2021年, 第50卷, 第6期　
刊出日期：2021-06-20

  

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专题——微弧氧化在腐蚀领域中的应用
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  微弧氧化涂层微纳米孔调控及功能化应用研究进展

  王树棋, 王亚明, 邹永纯, 陈国梁, 王钊, 欧阳家虎, 贾德昌, 周玉

  表面技术. 2021, 50(6): 1-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.001

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  从膜层特征孔结构形成的基本原理、影响因素和控制策略以及功能性陶瓷涂层设计制备的角度，综述了微弧氧化工艺调控多级微纳米孔结构的最新研究进展。从微纳米孔产生的本质与形成机理出发，阐述了微纳米孔结构的分类以及表征方法。在综述电解液成分、电源模式以及电参数对微纳米孔的尺寸、形状以及分布的影响基础上，从微纳米孔的构建、消减(甚至消除)和利用角度，给出了微弧氧化涂层多级微纳米孔的调控策略，进而讨论了如何构建适应不同应用服役环境下的特殊功能化涂层。此外，探索了微纳米孔结构调控的新途径，并给出了未来发展的研究方向。
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  锆表面微弧氧化膜1000~1200 ℃高温蒸汽氧化行为研究

  王兴平, 廖燚钊, 关浩浩, 高川力, 朱明浩, 金小越, 徐驰, 杜建成, 薛文斌

  表面技术. 2021, 50(6): 23-31, 40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.002

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  目的 研究微弧氧化表面处理对纯锆高温蒸汽氧化行为影响。方法 采用微弧氧化技术(MAO)在磷酸盐电解液中纯锆表面制备厚约2.5 μm的陶瓷膜，再利用热重分析仪(TGA)测量它们在1000~1200 ℃蒸汽环境中的氧化性能，并分析蒸汽氧化前后氧化膜的微观结构、物相组成。用辉光放电谱仪(GDOES)分析蒸汽氧化前后锆基体及微弧氧化样品Zr、O、P、Na、C、H元素的成分深度分布。结果 锆基体及微弧氧化膜加速氧化动力学转变温度约为600 ℃。在1000 ℃蒸汽中，微弧氧化处理的纯锆样品氧化增重低于锆基体。蒸汽温度达到1100 ℃以上时，锆基体和微弧氧化膜的氧化增重曲线几乎重合。蒸汽氧化初期氧原子快速扩散至β-Zr中，当较厚α-Zr(O)层和ZrO2层形成后，氧化速率主要取决于氧在α-Zr(O)层中的扩散速率，而且氧化锆层阻挡了氢扩散进入锆基体。高温蒸汽氧化后，纯锆表面氧化层主要由单斜氧化锆(M-ZrO2)相和少量的四方氧化锆(T-ZrO2)相组成。结论 在1000 ℃以下，微弧氧化膜增强了锆基体的抗蒸汽氧化能力，但1100 ℃以上没有保护作用。
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  钽在磷酸盐中等离子体电解氧化涂层耐腐蚀性能研究

  程昱琳, 张卿和, 程英亮

  表面技术. 2021, 50(6): 32-40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.003

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  目的 探究金属钽在磷酸盐中进行等离子体电解氧化(Plasma electrolytic oxidation, PEO)形成Ta2O5陶瓷涂层后的耐腐蚀性能。方法 在磷酸盐电解液中，采用等离子体电解氧化(PEO)方法，在金属钽表面形成Ta2O5陶瓷涂层。采用XRD、SEM和EDS等方法，表征涂层物相、形貌及元素组成，利用动电位极化曲线和电化学阻抗谱，测试涂层的耐腐蚀性能。结果 在磷酸盐电解液中，金属钽PEO处理形成了晶态Ta2O5陶瓷膜。氧化膜初期形貌为“瘤子状”，后为“沟回状”。在3.5%NaCl溶液中进行动电位极化测试，相比于基体，涂层的腐蚀电流密度降低约4个数量级。PEO处理600 s形成的涂层，相比于基体，自腐蚀电位提高了约1.3 V，腐蚀电流密度为3.7′10^–10 A/cm²，保护效率为99.97%;PEO处理1200 s，自腐蚀电位提高了约1.4 V，电流密度为1.46′10^–10 A/cm²，保护效率为99.99%。在3.5%NaCl溶液中浸泡160 d发现，在30 d左右，钽基体表面已形成一层极薄的氧化膜，导致阻抗值持续升高，表明对基体有一定的保护作用。然而，PEO处理600 s形成的涂层在浸泡3 d后，低频区域阻抗值大幅下降，且随浸泡时间的延长，阻抗值持续降低。在160 d腐蚀后，电荷转移电阻仍然比未经过处理的金属钽高1个数量级。结论 在磷酸盐电解液中，钽经PEO处理形成的陶瓷膜层具有较强的耐腐蚀性能，PEO处理可大幅度提高钽的耐腐蚀能力。
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  镁合金表面PEF膜与PEO膜腐蚀防护行为的对比研究

  齐玉明, 刘思勤, 罗兰, 彭振军, 梁军, 王鹏

  表面技术. 2021, 50(6): 41-54, 147. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.004

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  目的 对比研究镁合金表面新型等离子体电解氟化(PEF)膜与传统等离子体电解氧化(PEO)膜的腐蚀防护行为。方法 分别在中性和酸性腐蚀介质中，通过开路电位监测和动态电位极化曲线测试表征了膜层的电化学腐蚀行为，通过浸泡实验和盐雾实验表征了膜层的长效腐蚀行为。通过SEM、EDS和XRD等方法表征了膜层的原始微观结构和组成，分析了腐蚀形貌和腐蚀产物。结果 PEF膜与PEO膜均可以为镁合金基材提供有效的腐蚀防护作用。相较于PEO膜，PEF膜在浸泡实验和盐雾实验中，都具有更为优异的腐蚀防护性能，但在动态电位极化测试中，具有更正的自腐蚀电位和更大的自腐蚀电流密度，表明其腐蚀倾向更低，但腐蚀速率更高。结论 总体而言，PEF膜在中性和酸性环境中都具有更好的腐蚀防护性能。PEO膜在中性环境中的腐蚀防护失效机制主要是腐蚀介质的扩散，在酸性环境中的腐蚀防护失效机制主要是膜层化合物的溶解和消耗;PEF膜在中性和酸性环境中的腐蚀防护失效机制都是腐蚀介质的扩散。
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  K2ZrF6对镁合金微弧氧化膜抗点燃性能的影响

  韩东, 连勇, 张津

  表面技术. 2021, 50(6): 55-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.005

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  目的 降低镁合金在高温环境下起火燃烧的风险，同时探索微弧氧化膜是否具有抗点燃的热防护功能。方法 采用添加不同含量K2ZrF6的碱性硅酸盐电解液体系，在AZ91D镁合金表面制备微弧氧化膜，研究不同浓度K2ZrF6对微弧氧化膜抗点燃性能的影响。采用扫描电镜观察燃烧前微弧氧化膜的微观结构变化，结合XRD分析涂层的相组成，并借助抗点燃性能测试装置，考察微弧氧化膜的起燃时间。结果 添加K2ZrF6制备的微弧氧化膜主要由MgO、Mg2SiO4、MgF2和ZrO2组成。随着K2ZrF6含量的增加，膜层中大尺寸缺陷减少，致密性和厚度显著提高，表面粗糙度先增加、后降低。添加0~10 g/L K2ZrF6的微弧氧化膜的致密性较差，这类微弧氧化层在火焰的作用下，会形成大量的烧蚀孔洞和纵向扩展裂纹;添加15、20 g/L K2ZrF6的微弧氧化膜，具有更为致密的内层，这类微弧氧化膜直到基体完全熔化变形，才会出现横向扩展裂纹，导致涂层失效。AZ91D镁合金经过含15 g/L K2ZrF6的电解液微弧氧化处理后，起燃时间最长，抗点燃性最好。结论 K2ZrF6浓度对微弧氧化膜抗点燃性的影响主要体现在对其致密性的影响上，内层的致密结构能够减少在高温火焰作用下形成的烧蚀孔洞，以及延缓裂纹的产生，从而阻碍熔融的液态镁和镁蒸气向外扩散，减缓氧化反应的程度，提高涂层的抗点燃性。
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  纯镁表面等离子体电解渗硼与微弧氧化复合膜的制备及耐蚀性

  孙乐, 马颖, 李奇辉, 王晟, 王占营

  表面技术. 2021, 50(6): 64-76. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.006

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  目的 在纯镁表面制备新型复合膜，以提高其耐蚀性。方法 先在硼砂系电解液中对纯镁进行等离子体电解渗硼(PEB)处理，预制表面改性层，然后在硅酸盐系电解液中对其进行微弧氧化(MAO)处理，从而获得PEB+MAO新型复合膜。分别使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析膜层的微观结构、元素分布及物相组成，膜层的耐蚀性则通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)来表征。结果 纯镁的等离子体电解渗硼过程经历了电离、置换、吸附和扩散四个阶段，获得的PEB表面改性层由氧化层和扩散层组成。在PEB+MAO复合膜的生长过程中，膜层在其厚度方向存在重叠的现象，而不是逐层的简单堆积。等离子体电解渗透时，硼元素渗入后所形成的渗层区域降低了纯镁基体表面的化学活性，改善了其微观组织结构，进而使PEB+MAO复合膜的腐蚀电流密度较基体、单一PEB改性层和单一微弧氧化膜层分别降低了3、2、1个数量级。同时，EIS研究也表明，PEB+MAO复合膜可以提供相对较长时间的抗蚀保护。另外，分析了PEB表面改性层的生成机理以及PEB+MAO复合膜的形成过程，并建立了物理模型。结论 PEB预处理会显著影响PEB+MAO复合膜的厚度、致密性及成分，继而明显提高纯镁的耐蚀性。该新型的复合膜制备方法有望进一步推广到镁合金上，以提高其耐蚀性和承载能力。
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  镁锂合金低能耗等离子电解氧化膜层的制备与耐蚀性研究

  田昊阅, 窦铮, 金雨佳, 段兴云, 庄佳庚, 郭磊, 陈飞

  表面技术. 2021, 50(6): 77-84. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.007

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  目的 在保证膜层耐蚀性能的前提下，降低镁锂合金等离子电解氧化过程中的能量消耗。方法 分别使用常规NaOH-Na2SiO3电解体系与自研的NaOH-Na2SiO3-Na2B4O7-Na3C6H5O7.2H2O(柠檬酸钠)低能耗电解体系，对LA91型镁锂合金进行等离子电解氧化，并探究其放电过程。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、掠入射X射线衍射仪(GIXRD)，表征等离子电解氧化膜层的表面形貌、元素组成、物相组成。通过电化学极化曲线、盐雾试验，测试膜层的耐蚀性。结果 使用低能耗体系对镁锂合金进行等离子电解氧化处理，可将膜层的单位体积能耗降低至12.87 kJ/(dm².μm)，节约能耗约50.34%。在两个体系中制备的膜层表面均产生等离子电解氧化的特征性孔洞。低能耗体系膜层孔洞数量较少，但孔洞直径差异较大，孔隙率为14.21%;常规体系膜层孔洞大小均匀，但数量较多，孔隙率为13.93%。两个膜层表面的主要元素均为O、Mg、Na和Si。在低能耗体系中制备的膜层，主要物相为方镁石型MgO，而在常规体系中制备的膜层，物相组成较为复杂。盐雾试验和电化学极化曲线结果显示，在两种体系中进行等离子电解氧化，均能提升镁锂合金的耐蚀性。低能耗等离子氧化处理后，镁锂合金的腐蚀电流密度降低约3个数量级，腐蚀速率降低约2个数量级，自腐蚀电位正移0.261 V，有效地提升了镁锂合金的耐蚀性，并且耐蚀性的提升程度要优于常规体系。结论 使用低能耗体系电解液进行等离子电解氧化，能够形成孔洞特征不同于常规体系的等离子电解氧化膜层。与常规体系下制备的膜层相比，其厚度、孔隙率并无较大差异，但能够在节约较多能耗的情况下制备出耐蚀性能更好的等离子电解氧化膜层。
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  电泳沉积壳聚糖/绿原酸复合涂层的耐蚀性能

  王晶彦, 张德秋, 牟立婷, 何欣, 李慕勤

  表面技术. 2021, 50(6): 85-92. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.008

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  目的 纯镁超声微弧氧化(UMAO)表面电泳沉积中药提取物绿原酸，提高纯镁的耐蚀性及生物活性。方法 采用电泳沉积(EPD)技术在UMAO表面上制备壳聚糖/绿原酸(CS/CA)涂层。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和接触角测量仪，研究不同样品的表面形态、组织结构，并研究涂层腐蚀行为，评价不同样品的耐蚀性。结果 UMAO/CS/CA涂层由Mg、MgO和Mg2SiO4相组成，含有O、C、Mg、Si和N元素，绿原酸涂层中有O—H、芳香烃键、C==O键和苯环的伸缩振动峰。中药提取物和壳聚糖之间的结合主要通过化学结合和物理吸附。UMAO/CS/CA涂层的接触角为104.1°，为疏水性表面。模拟体液环境下电化学腐蚀实验表明，Mg的腐蚀电流密度为1.7569×10^?5 A/cm²，UMAO/CS/CA涂层的腐蚀电流密度为3.767×10^?6 A/cm²，涂层的自腐蚀电流密度比Mg至少低1个数量级。UMAO/CS/CA涂层能更好地诱导钙磷物质沉积。结论 UMAO/CS/CA涂层既能减小腐蚀溶液与涂层表面的接触面积，又能起到隔绝溶液中离子的作用，使得涂层表面不容易被模拟体液润湿，涂层能为镁基体提供更有效的保护并具有优异的生物活性。
激光表面改性技术
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  激光选区熔化次数对316L不锈钢表面性能的影响

  李俊, 杨立军, 郑航, 蒋泽睿, 隋泽卉

  表面技术. 2021, 50(6): 93-100. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.009

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  目的 通过对激光选区熔化次数的控制，研究其对316L不锈钢表面晶相、化学成分和物理性能的影响规律，并最终获得综合性能优良的316L不锈钢表面。方法 在激光功率80 W、激光扫描速度500 mm/s、成形厚度0.03 mm、扫描间距0.06 mm条件下，通过改变激光选区熔化次数成形试件，并通过光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、背散射电子衍射仪(EBSD)、数字式显微硬度计和DSF900表面形状粗糙度测定机等对试件上表面进行检测。结果 发现随着激光重熔次数增加，宏观凝固组织明显细化，晶粒变大，第二相分布愈加弥散;Cr0.19Fe0.7Ni0.11合金化合物的含量也随之增加，重熔3次以后，Cr0.19Fe0.7Ni0.11合金化合物的含量趋于稳定;低-∑CSL晶界的比例随之增加，但相对于其他重熔后的低层错能合金材料，低-∑CSL晶界的比例还较低;试件表面硬度先急剧增加，随后趋于稳定，重熔5次时，硬度最大，为316.9HV，重熔1次时，硬度最小，为265.9HV;表面粗糙度先减小后增大，重熔2次时粗糙度最小，此时Ra为8.076 μm，重熔5次时，粗糙度最大，Ra为17.228 μm。结论 随着激光选区熔化次数的增加，316L不锈钢表面性能得到了改善。但熔化次数过多，会产生过熔和飞溅现象，使不锈钢表面性能下降。
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  表面织构对模具钢激光熔覆层性能的影响分析

  赵昌龙, 刘俊, 姚世航, 王阔, 王旭旭

  表面技术. 2021, 50(6): 101-108, 192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.010

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  目的 减少激光熔覆过程中产生较大的应力和裂纹的现象，提高激光熔覆后模具钢的抗疲劳性能，延长其使用寿命。方法 选取激光功率(800、1000、1200 W)、扫描速度(5、10、20 mm/s)、光斑半径(0.5、0.75、1 mm)作为激光熔覆模拟因素，以残余应力为主要试验指标，进行三因素三水平正交模拟试验，并对试验结果进行信噪比及极差分析，确定最优熔覆参数。在最优熔覆参数下，进行预置织构及无织构的激光熔覆模拟，对比分析两次模拟的熔覆层温度及残余应力分布。在最优参数下进行熔覆加工，验证有效性。结果 正交模拟试验得出最优熔覆参数为:激光功率800 W，扫描速度20 mm/s，光斑半径1 mm。得到最小残余应力平均值为360 MPa。此外，激光功率对残余应力的影响最为显著，其次是光斑半径，对残余应力影响最小的是扫描速度。在最优熔覆参数下，对预制织构的模型进行激光熔覆模拟，得出残余应力平均值为149 MPa。相比较于无织构熔覆模拟，预置织构熔覆模拟的平均应力值降低了大约58.56%。对无织构和有织构模具钢表面进行激光熔覆加工，测量残余应力，验证了该方法的有效性。结论 通过在基体预置表面织构的方法，在保证熔覆温度的前提下，降低了残余应力，最终能达到降低残余应力、减少裂纹产生的目的。
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  铸铁表面激光熔覆哈氏合金C276组织及性能

  张凯奕, 韩宏升, 杨川, 崔鹏飞, 李正阳, 杨海丽

  表面技术. 2021, 50(6): 109-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.011

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  目的 提高铸铁表面耐磨、耐腐蚀性能。方法 采用激光熔覆技术在铸铁表面制备哈氏合金C276涂层，采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)研究其显微组织、化学成分、相组成。通过摩擦磨损试验机和电化学试验站，对基体和熔覆层的摩擦磨损性能及耐腐蚀性能进行测试。结果 熔覆层中有析出性气孔，未见裂纹。在激光高温热源的作用下，熔覆层中的合金元素扩散到了铸铁基体中，且过渡平稳，形成了良好的冶金结合，在界面处形成了马氏体和莱氏体。熔覆层主相为γ-Ni及Ni6Mo6C、M6C(Ni3Mo3C、Ni2W4C)等碳化物。熔覆层从底部到顶部依次形成了平面晶、胞状晶、柱状树枝晶、发达树枝晶、胞状树枝晶和少量等轴树枝晶。熔覆层的平均硬度为370HV0.2，平均摩擦系数为0.28，1 h的磨损量为0.081 g，自腐蚀电位Ecorr为–0.32 V，自腐蚀电流密度Jcorr为8.51×10^–7 A/cm²。基体的耐磨性较差，腐蚀倾向较大，平均硬度为180HV0.2，平均摩擦系数为0.34，1 h的磨损量为0.318 g，自腐蚀电位Ecorr为–0.79 V，自腐蚀电流密度Jcorr为3.31×10^–6 A/cm²。结论 在铸铁表面采用激光熔覆技术制备C276哈氏合金涂层，成形效果良好，耐磨性能和耐腐蚀性能显著提高。
研究综述
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  金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响

  张永芳, 康思凡, 董丽虹, 王海斗, 底月兰, 李少凡

  表面技术. 2021, 50(6): 116-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.012

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  表层梯度结构广泛应用于工程材料，经表面强化技术处理后，零件表层结构呈梯度分布，可以改善零件的服役能力。综述了金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响，从微观结构和力学性能的角度，结合非均匀材料中裂纹的扩展行为，考虑了微结构和力学性能之间的相互影响规律，分析了梯度结构中影响裂纹扩展的因素。经表面强化后，材料表面晶粒细化，晶粒尺寸沿纵深方向呈现梯度分布，改变裂纹萌生位置，同时对裂纹扩展起到阻碍，使零件疲劳寿命延长。梯度结构中金相组织由表层单一组织到芯部多相组织的转变，引起表层硬度和残余压应力向纵深方向逐渐减小，表面压应力可以减弱外力的作用，从而影响疲劳寿命。然而，梯度结构中微观组织和力学性能互相关联，像晶粒和位错能改变残余应力的分布，也会对裂纹扩展路径产生影响，如何定量表征他们的影响还有待进一步研究。
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  高导热涂层制备及其性能研究进展

  林宁, 李伟青, 康嘉杰, 秦文波, 岳文, 佘丁顺, 王成彪

  表面技术. 2021, 50(6): 128-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.013

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  随着高集成技术、微电子封装技术、大功率LED技术以及超级计算机的迅猛发展，小型化、微型化与轻薄化成为现代及未来电子设备、电子电路的发展潮流，因此对散热要求越来越高。目前电子器件及设备主要应用导热硅脂、导热硅胶及复合材料来实现散热。若在器件及设备上制备一层具有高热导率、耐腐蚀、结合强度良好的导热涂层，可以更好地实现散热。从高导热涂层的应用背景及导热涂层的特点出发，阐述了制备方法和材料体系不同的三大类高导热涂层，重点介绍了以喷涂技术、磁控溅射技术、涂料技术制备高导热涂层的研究进展。对比这几种导热涂层制备技术可以发现，因为空气是热的不良导体，基于冷喷涂技术制备的涂层孔隙率低的特点，加之对涂层进行热处理后会更加致密，所以冷喷涂技术制备的导热涂层具有较高的热导率。但目前的喷涂粉末具有导电性，因此喷涂在电路及电器设备上应用还不够成熟。基于冷喷涂技术制备绝缘、高导热涂层，提高器件设备的导热性能，还有待进一步探索。
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  热障涂层TGO界面应力分布及裂纹扩展行为的研究进展

  李帅, 底月兰, 王海斗, 赵运才, 王力

  表面技术. 2021, 50(6): 138-147. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.014

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  热障涂层以其优异的抗氧化?隔热?耐腐蚀性而广泛应用于热端部件表面。在超过1000 ℃高温的服役环境下，外界的氧元素通过陶瓷层扩散到粘接层界面，与其中的金属元素发生氧化反应生成一层热生长高温氧化物(TGO)?随着服役时间的增加，TGO不断生长，TGO界面产生较大的热应力，导致裂纹的萌生与扩展，使得涂层大面积剥落，因此TGO氧化失效的研究既是难点也是热点问题。总结了研究TGO界面建立的主要几种模型，例如同心圆界面模型?曲线弦界面模型和真实界面模型，其中曲线几何结构通常只需要振幅和波长即可很好地描述界面，因此大多数模型建立采用了曲线模型。在此基础上，重点综述了界面形貌、界面粗糙度和TGO厚度对应力分布的影响，以及从应变能释放率和裂纹路径两个角度探讨了界面损伤行为。上述研究很好地阐明了TGO生长过程，但是仅考虑了形态特征对应力分布的影响，接下来的研究应考虑真实TGO界面并完善模拟的准确性，同时发展有限元技术实现在实际条件下裂纹扩展路径和使用寿命的预测。
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  还原镀金研究进展

  吴博, 黄静梦, 谭桂珍, 郝志峰, 胡光辉, 崔子雅, 罗继业, 谭柏照, 杨应喜, 李小兵, 黎小芳, 刘彬云

  表面技术. 2021, 50(6): 148-160. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.015

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  金在电子产品和装饰性产品中的应用十分广泛，其稳定的化学性质不仅能够对基底起到良好的保护作用，金黄的色泽还具有装饰效果。虽然电镀金和置换镀金均能够沉积金层，但是金层的质量还存在不可控的难题，诸如基底形状会影响镀层的均匀性、“黑盘”现象的产生以及镀层厚度有限等。近年来，随着电子产品的快速发展，许多行业对电路板的整体质量提出了越来越高的要求，金层对保证电子器件的可靠性起着非常重要的作用。还原镀金是克服上述缺陷的一个重要研究领域，特别是环境友好的无氰镀金技术已成为研究热点。对氰化物体系和无氰体系镀金液常用还原剂(包括亚硫酸盐、二甲基胺硼烷、次磷酸盐、联氨、抗坏血酸、硼氢化钠、硫脲和其他还原剂)及促进剂的研究和作用基本原理进行了总结，重点阐述了镍和金对这些还原剂的催化活性。大部分还原剂仅受镍和金其中一种金属的催化，在沉积初始阶段和后期阶段，两种或多种还原剂的复配是实现反应速率保持较高的一种可行方案。沉积厚金依赖于可被金催化氧化的还原剂。最后展望了无氰还原镀金的发展方向。
表面功能化
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  仿生协同防污涂层的制备及性能

  李磊, 刘晓玲, 曹磊, 郭光福

  表面技术. 2021, 50(6): 161-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.016

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  目的 将低表面能、仿生、纳米粒子防污技术相结合，制备出具有仿生协同效应的海洋防污涂层。方法 利用光刻法加工出带有负向形貌的硅板，以低表面能材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体，加入纳米ZnO、仿渗型防污剂苯基甲基硅油(PSO)以及固化剂、分散剂等助剂，经固化倒模，得到表面具有微米级织构的仿生协同效应的海洋防污涂层。通过扫描电子显微镜、X射线能谱仪分析观察涂层的表面形貌及元素分布。通过立体显微镜、红外分光测油仪观察并测定涂层中PSO的渗出速率。通过拉伸试验研究涂层的力学性能。通过接触角测试和硬度测试研究涂层的表观性能。通过抗菌实验研究涂层的防污性能。结果 涂层表面具有规则且完整的微米级织构，由于PSO和纳米ZnO的添加，涂层的疏水性能和力学性能显著提升，10%ZnO含量的涂层具有最佳的力学性能和防污剂释放速率。表面具有圆柱形织构的协同防污涂层的抗细菌粘附效果最好，其细菌粘附率减少了90%。结论 该仿生协同防污涂层相比单一原理防污涂层具有更为优异的防污效果，通过纳米ZnO的加入调控了防污剂PSO的渗出速率，延长了涂层的使用期效，且不会对环境产生污染，具有良好的发展前景。
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  在聚酰亚胺表面构筑含微纳米SiO2颗粒涂层的方法研究

  徐灿, 邱心宇, 郭云, 刘惠涛, 高原

  表面技术. 2021, 50(6): 169-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.017

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  目的 研究一种将St?ber法制备的SiO2纳米微球分散在含硅溶胶体系中，在聚酰亚胺(PI，Kapton)表面制备含SiO2微纳米颗粒涂层的新方法，并利用该涂层提高Kapton薄膜的使用寿命和抗原子氧(atomic oxygen, AO)侵蚀能力。方法 用正硅酸乙酯(TEOS)在碱性条件下制备St?ber微球，用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在酸性条件下制备含硅溶胶。将St?ber微球均匀分散到溶胶中，用提拉镀膜方法在经低浓度NaOH水热处理后的Kapton薄膜表面，制备含SiO2微纳米颗粒的涂层。在束流密度为1.43×10¹⁶ atoms/(cm².s)，辐照时间为6 h的AO环境中进行模拟试验。用SEM扫描电镜和AFM原子力显微镜表征试验前后样品的表面形貌。结果 AO辐照后，原始Kapton薄膜的质量损失和AO侵蚀率分别为1.39 mg/cm²和3.17×10^?24 cm³/atom，且Kapton表面被严重侵蚀;而有涂层的Kapton样品，质量损失和AO侵蚀率分别下降为0.10 mg/cm²和0.22×10^?24 cm³/atom，侵蚀率只相当于原始Kapton的6.9%。结论 采用St?ber与sol-gel相结合的方法，提高了所制备涂层中SiO2的含量。模拟试验表明，该涂层提高了样品的抗AO侵蚀能力。此制备方法简单实用，对于长寿命航天器中聚合物材料的AO防护，具有一定的研究意义。
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  超亲水-水下超疏油镍镀层材料制备及其油水分离性能研究

  喻溪亭, 缑晓丹, 张延宗

  表面技术. 2021, 50(6): 177-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.018

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  目的 为进一步解决油水分离材料目前存在的制备成本高、制备流程复杂和药品种类繁多的问题。方法 提出一种以不锈钢网为基底，运用一步电化学沉积法制备超亲水-水下超疏油材料的方法。在电沉积的过程中，阴极表面发生还原反应生成金属Ni，通过调整制备过程中的时间、电流、温度，进一步优化参数，使阴极材料表面形成一种钟乳石状的微纳米粗糙结构。利用接触角测试仪测定其接触角，同时采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对其进行表征分析。结果 制备超亲水-水下超疏油材料的最优条件为:电流0.6 A，电沉积时间23 min，温度50 ℃。在该条件下制备的阴极镍镀层材料，其表面在水下的油接触角(OCA)达到152°±3°，在空气中的水接触角(WCA)达到0°，表现出超亲水-水下超疏油性能。在油水分离实验中，阴极镍镀层材料对正己烷的分离效率最高，达到了99.3%，并在20次油水分离循环实验过程中保持了相对稳定的分离效率，同时表现出高效耐用的油水分离性能。结论 通过一步电化学沉积法制备出的阴极镍镀层材料具备超亲水-水下超疏油性能，且高效耐用，油水分离效率稳定，同时具备制备成本较低、制备流程简单和药品使用种类少的优点。
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  工艺参数对硫化锌薄膜光学性能和结晶特性的影响

  李坤, 熊玉卿, 王虎, 何延春, 王兰喜, 周超, 周晖

  表面技术. 2021, 50(6): 184-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.019

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  目的 研究离子源偏压和沉积温度的变化对硫化锌薄膜光学性能和结晶性能的影响规律。方法 采用电子束蒸发技术，在K9玻璃基片上制备了硫化锌薄膜。采用分光光度计测试了薄膜的光学性能，利用光谱反演法得出薄膜的折射率和消光系数随波长的变化规律。采用X射线衍射法测试薄膜的结晶状态。结果 随着离子源偏压的增加，薄膜折射率逐渐减小，但变化幅度不大，当离子源偏压为160 V时，1000 nm波长处的薄膜折射率达到最小值2.210。开启加热之后，薄膜折射率显著提高，且随着沉积温度的升高，薄膜折射率逐渐增大，沉积温度为210 ℃时，1000 nm波长处薄膜折射率达到最大值2.312。两种工艺参数下制备的薄膜，其消光系数均很小。单纯的离子源辅助沉积时，薄膜生长择优取向是(220)晶向，而基底加热状态下沉积的薄膜生长择优取向是(111)晶向。随着离子源偏压增加，薄膜(220)峰的衍射强度降低。沉积温度越高，薄膜(111)峰的衍射强度越大。结论 硫化锌薄膜的光学特性对沉积温度的变化更为敏感，离子源偏压和沉积温度的改变均能显著影响硫化锌薄膜的结晶状态。
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  含氟树脂接枝玻璃微珠(HGB)的制备与表征

  蓝敏杰, 文庆珍, 潘越, 朱金华

  表面技术. 2021, 50(6): 193-198, 205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.020

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  目的 为了提高HGB与聚合物的相容性及共混物的静态接触角。方法 分别用三类含氟树脂(聚醚301M型氟碳树脂、聚酯JF2X型氟碳树脂、PF500型氟硅树脂)改性HGB。通过红外光谱、热重测试，评价各类含氟树脂表面接枝HGB的接枝效果，并与未改性HGB进行比较。通过测试三类改性HGB与未改性HGB的接触角，比较四种HGB的疏水性能，并通过扫描电子显微镜分析表观形貌，观察表面粗糙度对改性HGB接枝效果的影响。通过EDS对HGB表面的元素种类及含量进行分析。结果 红外光谱、扫描电子显微镜、EDS以及热重分析均证明，三类含氟树脂均成功接枝到HGB表面。由表面形貌可知，HGB表面接枝三类含氟树脂后，表面均变得粗糙，覆盖了一层包覆物。EDS测试发现，三类含氟树脂接枝的HGB均检出F元素，且氟硅树脂接枝的HGB的F元素最高。此外，经含氟树脂接枝的HGB静态接触角显著提高，聚酯型含氟树脂、聚醚型含氟树脂、氟硅树脂接枝的HGB的静态接触角分别为130.72°、146.80°、152.12°。结论 在常温条件下，该制备方法成功地将三种含氟树脂接枝到HGB表面，其中75 ℃下的接枝程度最高，最佳反应时间为10 h。
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  Al2O3/MgO复合膜层对微通道板性能的影响

  张正君, 邱祥彪, 乔芳建, 丛晓庆, 李婧雯, 任玲, 王鹏飞

  表面技术. 2021, 50(6): 199-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.021

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  目的 大幅提高微通道板增益，延长寿命。方法 采用原子层沉积技术(ALD)在微通道板(MCP)大长径比(40:1)通道内壁沉积Al2O3/MgO复合膜层材料，对通道内壁二次电子发射层进行增强，改善其二次电子发射特性。通过设计复合膜层结构，采用Al2O3膜层保护易潮解的MgO膜层，提高复合膜层的稳定性。研究MgO膜层沉积工艺，基于SEM检测，实现在大长径比通道内制备出厚度均匀(不均匀性为3.8%)的膜层。研究MgO膜层厚度、沉积温度对MCP增益以及双片叠加增益达到10⁷时工作电压的影响，确定最佳的复合膜层制作工艺。结果 通过采用20 cycles Al2O3膜层进行封装保护，使表面制备复合膜层MCP在氮气柜中可稳定存储14 d。试验MgO最佳的膜层沉积工艺:沉积温度为210 ℃，膜层厚度为50 cycles(6.1 nm)。优化的“三明治”型复合膜层结构Al2O3/MgO/Al2O3，沉积循环次数分别为5/50/20。在550 V电压下，复合膜层的MCP增益较常规MCP提高了3.9倍，应用于微通道板型光电倍增管(MCP-PMT)中，工作电压从1880 V降低至1740 V，同时能量分辨率与峰谷比性能得到提升，寿命达到10 C/cm²以上。结论 在MCP上制作Al2O3/MgO复合膜层材料，能够有效提高其增益，降低应用器件的工作电压，同时延长MCP寿命。采用Al2O3膜层进行封装保护，对于MgO材料应用于MCP等光电探测元器件有非常重要的作用，同时MgO材料的应用可拓展MCP在探测活性离子等方面的应用。
摩擦磨损与润滑
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  闸瓦几何参数对制动尖叫噪声的影响

  康熙, 陈光雄, 赵晓男, 朱琪

  表面技术. 2021, 50(6): 206-212. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.022

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  目的 研究车辆制动时闸瓦摩擦体与车轮踏面间摩擦力诱发的自激振动现象，获得抑制制动尖叫噪声的有效措施。方法 建立带踏面制动系统的车辆转向架模型，分别模拟了当闸瓦与车轮间摩擦系数(μ)为0、0.25、0.4时，闸瓦摩擦体与车轮踏面间接触力的波动情况。采用踏面基础制动装置有限元模型研究了闸瓦摩擦体宽度、磨耗程度和几何形貌对制动尖叫噪声发生趋势的影响。应用复特征值法对制动系统的稳定性进行分析，获得摩擦自激振动在频域上的分布情况。根据不稳定系数(TOI)判断系统发生尖叫噪声的可能性，TOI值越大，则系统发生尖叫噪声的趋势就越大。结果 踏面制动时，闸瓦与车轮间的摩擦力可能引起不稳定振动，导致尖叫噪声。随着闸瓦摩擦体宽度从75 mm增大到90 mm，制动系统的TOI值从4.226减小到2.819。在闸瓦摩擦体磨耗区间内(10~40 mm)，相同磨损程度下，采用无缺口闸瓦摩擦体对应的制动系统TOI值均大于采用有缺口闸瓦摩擦体对应的制动系统TOI值。结论 在75~90 mm宽度区间内，闸瓦摩擦体宽度越大，制动系统发生尖叫噪声的趋势越小。相比有缺口的闸瓦摩擦体，无缺口的闸瓦摩擦体在制动时更易发生尖叫噪声，选用梯形缺口闸瓦摩擦体的制动系统发生尖叫噪声的可能性最低。
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  压裂球座结构优化分析及耐冲蚀研究

  钟林, 冯桂弘, 朱和明, 王国荣, 陈文斌

  表面技术. 2021, 50(6): 213-219, 228. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.023

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  目的 提升水平井分段压裂中投球滑套球座的抗冲蚀磨损性能。方法 基于流体力学、冲蚀理论，采用Fluent软件建立压裂球座固-液两相流冲蚀模型，对球座冲蚀磨损进行研究，分析不同角度下双锥面结构对球座冲蚀磨损的影响。在此基础上，开展球座冲蚀试验，研究3种不同表面材料对球座冲蚀的影响。结果 数值模拟显示，球座的冲蚀磨损主要发生在前端锥面上，最大冲蚀速率发生在锥面与密封面交接处。其原因是，锥段直径逐渐减小，导致固相颗粒在过流断面上的速度和浓度增加，动能增大，使得在斜面导流作用下对锥面的撞击与切削次数增多，冲击力增强，造成壁面材料损失。冲蚀试验结果显示，在3种不同表面材料球座的冲蚀中，双涂层(有机涂层+碳化钨涂层)球座的耐冲蚀能力优于碳化钨涂层和硬质合金球座。结论 设计双锥面结构球座时，合理地选择锥面角度能够有效提升球座的耐冲蚀性能，否则会导致球座的抗冲蚀性能下降。对球座进行表面喷涂强化处理时，较单一涂层而言，选择双涂层的抗冲蚀能力更好。
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  TiN/Ag涂层在真空环境下的摩擦学行为

  王云锋, 李永军, 李安, 陈庆春, 吴贵智

  表面技术. 2021, 50(6): 220-228. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.024

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  目的 银具有低的剪切强度，可以降低涂层的摩擦磨损，在TiN硬质涂层中引入软金属Ag，以期拓展其在摩擦学领域的应用范围。方法 采用多弧离子镀沉积技术，在SUS304不锈钢基底上成功制备了TiN/Ag复合涂层。利用扫描电子显微镜、纳米压痕仪、RST³划痕仪，分析了TiN/Ag涂层的微观结构和机械性能。利用CSM(大气)和HVTRB(真空)摩擦磨损试验机评估了TiN/Ag涂层的摩擦学性能。结果 TiN/Ag涂层结构致密，厚度为1.2 μm，硬度约为28.4 GPa。摩擦学测试表明，真空环境下的摩擦因数远低于大气环境下的摩擦因数，大气环境下的磨损机理主要为粘着磨损与磨粒磨损，而真空环境下主要表现为机械抛光及摩擦转移膜。真空环境下TiN/Ag涂层不同载荷下的摩擦试验表明，1 N载荷条件下，摩擦因数值低至0.07，且涂层发生轻微磨损;3 N载荷条件下，机械能和热应力使得摩擦界面中的Ag发生扩散，摩擦因数迅速增加到0.42左右;5 N载荷条件下，摩擦因数呈现较明显的波动，随着滑动次数的增加，摩擦因数最高达到1.0，涂层表面发生软化形成犁沟效应，而导致涂层失效。结论 TiN/Ag涂层中Ag掺杂可显著降低涂层的内应力，抑制摩擦过程中涂层微裂纹的扩展，适当载荷下能够有效地改善TiN硬质涂层真空下的摩擦学性能。
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  面向食品装备的聚四氟乙烯对复合铝基润滑脂摩擦学性能的影响研究

  王韦, 钱善华, 巩龙飞, 任海栋, 唐磊

  表面技术. 2021, 50(6): 229-235, 316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.025

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  目的 以食品级润滑脂代替普通润滑脂，减少非食品级润滑脂带来的食品安全问题，并提高复合铝基脂的减摩抗磨性能。方法 通过白油和稠化剂制备了复合铝基脂，通过DHR-2流变仪和Q500TGA热重分析仪，考察了白油和复合铝基脂的黏度和质量损失随温度的变化关系。配制含不同质量分数聚四氟乙烯(PTFE)的混合铝基脂，在MFT-5000摩擦试验机上开展摩擦性能研究，探讨其对食品级润滑脂减摩抗磨性能的作用机制。结果 复合铝基润滑脂的滴点约为220 ℃，锥入度为230(0.1 mm)，热分解温度为245 ℃。随着聚四氟乙烯质量分数的增加，混合脂的摩擦因数以及圆盘磨损体积均呈先减小后增大的变化;当聚四氟乙烯的质量分数为5%时，对应的平均摩擦因数和磨损体积分别降低了27.9%和53.4%，并优异于市场上食品级复合铝基脂PURITY FG2的摩擦学性能。结论 复合铝基润滑脂具有良好的理化性能，聚四氟乙烯显著改善了复合铝基脂的减摩抗磨性能。含5% PTFE混合脂最有可能被应用到食品装备等领域，并将为新型食品润滑材料的研发提供参考。
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  20Cr2Ni4A钢表面WC增强铁基涂层耐磨性能的研究

  刘金刚, 郑文捷, 王高升, 何丽红, 赵又红

  表面技术. 2021, 50(6): 236-242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.026

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  目的 制备优异的耐磨性涂层用于机械零部件表面，可有效地提高其使用寿命，减少机械设备因磨损失效而带来的各类故障。方法 以20Cr2Ni4A合金钢为基体材料，利用激光熔覆技术，制备了铁基涂层和铁基/WC复合涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、HV-1000显微维氏硬度计，分别对铁基涂层和铁基/WC复合涂层的相组成、组织形貌、显微硬度进行表征。利用HRS-2M型高速往复摩擦磨损试验机对铁基涂层和铁基/WC复合涂层的磨损性能进行研究，并分析其磨损机理。结果 两种涂层的显微硬度与基体相比改善较大，其中铁基/WC复合涂层改善最为明显，表面平均硬度值为610HV。以直径为6 mm的GCr15对磨球为摩擦副，铁基涂层的平均摩擦因数为0.53左右，磨损量为0.1432 mm³，而铁基/WC复合涂层的平均摩擦因数为0.36左右，磨损量为0.059 35 mm³，与铁基涂层相比，20Cr2Ni4A合金钢表面结合铁基/WC复合涂层的硬度提高了17%左右，磨损量减小了58.6%，具有良好的耐磨损性能。结论 铁基/WC复合涂层因其表面存在W2C、WC、Fe3C等物相，能够均匀分布在铁基涂层上作为耐磨骨架，显著提高了涂层的硬度和耐磨性能。
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  地铁大坡度道岔制动工况下钢轨表面接触应力变化规律研究

  曾志平, 徐榕, 阮莹, 李平, 胡籍

  表面技术. 2021, 50(6): 243-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.027

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  目的 通过分析不同坡度条件下道岔钢轨在列车下坡制动作用时的力学行为，探讨了坡度对钢轨表面接触应力指标的影响情况，为铁路线路设计人员对线路坡度进行决策时提供参考。方法 针对地铁单开道岔尖轨跟端60AT轨，运用有限元方法对其进行数值模拟，建立地铁车轴与60AT轨的精细化模型，分析了制动力作用下不同坡度时钢轨表面各项应力指标，并进行了对比。结果 坡度从0%变化至3.0%时，钢轨大部分应力指标变化不大，变化幅度较大的钢轨表面纵向切应力与钢轨表面摩擦力，其变化量分别为8.40%和3.18%，均不超过10%。结论 从钢轨受力分析的层面上讲，坡度并不是控制钢轨伤损的决定性因素，为防止列车制动时钢轨表面局部应力过大，建议对该区段钢轨表面进行全长淬火处理，以提高钢轨的屈服强度。
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  超声喷丸FGH97粉末高温合金表面粗糙度试验与数值分析

  蔡晋, Kiplagat Collins Cherutich, 李威, 师俊东, 林爽

  表面技术. 2021, 50(6): 250-257. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.028

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  目的 为了探究超声喷丸对FGH97粉末高温合金表面粗糙度的影响规律，验证超声喷丸有限元粗糙度预测模型的可行性。方法 在0.13 A与0.18 A的喷丸强度下进行超声喷丸表征试验及数值模拟分析，研究了FGH97粉末高温镍基合金超声喷丸后的粗糙度变化。建立了超声喷丸三维有限元模型(腔室几何模型、批量弹丸模型、振动系统、Johnson-Cook材料本构模型)，两种喷丸强度下沿试样横向与纵向的Ra、Rz试验值测量数目均为25个，计算了两种喷丸强度下试样横纵向粗糙度均值的相对标准偏差。结果 0.18 A超声喷丸试验横纵向整体粗糙度均值Ra、Rz值分别为0.96 μm、4.25 μm，0.18 A超声喷丸数值仿真横纵向粗糙度Ra、Rz均值分别为1.02 μm、4.3 μm，横纵向粗糙度仿真值与试验数据最终评估值的差异小于10%，证实了FGH97粉末高温合金超声喷丸数值仿真预测的有效性，得出10个极值的取样测量数目更能准确反映出超声喷丸后试样表面粗糙度情况。结论 喷丸强度的增加降低了粗糙度值分布的离散度，同时，相对标准偏差的差异性结果证明，在超声喷丸强化表面粗糙度分析前，对试样前处理状态进行测量分析是必要的。
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  TC4合金表面TiB2强化TiAl3复合渗层的组织形成及耐磨性能

  田晓东, 孔明, 高顺, 屈尚坤, 周仁健, 孙志平

  表面技术. 2021, 50(6): 258-264. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.029

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  目的 在TC4钛合金表面制备扩散渗层以提高其耐磨性能。方法 采用包埋渗的方法，首先对TC4合金样品进行950~1100 ℃下4~8 h渗B，然后再进行950~1100 ℃下4 h渗Al制备TiB2强化TiAl3复合渗层。通过分析复合渗层的组织结构、表面粗糙度、硬度和磨损率等，结合对包埋渗B和Al过程的热力学分析，阐明TiB2强化TiAl3复合渗层的组织形成机理和耐磨性能。结果 采用包埋渗的方法，可在TC4钛合金表面制备厚度约37~108 μm的TiB2强化TiAl3复合渗层，其表面粗糙度约为5.485~9.320 μm。复合渗层由硼化物相和Ti-Al金属间化合物相组成，TiAl3层为复合渗层的主体，硼化物主要分布在复合渗层的表层区域，形成TiB2连续层或弥散分布于TiAl3层最外部。通过调整渗Al的温度和时间可调控复合渗层中硼化物的形态和分布。室温干摩擦条件下，TiB2强化TiAl3复合渗层与GCr15对磨时磨损率最低为2.65×10^–5 g/(N.m)，较相应渗B层可最多降低约75.0%。结论 可采用扩散渗的方法，在TC4钛合金表面实现TiB2强化TiAl3复合渗层的可控制备，复合渗层表现出了比渗B层更优异的耐磨性能。
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  电火花间隔沉积石墨-硬质合金自润滑涂层及其摩擦学性能

  谈庆瑶, 曹同坤, 徐英涛

  表面技术. 2021, 50(6): 265-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.030

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  目的 提高机械零部件表面的润滑性能。方法 以45钢为基体，采用电火花沉积技术在表面上间隔沉积出条状的石墨与硬质合金涂层条，用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机对所制备的条状涂层进行相关的摩擦磨损试验，使用SEM和EDS并对涂层的表面形貌、截面形貌以及组成成分进行研究，分析了不同因素对石墨-硬质合金自润滑涂层摩擦磨损性能的影响规律及磨损机理。结果 涂层表面致密，且厚度均匀，在与对偶件摩擦时表现出良好的自润滑性能及耐磨性能。随着硬质合金涂层所占面积比从10%上升到40%时，涂层的润滑性能会降低，耐磨性提高，但随着往复摩擦频率的增加，接触表面温度升高，变形阻力下降，自润滑性能有所提升。当往复摩擦频率为500次/min时，摩擦因数最小。结论 石墨-硬质合金自润滑涂层的耐磨性和润滑性能与硬质合金在涂层区域中所占面积比及往复摩擦频率有关。主要是因为往复摩擦频率的增加会使磨粒的刻划作用增强，而硬质合金所占面积比会使涂层的硬度、耐磨性增加，涂层的主要磨损形式表现为磨粒磨损。
腐蚀与防护
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  模拟海洋大气环境下生物矿化膜抑制低合金钢腐蚀行为研究

  赵倩玉, 惠芯蕊, 王亚楠, 高珊, 张才毅, 郭章伟, 郭娜, 刘涛

  表面技术. 2021, 50(6): 272-280. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.031

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  目的 通过微生物诱导矿化在低合金钢表面制备生物矿化膜，减缓低合金钢在海洋环境中的大气腐蚀。方法 采用生物矿化的原理，将低合金试样浸入一种海洋假交替单胞菌(Pseudoalteromonas lipolytica)培养液中生成生物矿化膜，通过电化学测试(电化学阻抗、极化曲线)、开尔文探针测试等方法检测薄液膜下生物矿化膜对金属的保护效果，并结合扫描电子显微镜、白光干涉仪、红外光谱等技术对样品的表面形貌和生物矿化膜的组成结构进行分析。通过极化曲线测试，选用腐蚀最严重的50 μm薄液膜进行实验。结果 覆有生物矿化膜的样品在薄液膜下浸泡24 d时，白光干涉图中未发现腐蚀现象，说明此时生物矿化膜可以很好地保护样品。浸泡30 d后，样品表面产生局部腐蚀，说明此时生物矿化膜的保护性能下降。此外，SKP测试中，浸泡前24 d，伏打电位由–0.16 V降至–0.2 V，较为缓慢，但从24 d浸泡到30 d时，伏打电位由–0.2 V降为–0.45 V，腐蚀电位也进一步负移，并且在盐雾试验照片中，可肉眼观察到30 d时金属表面出现了腐蚀产物。通过红外光谱峰值分析发现，24 d后，生物矿化膜中有机物的振动峰峰值降低或消失，矿化膜出现缺陷，金属开始腐蚀。结论 在薄液膜的浸泡下，生物矿化膜可以很好地保护金属在前24 d内不被腐蚀。浸泡30 d后，矿化膜出现缺陷，无法避免腐蚀介质与金属接触，故此时保护作用下降。
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  不同电极运动形式下电火花堆焊的放电机理分析

  陈俊潮, 韩红彪, 王中豪, 王顺

  表面技术. 2021, 50(6): 281-287, 316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.032

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  目的 分析不同电极运动形式下，电极与基体之间接触状态的变化，研究其对电火花堆焊放电机理的影响。方法 通过旋转电极连续放电试验、超声振动电极连续放电试验、旋转电极与超声振动电极的沉积效率试验，对旋转电极和超声振动电极的连续放电电压和电流波形、电极与基体的接触状态和相对运动进行了分析。结果 旋转电极的放电类型有短路放电、间隙放电和1种混合放电，超声振动电极的放电类型有短路放电、间隙放电和6种混合放电。在放电参数相同的条件下，旋转电极的短路放电平均电流为11.29 kA，间隙放电平均电流为6.9 kA，转移系数为79%;超声振动电极的短路放电平均电流为6.0 kA，间隙放电平均电流为3.66 kA，转移系数为92%。结论 电极的运动形式直接影响电极与基体接触点之间接触状态(即接触间隙、接触面积和接触电阻等)的变化，从而影响其放电类型、放电电流和沉积效率等。旋转电极和基体之间为切向旋转运动，接触点处的电阻小且间隙变化小，放电电流较大而放电类型较少。超声振动电极与基体之间为上下超声振动，接触点处的电阻大，间隙变化范围大且变化速度快，放电电流较小而放电类型较多。
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  电位对聚苯胺/不锈钢双极板腐蚀性能的影响

  刘晓安, 周婉秋, 杨佳宇, 姜文印, 辛士刚, 康艳红, 孙秋菊

  表面技术. 2021, 50(6): 288-297. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.033

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  目的 增强双极板在质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作条件下的耐腐蚀性能。方法 以1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯(EMIES)离子液体作为聚合反应电解质，采用循环伏安法在316L 不锈钢(SS)上电聚合聚苯胺(PANI)薄膜制备PANI/316L SS双极板。采用SEM观察表面形貌，采用FTIR分析官能团结构，采用XPS分析元素组成和键合状态。采用恒电位法控制PANI/316L SS电位分别为0.5、0.6、0.7 V(vs. SCE)以模拟PEMFC阴极电位，测量恒电位极化后开路电位、极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)的变化。结果 PANI膜均匀平整局部有微裂纹。FTIR显示有苯环、醌环、S=O和—COOH伸缩振动。XPS表明PANI 膜含有C、N、O和S等元素。PANI/316L SS极化曲线在钝化区内电流密度波动较大，EIS的Nyquist图由高频容抗弧和低频直线构成，容抗弧半径随着极化电位的升高而增大。结论 PANI为中间氧化态结构，EMIES阴离子(CH3CH2SO4^–)和草酸阴离子(HOOC-COO^–)在PANI分子链中均有掺杂。在PEMFC阴极工作电位下PANI/316L SS处于阳极极化状态，电位对PANI/316L SS的耐蚀性影响显著，在0.6 V下PANI/316L SS呈现很好的耐蚀性，电位升高至0.7 V时，发生PANI过度氧化，导致“对阴离子”脱掺杂，使PANI/316L SS的导电性和耐蚀性下降。
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  基于EET理论的离子氮化层性能研究

  冯涛, 冯雅, 段琼, 孙永兴

  表面技术. 2021, 50(6): 298-305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.034

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  目的 分析离子渗氮层中Fe-N金属间化合物的价电子结构与渗层性能之间的关系。方法 以45号钢为研究对象，测试45号钢离子渗氮后的硬度、渗层厚度、物相组成、摩擦磨损性能、耐蚀性和力学性能。根据XRD测试结果，应用EET理论，对渗层中的Fe-N金属间化合物相的价电子结构、键能、结合能等进行计算，并分析性能与Fe-N金属间化合物价电子结构之间的关系。结果 渗氮温度为520 ℃、氮氢流量比为3∶1时，渗层的硬度以及耐磨、耐蚀性均最高，但渗层的脆性最高，其冲击吸收功下降至母材的26%。计算结果表明，α-Fe、Fe4N、Fe3N和Fe2N的共价电子密度计算值分别为299.13、367.68、416.45、458.78 nm^?3，晶体的平均键合能分别为412.65、444.02、472.48、486.61 kJ/mol，晶格电子密度的计算值分别为133.36、108.58、84.72、81.74 nm^?3，晶体的塑性因子分别为76.20、14.75、3.66、3.65。结论 ε相对渗层的塑韧性影响最大，适当降低离子渗氮温度以及氮氢流量比，能够有效减少ε的含量，以改善渗氮件塑性差的问题。
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  去除管道3PE防腐层的轴向扇形喷嘴数值模拟

  管金发, 肖栋, 瞿德刚, 陈雁, 舒丹, 华卫星, 沈蕾芳

  表面技术. 2021, 50(6): 306-316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.035

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  目的 优化设计一种轴向扇形喷嘴，通过产生扇形磨料水射流去除管道3PE防腐层，以期提高去除管道3PE防腐层的效率和安全性。方法 建立轴向扇形喷嘴物理模型及扇形磨料水射流流场的计算模型。基于FLUENT软件，采用颗粒轨道模型、Realizable k-ε湍流模型对轴向扇形喷嘴内外磨料水射流流场特性进行数值模拟研究。结果 沿着射流流动方向，扇形喷嘴收缩段(邻近圆柱段区域)磨料颗粒速度增加明显，圆柱段磨料颗粒速度增加不明显。由于喷嘴流通面积减小或V型槽致使流道形状改变，进入扇形喷嘴椭圆段后直至喷嘴出口处，磨料颗粒速度总体增加，但其速度分布呈现复杂规律，在射流的两侧边缘存在高速区。在扇形喷嘴外流场中，磨料颗粒速度呈减小趋势，同时，磨料颗粒速度云图在X轴某一位置出现了分叉现象，速度云图在分叉点之后的区域出现空白，即从分叉点之后，外流场的某些区域没有磨料颗粒的存在。为了充分发挥磨料颗粒对3PE防腐层较好的冲蚀效果，扇形磨料水射流去除3PE防腐层时，应将靶距控制在分叉点位置之前。不同结构参数轴向扇形喷嘴产生的扇形磨料水射流，其磨料颗粒速度云图分叉点位置不同。结论 综合考虑磨料颗粒速度大小、作用范围、分叉位置等因素的影响，优选出拟用于产生扇形磨料水射流去除3PE防腐层的轴向扇形喷嘴结构参数:α2/r=1、α=15°、b=0.6 mm、d=2.13 mm。最佳靶距在17.37~37.37 mm。
精密与超精密加工
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  激光诱导氧化辅助微细铣削TA19钛合金高深宽比微结构的研究

  赵国龙, 冒鹏程, 杜亚男, 李亮, 何宁

  表面技术. 2021, 50(6): 317-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.036

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  目的 提高TA19钛合金的微切削加工性。方法 提出一种激光诱导氧化辅助微细铣削的复合加工方法。该方法使用较小功率的纳秒脉冲激光辐照钛合金表面，诱导材料在富氧氛围下产生氧化反应，生成疏松且易于铣削去除的氧化层。随后使用微铣刀快速去除氧化层，可提高加工效率和刀具寿命。通过激光诱导氧化试验和微细铣削试验，选择最优的激光参数和铣削参数。在最优参数下，加工宽度为0.5 mm、深宽比为3的微结构。为了验证复合加工方法的高效性，在相同的铣削参数下，与常规微细铣削工艺作对比研究。结果 激光平均功率与激光扫描速度均会对氧化效果有影响。激光平均功率为4 W、扫描速度为1 mm/s时，TA19钛合金的氧化效果较好，此时生成的氧化层疏松多孔，氧化层和亚表层的厚度分别为32 μm和9 μm。随每齿进给量的增加，铣削力逐渐增加，而背吃刀量对铣削力的影响较小，选取铣削参数n=20 000 r/min、fz=1.75 μm/z、ap=6 μm为较优参数。与常规微细铣削工艺相比，激光诱导氧化辅助微细铣削的切削力降低了38%，且加工的高深宽比微结构的毛刺较小，表面质量较高。结论 激光诱导氧化辅助微细铣削的复合加工工艺可以有效改善TA19钛合金的微切削加工性，提高刀具的使用寿命。
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  氮冷等离子体改性KDP晶体液膜接触潮解抛光

  黄帅, 何振湘, 张亚宇, 吴阶平, 尹韶辉, 陈逢军

  表面技术. 2021, 50(6): 327-337, 346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.037

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  目的 利用氮冷等离子体改性KDP晶体表面，实现高质高效的液膜接触潮解抛光。方法 利用氮冷等离子体实时处理潮解抛光界面，实现微汽雾中的液滴在KDP晶体表面由液滴驻留向液膜接触转化，克服水在工件表面形成非均匀点状接触导致新“微凹坑”不断形成的不足。通过研究KDP晶体在含水介质中的材料去除特性，获得调控抛光介质性能的方法，并揭示氮冷等离子体对KDP晶体刻蚀规律的影响。通过研究KDP晶体在抛光界面上的摩擦特性和KDP晶体表面微观结构、拉曼光谱，以及氮冷等离子体对KDP晶体表面亲水改性的时效性，综合评估氮冷等离子体中的KDP晶体的抛光机理。结果 在抛光过程实验中，证明了氮冷等离子体改性KDP晶体潮解能够提高KDP晶体的表面质量。使用优化的放电参数，表面粗糙度(RMS)从18.4 nm下降至7.6 nm，PV值从109.9 nm下降至61.5 nm。材料去除率最低为10.14 μm/min，最高达91.58 μm/min。结论 利用氮冷等离子体，可快速、无损地将KDP晶体表面处理至超亲水状态，能有效去除液滴驻留产生的微凹坑，表面质量大幅提升，划痕明显减少，实现了液膜接触潮解抛光，为KDP晶体高质高效抛光提供新的思路。
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  加工间隙对CBN磁性磨料研磨904L不锈钢表面完整性的影响

  杜嘉静, 张桂香, 朱培鑫, 姜林志, 陈昊鑫, 刘宁

  表面技术. 2021, 50(6): 338-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.038

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  目的 针对904L高性能不锈钢工件进行磁力光整加工试验研究，分析加工间隙对不锈钢表面完整性的影响。方法 对不同加工间隙的磁感应强度进行了仿真与测试的对比分析，在不同加工间隙下，采用雾化法制备的新型CBN/铁基球形磁性磨料对904L高性能不锈钢进行磁力研磨加工。利用手持粗糙度仪和精密电子天平对不同间隙下工件表面粗糙度和材料去除量进行测量与分析，利用金相显微镜观察不同加工间隙下工件表面形貌不同变化情况，利用应力测试仪检测不同间隙下工件表面残余应力变化情况，利用润湿角测量仪对不同间隙下工件表面的亲疏水性效果进行观察与分析。结果 当加工间隙为2.5 mm时，CBN/铁基球形磁性磨料磁力光整加工904L不锈钢效果最好。工件表面粗糙度由研磨前的0.5 μm下降至0.05 μm，5 min内材料去除量可达36 mg，工件表面均匀，划痕被完全去除，同时没有凹坑的产生。工件表面的残余压应力由127.8 MPa增加到318 MPa，工件表面与液滴的润湿角由20°增加至83°，疏水效果达到最好。 结论 加工间隙对CBN磁性磨料磁力光整加工904L不锈钢表面完整性有很大影响，当加工间隙为2.5 mm时，工件表面粗糙度最低，表面形貌光整均匀，残余压应力变大，工件的疲劳强度增强，工件表面疏水性变好，达到最佳研磨效果。
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  电解加工去除焊层多场耦合仿真及试验研究

  孙宇博, 马锦晖

  表面技术. 2021, 50(6): 347-355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.06.039

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  目的 以电解加工的方法去除多余的焊层，避免人工打磨引起焊接表面的二次损伤。方法 以哈氏合金X为母材，经TIG焊后，对焊缝进行电解加工去除的仿真及试验研究。分别建立三维、二维的仿真模型，分析加工区域的电场、流场及产热功耗的分布以及焊层轮廓形貌随时间的变化。通过正交试验，选取适当的去除焊层电解加工工艺参数，将模拟仿真的结果与试验结果进行对比，分析焊层去除过程中理论值与实测值偏差的原因。结果 通过模拟仿真计算可以发现，在电解加工模型中，电场、温度场以及流场耦合作用下，焊缝中心的蚀除速率明显低于焊缝两端，且随加工时间的延长，蚀除沟的形貌越来越明显，二维模型可以精准地表征加工间隙内阳极表面电解速率的变化。基于正交试验发现，电解加工的电压和频率对焊层去除量影响显著，占空比影响不大。加工电压为30 V时，表面平均粗糙度最小，为19.2 μm，去除量为0.241 g。结论 焊层去除后的轮廓形貌与仿真计算结果趋势一致，可准确地表征电解加工方法去除镍基合金焊层的过程，能够实现仿真模拟与工艺试验的相互优化。