2021年, 第50卷, 第4期　
刊出日期：2021-04-20

  

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专题——石墨烯在摩擦磨损及润滑中的应用
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  功能化石墨烯及石墨烯基纳米复合材料润滑添加剂的研究进展

  苏峰华, 张欣博, 孙建芳

  表面技术. 2021, 50(4): 1-17. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.001

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  在现代工业中，使用润滑材料降低摩擦磨损已成为提高机械元件耐久性和提高机械效率的重要手段。其中，润滑添加剂已被广泛证明能够进一步改善润滑介质的润滑性能，因此研究润滑添加剂的摩擦学表现是必要的。纳米材料作为润滑添加剂，能有效提高基础润滑介质的减摩、抗磨和极压性能，改善机械系统摩擦学性能，对节能减排和环保具有重要意义。石墨烯由于其独特的二维层状结构和优异的热力学、力学等性能，可作为润滑材料，已在摩擦学领域受到了广泛关注。近年来，大量石墨烯及其纳米复合材料作为润滑添加剂被研究和制备。在大量文献的基础上，详细综述了石墨烯及其衍生物、共价键及非共价键有机功能化石墨烯、石墨烯基纳米复合材料以及石墨烯复合其他二维层状纳米材料作为润滑添加剂的研究成果，分析了影响石墨烯分散稳定性与摩擦磨损性能的因素，着重讨论了不同功能化石墨烯及石墨烯基纳米复合材料作为润滑添加剂的减摩抗磨机理。最后，探讨了当前石墨烯及其纳米复合材料作为高性能润滑添加剂仍需要注意的问题和不足，并展望了其未来的研究趋势。
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  不同尺度下石墨烯的磨损行为及其机制

  黄哲伟, 林强, 吉喆, 陈苏琳, 沈彬

  表面技术. 2021, 50(4): 18-42, 85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.002

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  石墨烯作为石墨的基本组成单元，其独特的二维结构与优异的减摩特性使其成为国内外摩擦学领域的研究热点。为了获得稳定的润滑效果，其抗磨损能力受到学者们的广泛关注。重点综述了石墨烯在不同尺度上磨损研究的进展。在微纳尺度上，详细地介绍了石墨烯的磨损行为、磨损机理和可以调控其耐磨性的微观因素(包括层数、界面作用力、缺陷、基底硬度、表面粗糙度、粘附力和自配副接触)。在宏观尺度上，根据制备方法的不同，宏观石墨烯涂层主要分为两类:直接法或转移法制备的石墨烯薄膜与自组装法制备的石墨烯涂层。首先，介绍了直接法或转移法制备的石墨烯薄膜的磨损行为和机理，详细阐述了石墨烯薄膜在微纳和宏观尺度上磨损行为变化的根本原因，归纳了调控石墨烯薄膜磨损性能的典型方法。随后，介绍了自组装石墨烯涂层的磨损行为、机理及与薄膜的差异，并总结了增强其宏观磨损性能的策略与内在机制。最后，展望了石墨烯磨损研究的未来方向和实现石墨烯在宏观应用中尚待探索与解决的若干问题。
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  石墨烯在不锈钢材料应用中的减摩和耐磨特性研究进展

  郭万民, 白清顺, 窦昱昊, 郭永博, 杜云龙

  表面技术. 2021, 50(4): 43-55. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.003

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  材料间的摩擦和磨损会产生能源和经济上的损耗，高强度的石墨烯为提高材料的减摩和耐磨特性提供了新的途径。不锈钢材料已经在工业领域获得广泛的应用，根据石墨烯和不锈钢材料的结合方式分类，总结了国内外关于石墨烯应用于不锈钢材料减摩降损的研究进展，从不锈钢材料的加工到应用，揭示了石墨烯降低不锈钢摩擦因数的规律。石墨烯纳米颗粒作为切削液添加剂，可以极大降低不锈钢和刀具摩擦界面的摩擦因数，从而提高不锈钢工件表面加工质量。先制备后转移仍是当前石墨烯应用于不锈钢表面的主要方式，石墨烯以固体润滑剂的形式作用于摩擦界面，不锈钢表面的磨损率可以实现下降。激光熔化增材制造技术的不断发展，为石墨烯增强不锈钢复合材料提供有效途径，极大地推动该材料的工程应用进程，也为石墨烯降低不锈钢材料的摩擦磨损提供了新的研究方向。最后，通过对石墨烯降低不锈钢材料摩擦磨损的研究总结，指出了当前研究存在的部分问题并提出了解决措施，展望了该方向的应用前景。
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  GO-TiO2对磷酸盐粘结涂层耐磨损性能的影响

  卞达, 倪自丰, 钱善华, 王永光, 赵永武

  表面技术. 2021, 50(4): 56-61. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.004

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  目的 提高磷酸盐粘结涂层的耐磨损性能。方法 以3-氨基丙基三乙氧基硅烷为纽带，制备氧化石墨烯-二氧化钛复合材料(GO-TiO2)，并作为增强相加入涂层中。通过SEM和FTIR，对GO-TiO2的微观结构和官能团进行表征，采用维氏硬度计对涂层显微硬度进行测量，利用摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦学行为，采用白光干涉仪和SEM对涂层磨痕微观结构进行表征。结果 二氧化钛和氧化石墨烯通过化学键连接在一起，且由于二氧化钛的存在，氧化石墨烯表面变得粗糙，从而加强机械啮合作用，提高了涂层其他组分与氧化石墨烯的界面结合力。随着GO-TiO2的加入，涂层的显微硬度增加。未添加GO-TiO2涂层的显微硬度为207.4HV0.3，添加1.0%(质量分数)GO-TiO2时，涂层的显微硬度增加至260.4 HV0.3。涂层的摩擦因数随着GO-TiO2的加入稍微降低，而涂层的耐磨损性能显著增加。未添加GO-TiO2涂层的摩擦因数为0.51左右，磨损率为2.17′10^–4 mm³/(N.m)，当添加1.0% GO-TiO2时，涂层摩擦因数和磨损率分别降低至0.45和0.51′10^–4 mm³/(N.m)。结论 涂层磨损主要是由脆性剥落引起的，而且GO-TiO2的添加并未改变涂层磨损机制。GO-TiO2通过抑制裂纹的拓展，提高了涂层的耐磨损性能。
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  氧化石墨烯接枝碳纤维及其树脂涂层在不同载荷下的摩擦学性能

  刘高尚, 刘雅玄, 卞达, 赵永武

  表面技术. 2021, 50(4): 62-69. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.005

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  目的 提升碳纤维(CF)在水性聚酰胺酰亚胺(PAI)树脂涂层中的界面性能，从而使PAI复合涂层获得优异的摩擦学性能。方法 以硅烷(KH550)为偶联剂，制备氧化石墨烯(GO)化学接枝CF增强体(CF&GO)，研究CF接枝前后的热稳定性和添加CF&GO的PAI复合涂层在不同载荷下的摩擦学行为和磨损机理。利用红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的官能团、成分和表面形貌进行表征;利用热失重仪(TGA)对接枝前后CF的热稳定进行表征;利用SEM、摩擦磨损试验机和白光干涉仪分别对CF&GO在PAI复合涂层中的分布和摩擦学性能进行表征。结果 GO通过与硅烷改性后的CF形成酰胺键成功接枝，接枝后，CF形成多尺度增强体，且表面形貌粗糙。此外，接枝后， CF的热稳定性降低，热稳定性规律为GO<CF&GO<CF。添加CF&GO的PAI复合涂层在10、15、20 N载荷下的摩擦学性能呈现不同现象:载荷为10 N时，摩擦因数最高为0.212，磨损率最低为2.64×10⁶ μm³/(N.m);载荷为20 N时，摩擦因数最低为0.168，磨损率最高为3.74×10⁶ μm³/(N.m)。结论 接枝后，纤维表面粗糙度和界面性能提升，热稳定性降低。随着载荷的增加，CF&GO增强PAI复合涂层的摩擦因数降低，磨损率升高。
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  氧化石墨烯对锂基润滑脂摩擦学性能的影响

  刘小龙, 陈海杰, 乔旦, 冯大鹏, 王海忠, 孟维晟

  表面技术. 2021, 50(4): 70-78. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.006

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  目的 研究氧化石墨烯(GO)作为添加剂对润滑脂摩擦性能的影响。方法 将鳞片石墨利用经典的Hummers氧化法氧化得到GO，并表征了GO，再分别以不同的质量分数(0.1%、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%)与润滑脂复配。同时增加了空白润滑脂与石墨粉复配的润滑脂作为对比。利用Optimol SRV型摩擦磨损试验机评价其摩擦学性能。利用非接触三维表面轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)观察磨斑表面和深度。通过特征X射线能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)，对磨斑表面的元素化学状态分布进行分析。 结果 与空白锂基润滑脂相比，添加了石墨粉的锂基润滑脂在经过钢/钢摩擦副的摩擦后，其摩擦因数均有降低，但随着试验的进行，其摩擦因数均逐渐提高，摩擦副表面出现了润滑失效的现象，而添加GO的锂基润滑脂其摩擦因数迅速降低至0.13左右，降低了35%，且在试验时间内没有出现润滑失效的现象。SEM及三维轮廓图显示，在添加GO的润滑脂润滑后，其钢块磨斑最低，磨痕最浅;EDS显示其润滑后的磨痕有较多的氧元素，说明具有含氧官能团的GO 能够牢固地吸附在基体表面，形成润滑层。XPS证实了分别添加有石墨和GO的润滑脂在摩擦试验过程中均与基体发生了摩擦化学反应，由铁的氧化物形成了一层润滑薄膜。结论 GO作为润滑脂添加剂可以有效降低摩擦因数，减少磨损量，延长润滑时间，提高润滑性能。
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  TC4合金表面熔覆石墨烯增强钛基复合涂层的组织及性能

  孟君晟, 李成硕, 弭德振, 王铀

  表面技术. 2021, 50(4): 79-85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.007

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  目的 通过氩弧熔覆技术在TC4合金表面制备石墨烯增强钛基复合涂层，以改善其耐磨性能。方法 将钛粉和石墨烯在球磨机中充分混合。将混合后的粉末涂覆于TC4合金表面，采用氩弧熔覆技术将预涂覆粉末熔化，制备出陶瓷颗粒增强钛基熔覆层。采用X射线衍射分析仪分析涂层的物相，利用光学显微镜、扫描电子显微镜分析熔覆层中颗粒相的组成及分布。采用显微维氏硬度仪和摩擦磨损试验机，测试熔覆层的显微硬度和磨损性能。结果 熔覆层厚度可达1 mm，且表面及横截面没有气孔、裂纹等缺陷产生，物相主要包括TiC和α-Ti。熔覆层中不同区域的组织存在差别，涂层的中上部组织主要为树枝晶，底部组织中树枝晶逐渐减少。熔覆层与基体呈冶金结合，组织致密。增强相TiC以颗粒状和花瓣状形式存在。石墨烯增强钛基复合涂层的显微硬度高达845.4HV。在相同磨损条件下，TC4合金基体与熔覆层的磨损量分别是0.153 g和0.0123 g，熔覆层的磨损量明显降低。涂层的磨损机制主要是磨粒磨损。结论 与TC4合金基体对比，熔覆层的显微硬度提高约2.5倍，耐磨性提高12倍。氩弧熔覆原位自生TiC陶瓷颗粒增强钛基熔覆层可显著提高TC4合金表面的耐磨性。
表面强化技术
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  基于正交实验和数据驱动的喷丸表面完整性参数预测

  吴少杰, 刘怀举, 张仁华, 张秀华, 葛一波

  表面技术. 2021, 50(4): 86-95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.008

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  目的 探究喷丸工艺参数对18CrNiMo7-6滚子表面完整性的影响规律，得到喷丸工艺参数与表面完整性的映射关系，提高喷丸工艺的质量与效率。方法 运用Python语言对Abaqus进行二次开发，建立喷丸仿真的随机多弹丸模型并进行了试验验证。设计正交实验研究喷射角度、喷射速度、弹丸直径、覆盖率及弹丸类型对残余应力与表面粗糙度的影响规律，并用随机森林算法得到各个工艺参数对喷丸综合效果的重要度值。以喷射角度、喷射速度、弹丸直径、覆盖率、弹丸类型、距表面深度为输入，残余应力和表面粗糙度为输出，建立基于神经网络的喷丸表面完整性参数预测模型。结果 通过正交实验分析得到弹丸直径和喷射速度对表面粗糙度有显著影响。各个喷丸工艺参数对18CrNiMo7-6滚子的喷丸综合效果的重要度依次为:喷射角度0.249，喷射速度0.224，弹丸类型0.193，覆盖率0.173，弹丸直径0.161。在各个工艺参数范围内，较优的工艺参数组合为:喷射角度90°，喷射速度80 m/s，弹丸直径0.7 mm，覆盖率300%，弹丸材料为铸钢丸。基于神经网络的喷丸表面完整性参数预测模型的平均相对误差低于7%。结论 基于神经网络的喷丸表面完整性参数预测模型可以较准确地表示喷丸工艺参数与表面完整性参数之间的映射关系，能够为喷丸工艺提供相关参考。
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  激光喷丸与机械喷丸复合强化对2124-T851铝合金疲劳寿命的影响

  王强, 高国强, 罗学昆

  表面技术. 2021, 50(4): 96-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.009

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  目的 研究激光喷丸(LSP)、机械喷丸(SP)及其复合强化(LSP+SP)对2124-T851铝合金四点弯曲疲劳寿命的影响。方法 激光喷丸强化的脉冲激光能量为6 J，脉冲宽度为20 ns，光斑直径为2 mm，半圆搭接。喷丸强化采用直径为0.3 mm的陶瓷弹丸，喷丸压力为0.2 MPa，喷丸覆盖率大于100%。采用X射线衍射的方法测定强化层的残余应力。采用显微硬度仪测定显微硬度。在MTS伺服试验机上测定试样四点弯曲疲劳寿命。使用扫描电子显微镜观察疲劳试样断口。采用列表梯形法分析计算试样的疲劳裂纹扩展寿命和萌生寿命，分析机械喷丸和激光喷丸强化层性能对疲劳寿命的影响。结果 LSP+SP试样残余应力场和硬度场近表层的数值与SP试样相近，表面残余应力为–260 MPa，表面硬度为178HV。LSP+SP试样残余压应力场和应变硬化场深度与LSP试样相近，可达3 mm以上。与未强化(AR)试样相比，SP、LSP和LSP+SP试样的平均疲劳寿命分别提高了214%、217%和312%。结论 喷丸强化的显著应变硬化作用提高了SP试样和LSP+SP试样的裂纹萌生寿命，激光喷丸强化引入的深层残余压应力场提高了LSP和LSP+SP试样的裂纹扩展寿命，LSP+SP复合强化兼具SP和LSP工艺的疲劳寿命强化作用。
激光表面改性技术
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  基于离子束辅助激光的硬质合金表面微织构制备方法研究

  刘峰, 郭旭红, 韩玉杰, 王呈栋, 刘同舜, 董帮柱, 张克栋

  表面技术. 2021, 50(4): 103-112. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.010

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  目的 解决纳秒激光所制备的硬质合金表面微织构尺寸不可控且质量较差的问题。方法 提出了离子束刻蚀与纳秒激光复合加工技术。首次采用离子束辅助激光加工在WC/Co硬质合金表面制备凹坑型微织构，研究了激光扫描速度、重复频率、脉冲宽度和刻蚀时间4种不同加工参数对微凹坑表面形貌及结构尺寸的影响，并初步预测和建立了复合加工过程中微凹坑轮廓演变模型。结果 凹坑型微织构边缘熔融物堆积量随激光重复频率的增加而增加，与扫描速度和脉冲宽度成反比，其中激光重复频率的影响最大。制备的微凹坑直径和深度可以通过改变激光重复频率和刻蚀时间来调节，使用纳秒激光以20、25、30、35 kHz重复频率加工的微凹坑经离子束刻蚀150 min后，边缘的不规则凸起高度分别由1.112、1.675、2.951、3.235 μm降低至0.222、0.689、0.976、1.364 μm，且刻蚀速率与激光重复频率成正比。离子束刻蚀150 min后，抛光硬质合金表面粗糙度由0.022 μm增加至0.079 μm，而激光织构化硬质合金表面粗糙度随刻蚀时间的增加均有所降低。结论 建立了基于离子束辅助激光的表面微织构轮廓演变模型，实现了硬质合金表面微织构的高质量可控制备。
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  激光辐照区中心温度对高速钢刀具熔覆WC/Co陶瓷层裂纹与组织的影响

  陈翔, 张德强, 李金华, 孙文强, 朴若华

  表面技术. 2021, 50(4): 113-124. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.011

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  目的 研究M2高速钢刀具表面激光熔覆WC/Co陶瓷层的辐照区中心温度对熔覆层边界裂纹、组织的影响规律与裂纹产生机理。方法 采用IPG光纤激光器在M2高速钢刀具表面制备WC/Co陶瓷熔覆层，对多因素激光工艺参数进行耦合，用刀具基体表面辐照区的中心温度(T)和作用于单位质量粉末的中心温度(η)对熔覆层进行分析。运用显微硬度计、SEM、EDS等手段表征熔覆层的宏观形貌、显微硬度与组织。结果 T小于3535 K时，熔覆层通常表现为单边裂纹;T达到4329 K时，熔覆层裂纹长度及宽度成倍增加并沿结合线的方向扩展;T达到5009 K以上时，熔覆层纵向贯穿裂纹数量增加，熔覆层内部开始出现大面积的组织缺陷。η小于19 884 K/g时，熔覆层最高硬度数值与其近乎成等比增长趋势，熔覆层主要由WC胞状晶、W2C枝晶为主要强化相的不规则组织构成;η为19 884 K/g时，熔覆层最高硬度为1400HV;η达到19 884 K/g以上时，熔覆层最高硬度值逐渐下降，熔覆层组织继续长大并开始团聚，逐渐形成以WC为主要强化相的块状组织结构;η超过23 614 K/g时，熔覆层左右边界结合区出现比较明显的富WC陶瓷层。结论 在辐照区中心温度小于3535 K时，WC/Co陶瓷层内裂纹可以较为稳定地控制在熔覆层边界处。裂纹的源头多在熔覆层与基体结合的左右边界处，随着中心温度升高，裂纹沿熔覆层结合线方向扩展延伸。作用于单位质量粉末的中心温度对陶瓷熔覆层最高显微硬度的影响最为明显。η较低时，激光温度梯度与熔凝速度之比对陶瓷熔覆层的组织形态和硬度影响更大;η较高时，冷却速度对陶瓷熔覆层的组织形态和硬度影响更大。陶瓷熔覆层边界裂纹的产生和扩展与熔覆层和基材的物性参数差异、温度梯度变化、基材翘曲变形、陶瓷相分布情况有关。
研究综述
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  杂散电流对埋地管道的腐蚀及排流方式的研究进展

  万红霞, 李婷婷, 宋东东, 陈长风

  表面技术. 2021, 50(4): 125-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.012

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  随着人们对能源需求的不断增加，输油管道和电力设施建设迅速发展，由于空间地理位置限制，管线与电力设施不可避免地并行铺设，杂散电流对埋地管道的腐蚀问题日益突出。根据干扰源不同，可将杂散电流分为直流干扰与交流干扰。分别从直流和交流杂散电流出发，介绍了杂散电流的主要来源、形成原因及腐蚀危害;了解了二者的腐蚀特征以及腐蚀速率差异。通过调研国内外杂散电流腐蚀的相关研究，对直流腐蚀与交流腐蚀机理进行了系统论述与总结，并对交流腐蚀速率低于直流腐蚀速率的原因进行了分析与探讨。分别介绍了直流杂散电流与交流杂散电流的排流方法与排流装置，分析了每种排流方式的优缺点及适用条件，为实际工况中排流方式的选取提供了参考。最后，针对目前杂散电流腐蚀难点，提出了有待解决问题的方法，并对这一领域的研究方向及发展前景进行了展望，为相关研究提供了借鉴。
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  高炉风口小套表面防护技术的研究进展

  章超, 吕金金, 白丹, 洪建国, 韩宏松, 张玉文, 鲁雄刚

  表面技术. 2021, 50(4): 135-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.013

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  首先分析了高炉风口小套的几种主要的失效形式以及常见的失效位置，简要指出目前紫铜风口小套存在的问题。随后系统综述了风口小套(铜材料)表面防护技术的研究现状，重点介绍了共渗、堆焊和喷涂三大工艺的应用进展。归纳总结了各种工艺的技术原理、防护材料选择以及强化机理。通过对比三大工艺的优缺点得出，堆焊工艺能获得与铜基体呈冶金结合的耐磨防护层，最具应用前景。但是目前的研究主要致力于提高铜表面的硬度和耐磨性，而忽略了防护层对导热性的影响。因此，在风口小套表面研发一种与基体呈冶金结合、工作性能优异、对整体导热系数影响小的梯度涂层，是未来风口小套长寿化的重点研究方向。
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  Fe基软磁性薄膜的电化学合成研究进展

  冀彬, 王为

  表面技术. 2021, 50(4): 151-158. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.014

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  Fe基软磁材料主要有FeNi合金、FeCo合金和FeSi合金等。由于它们具备高磁化强度、高磁化率和低矫顽力等优异的软磁性能，而被广泛应用于电子、电气、国防等领域。随着科技的发展，要求电子元器件具有更小的尺寸和更优异的性能，因而对软磁性材料薄膜化的需求也日益迫切。从电化学基本原理出发，针对当前的研究现状，对电沉积合成Fe基软磁性薄膜材料的各个工艺参数的影响与调控进行了简单的分析与介绍。主要介绍了电沉积方法，并介绍了电沉积法多种调控沉积层成分、形貌、厚度以及性能的手段。随后介绍了Fe基软磁性薄膜的电沉积工艺研究现状，研究表明，沉积电流、镀液组成、镀液pH值、温度、沉积时间、外加磁场等因素均会影响磁性薄膜的组成及性能。此外，单独介绍了FeSi合金电化学制备复合电沉积技术，主要介绍了FeSi合金复合共沉积中硅的分散性问题，并对铁硅合金的电沉积研究现状作了简单总结。主要的目的在于能对当前Fe基软磁性材料的研究现状有一定的掌握，并对以后的发展使用提供借鉴。
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  等离子喷涂典型耐磨涂层材料体系与性能现状研究

  韩冰源, 杜伟, 朱胜, 黄庆伟, 李小平, 崔方方, 徐文文

  表面技术. 2021, 50(4): 159-171. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.015

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  等离子喷涂作为重要的热喷涂技术之一，在零件表面强化处理与再制造损伤修复领域具有广泛的应用。由于不同机械零部件工作环境(温度、转速、腐蚀环境、润滑状况等)、基体材质及运动形式等因素存在较大的差异，因而通常需根据其具体服役工况选择最优的表面强化涂层，以满足零件表面摩擦学性能需求，提升机械装备的综合服役性能。基于此，对国内外采用等离子喷涂技术所制备的典型耐磨涂层的材料体系及涂层性能进行了详细地综述，系统介绍了组织成分、物相结构、力学性能、服役工况等因素对典型涂层(包括金属基涂层、陶瓷基涂层及多相复合涂层等)摩擦学性能的影响机理。结果表明，涂层的摩擦学性能受到涂层自身特性相关的内因(包括孔隙率、力学性能、组织成分等)和服役工况相关的外因(包括载荷、频率、润滑状态、工作介质等)的影响;典型金属基耐磨涂层包括Fe基、Ni基和Mo基涂层等，通过表面处理、后处理和工艺优化等手段，可显著改善涂层的摩擦学性能;采取不同的喷涂方式因颗粒熔化程度差异，使陶瓷基涂层产生不同的磨损程度;针对纳米、微米结构的陶瓷基涂层进行对比分析，发现纳米涂层通过吸收应力而降低磨损;复合涂层通过添加润滑相能够降低其摩擦因数、减轻涂层磨损，其中相较于单一润滑相，多组润滑相能通过发挥协同润滑效果，使涂层在不同温度区间下保持良好的耐磨性。最后，对等离子喷涂涂层耐磨性能的提升和优化方向进行了展望。
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  油气管道的CO2腐蚀及防护研究进展

  李佳航, 王丹, 谢飞, 王月, 陈一鸣, 杨海燕

  表面技术. 2021, 50(4): 172-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.016

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  腐蚀控制是石油天然气管输过程中的一个重要问题。CO2是石油天然气管道中最常见的腐蚀介质，研究CO2腐蚀机制和防护措施具有重要科学意义和经济价值。综述了CO2的腐蚀机理，包括化学反应、电化学反应和传质过程。对现有的腐蚀理论进行了深入讨论，发现阴极反应对CO2腐蚀具有重要影响，CO2对阳极过程的影响尚未明确。在腐蚀机理的基础上，考虑管道实际工况，结合电化学实验结果阐述了各影响因素对CO2腐蚀行为的影响，并结合CO2腐蚀的影响因素讨论了常用管道防护措施的缺陷:阴极保护系统受电位影响较大，应确立新的阴极保护电位，以保证在杂散电流作用下的阴极保护效果;防护涂层容易在杂散电流干扰下发生降解，失去保护性;多数缓蚀剂对环境有害。最后，展望了未来CO2腐蚀和防护的发展方向:为进一步了解CO2腐蚀机理，需要对CO2的电化学腐蚀行为进行系统地实验测试。研究不同缓蚀剂的协同效应，使用环境友好型绿色缓蚀剂，利用新材料开发智能涂层和新型阴极保护系统，也是未来的研究方向之一。
表面功能化
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  圆柱形谐振式MPCVD装置的模拟及调控

  刘繁, 翁俊, 汪建华, 周程

  表面技术. 2021, 50(4): 184-190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.017

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  目的 在实验室自制的5 kW圆柱形单模微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置上，系统研究各放电参数对等离子体的影响。方法 采用模拟计算与实验调控相结合的方式，分析微波等离子体、基团的运动和分布与放电参数之间的关系。利用发射光谱诊断等离子体环境，同时，利用SEM和Raman对所沉积的金刚石膜的形貌和质量进行表征，以验证MPCVD装置的调控原则。结果 气压和温度满足 关系时，吸收功率密度可达最大。单独提高微波功率和工作气压，能很大程度地增强等离子体的电子密度及改善等离子体球的均匀性，而两者相互之间匹配升高能极大地增加等离子体的电子密度，同时激发更多Hα、Hβ、CH及C2这类适合高质量金刚石膜沉积的活性基团。得到了MPCVD装置长时间稳定运行的等离子体稳定边界，并成功制备出高质量的金刚石膜。结论 功率气压及温度相匹配可以提高吸收功率密度、等离子体密度及均匀性。在圆柱形装置稳定运行的边界条件下，能沉积得到较高质量的金刚石膜。
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  TiO2对中空硅减反射涂层硬度的影响

  黄粉超, 焦剑, 程皓, 王瑾, 王佳

  表面技术. 2021, 50(4): 191-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.018

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  目的 提高中空硅减反射(AR)涂层的硬度。方法 采用溶胶-凝胶法制备中空二氧化硅纳米微球(HSNs)胶体溶液，通过异丙醇钛(TTIP)的水解缩合作用，在HSNs表面沉积纳米TiO2后，制备HSNs@TiO2胶体溶液。将HSNs@TiO2胶体溶液与酸性硅溶胶(ACSS)复合，制备HSNs@TiO2/ACSS减反射液，通过旋涂法在玻璃基板上制备相应的AR涂层。通过特高分辨率场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和原子力显微镜对HSNs和HSNs@TiO2纳米粒子的形貌进行分析，通过紫外-可见分光光度计和纳米压痕仪对HSNs/ACSS AR涂层和HSNs@TiO2/ACSS AR涂层的透射率、硬度和弹性模量分别进行分析。结果 纳米TiO2沉积在HSNs表面后，减反射液中HSNs@TiO2纳米粒子的粒径较HSNs粒径增大1~30 nm不等。由HSNs@TiO2/ACSS减反射液制备的AR涂层表面颗粒及团簇明显，表面粗糙度(RMS)可达9.61 nm，远高于HSNs/ACSS AR涂层的3.62 nm。含有较大粒径HSNs@TiO2纳米粒子的HSNs@TiO2/ACSS AR涂层使玻璃基板在550 nm波长处的透射率增加1.3%，低于HSNs/ACSS AR涂层的增加值2.8%。纳米TiO2沉积之前，HSNS/ACSS AR涂层的硬度和弹性模量分别为2.3 GPa和56.3 GPa，纳米TiO2沉积之后，HSNs@TiO2/ACSS AR涂层的硬度和弹性模量分别为3.3 GPa和55.2 GPa，AR涂层的硬度显著提高。结论 溶胶-凝胶法在HSNs上沉积纳米TiO2后，可有效提高AR涂层的硬度，因此AR涂层的环境适用性有望得到进一步提高。
摩擦磨损与润滑
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  时间和粗糙度对4Cr5Mo2V钢离子氮化层高温磨损性能的影响

  孙宇锋, 左鹏鹏, 计杰, 吴晓春

  表面技术. 2021, 50(4): 198-204, 234. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.019

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  目的 提高4Cr5Mo2V钢离子氮化层的高温磨损性能。方法 以表面粗糙度(Ra)与氮化时间为变量，通过正交和单变量试验对4Cr5Mo2V钢进行离子氮化。使用显微硬度仪、光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、高温摩擦磨损试验机分别表征4Cr5Mo2V钢离子氮化层的表面硬度、显微硬度梯度、有效厚度、疏松度、物相及高温磨损性能，利用扫描电子显微镜(SEM)和光学轮廓仪对渗层微观组织及高温摩擦磨损试样的磨损体积、磨痕形貌、截面形貌进行分析。结果 氮化6 h时，渗层表面硬度及有效厚度均随粗糙度增加而增大，但疏松度均在3—4级，渗层质量差且高温磨损性能不佳;氮化10 h时，离子氮化效果与氮化6 h时相反，且Ra为1.05 μm的试样氮化层逐渐减薄至200 μm，渗层疏松度进一步增加至5级;当氮化时间达到14 h时，Ra为0.15 μm的试样获得质量最优的氮化层，其渗层有效厚度为300 μm，显微硬度梯度为5级，渗层疏松度为1级，该试样在高温摩擦磨损试验下，磨损率比Ra为1.05 μm的氮化试样低64%，高温磨损性能显著提高。结论 随着氮化时间的增加，表面粗糙度的增大会造成4Cr5Mo2V钢离子氮化层的减薄及疏松度的增加，使其高温磨损性能变差。表面粗糙度为0.15 μm的4Cr5Mo2V钢经14 h氮化后，离子氮化层质量最佳，渗层的高温磨损性能有效提高。
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  ZnO-GO杂化材料的制备及其增强无机粘结陶瓷涂层摩擦学性能的研究

  汤豪, 刘雅玄, 卞达, 郭永信, 赵永武

  表面技术. 2021, 50(4): 205-214. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.020

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  目的 通过制备氧化锌-氧化石墨烯(ZnO-GO)杂化材料并植入陶瓷涂层中，提升氧化石墨烯与涂层界面的结合强度，从而提高涂层的显微硬度和耐磨性。方法 利用一种简单的水热法制备了ZnO-GO杂化物，并通过X射线衍射分析(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱和扫描电子显微镜(SEM)对纳米杂化材料进行表征。此外，使用溶胶凝胶法在不锈钢上制备添加不同含量ZnO-GO杂化材料的磷酸盐陶瓷涂层(CBPCs)。通过磨损试验研究陶瓷涂层的磨损行为，并观察涂层的磨损形貌，探讨ZnO-GO涂层的磨损机理。结果 X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)的分析结果表明，ZnO成功修饰在GO表面。ZnO-GO陶瓷涂层均匀致密，平均厚度为150 μm，显微硬度为163.5~233.1 HV。在载荷为10 N、往复频率为1 Hz，持续时间为30 min的摩擦条件下，ZnO-GO复合涂层与氮化硅小球对磨的摩擦系数为0.62~0.52，磨损率为3.819×10^–4~0.943×10^–4 mm³/(N.m)。随着含量的增加，摩擦系数下降，磨损率也减少。结论 氧化锌-氧化石墨烯杂化材料的添加可显著提升陶瓷涂层的显微硬度，并降低涂层的磨损率。
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  TC4钛合金表面涂层改性:CrN素多层

  李金龙, 周艳文, 张开策, 黄振, 祁继隆, 王亚男, 郭媛媛

  表面技术. 2021, 50(4): 215-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.021

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  目的 提高TC4钛合金的硬度和耐磨损性，改善CrN硬质涂层与TC4钛合金的适应性。方法 采用等离子体增强磁控溅射系统，通过调节热丝放电电流，在TC4钛合金基体表面沉积疏密CrN单层和素多层涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、纳米压痕仪、洛氏压痕仪、摩擦磨损仪以及台阶仪，表征涂层形貌、成分、物相及性能。采用动电位极化法表征涂层的耐腐蚀性。 结果 当热丝放电电流为较低的4 A×4时，沉积的CrN单层涂层为具有针孔、孔洞等缺陷的疏松结构，8 A×4沉积的CrN单层涂层具有致密结构，周期性调节热丝放电电流则获得疏密交替的CrN素多层涂层。CrN涂层均由单一面心立方结构的CrN相组成，疏松CrN单层涂层的衍射晶面为(111)、(200)、(220)及(222)，致密CrN单层涂层沿(111)晶面择优生长，随着疏密子层调制比的增大，CrN素多层涂层的(111)衍射峰不断增强。疏松CrN单层涂层的最小H和最大E分别为13.0 GPa和207.5 GPa，调制比为1:4的疏密CrN素多层涂层的最小H和最大E分别为17.0 GPa和257.4 GP。在1470 N载荷下洛式压痕法表明，致密CrN单层涂层的结合强度最低，等级为HF5，其余涂层均为HF1—HF4。CrN涂层的自腐蚀电位较TC4钛合金均发生了正移。结论 CrN硬质涂层可以有效提高TC4钛合金的硬度和耐磨损性，表面得到明显强化。周期性调节等离子体密度所沉积的疏密CrN素多层涂层与单层相比，涂层性能明显改善。
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  三角表面微织构对304钢摩擦学性能的影响

  谢永, 宋文涛, 陈文刚, 刘德春, 陈龙

  表面技术. 2021, 50(4): 225-234. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.022

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  目的 研究表面三角微织构对304钢减摩抗磨特性的影响，扩宽奥氏体不锈钢应用范围，为改善304钢的耐磨损性能提供理论依据。方法 采用激光加工技术在304钢表面制备三角形微织构，其底边长200 μm，高200 μm。利用有限元ANSYS软件对油膜压力等参数进行仿真分析，并在MRTR-1多功能摩擦磨损试验机上检测表面织构化304钢的摩擦学性能，探究不同旋转直径(15、25、35 mm)及不同转速(100、200、300 r/min)下三角微织构的摩擦磨损情况，并采用扫描电子显微镜(SEM)分析工件表面的显微结构及形貌。结果 有限元仿真结果表明，三角微织构的存在使油膜内部的压力增大，并且转速越大，油膜承受压力越大，摩擦系数明显降低。试验结果表明，三角织构与无织构化表面相比，平均摩擦系数显著降低，最大降幅达14.89%。结论 激光加工三角织构的304钢摩擦磨损性能优异，且在旋转直径35 mm、转速300 r/min的条件下，减摩抗磨性能更好。主要作用机理为，接触表面间润滑液的及时有效补充，提供了“二次润滑”效应，并建立了连续的摩擦接触界面间的油膜，起到减摩抗磨的作用。
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  A-UIT复合处理对7075铝合金激光焊接头摩擦磨损性能的影响

  丁亚茹, 陈芙蓉

  表面技术. 2021, 50(4): 235-243. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.023

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  目的 研究时效-超声冲击(A-UIT)复合处理方法对铝合金激光焊缝耐磨性的影响。方法 对7075铝合金激光焊缝进行时效处理、超声冲击处理、A-UIT复合处理，对比时效处理、超声冲击处理、A-UIT复合处理后焊缝的表面硬度、表面粗糙度、3D形貌及扫描显微组织，并分析A-UIT复合处理、时效处理和超声冲击处理对焊缝耐磨性能的影响及机理。结果 超声冲击处理的焊缝与焊态进行比较，粗糙度减小了8.65 μm，表面硬度增大了47HV，摩擦系数降低了0.17，磨损率降低了70%;6、24、32 h时效处理后的粗糙度分别比焊态减小了10.18、4.19、5.88 μm，表面硬度比焊态高出37、55、44HV，平均摩擦系数比焊态降低0.10、0.08、0.09，磨损率比焊态低51%、54%、61%;6、24、32 h A-UIT复合处理分别与6、24、32 h时效处理相比，粗糙度减小了9.88、10.58、8.7 μm，表面硬度增大了43、44、31HV，平均摩擦系数降低了0.1、0.1、0.07，磨损率降低了35%、41%、27%。A-UIT复合处理焊缝主要以磨粒磨损为主，且存在局部剥层磨损。单独时效处理焊缝主要以浅色的剥层磨损为主，且存在少量的磨粒磨损，磨损面积较大，并伴有少量的氧化磨损。结论 时效和超声冲击处理均可有效提高焊缝的耐磨性能，超声冲击处理的作用要大于时效处理，摩擦系数比24 h时效处理小15.3%，磨损率为时效处理的36.1%。A-UIT复合处理后的焊缝在纳米晶和时效强化相的共同作用下，比时效处理和超声冲击处理的焊缝耐磨性能提升更为明显。24 h A-UIT复合处理后，焊缝的摩擦系数比24 h时效处理提高了28.5%，比超声冲击状态提高了8.6%，磨损率比24 h时效处理提高了40.9%，比超声冲击状态提高了76.9%。
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  纳米尺度单晶氧化镓摩擦磨损性能试验研究

  徐亚萌, 周海, 张杰群, 李永康, 沈军州

  表面技术. 2021, 50(4): 244-252, 284. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.024

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  目的 分析单晶氧化镓在纳米尺度下的摩擦磨损性能，为金刚石磨料对氧化镓晶体的精密研磨加工提供理论依据。方法 在G200纳米压痕仪上，使用Cube Corner金刚石压头，对单晶氧化镓的(010)和(100)晶面进行了摩擦磨损试验，利用原子力显微镜观测试验后的形貌并测量尺寸。结果 在金刚石以不同速度摩擦单晶氧化镓时，(010)和(100)晶面的划痕宽度与摩擦速度的拟合直线的斜率分别4.057 69和7.634 62，深度与摩擦速度拟合直线的斜率分别为0.820 73和0.798 62。以不同载荷摩擦氧化镓时，(010)和(100)晶面的划痕宽度与载荷的拟合直线的斜率分别为47.625和46.750，深度与载荷拟合直线的斜率分别为23.764和31.9546。在多次重复摩擦磨损试验中，摩擦次数从1次增加到10次，划痕的深度从571.22 nm增加到2964.81 nm，划痕宽度从889.34 nm增加到7360 nm。结论 在干摩擦状态下，金刚石压头的摩擦速度对氧化镓的摩擦系数、磨损影响不大。在低载荷下，氧化镓的磨损以塑性变形引起的材料去除为主，在载荷增大到一定值时，磨损转变为脆性材料去除的形式，出现裂纹、剥落和碎屑等，磨损增大。氧化镓(100)晶面由于硬度低、易解理，比(010)晶面更容易磨损。
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  等离子体增强磁控溅射制备TiAlVSiCN涂层的抗冲蚀性能

  黄晓林, 魏荣华, 林健凉, Robert Castillo, 赵文涛

  表面技术. 2021, 50(4): 253-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.025

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  目的 提高不锈钢基体的抗固体颗粒冲蚀性能。方法 在不锈钢基体表面，通过等离子体增强磁控溅射系统(PEMS)，采用不同偏压工艺制备TiAlVSiCN纳米复合涂层。通过SEM、HRTEM观察涂层的微观形貌与组织，利用XRD、SAD分析涂层的物相组成与晶体结构，并通过划痕仪、纳米硬度计以及冲蚀试验机探究不同工艺涂层的结合强度、纳米硬度以及抗冲蚀性能差异。结果 采用PEMS制备出一系列不同偏压条件下的TiAlVSiCN涂层，涂层组织致密，呈柱状，主要包括纳米晶Ti(Al,V)(C,N)相和非晶相。偏压显著影响涂层的晶粒尺寸和非晶相分布，高偏压下的涂层主要由20~50 nm的Ti(Al,V)(C,N)纳米晶及其周围弥散分布的非晶相组成，而低偏压下的涂层主要由100 nm的Ti(Al,V)(C,N)纳米晶和连续分布的非晶相组成。高偏压下制备的涂层厚度超过20 μm，纳米硬度可达(34.6±14.1) GPa，具有优良的结合强度(>65 N)和抗冲蚀性能，其抗冲蚀性能相比不锈钢基体提高近8倍。结论 通过与偏压参数的匹配控制，PEMS可有效调控纳米复合涂层的组织结构，实现硬度与弹性模量的良好匹配，制备出具有优良抗冲蚀性能、厚度达到20 μm以上的TiAlVSiCN纳米晶-非晶复合涂层。
腐蚀与防护
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  酸掺杂聚苯胺复合材料的制备及其pH敏感性研究

  齐琦, 王洪芬, 陈守刚

  表面技术. 2021, 50(4): 267-274. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.027

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  目的 探索不同掺杂酸对聚苯胺包覆载药TiO2纳米管(TNTs)复合材料的pH敏感性释药行为的影响。方法 通过化学氧化聚合法分别制备掺杂CA、L-Glu和LABSA的聚苯胺包覆载药TiO2纳米管复合材料(PANI@TNTs-BIT)。采用XRD、FT-IR、TEM及TGA测试确定产物结构、形貌及体系载药量，用UV-vis法测定BIT药物在特征吸收波长下的吸光度，并得出吸光度与浓度间的函数关系式，以揭示复合材料的药物释放量与环境pH之间的关系。结果 锐钛矿型TNTs作为防污剂BIT的纳米容器，药物负载高达23%(质量分数)。用 PANI包覆后，TNTs-BIT的载药率降为9.8%，结合TEM图，说明形成了较厚的PANI包覆层。酸掺杂后的PANI@TNTs-BIT复合材料具有明显的pH敏感性，当环境pH由8.5逐渐下降至5.8时，掺杂L-Glu和LABSA的 PANI@TNTs-BIT中BIT的释放量呈快速增长趋势，尤其是掺杂LABSA的材料，不但具有优异的pH响应性释药行为，而且明显缓解了BIT前期“爆释”问题，表现出了高效防污性能。结论 锐钛矿型TNTs可对所负载的BIT药物起到缓/控释作用，而且利用掺杂L-Glu和LABSA的PANI对TNTs-BIT进行包覆后，可实现载药体系及时对环境pH的变化作出响应，从而起到智能调控药物释放量并达到防污的目的。
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  铝合金在切削乳化液中的微生物腐蚀行为研究

  申媛媛, 董耀华, 李庆宏, 朱红玲, 董丽华, 尹衍升

  表面技术. 2021, 50(4): 275-284. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.028

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  目的 研究切削乳化液中滋生的微生物对铝合金工件腐蚀行为的影响及腐蚀作用规律，为避免微生物引起铝合金工件的腐蚀提供理论依据。方法 采用表面形貌观察及成分分析方法，分别研究微生物对铝合金腐蚀形貌的影响及腐蚀产物组成，并利用统计学方法分析铝合金表面的点蚀分布情况，最后利用电化学方法分析铝合金表面的腐蚀电化学特性。结果 在含有多种微生物的切削乳化液中，铝合金工件的腐蚀更为严重，铝合金表面被微生物附着，形成不均匀的腐蚀产物膜和生物膜。除去表面膜层后，发现了明显的点蚀坑，而且点蚀坑的数量多、深度大，最深达到17.7 μm。而在灭菌的切削乳化液中，铝合金表面仅有乳化物附着，而且较为均匀。除去膜层后，表面划痕明显，无点蚀现象。电化学结果也表明，在含有多种微生物的切削乳化液中，铝合金的电荷转移电阻Rct逐渐减小，从浸泡3 d时的23 kΩ降到15 d后的8.3 kΩ，铝合金的腐蚀速率明显增大。结论 切削乳化液中滋生的微生物明显加速了铝合金的腐蚀。
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  基于IFA-BPNN的长输管道外腐蚀速率预测

  凌晓, 徐鲁帅, 高甲程, 马娟娟, 马贺清, 付小华

  表面技术. 2021, 50(4): 285-293. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.029

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  目的 构建陆地长输管道外腐蚀速率的预测模型，提升管道外腐蚀速率预测的精度，对长输管道外腐蚀状态进行准确把控。方法 深入解析了萤火虫算法(FA)的工作原理，针对FA易出现陷入局部最优或因控制参数设置不合适而导致函数无法收敛等问题，提出了FA的改进方案:采用Logistics混沌映射的方法初始化萤火虫的位置，提升萤火虫种群的所养性;引入一种新的惯性权重计算方法来改进萤火虫位置移动公式，提升FA全局寻优能力。利用改进的萤火虫算法(IFA)对误差反向传播神经网络(BPNN)初始权值和阈值进行优化，建立基于IFA-BPNN的长输管道外腐蚀速率预测模型。以111组长输管道外腐蚀检测数据为例，在MATLAB中进行模拟仿真计算，使用粒子群算法优化的BPNN(PSO-BPNN)、遗传算法优化的BPNN(GA-BPNN)以及未进行优化的BPNN作为对比模型进行对比分析。结果 使用IFA优化BPNN，大幅提升了BPNN模型的预测精度。使用IFA-BPNN模型预测12组管道腐蚀速率，平均相对误差仅为5.94%，预测结果的R²为0.995 95，均优于BPNN、PSO-BPNN以及GA-BPNN模型的预测结果。结论 IFA-BPNN作为预测管道腐蚀速率工具具有较好的预测精度和鲁棒性。
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  镁合金表面微弧氧化/自组装复合膜的耐蚀性能

  蒋世权, 吴方, 王媛媛, 尚伟, 温玉清

  表面技术. 2021, 50(4): 294-303. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.030

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  目的 提高镁合金基体的耐蚀性能。方法 采用微弧氧化工艺对镁合金进行预处理，再通过自组装技术处理，在镁合金表面制备微弧氧化/十六烷基三甲氧基硅烷自组装复合膜层。通过SEM、EDS对复合膜的微观组织结构进行分析，并通过XPS、拉曼光谱分析了复合膜的表面成分，利用电化学阻抗谱、极化曲线、盐雾实验和浸泡实验检测了复合膜层的耐腐蚀性能。结果 复合膜均匀覆盖在镁合金表面，且复合膜较为光滑，主要含有C、O、F、Si等元素。经过自组装处理后，膜层从亲水性转为疏水性，接触角达到145.07°。经电化学性能测试，复合膜的Rct值能达到2.242×10⁶ Ω.cm²，与微弧氧化膜相比，增大了2个数量级;此外，复合膜的腐蚀电流密度为1.314×10^-8 A/cm²，与微弧氧化膜相比也降低了2个数量级，具有较好的耐腐蚀性。浸泡120 h后，复合膜的腐蚀电流密度仍有1.061×10^-5 A/cm²，盐雾实验进行120 h也没有出现明显的腐蚀现象。结论 自组装技术明显提高了镁合金基体的耐蚀性能，微弧氧化膜在一定程度上增强了自组装膜层对基材的粘附力。由于复合膜的疏水性使得水滴在膜层表面停留的时间减少，所以膜层的耐蚀性会随着疏水性增大而大大提高。
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  鳞片石墨对镁合金表面聚苯胺环氧涂层防护性能的影响

  张颖君, 李婷, 窦宝捷, 崔学军, 邵亚薇, 韩沁雯

  表面技术. 2021, 50(4): 304-312, 318. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.031

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  目的 针对聚苯胺环氧涂层物理屏蔽性能欠佳的问题，通过引入具有片层结构的鳞片石墨，从而进一步提高涂层对镁合金的腐蚀防护性能。方法 利用化学氧化聚合法在鳞片石墨表面合成聚苯胺，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪，对所得到的聚苯胺/鳞片石墨复合粉末进行表征。将合成的复合粉末均匀分散于环氧树脂中后，在AZ91D镁合金表面制备涂层，通过电化学阻抗测试对涂层在3.5%氯化钠溶液中的腐蚀防护性能进行研究。结果 聚苯胺可以在鳞片石墨的表面聚合，鳞片石墨的加入使聚苯胺环氧涂层的附着力略有降低，涂层硬度、柔韧性及耐冲击性能没有明显改变，但鳞片石墨的加入明显提高了聚苯胺环氧涂层的阻抗值。在浸泡前1488 h，苯胺与鳞片石墨的质量比为1∶1时，涂层的阻抗值为1.3×10⁸ Ω?cm²，防护性能最好。但随着浸泡时间的延长，苯胺与鳞片石墨的质量比为4∶1时，涂层的阻抗值逐渐高于其他涂层，当浸泡4008 h后，其阻抗值为1.6×10⁸ Ω?cm²，仍具有较优异的防护性能。结论 环氧涂层中添加聚苯胺/鳞片石墨复合粉末后，通过鳞片石墨前期的屏蔽与聚苯胺长期缓蚀的协同作用达到了对镁合金较好的防护效果，而涂层的这一防护效果和苯胺与鳞片石墨比例有关。
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  ChCl-EG中铜锡合金的电沉积行为及耐蚀性研究

  李奇松, 钱慧璇, 付旭, 孙海静, 孙杰

  表面技术. 2021, 50(4): 313-318. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.032

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  目的 研究氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中进行不同浓度比例下的铜锡合金电沉积的电化学行为及镀层微观形貌、相组成、耐蚀性能。方法 使用阴极极化曲线对铜锡合金还原行为进行研究，使用扫描电子显微镜以及X射线衍射仪等研究电极电位对银镀层微观形貌的影响及银镀层的相组成，同时采用EDS分析铜锡合金镀层的元素组成。使用极化曲线对铜锡合金镀层的耐蚀性能进行研究分析。结果 在?0.95 V电位时，铜锡发生共沉积。在该电位下，铜以合金形式存在，而锡以合金和单质的形式存在。不同金属离子含量的电沉积体系得到不同成分的镀层。镀液中的铜锡含量明确影响镀层中的铜锡含量，当镀液中铜或锡含量偏高时，镀层质量更好。在ChCl-EG低共熔溶剂中，当CuCl2.2H2O与SnCl2.2H2O的含量(mol/L)分别为0.192:0.048、0.192:0.192、0.048:0.192时，得到的镀层的相组成分别为β-Cu5.6Sn、η-Cu6Sn5+β-Cu5.6Sn、η-Cu6Sn5。结论 随着镀液中锡含量不断增多，其相组成由β-Cu5.6Sn相向η-Cu6Sn5相发生转变，并且在沉积层中出现了锡相。镀液中铜或锡含量偏高时，镀层质量反而更好。耐蚀性测试显示镀液中Sn含量为84.2%时，镀层腐蚀速率最小，镀层的耐蚀性最优。
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  基于响应面分析的聚甲基丙烯酸甲酯表面微观生物污损超声防除研究

  郑良, 李越凡, 赵强, 郑靖

  表面技术. 2021, 50(4): 319-327. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.033

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  目的 基于Box-Behnken设计和响应面分析，借助表面形貌表征和污损面积占比分析，通过方程拟合和试验验证，探究了超声时间、功率和频率对光学材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面海洋微观生物污损防除的影响，为超声防污技术在海洋光学仪器水下窗口微观生物污损防除的应用上提供一定的理论依据和数据支撑。方法 以天然海水为介质，采用动态培养的方法构建PMMA表面微观污损，借助激光共聚焦显微镜(CLSM)，综合单因素实验和三因素三水平Box-Behnken设计，考察超声时间、超声功率、超声频率对超声防除PMMA表面微观污损的影响规律，通过响应面分析获取超声频率、超声时间、超声功率之间的超声防污交互作用，建立超声参数对防污效果的回归方程，最后结合实际工况给出具有最佳污损防除效果的超声工作参数。结果 防污效果随超声频率的增加而降低，随超声功率和超声时间的增加而提高。相对超声功率和超声时间，超声频率对PMMA表面微观污损防除的影响更显著。回归方程能够很好地预测不同超声参数下的防污效果，可用于不同污损情况下超声工况的选择设计。当超声时间为5 min、超声功率为40 W、超声频率为40 kHz时，海水动态培养96 h后，PMMA表面的微观污损超声防污效果可达到98.63%以上。结论 基于响应面分析技术，建立超声参数对超声防污效果的回归方程，有助于选择合适的超声工况，从而使超声防污技术应用于海洋光学仪器水下窗口表面的微观生物污损防除。
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  Mg-Zn-Ca表面微弧氧化涂层的制备及耐蚀性能研究

  田溪梅, 李猛, 徐志成, 陈民芳, 马玉春

  表面技术. 2021, 50(4): 328-334. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.034

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  目的 提高Mg-Zn-Ca的耐腐蚀性能。方法 在Na2HPO4、NaOH和C3H8O3溶液中，采用微弧氧化(MAO)技术在Mg-Zn-Ca表面通过调节电参数中正向占空比的大小(20%、30%和40%)制备耐蚀性能涂层。利用XRD和SEM表征涂层的物相和形貌。采用光学显微镜测量涂层厚度。采用划痕仪测试涂层与基体的结合力。采用电化学工作站测试涂层的耐腐蚀性能。结果 XRD结果表明，涂层物相主要为MgO、Mg3(PO4)2、ZnO和Zn3(PO4)2。随正向占空比的增加，当2θ角为32.4°、37.2°、43.1°、62.8°时，同一物相对应的衍射峰强度越来越低。SEM结果显示，随正占空比的增加，涂层孔径增大，表面颗粒状涂层产物直径变大。正占空比为20%时，涂层的致密性最好。划痕仪测试结果显示，正占空比为20%时，涂层与基体的结合强度最大，为61.70 MPa。涂层厚度测试表明，正占空比为40%时，涂层最厚，为15.89 μm。电化学测试结果表明，正占空比为30%时，涂层的阻抗值最大(490.41 Ω)，腐蚀电位最高(–1.16 V)，腐蚀电流较小(4. 9×10^–5 A/cm²)。Mg-Zn-Ca涂层材料在3.5%的NaCl溶液中的极化形式以电化学极化为主。结论 采用微弧氧化方法在Mg-Zn-Ca表面制备了耐蚀涂层，当电参数中正向占空比由20%增加到30%时，涂层的耐蚀性能提高，但占空比继续增大到40%时会导致涂层孔径和孔隙率过大，材料的耐蚀性能反而降低。
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  含砂海水中环氧树脂/Q235钢体系的冲刷腐蚀行为研究

  彭文山, 侯健, 刘少通, 刘雪键, 马力, 仝宏韬

  表面技术. 2021, 50(4): 335-343. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.035

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  目的 研究环氧树脂/Q235钢体系在含砂流动海水中的耐冲刷腐蚀性能。方法 采用旋转冲刷腐蚀试验装置进行不同流速、不同含砂量下环氧树脂/Q235钢体系的冲刷腐蚀试验，利用表面观测、电化学测试以及扫描开尔文探针(SKP)技术研究冲刷腐蚀后体系的腐蚀规律。采用计算流体动力学(CFD)方法模拟计算冲刷流场和砂粒分布。结果 高流速下的砂粒不断冲击涂层表面，导致涂层破损，使基体与海水直接接触，造成基体腐蚀，基体腐蚀又导致涂层的进一步破损。当冲刷流速在5~6 m/s之间时，涂层发生破坏，涂层底部腐蚀连接成片，生成片状腐蚀产物，腐蚀产物表面有较长裂缝。当含砂量达到1.5%(质量分数)时，涂层也发生破坏，但是其以孤立的腐蚀坑为主。Q235钢基体发生点蚀后，点蚀周围的腐蚀敏感性增加。随着腐蚀时间的增加，阳极区逐渐变宽，阴极区逐渐向外移动。腐蚀区域逐渐扩大，形成腐蚀通道。最终，腐蚀通道相互连接，从而在涂层下引起更大范围的腐蚀。结论 与含砂量相比，环氧树脂涂层的冲刷腐蚀对流速敏感性更高。
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  碳钢基自修复涂层的制备和耐蚀性研究

  段体岗, 黄国胜, 马力, 张伟, 彭文山, 许立坤, 林志峰, 何华, 毕铁满

  表面技术. 2021, 50(4): 344-350, 375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.036

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  目的 通过在有机防腐涂层中添加小粒径的自修复微胶囊，增强防腐涂层的自修复能力，提高碳钢的耐腐蚀性能。方法 通过乳液聚合法，采用桐油和金属缓蚀剂作为囊芯，分别合成得到了粒径均一的单组分和双组分自修复胶囊，均匀分散于防腐涂层中，获得自修复涂层。结果 SEM和热重分析显示，合成的单组分和双组分自修复微胶囊的平均粒径在3 μm左右，囊芯包覆率分别达到48%和49%。人为破损涂层的中性盐雾试验和浸泡试验表明，在囊芯中桐油和金属缓蚀剂的比例为5∶1且防腐涂层中微胶囊含量为10%的条件下，经历110 h中性盐雾试验后，防腐涂层划痕处仍旧保持完整，未出现鼓泡和腐蚀现象。同时，浸泡675 h后，自修复涂层仍然保持较高的低频阻抗模值，表明此时涂层的耐蚀性最佳。结论 含有双组分微胶囊的自修复涂层具有较好的自修复能力，可以较好地阻碍腐蚀环境侵蚀，起到长期保护金属基体材料的作用。
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  地面集输管道在CO2/H2S/O2体系下的腐蚀行为研究

  黄强

  表面技术. 2021, 50(4): 351-360. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.037

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  目的 研究集输管道常用钢材在CO2/H2S/O2体系下的腐蚀行为，为新疆油田集输管道的腐蚀防控提供指导依据。方法 基于新疆油田重油热采现场工况，以L245NS钢为试材，316L钢为对照，采用高温高压釜试验，研究CO2/H2S/O2体系下温度和H2S含量对L245NS钢和316L不锈钢的腐蚀影响规律，并结合SEM/EDS+XPS+3D显微镜等手段对典型工况下的腐蚀产物进行测试分析。结果 在CO2/H2S/O2共存体系中，L245NS钢的腐蚀速率随温度的升高，呈先增大、后减小的趋势;而随H2S含量的升高，呈先减小、后增大的趋势。316L钢的腐蚀速率随温度的升高，呈先增大后减小的趋势;随H2S含量的升高，呈一直增大的趋势。L245NS钢腐蚀产物呈针状、菱状、颗粒状多种形态，而316L钢腐蚀产物较少。在CO2/H2S/O2共存体系中，L245NS钢的腐蚀产物主要包含FeS、FeS2、单质S、FeCO3、Fe(OH)3、FeOOH、Fe3O4、Fe2O3、Na2SO4等物质。结论 L245NS钢在CO2/H2S/O2体系( )下的腐蚀行为主要由H2S主导，生成的FeS分布在产物底层。O2具有促进腐蚀进程的三方面作用:与H2S发生交互作用生成了单质S;作为去极化剂参与阴极反应;作为强氧化剂氧化FeS、FeCO3，反应生成单质S、FeS2、Fe2O3、Fe3O4、FeO(OH)等物质。
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  热浸镀铝锌板镀层微观组织结构表征

  崔桂彬, 鞠新华, 任群, 孟杨, 尹立新

  表面技术. 2021, 50(4): 361-368, 375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.038

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  目的 研究热浸镀铝锌板镀层微观组织结构。方法 利用扫描电镜、能谱和电子探针分析铝锌板表面与镀层的组织形貌与成分;利用X射线衍射与电子背散射衍射技术分析铝锌板镀层的物相组成与相结构。结果 铝锌板表面为典型的锌花形貌，锌花内部呈现出有条理的枝晶状结构。铝锌板镀层沿厚度方向分为内外两层:外层为合金层，其成分主要为Al、Zn和Si，该层主要是由富Al相、富Zn相以及少量条状高Si相构成;与钢基体接触的内层为过渡层或金属间化合物层，该层的厚度仅约为1μm，其成分为Fe、Al和Si，该层由弥散致密的细颗粒与少量分散的粗颗粒构成。此外还发现，有少量条状或颗粒状的高Si相分布在过渡层与合金层之间。结论 铝锌板镀层中合金层的富Al相、富Zn相以及条状高Si相的相结构分别为Al的面心立方结构、Zn的密排六方结构和Si的面心立方结构，高Si相的分布特性可以有效地控制镀层的厚度。过渡层的相结构更倾向于单斜结构的Al13Fe4，该层在形成过程中，部分细颗粒相长大并发生粗化，从而形成粗颗粒相穿插于过渡层与合金层之间，进一步加强了过渡层与合金层的连接，进而间接地对镀层粘附性能和延伸性能的提高起到了关键性的作用。
精密与超精密加工
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  基于层叠式夹持的夹具失效形式分析

  陈芝向, 袁巨龙, 邵琦, 杭伟, 吕冰海, 赵萍

  表面技术. 2021, 50(4): 369-375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.039

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  目的 为了解决超薄蓝宝石晶片的双平面加工问题，确定层叠式夹具基盘及限位片的材料，并对限位片的失效形式进行分析。方法 通过分析层叠式夹具中工件在双平面加工中的受力状态及传统双平面加工工件受力状态，确定限位片的受力状态。测量蓝宝石与基盘间的摩擦力对基盘材料进行选择，通过受力分析结合摩擦因数计算限位片的剪切强度，对限位片的材料进行初步选择。在平面抛光机上进行加压试验，对限位片的失效形式进行分析。结果 层叠式夹具在双平面加工中受到工件施加的力小于传统双平面加工行星轮受到的力。在3种基盘材料中，不锈钢材料与蓝宝石晶片间的摩擦力较大，铸铁次之，铝合金最小。液滴在2个表面间形成的液膜对不锈钢和铸铁的摩擦因数有一定的增益效果。基盘选择不锈钢材料，限位片选择玻璃纤维板材料的情况下，限位片所承受的加工压力随着夹持厚度的增加而呈现非线性增加。限位片的主要失效形式表现为限位区域被蓝宝石晶片的边缘切割，受基盘及蓝宝石平面度的影响。结论 层叠式夹具对材料强度的要求更低，更加适用于超薄平面零件的双平面加工。限位片失效受基盘高度差的影响，为保证限位片的夹持效果，应尽量降低基盘表面的高度差。
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  面向钛合金微细铣削的等离子体电解氧化膜层的制备与性能分析

  胡益忠, 孟建兵, 栾晓声, 程祥, 董小娟, 张宏伟, 曲凌辉, 魏修亭

  表面技术. 2021, 50(4): 376-384, 401. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.040

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  目的 降低TC4钛合金微小零件的铣削难度，提高表面加工质量和加工效率。方法 采用以NaAlO2为主要成分的电解液，借助等离子体电解氧化(Plasma Electrolysis Oxidation, PEO)作用，在TC4钛合金表面原位生长厚度约为20 μm的疏松多孔氧化膜层。分别使用扫描电子显微镜、X射线能谱仪对氧化膜层的结构和组成进行表征，采用测力仪、白光干涉仪对氧化膜层微细铣削时的切削力和表面粗糙度进行测量。结果 氧化膜层为TC4钛合金原位生长所得，厚度较为均匀，约为20 μm。结构疏松多孔，孔隙率高，孔洞分布较为均匀，与基体结合力差。与TC4钛合金相比，氧化膜层的弹性模量和硬度分别降低了79.8%和75.0%;相同切削参数下，三向铣削力分别降低了91.90 %、78.13 %和42.62 %，表面粗糙度Ra值减小了52.6%。 结论 该氧化膜层较传统膜层而言，有更加疏松多孔的结构，强度更低，可明显降低微细铣削的三向力，加工表面粗糙度明显降低，且无明显的顶部毛刺。该方法显著降低了TC4钛合金微细铣削的加工难度，有效改善了加工表面质量，验证了等离子体电解氧化的方法用于辅助铣削TC4钛合金的可行性。
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  基于随机碰撞的GCr15钢强化研磨表面粗糙度数值模拟

  刘晓初, 刘镇, 梁忠伟, 黄建枫, 高伟林, 萧金瑞

  表面技术. 2021, 50(4): 385-392. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.041

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  目的 探索强化研磨工艺参数对表面粗糙度的影响规律。方法 采用小球均布大球模型来模拟研磨粉附着在钢珠表面对工件的强化作用，基于Abaqus/Python建立强化研磨随机碰撞有限元模型，设置不同喷射速度、喷射角度、钢珠直径、喷射时间等工艺参数进行仿真模拟。运用Matlab提取靶材表面形貌，并基于此形貌，沿4种不同路径计算表面粗糙度，分析不同参数下表面粗糙度的变化规律。结果 随喷射时间的增加，强化研磨表面粗糙度先增加，后趋于稳定。喷射角度θ为90°，钢珠直径D为0.8mm，喷射速度v分别为30、50、70 m/s条件下，随着喷射时间的增加，表面粗糙度增加至稳定后，分别在1~1.2、1.7~1.9、2~2.5 μm波动;喷射速度v为50 m/s，钢珠直径D为0.8mm，喷射角度θ分别为30°、60°、90°条件下，随着喷射时间的增加，表面粗糙度增加至稳定后，分别在1.1~1.3、1.5~1.7、1.7~1.9 μm波动;喷射速度v为50 m/s，喷射角度θ为90°，钢珠直径D分别为0.4、0.8、1.2 mm条件下，随着喷射时间的增加，表面粗糙度增加至稳定后，分别在0.7~0.8、1.7~1.9、2.4~2.6 μm波动。经过试验验证，发现试验结果与仿真结果平均误差为8.15%。结论 强化研磨随机碰撞有限元模型能可靠预测强化研磨工艺下工件的表面粗糙度，可为后续研究提供理论基础。
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  基于改进D-S证据理论的滚抛磨块融合决策模型

  范晓建, 田建艳, 杨英波, 菅垄, 杨胜强

  表面技术. 2021, 50(4): 393-401. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.04.042

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  目的 为了能够有效利用滚磨光整加工数据库平台的案例知识和专家经验，提高新零件加工时滚抛磨块优选的准确率，解决不同优选方式优选结果的冲突问题。方法 将案例推理、专家推理、迁移学习3种优选方式的滚抛磨块优选结果作为3种证据，根据3种优选方式计算的相似度结果构建滚抛磨块决策辨识框架，并采用合理的方法确定基本概率赋值。然后依据按冲突信息的比例分配基本概率赋值的方法对证据合成公式进行改进，避免传统的D-S证据理论在证据间高度冲突时出现融合结果有悖于实际情况的问题。接着采用改进的证据合成公式对3种证据进行融合决策。最后利用数据库平台中工厂加工实例数据进行仿真。结果 基于数据库平台中已有的成功案例结果，通过仿真结果可以表明，该改进的融合决策模型可以解决不同优选方式优选结果之间的冲突问题，解决了原始合成公式的弊端问题，且融合决策结果较3种方法单独使用时具有更高的准确率，该融合决策模型的准确率达到88%。结论 基于改进D-S证据理论的滚抛磨块融合决策模型，可以为滚磨光整加工时滚抛磨块的智能优选提供决策指导。