冷永祥

  表面技术. 2021, 50(12): 181-190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.019

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  生长棒是应用于早发性脊柱侧凸患者矫正治疗的医疗器械。首先介绍了由钛合金或钴铬合金材料制造的单生长棒、双生长棒、Shilla生长棒等在早发性脊柱侧凸矫正领域的临床应用现状;同时总结了生长棒在体内服役时，由于金属疲劳、固定螺钉松动、植入物的磨损和腐蚀等原因导致的金属棒断裂、固定螺钉拔出、金属离子富集等问题，以及由此引起的过敏反应、炎症反应、骨溶解等相关并发症。为降低生长棒临床应用并发症发生率，国内外研究人员采用喷丸、微弧氧化、等离子喷涂、物理气相沉积等表面改性手段，对生长棒进行表面改性。国内外研究表明，采用激光冲击强化、喷丸等可以提高生长棒系统中金属棒的表面硬度及应力，提高金属棒的微动疲劳特性，避免金属棒断裂;采用喷丸、微弧氧化处理和等离子喷涂处理等方法，可以促进生长棒系统中椎弓根螺钉和天然骨界面长合，增强椎弓根螺钉-骨组织的结合强度;采用物理气相沉积可以提高生长棒系统的耐磨性、耐蚀性，进而降低其离子释放量。经过表面改性后的生长棒系统，生物相容性提高，过敏反应、炎症反应、骨溶解等相关并发症的发生率降低。
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  铝-锰网壳结构防腐工艺的研究进展

  叶宗豪, 朱永强, 丛巍巍, 桂泰江, 周奕骐, 齐建涛

  表面技术. 2021, 50(12): 191-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.020

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  概述了作为铝网壳结构的AA 3xxx铝-锰合金微观组织、局部腐蚀类型及表面防护技术。同时归纳了主要的表面处理方法，包括“硬质阳极氧化膜+封闭工艺”、“化学转化膜+涂料工艺”和添加缓蚀剂等，并重点评述了“化学转化膜和涂料工艺”。其中，六价铬转化膜是应用于铝合金表面最传统也是最成功的化学转化膜，但六价铬剧毒致癌，因而该技术已经被禁止应用于工业产品，具有自修复腐蚀缺陷功能的三价铬转化膜工艺是最具前景的替代工艺。目前，商业化的三价铬转化膜溶液包括汉高Alodine 5900系列、赛德克SurTec 650系列以及法国索科SOCOMORE溶液，而国内相关基础研究起步较晚，性能相匹配的国产化溶液及工艺控制成为未来轻量化装备发展的“卡脖子”问题，亟待解决。此外，着重讨论了化学转化膜溶液组分、工艺参数(温度、时间及后处理工艺)及耐蚀性能等。最后总结和展望了三价铬铬酸盐转化膜现在和未来的研究思路。
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  钛合金表面纳米化强化研究进展

  段冰冰, 王治国, 蔡晋, 李威, 司朝润

  表面技术. 2021, 50(12): 202-216, 245. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.021

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  钛及钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在航空航天领域得到了广泛应用。表面纳米化是在材料表面形成一层由纳米级颗粒或晶粒组成的强化层，从而改善金属材料的表面性能，具有普适性好、工艺简单等独特优势。对钛及钛合金进行表面自纳米化处理后，其表层产生了剧烈的塑性变形，在材料中形成了独特的梯度纳米结构层，分别为剧烈变形层、亚微米细晶层、粗晶应变层和基体层，表层组织结构的改变也会导致钛合金表层性能产生变化。首先，对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述，分析了各自优缺点以及目前存在的问题。其次，着重论述了孪晶和位错在钛合金自纳米化过程中所起的关键作用，探讨了α、α+β、β 3种类型钛合金纳米化机理存在的差异，对钛合金表面纳米化机理的研究现状进行了归纳总结，在此基础上，重点介绍了表面纳米化处理对钛合金表层性能的影响，主要包括近年来关于硬度与残余应力、疲劳、腐蚀、磨损、扩散性能的影响及研究现状，并对其强化机制进行了分析。最后，归纳总结了现有钛合金表面纳米化研究存在的不足，对今后的研究工作进行了展望，并提出应将表面纳米化技术与数字化仿真技术、渗氮等工艺结合，发展数字化、复合强化技术，以期为表面纳米化技术在钛合金领域的发展研究提供有价值的参考。
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  表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展

  黄云磊, 钟林, 王国荣, 魏刚, 彭事超

  表面技术. 2021, 50(12): 217-232. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.022

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  表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构，这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能。国内外研究也一致表明，表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段，可使材料表面实现自润滑效果，并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损。从表面织构的形态特征及其作用机制出发，对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析。讨论了表面织构形状(规则织构、不规则织构等)、织构分布形式(全织构分布、部分织构分布等)、织构几何参数(深度、面积比、深径比等)、工况参数(载荷、速度等)等因素，对织构化表面润滑减摩性能的影响，同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题。提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制，考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究，从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用。
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  电连接器微动腐蚀损伤行为与机理研究综述

  郁大照, 刘琦, 冯利军, 程贤斌

  表面技术. 2021, 50(12): 233-245. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.023

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  电连接器在服役期间，其电接触界面很容易受到振动和微位移的影响，并在腐蚀气氛的作用下，产生微动腐蚀损伤。当接触电阻值(Electrical contact resistance，ECR)超过一定阈值时，即判定为接触失效。人们对电接触微动腐蚀问题的认识过程是随着工业社会的发展和研究手段的进步而不断逐步深入的，因此从行为和机理两个方面综述了微动腐蚀研究的发展和现状。为了降低ECR，提高电接触的耐久性，研究人员围绕材料、镀层种类和厚度、接触力、振幅、频率、温度、相对湿度、气体氛围等因素对微动腐蚀的影响做了大量的试验和分析工作，介绍了其中比较活跃的研究团队以及他们的主要工作。分别详细介绍了Antler和Bryant描述的微动腐蚀模型，4种不同微动滑移状态的产生机制和微观形貌分析，进而对ECR产生的影响。由于电连接器受到振动应力、温度应力和电应力的综合作用，在内部接触件上发生电-热-机械多物理场耦合作用，故综述了材料性能与行为、接触条件和环境条件3个方面10个因素的影响作用。还归纳总结了应用于电接触微动腐蚀研究的主要方法，最后从多因素耦合作用、海洋环境影响和射频连接器应用3个角度探讨了未来研究的重点方向。
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  激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展

  兰铃, 底月兰, 王海斗, 康嘉杰, 邱均宏

  表面技术. 2021, 50(12): 246-256. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.024

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  随着我国工业化进程的不断推进，金属材料已经广泛应用到生产生活的各个领域。仿生超疏水金属表面不仅能够延长金属材料在各种环境下的使用寿命，而且还能赋予材料表面自清洁、减阻、油水分离等新的性能。目前，研究人员已采用多种工艺在金属基体上制备出超疏水表面，超疏水金属表面的制备已经成为仿生学研究中的一个热点。首先介绍了润湿理论的发展，引出了制备超疏水金属表面的各种工艺方法，进一步归纳总结了激光加工制备超疏水金属表面的优势、特点和表面微结构。在此基础上，重点论述了近年来将激光加工工艺与化学刻蚀工艺、沉积工艺、离子注入工艺、涂层工艺和氧化工艺相结合的激光复合加工工艺，以及运用激光复合加工工艺制备的超疏水金属表面的结构和特点。激光复合加工不仅能够在金属表面形成更加丰富的微/纳米复合结构，而且能够使金属表面更快地获得超疏水性能，从而制备出稳定持久的超疏水金属表面。此外，复合加工能够降低对单一制备工艺的依耐性，扩大加工范围，降低生产成本。激光复合加工制备超疏水金属表面在实际应用中具有巨大的潜力。
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  激光熔覆高熵合金涂层的耐腐蚀性能研究进展

  周子钧, 姜芙林, 宋鹏芳, 杨发展, 王玉玲, 杨勇, 梁鹏

  表面技术. 2021, 50(12): 257-270. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.025

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  利用激光熔覆技术制备的高熵合金涂层已成为一种新兴的绿色清洁耐腐蚀涂层。为了最大程度发挥高熵合金涂层的耐腐蚀防护性能，需要探究激光熔覆高熵合金涂层耐腐蚀性能的影响因素及影响机理。首先阐述了高熵合金理论以及利用激光熔覆技术制备高熵合金涂层的优势，总结了高熵合金激光熔覆涂层优异耐腐蚀特性及耐腐蚀强化机理。重点综述了高熵合金元素组成、激光熔覆工艺参数、涂层后处理工艺以及服役温度4个因素，对高熵合金激光熔覆涂层耐腐蚀性能的影响规律与影响机理。高熵合金中适当添加Ni、Al、Ti等元素，在一定程度上可以提高涂层的耐腐蚀性，但是随着元素含量的进一步增加，由于高熵合金涂层的物相组成改变、晶格畸变严重、元素偏析加剧，可能导致涂层的耐腐蚀性能降低。适宜的激光加工参数可以使涂层具有较好的耐腐蚀性，原因在于涂层的缺陷较少、组织细密均匀。退火、激光重熔、超声冲击处理等涂层后处理工艺，通过改变高熵合金涂层的物相组成以及微观组织特征，来提高其耐腐蚀性。激光熔覆高熵合金涂层的服役环境温度越高，则腐蚀速率越快。最后，对激光熔覆高熵合金涂层的耐腐蚀性能强化方法进行了总结与展望。
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  超支化聚合物的合成及其在涂料中应用研究进展

  李博申, 魏铭, 刘晓芳, 胡瑶瑶, 董群峰, 杨立峰

  表面技术. 2021, 50(12): 271-281. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.026

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  首先介绍了超支化聚合物(HBP)的化学性质，并与传统线性聚合物的优缺点进行比较，接着对HBP的AB2单体缩聚、自缩合乙烯基聚合、自缩合开环聚合等合成方式进行了介绍，并对将来HBP的合成发展方向进行了推测。对现有HBP合成方法和末端官能团改性对比发现，在不同涂料体系中对HBP进行相应的改性是需要解决的首要问题。功能化改性HBP可作为涂料添加剂或主要成膜物质，有效地改善了涂料的流动性，降低了涂料中有机溶剂的挥发。重点结合HBP对涂料领域研究进行了概述，并介绍了近年涌现的HBP制备新策略、新方法。通过对HBP合成方法的探讨和众多末端官能团的不同修饰进行分析、对比和总结，介绍了HBP在UV固化涂料、高固体分涂料、有机-无机杂化涂料中的应用现状。结合相关研究，分析了HBP增强涂膜性能机理。最后基于HBP在涂料领域的应用现状，对今后研究侧重点提出相关建议和展望。
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  防冰涂层材料及电力材料防覆冰应用的研究进展

  郑奇凯, 孙阔腾, 黄松强, 周经中, 何学敏, 刘奕, 吴双杰, 周平

  表面技术. 2021, 50(12): 282-293. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.027

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  防冰涂层材料可有效减轻自然界结冰现象的影响，其通过防冰材料低表面能或高润滑性的特点，降低在低温严寒天气条件下物体表面冰的粘附强度，延迟材料覆冰时间，减少表面覆冰量，在保护电力材料免受冰冻灾害影响方面有着重要应用价值。基于热喷涂法制备的复合型表面防冰涂层材料，以及主被动相结合的防覆冰方法，是未来电力材料防覆冰应用发展的重要方向。然而截止目前，有关复合型表面防冰涂层材料的热喷涂制备，以及涂层在电力材料防冰中应用的研究进展综述鲜见报道。从超疏水材料与光热、电热除冰相结合的除冰方式，及超疏水-超润滑复合材料实现防冰除冰的角度出发，对近年来国内外复合防冰涂层的制备及性能的研究进展进行了综述，并重点讨论了适合于热喷涂制备的复合型涂层的防冰除冰效果。最后，讨论了超疏水防冰涂层、复合型防冰涂层在电力材料表面防覆冰方面应用的研究进展，并对热喷涂法制备防冰涂层在的局限性问题进行了总结，对其应用前景进行了展望，希望在复合型防冰方面进一步开展研究，为电力材料表面防冰涂层的未来发展提供指导。
摩擦磨损与润滑
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  考虑表面形貌的接触应力分析

  李炎, 董庆兵, 罗振涛, 何东

  表面技术. 2021, 50(12): 294-302. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.028

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  目的 研究规则和实际表面形貌对二维平面线接触模型的影响。方法 基于线接触几何特性，考虑表面受载后的弹性变形特性，结合规则和实际粗糙表面的形貌特征，并考虑磨合对表面的影响，采用移动平均滤波方法对实际粗糙表面进行光滑处理，利用共轭梯度法，求解表面接触压力和摩擦力，计算二维平面内接触近场应力分布，同时采用修正的离散卷积快速傅里叶变换方法提高计算效率。对比验证二维接触模型的准确性，并对比规则和实际粗糙形貌表面受法向载荷和切向载荷时平面应力分布云图中的应力分布和大小。结果 圆面与圆形微凸体接触时，圆形凸体半径越小，最大Mises应力值越大，半径增大，最大Mises应力减小。多个圆形微凸体及正弦微凸体对应力分布影响类似。当考虑切向力时，会对应力分布云图中的应力分布形状和大小产生巨大影响。在相同平面表面形貌时，摩擦系数越大，Mises应力越大，并且应力沿摩擦力方向发生偏移。结论 数值模型能准确计算出粗糙平面的应力。当圆面与规则表面轮廓平面接触时，与光滑表面接触时相比，Mises应力分布呈现很大不同，微凸体越小，应力越集中;摩擦力会使接触压力和近场Mises应力产生偏移，摩擦系数越大，偏移越明显。当考虑实际粗糙表面时，在粗糙界面尖端接触区域产生应力集中。经过磨合表面采用平均滤波光滑处理后，粗糙界面尖端接触区域应力集中将大幅减小。
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  气固两相流饲料输送管道结构优化研究

  付鹏, 刘洛航, 杨卫平, 刘仁鑫, 张凯

  表面技术. 2021, 50(12): 303-310, 319. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.029

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  目的 针对饲料输送管道气固两相流对弯管壁面冲蚀磨损严重的问题，提出一种在弯管外侧加设辅助气流的新型结构。方法 运用计算流体力学方法，采用离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)研究普通和新型弯管的冲蚀磨损情况，模型的有效性通过普通弯管压降梯度实验加以验证。通过分析两种弯管的流场分布情况，进一步研究空气进口速度、颗粒质量流量和颗粒粒径等因素对弯管冲蚀磨损的影响。结果 随着空气进口速度的增加，弯管的平均冲蚀磨损速率先减小、后增大，但新型弯管的平均冲蚀磨损速率降低了7.1%~8.5%，且当空气进口速度为35 m/s时，平均冲蚀磨损速率最小。当颗粒质量流量增加时，弯管平均冲蚀磨损速率基本呈线性增长，但新型弯管平均冲蚀磨损速率的增长速率略小于普通弯管，且平均冲蚀磨损速率降低了8.2%~9.7%。当颗粒粒径增加时，弯管的平均冲蚀磨损速率先急剧增大、后平缓变化，但新型弯管平均冲蚀磨损速率降低了8.2%~17%。结论 通过研究发现，弯管外侧均存在冲蚀磨损，但新型结构均能有效减小弯管的冲蚀磨损。颗粒质量流量对弯管冲蚀磨损的影响最大，且颗粒质量流量越大，平均冲蚀磨损速率越大。颗粒粒径对降低弯管冲蚀磨损的效果最好，且颗粒粒径越小，效果越佳。
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  脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层膜结构和性能的影响规律

  魏永强, 游业豪, 蒋志强

  表面技术. 2021, 50(12): 311-319. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.030

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  目的 研究脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜结构和性能的影响，优化工艺参数，以提高薄膜的性能。方法 采用脉冲偏压电弧离子镀，在M2高速钢和单晶硅基底上以不同脉冲偏压频率沉积TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜，采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪和纳米压痕仪，研究脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜的表面形貌、元素成分、截面形貌、相结构和纳米硬度的影响。结果 TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜表面的大颗粒直径主要集中在1 μm以下，随着脉冲偏压频率的变化，大颗粒的数量为184~234，所占面积为40.686~63.87 μm²;主要元素为Ti元素和N元素，所占原子比分别为48%和50%，Si和Al元素的含量较少;多层结构不明显，截面形貌可观察到柱状晶的细化，80 kHz时出现片状化结构;以(111)晶面为择优取向，晶粒尺寸在20 nm左右;纳米硬度为28.3~32.3 GPa，弹性模量为262.5~286.8 GPa。结论 50 kHz时，TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜表面大颗粒的数量最少，为184个;70 kHz时大颗粒所占面积最小，为40.686 μm²;晶粒尺寸在50~60 kHz时发生细化，60 kHz时，晶粒尺寸达到最小值19.366 nm，纳米硬度和弹性模量分别达到最大值32.3 GPa和308.6 GPa，脉冲偏压频率的最佳频率范围为50~70 kHz。
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  调制比对Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜结构及性能的影响

  田甜, 林松盛, 王迪, 柏松, 曲帅杰, 郭朝乾, 代明江

  表面技术. 2021, 50(12): 320-328. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.031

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  目的 探究Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜的最佳调制比。方法 利用电弧离子镀技术，在TC4钛合金上制备了不同调制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜。利用扫描电子显微镜观察膜层表面和截面形貌;用Image-Pro分析软件对表面的大颗粒进行定量分析;利用X射线衍射法表征膜层的晶体结构;采用维氏硬度计测量膜层的显微硬度;采用划痕试验仪测量膜层与基体之间的结合力(临界载荷);通过基片弯曲法测量并计算得到膜层的残余应力;利用根据ASTM G76-05标准特制的AS600-喷砂试验机进行了抗冲蚀性能测试;采用三维表面轮廓仪测量冲蚀坑深度。结果 膜层表面质量和生长取向与LCr/CrN:LCr/CrAlN调制比密切相关，随着Cr/CrN比例的增加，膜层表面质量越来越好，择优取向由(111)晶面转为(200)晶面。多层膜的硬度随Cr/CrN比例的增加，呈下降趋势，结合力、残余应力和韧性则随之呈先升后降的趋势，并在LCr/CrN∶LCr/CrAlN为1∶2时，达到最佳。多层膜的抗砂粒冲蚀性能变化与力学性能变化一致，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN为1∶2时达到最佳，其抗冲蚀能力是TC4基材的3倍以上，多层膜呈典型的脆性断裂失效形式。结论 在调制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2时，膜层获得最佳的抗冲蚀性能。
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  高产天然气井放喷管汇弯管冲蚀磨损特性研究

  敬佳佳, 唐曦, 陈文斌, 张志东, 万夫, 何莎

  表面技术. 2021, 50(12): 329-339, 355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.032

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  目的 研究高产天然气井气固两相流对放喷管汇的冲蚀机理及规律。方法 利用CFD软件对放喷管汇冲蚀进行研究，使用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求其气相的运动状态，并用离散相模型(DPM)计算出颗粒运动轨迹。然后使用Oka冲蚀磨损模型开展弯管角度、弯管位置、放喷量等5种因素与壁面冲蚀规律研究，最后使用最大冲蚀速率、壁面质量损失以及管汇刺漏时间等3种指标评价管汇的冲蚀特性。结果 在控制单因素变量的前提下，随着含砂率从1%增长到5%时，弯管最大冲蚀速率增加了约4倍;随着放喷量从3.0×10⁵ m³/d增加到5.1×10⁶ m³/d时，最大值出现在1.0×10⁶ m³/d附近，弯管最大冲蚀速率相比3.0×10⁵ m³/d增加了3.7倍;当弯管角度从90°增加到165°时，最大冲蚀速率下降了85%，但120°弯管最大冲蚀速率最大;随着弯管距出口距离从5 m增加到30 m时，最大冲蚀速率下降了86%;当颗粒形状系数从0.67增加到1时，最大冲蚀速率增大了5倍。结论 含砂率与最大冲蚀速率相关度最大，弯管位置与最大冲蚀速率的相关度最小。最大冲蚀速率随含砂率、颗粒形状系数的增加而增大，随弯管角度和距出口直管段长度的增加而减小，但120°弯管冲蚀最严重。随放喷量的增加，弯管最大冲蚀速率呈现出先增大、后减小、最后趋于平稳的规律。
腐蚀与防护
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  脱粘裂纹扩展诱发热障涂层陶瓷层温度场演变与烧结行为研究

  董会, 周攀虎, 周勇, 韩燕, 杜永祺, 麻宁绪

  表面技术. 2021, 50(12): 340-347. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.033

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  目的 研究等离子喷涂热障涂层(APS-TBCs)内部脱粘裂纹尺寸对陶瓷层温度场与烧结行为的影响。方法 采用有限元模型研究不同尺寸脱粘裂纹对其上方陶瓷层温度场变化规律的影响，并通过梯度热循环试验对裂纹上方陶瓷层烧结行为进行研究，采用扫描电子显微镜(SEM)分析陶瓷层表面和断面的组织形貌，并使用图片法对裂纹上方陶瓷层不同区域的孔隙率进行分析。结果 裂纹上方陶瓷层温度变化区域的面积取决于裂纹尺寸，且最高温度始终位于裂纹中心的上方陶瓷层表面，随着裂纹宽度向两端依次递减，其对应的上方温度依次递减。在本试验条件下，随着脱粘裂纹尺寸的增加，涂层厚度方向的最高温度以线性形式增加，裂纹尺寸每增加0.5 mm，其上方陶瓷层同一位置处的温度增加约30 ℃，且最高温度区域随之增大。裂纹长度超过3 mm时，在脱粘裂纹热阻效应下，裂纹上方陶瓷层区域的温度升高。裂纹越长，上方陶瓷层整体温度提升越高，不仅导致陶瓷层发生相变和烧结的区域增大，还使得相变和烧结速率升高。不同梯度热循环次数下，陶瓷层表面和内部均出现了数量和长度不等的脱粘、垂直裂纹，烧结面积逐渐增大。脱粘裂纹长度为4 mm时，其最大宽度约40 μm。结论 脱粘裂纹上方陶瓷层温度变化以表面最高温度处为中心向四周呈放射性递减。越靠近陶瓷层表面，层状组织信息越少，相应区域的孔隙率越小，烧结和相变程度逐渐增加，使涂层发生脱落失效的可能性进一步增加。
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  超临界CO2/原油/盐水环境中J55碳钢腐蚀机制研究

  白海涛, 王鹏涛, 姜博宇, 胡瑞, 陈博

  表面技术. 2021, 50(12): 348-355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.034

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  目的 研究超临界CO2/原油/盐水环境下J55碳钢的腐蚀机制。方法 利用高温高压反应釜模拟CO2压力为9 MPa、温度为65 ℃的超临界CO2/原油/盐水腐蚀环境，分别测定不同含水率下J55碳钢的平均腐蚀速率，通过扫描电镜和能谱仪观察分析腐蚀产物膜的微观形貌及元素组成，并测量最大腐蚀深度和计算点蚀系数。建立超临界CO2/原油/盐水环境中J55碳钢腐蚀模型，并阐述其腐蚀机制。结果 J55碳钢在超临界CO2/原油/盐水环境中的平均腐蚀速率随着含水率的升高而增大，含水率<50%时，腐蚀产物较少，最大腐蚀深度和点蚀系数较小，腐蚀形态为均匀腐蚀。随着含水率的增加，腐蚀产物增加，最大腐蚀深度和点蚀系数迅速增加，腐蚀形态变为局部腐蚀。结论 J55碳钢在超临界CO2/原油/盐水环境中的腐蚀速率远低于在超临界CO2/盐水环境中，原油的缓蚀作用明显。原油的存在改变了J55碳钢的腐蚀形态。
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  恒压时间对ADC12合金恒流-恒压微弧氧化膜层组织与性能的影响

  张广生, 韦利, 李军, 姜波, 王超, 宋仁国

  表面技术. 2021, 50(12): 356-363. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.035

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  目的 探究先恒流一定时间再恒压不同时间对ADC12高硅铝合金微弧氧化膜层组织与性能的影响，并从中选择较优的氧化时间组合。方法 选择双极性脉冲电源，在先恒流(11 A/dm²)35 min后，再恒压(550 V)不同时间(5、15、25、35 min)，制备微弧氧化陶瓷膜层。通过采用扫描电子显微镜(SEM)、金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、HT-600摩擦磨损试验机、电化学工作站(极化曲线、阻抗谱)等设备来表征表面形貌、膜层厚度、物相组成、磨损率以及耐腐蚀性。结果 在先恒流再恒压下制备的微弧氧化膜层，其厚度随着氧化时间的延长呈现先增长后下降的趋势。先恒流35 min再恒压25 min所制备的膜层厚度最厚，为25 μm;微弧氧化膜层中都存在α-Al2O3、Υ-Al2O3和Al2SiO5相;随着氧化时间的延长，微弧氧化膜层的磨损率出现先增长后下降的趋势。在先恒流35 min再恒压5 min所制备膜层的摩擦系数最小，仅为0.78。氧化时间的变化对ADC12铝合金MAO膜层耐蚀性的影响较大，腐蚀电位随着氧化时间的延长呈现先上升后下降的趋势，同时腐蚀电流的变化趋势也与腐蚀电位相同。综合考虑，在先恒流35 min再恒压25 min所制备的膜层，其耐腐蚀性较好。结论 先恒流(11 A/dm²)35 min再恒压(550 V)25 min时所制备的微弧氧化膜层较厚，致密性较好，耐蚀性最佳。
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  静电纺丝制备铝-空气电池阳极防腐薄膜

  王嘉乐, 王越锋, 左雨欣, 刘宜胜, 左春柽, 于影

  表面技术. 2021, 50(12): 364-371. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.036

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  目的 研究氧化锌高效防腐薄膜的制备方法及防腐性能，并应用于铝-空气电池，探究薄膜厚度及孔隙率对电池比容量及放电性能的影响。方法 基于静电纺丝方法，制备氧化锌防腐蚀薄膜，采用Zn(NO3)2.6H2O和PAN的混合溶液作为前驱体溶液，在阳极基板上纺丝，经热处理得到氧化锌薄膜。采用XRD、SEM和XPS进行表面形貌表征及化学组成分析，借助电化学工作站和电池测试系统，分析电化学腐蚀行为和放电特性。结果 氧化锌防腐蚀薄膜能够有效抑制铝阳极表面的自腐蚀行为，其腐蚀抑制率受防腐蚀薄膜厚度及孔隙率的影响，腐蚀抑制率随薄膜厚度的增加和孔隙率的减小而增大。8 μm氧化锌防腐蚀薄膜的腐蚀抑制率可达87.55%，相比于纯铝阳极铝-空气电池，电池比容量可提高3倍以上。对于小功率密度放电，较厚的防腐蚀薄膜能够提高电池比容量，且不影响电池本身的放电特性;对于较大功率密度放电，须控制薄膜厚度，以达到较好的放电效果。结论 静电纺丝可有效制备抑制铝阳极析氢自腐蚀的氧化锌防腐蚀薄膜，应用于铝-空气电池中，可以显著延长放电时间，提高电池比容量。
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  CrWN涂层中W元素含量对涂层纳米硬度和热稳定性的影响

  王力涛, 燕峰, 黄新放, 魏兴泽, 王锋, 胡素影, 高旭, 冯永军, 解志文, 崔錄

  表面技术. 2021, 50(12): 372-380. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.037

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  目的 探究氮气退火环境下不同W含量CrWN涂层微结构、纳米硬度及热稳定性能的演变规律。方法 采用等离子增强磁控溅射技术，制备不同W含量的CrWN涂层，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕、原子力显微镜(AFM)等分析方法，系统研究退火前后涂层的微结构、表面质量、尺寸精度、纳米力学与热稳定性能。结果 CrWN涂层由面心立方结构的CrN+W2N相组成，CrN层与W2N层交替沉积，并具有典型共格生长。随涂层中W含量的增加，涂层硬度从12.9 GPa增加至15.5 GPa，表面粗糙度降低，并趋于稳定。经过氮气环境退火后，随涂层中W含量的增加，与气氛中的微量杂质气体反应加剧，涂层硬度由13.5 GPa降低至5.2 GPa，表面氧化层WO3厚度增加，并导致涂层表面粗糙度和厚度增加。结论 CrWN涂层具有优异的表面质量及纳米力学性能，氮气退火过程中，氧化侵蚀反应导致CrWN涂层表面粗化、体积膨胀和力学降解。随涂层中W含量的增加，退火涂层表界面微结构损伤与性能退化效应加剧，氧化损伤是CrWN涂层玻璃精密模压成形应用中需考虑的关键因素之一。因此，CrWN涂层作为光学玻璃精密模压成形模具涂层使用时，应在高真空度或高纯惰性气体环境下工作。
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  植酸添加剂对6061铝合金微弧氧化膜层性能的影响

  龚云柏, 王平, 胥章鑫, 伍婷, 龚泽宇, 杨彪, 胡杰, 熊丹, 刘济威

  表面技术. 2021, 50(12): 381-389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.038

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  目的 提高6061铝合金微弧氧化膜层的性能。方法 在电解液中加入5 mL/L的植酸，对6061铝合金表面生成的微弧氧化膜层进行改性。记录微弧氧化过程中的电压-时间曲线，采用SEM、EDS、XRD、电化学工作站、马弗炉等仪器设备，研究了植酸的添加对微弧氧化膜层微观结构、元素组成、相组成、耐蚀性、抗热震性等特性的影响。结果 添加植酸后，微弧氧化电压从526 V提高到538 V，微弧氧化放电更加均匀，微弧氧化膜层的生长速率增加，膜层厚度从9.3 μm增加到13.6 μm。放电微孔孔径减小，数量增多，膜层致密均匀，膜层结合力从3.2 N提高到3.9 N，显微硬度增加了39.2HV。植酸中的磷酸根基团和羟基可与基体电离出的Al³⁺结合生成植酸铝，使膜层中的C、P元素比例提高，Al元素比例降低。微弧氧化过程中，基体中的Al转变成γ-Al2O3和α-Al2O3，添加植酸后，γ-Al2O3和α-Al2O3的衍射峰强度提高。膜层的腐蚀速率从1.085×10^–2 mm/a降低到1.565×10^–3 mm/a，其耐蚀性能提高，同时具有良好的抗热震性能。结论 植酸的添加优化了微弧氧化膜层的结构，提高了膜层的厚度、显微硬度和膜层结合力，同时改善了膜层的耐蚀性能和抗热震性能。
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  聚环氧琥珀酸衍生物及复合配方在天然海水中阻垢缓蚀性能的研究

  贾静娴, 柳鑫华, 王丽红, 付占达, 魏金芳, 王鹏飞, 王磊, 赵腾达

  表面技术. 2021, 50(12): 390-399. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.039

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  目的 为提高聚环氧琥珀酸(PESA)的阻垢缓蚀综合性能，拓展其应用范围，将2-氨基乙磺酸(SEA)引入PESA分子中，合成聚环氧琥珀酸衍生物(SEA-PESA)并应用于海水环境。方法 将PESA和SEA缩合制备了SEA-PESA，用傅里叶红外光谱和核磁氢谱表征其结构。研究了 SEA-PESA及其四元复合配方在天然海水中的缓蚀和阻垢等综合性能。结果 在海水环境中，SEA-PESA质量浓度为160 mg/L，对Q235钢片的缓蚀率为61.82%，而PESA仅为52.17%。PESA和SEA-PESA的四元复合配方的缓蚀率分别高达88.87%、96.99 %，腐蚀速率分别为0.065 52、0.017 72 mm/a，SEA-PESA四元复合配方缓蚀效果明显优于PESA，更好地契合了国标的要求。SEA-PESA四元复合配方以抑制阳极为主，是一种阳极型缓蚀剂;在海水中也表现出良好的阻垢性能，在10 mg/L用量下阻垢率达100%。结论 本研究证实了SEA-PESA用于冷却系统和热脱盐工艺过程中，特别是海水环境中抑制腐蚀和结垢方面的潜能，应用前景广阔。
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  Ni-P/Ni-Zn-P三层复合镀层的制备与耐腐蚀性能研究

  付传起, 黄亚忠, 李省君, 项永矿

  表面技术. 2021, 50(12): 400-407. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.12.040

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  目的 制备具有不同电位差的多层阳极Ni-P/Ni-Zn-P复合镀层。方法 采用化学镀的方法，在Q235钢基体表面制备内层为低磷Ni-P合金、中层为高磷Ni-P合金、外层为Ni-Zn-P合金镀层的三层复合镀层。通过金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、电化学工作站等仪器对复合镀层表面形貌、成分结构及腐蚀电位进行分析。结果 相较于低磷Ni-P镀层和高磷Ni-P镀层，Ni-P/Ni-Zn-P三层复合镀层的晶胞大小均匀一致且胞与胞之间致密平滑。内层低磷Ni-P镀层断面厚度约为14.5 μm，镍的质量分数约为96.5%，磷的质量分数为3.5%;中层高磷Ni-P镀层断面厚度约为17.6 μm，镍的质量分数约为90.2%，磷的质量分数约为9.8%;Ni-P/Ni-Zn-P三层复合镀层断面总厚度约为40 μm，镍的质量分数约为80.7%，锌和磷的质量分数分别为7.6%和11.7%。在Tafel极化曲线中，Ni-P/Ni-Zn-P三层复合镀层的腐蚀电流密度最小，为3.815×10^–6 A/cm²，具有更好的耐蚀性。在模拟海水环境(5%NaCl溶液)中腐蚀220 h后，内层、中层组织腐蚀成片，出现孔洞且有点蚀，而Ni-P/Ni-Zn-P三层复合镀层几乎没有腐蚀，只有部分区域出现点蚀，组织较为完整，说明三层镀层较单层、双层镀层具有更好的耐腐蚀性。结论 制备具有电位差的多层阳极Ni-P/Ni-Zn-P复合镀层具有更好的性能，且相较于内层单层、中层双层Ni-P合金镀层，其腐蚀速率也明显降低，耐腐蚀性能更好。