2021年, 第50卷, 第7期　
刊出日期：2021-07-20

  

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特邀综述
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  冷喷涂技术及其系统的研究现状与展望

  黄春杰, 殷硕, 李文亚, 郭学平

  表面技术. 2021, 50(7): 1-23. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.001

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  与传统的热喷涂相比，冷喷涂具有沉积温度低、沉积效率高、孔隙率低，以及粉末在沉积过程中不易发生氧化、分解、相变和纳米结构材料的晶粒长大等问题，这使得氧化敏感、温度敏感和相变敏感等材料的高质量涂层制备成为可能。更值得一提地是，近年来冷喷涂工艺与设备的大力发展使冷喷涂作为一种快速固态成形工艺，在金属增材制造和航空航天等关键零部件的损伤修复中得到应用。鉴于目前冷喷涂技术受到国内学者和工业界越来越多的关注，基于大量的文献调研和长期对国内外冷喷涂研发动态的跟踪，对冷喷涂材料种类、涂层典型组织结构与性能及其工艺和设备系统的发展进行了总结。首先，简介了冷喷涂系统的组成结构、喷涂材料的种类及涂层的组织结构与性能;其次，探讨了高压/低压冷喷涂和真空冷喷涂工艺及其设备的发展现状，讨论了基于喷枪或喷嘴设计的冷喷涂工艺设计与优化，如内孔冷喷涂、脉冲式气体冷喷涂和径向冷喷涂，介绍了针对其他技术辅助传统冷喷涂工艺的发展，包括激光辅助冷喷涂、静电辅助冷喷涂、磁场辅助冷喷涂、搅拌摩擦加工辅助冷喷涂增材制造等;最后，指出了冷喷涂工艺及系统发展尚存的关键问题，并对其材料研究和工业应用进行了展望。
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  芯片制程中金属互连工艺及其相关理论研究进展

  李亚强, 马晓川, 张锦秋, 杨培霞, 安茂忠

  表面技术. 2021, 50(7): 24-43, 164. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.002

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  随着芯片制程中互连线尺寸的不断减小，集成电路技术已经从以晶体管为中心的时代发展到以互连为中心的时代。传统的互连金属——铝、铜，在互连线性能和可靠性方面渐渐无法满足人们的需求。钴在微纳尺度下因具有更好的电性能，有可能取代铜而成为新的互连线金属，现已受到广泛关注。首先对芯片金属互连技术的历史和发展进行了综述，分别介绍了铝互连、铜互连的优点、存在的缺陷与改进方法，并对新一代钴互连技术进行了介绍，同时对潜在的互连材料，如钌、金、纳米碳材料等进行了总结。之后论述了超填充铜和超填充钴的相关机理，如铜的扩散-吸附整平机理、曲率增强加速剂覆盖机制(CEAC)以及钴的氢诱导失活机制、电压性依赖抑制机制、S型负微分电阻机制(S-NDR)、差动电流效率填充机制等。最后对铜超填充和钴超填充过程中的形核和生长过程的研究现状进行了分析，对不同镀液体系、基底材料、电镀工艺等对铜和钴的形核和生长的影响进行了归纳总结，以期对未来钴互连的研究提供帮助。
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  海洋环境下物理气相沉积氮/碳基抗磨蚀涂层的研究进展

  李淑钰, 刘应瑞, 郭鹏, 孙丽丽, 柯培玲, 汪爱英

  表面技术. 2021, 50(7): 44-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.003

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  主要综述了海洋环境抗磨蚀防护涂层及技术的发展现状，对比了喷涂、高能束表面改性、物理气相沉积(Physical vapor deposition, PVD)三种常用技术的优劣势，并归纳了不同涂层在海水磨蚀条件下的磨损率和腐蚀电流密度，发现PVD制备的氮/碳基涂层呈现出更优的耐摩擦防腐蚀性能。进一步对海洋环境氮基与碳基抗磨蚀防护涂层的研究成果进行了重点阐述，探讨了组分、过渡层以及多层结构设计等对涂层微结构、力学及磨蚀性能的影响，剖析了涂层在海水磨蚀环境中的失效分析方法和损伤机理。最后，对海洋抗磨蚀防护涂层的未来发展方向进行了思考与展望。
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  钛合金耐磨微弧氧化制备技术的研究进展

  董凯辉, 宋影伟, 韩恩厚

  表面技术. 2021, 50(7): 57-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.004

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  钛合金质量轻，比强度高，尤其耐蚀性优异，在海洋、航空航天、医疗器械等领域应用越来越广泛。但钛合金硬度较低，摩擦因数高，粘着磨损、磨粒磨损和微动磨损倾向大，极大限制了其作为摩擦部件的应用。微弧氧化处理可以获得硬度高的陶瓷质膜，附着力强，既可以单独使用来提升钛合金的耐磨性，又能与多种后处理方式兼容，是提高钛合金耐磨性的有效方法。影响微弧氧化膜耐磨性的因素很多，详细论述了成膜电解液、电参数及不同复合处理方式对钛合金微弧氧化耐磨性的影响。电解液是决定微弧氧化膜耐磨性最关键的因素，通过选择合适的电解液体系或加入添加剂，使TiO2氧化膜中掺杂硬度更高的Al2O3、AlTiO5、SiO2等氧化物，大幅改善微弧氧化膜的耐磨性。通过调整电参数(包括恒流/恒压、单相/双相输出、频率等)，将直接影响微弧氧化膜中硬质氧化物的类型、含量、分布、表面粗糙度等，进而影响摩擦磨损性能。复合处理包括微弧氧化膜表面机械抛光、喷涂石墨或聚四氟乙烯、磁控溅射硬质薄膜，以及氧化液中复合纳米颗粒等，其中复合纳米颗粒不仅可以修复膜层中的缺陷，还可以丰富氧化膜的相组成，使其具有耐磨、自润滑、耐腐蚀等多种功能特性，但纳米颗粒的分散、补加以及不同颗粒之间的协同影响还需要深入研究。
激光表面改性技术
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  高速激光熔覆铁基TY-2合金组织及力学性能分析

  王强, 杨驹, 牛文娟, 苏成明, QIU Dong, 李洋洋

  表面技术. 2021, 50(7): 66-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.005

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  目的 通过与激光熔覆进行对比，探究高速激光熔覆铁基TY-2合金的显微组织及力学性能。方法 采用高速激光熔覆技术在27SiMn不锈钢基体上制备铁基TY-2合金熔覆层。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计，对熔覆层的显微组织、物相结构及力学性能进行分析测试，对比研究高速激光熔覆与激光熔覆铁基TY-2合金熔覆层的显微组织和力学性能。结果 与激光熔覆层相比，获得的高速激光熔覆层均匀致密，无裂纹，孔隙与夹杂较少，与基体形成良好的冶金结合。激光熔覆层的组织以粗大的柱状晶为主，高速激光熔覆层的组织以尺寸为5~10 μm的细小晶粒为主。高速激光熔覆层与原始粉末的物相一致，包含(Fe,Ni)、Cr0.19Fe0.7Ni0.11和Fe-Cr等相。激光熔覆层与原始粉末的物相有所差别，高能量密度导致CaNi3C0.5金属间化合物的生成。高速激光熔覆层的平均硬度为604HV0.3，相比激光熔覆层(543HV0.3)提高了9.4%。结论 高速激光熔覆的总能量较低，为激光熔覆总能量的77.9%，其中高速粒子携带的动能占高速激光熔覆总能量的17.7%。高速激光熔覆可实现低能量下的高效熔覆，熔覆层的组织更加细小，成分更加均匀，硬度更高。
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  QT800-2球墨铸铁表面激光熔覆工艺参数多目标优化

  张胜江, 王明娣, 倪超, 徐悠源, 尹梓航, 林瑶, 郭敏超, 王贤宝

  表面技术. 2021, 50(7): 74-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.006

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  目的 为了解决球墨铸铁表面激光熔覆铁基合金过程中熔覆层塌陷、厚度不均等问题，确定旁轴送粉激光熔覆最优工艺参数组，并对参数寻优方法进行对比分析。方法 选取工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速度)为优化变量和熔覆层表面质量(表面粗糙度、硬度)为优化指标，通过设计L9(3⁴)正交试验进行极差分析，得到优化后的参数组合;通过神经网络预测模型结合NSGA-II多目标优化算法进行参数寻优。通过对比这两种优化方法对熔覆层表面质量的实际优化效果，确定最优工艺参数组。结果 3个工艺参数对综合质量的影响大小依次为激光功率>扫描速度>送粉速度，正交优化参数组合使得熔覆层表面粗糙度降低23.3%，硬度降低7.1%。而NSGA-II遗传算法优化参数组合可实现表面粗糙度降低40.5%，硬度提升6.6%。最优工艺参数组合为:激光功率4614 W，送粉速度2.6 r/min，扫描速度325.6 mm/min。结论 采用NSGA-II遗传算法能获得比正交试验更快更好的优化效果;通过合理选择工艺参数，能够解决熔覆层塌陷、厚度不均等问题，从而极大地改善熔覆层表面质量。
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  激光表面处理对316L奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的影响

  袁珊珊, 王东哲, 王金太, 王春光, 何曲波, 蔡欣男, 胡伟

  表面技术. 2021, 50(7): 83-89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.007

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  目的 研究退火态和变形态不锈钢基体在激光加工时组织结构和耐腐蚀性能的差异，掌握激光功率对材料表面耐腐蚀性能的影响规律。方法 利用Nd:YAG激光处理，对不同热处理状态的316L奥氏体不锈钢进行了一系列激光表面熔凝处理。运用电子通道衬度成像(ECC)对激光表面处理前后的组织结构进行了详细地表征和分析，采用Gamry600电化学工作站对改性表面进行极化曲线、交流阻抗图谱检测，从而研究激光处理对材料表面耐腐蚀性的影响。结果 退火态和变形态的316L奥氏体不锈钢经过激光处理后，在3.5%NaCl溶液中测试的动电位极化曲线和阻抗图谱趋势相近。拟合数据显示，退火态基体经激光处理后，腐蚀电位为?0.438 V(SCE)，略高于初始样品(?0.556 V)，且腐蚀电流比初始样品小，表明激光处理能够降低材料表面的腐蚀速度。不同之处在于，变形态基体的表面改性区界面过渡均匀，无突变组织，呈现更加良好的结合性。随着激光功率的增大，功率400 W处理样品的熔抗弧半径最大，但自腐蚀电流和电位与200 W和300 W处理样品在同一数量级波动。结论 316L奥氏体不锈钢经过激光表面处理后，耐腐蚀性能得到一定程度的改善，而激光功率对表面耐腐蚀性无明显关联性影响。
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  乙醇辅助激光一步法制备硬质合金疏水表面

  李坤, 杜家熙, 刘莉莉, 马利杰, 逄明华

  表面技术. 2021, 50(7): 90-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.008

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  目的 在YT15硬质合金刀片上制备出具有疏水特性的织构表面。方法 在静态的无水乙醇环境中，利用光纤激光打标机，在YT15硬质合金刀片上制备织构，制备好的织构表面不做任何改性处理。根据织构表面形貌、织构表面化学成分，分析加工环境及激光参数对织构表面润湿性的影响。结果 无水乙醇辅助激光制备的织构表面表现出了疏水特性，疏水角的大小受激光参数影响。激光功率增大，织构表面接触角随之增大，功率为12 ~20 W时，接触角为112.5°~126.9°;激光扫描速度增加，织构表面接触角随之减小，扫描速度为0.5~2.5 mm/s时，接触角为118.3°~125.7°。当加工次数为1，激光频率为200 kHz，扫描速度为1 mm/s，功率为20 W时，织构表面的接触角最大，为126.9°。结论 无水乙醇环境中，采用激光技术在YT15刀片上制备出了新型的环形凸起微纳织构。与无织构表面相比，织构表面C原子明显增加，表现出了疏水特性。织构表面接触角的大小与织构形貌有关，环形凸起织构密度越大，接触角越大。环形凸起织构的密度受激光参数影响。织构形貌及表面化学成分决定了表面的润湿特性。
研究综述
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  钢铁表面高强韧涂层的研究进展

  白海强, 钟黎声, 康玲, 崔鹏杰, 庄卫军, 邓超, 吕振林, 许云华

  表面技术. 2021, 50(7): 97-105. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.009

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  在钢铁材料表面制备硬质涂层，可明显改善其表面硬度低和耐磨性差而导致在摩擦工况下使用寿命低的问题。然而传统均质涂层在提高强度、硬度和耐磨性的同时，会大幅降低其韧性，即强度和韧性呈现“倒置关系”。针对强度-韧性的“倒置关系”，设计并开发出具有高强、高韧、高耐磨的涂层，对扩大钢铁材料的应用具有重大意义。从制备工艺、微观组织、力学性能以及强韧化机制等方面，综述了钢铁表面层状结构涂层、多尺度结构涂层、梯度结构涂层和纳米结构涂层等几种高强韧涂层的研究进展。在此基础上，指出钢铁表面高强韧涂层未来应向开发新型表面改性技术、设计与精确调控多元多尺度复合构型以及构建微观组织-力学性能数值模型的方向发展。进一步提出了钢铁表面多元多尺度结构涂层的可控制备技术原型，即通过新型表面改性技术与理论计算、仿真模拟的协同配合，实现钢铁表面多元多尺度结构涂层的进一步优化设计与精确调控，建立微观组织-力学性能之间的函数关系，准确揭示其强韧化机理，为突破强度-韧性“倒置关系”瓶颈，实现综合性能优异的钢铁基表面复合材料的制备提供新思路。
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  航空航天铝合金腐蚀疲劳研究进展

  李斌, 董丽虹, 王海斗, 周永欣, 高冲

  表面技术. 2021, 50(7): 106-118. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.010

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  铝合金因具有高的比强度、比模量，好的加工性能及焊接性能，在航空航天领域应用广泛。而腐蚀疲劳是造成航空航天材料失效的重要原因之一，因其危害性高、破坏性强且难以提前预测等特点，受到了广泛关注。铝合金腐蚀疲劳问题一直是飞机日历寿命研究中的重点问题，随着可重复使用航天器理念的提出，多次空天往返和地面修复过程也使腐蚀疲劳问题在可重用航天器上不可忽视。综述了近年来航空航天铝合金腐蚀疲劳的研究现状，从航空铝合金腐蚀疲劳机理的角度，归纳了腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展机制。从腐蚀疲劳环境模拟和腐蚀环境等效两方面，介绍了目前主要的实验室腐蚀疲劳试验技术。分别从材料因素、环境因素和力学因素，分析对腐蚀疲劳裂纹扩展及寿命的影响。重点关注了腐蚀疲劳交替形式下疲劳寿命的特点。提出了在多因素共同影响下的腐蚀疲劳裂纹扩展、损伤演化和寿命预测，以及加速腐蚀环境的当量等效。试验与模拟的有机结合，是今后铝合金腐蚀疲劳的重要发展方向。
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  铈基钝化法在金属防护中的应用研究进展

  方青, 杨靖霞, 王金杰, 徐菁利

  表面技术. 2021, 50(7): 119-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.011

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  铈盐由于其自身无污染、成本低、性能好、用途广等优点，已成为代替铬酸盐钝化的重要方法之一。简要总结了国内外研究人员的发现，得出铈盐可以自行成膜，且铈盐有着良好的自愈能力。同时，也发现纯铈膜的防腐效果不是很理想，易出现裂纹、附着力差等问题。为解决此问题，可以将铈盐与其他金属盐结合，得到混合钝化液，所得到的复合膜效果较好，能减少裂纹的形成;也可以在铈盐钝化液中加入有机化合物，形成的有机和无机复合钝化膜效果更佳，防腐效果甚至高于铬酸盐技术。铈盐以及铈盐复合钝化膜能广泛地应用在各类金属及金属合金表面，极大程度地扩展了铈盐钝化液的应用范围，提高了在工业上的使用率。对铈盐钝化液的机理、钝化方法、应用领域等方面的最新进展进行简单地总结与探讨。为解决铈盐钝化液在钝化机理以及钝化方法方面存在的不足，对最新的工艺方法或配方改善方法进行了提炼，并对未来铈盐钝化液能有效解决原铬基钝化液的污染问题和提高涂层的防腐能力进行了展望。
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  热障涂层失效机理、改进方法及未来发展方向

  王志平, 费宇杰, 刘延宽

  表面技术. 2021, 50(7): 126-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.012

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  热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是用于航空发动机及燃气轮机的一种高效功能性隔热涂层，常用材料为氧化钇(质量分数6%～8%)部分稳定氧化锆(YSZ)。首先，从TGO生长、高温烧结、CMAS腐蚀、盐雾腐蚀和热膨胀失配等方面介绍了YSZ的失效机理，以上因素会从不同程度上造成涂层分层、开裂乃至失效。其次，介绍了通过控制界面反应速度和元素扩散速度，改变涂层化学成分及结构等方法，改善YSZ性能。为适应下一代超高温热障涂层的发展要求，近年来，国内外针对制备工艺的改善和新材料性能进行了研究。通过调控等离子物理气相沉积的喷距，能得到不同微观结构的热障涂层，运用纳米粉体再造粒技术，能制备出抗热震性能、耐磨抗腐蚀性、韧性以及可加工性更为优异的纳米结构涂层。ABO3型钙钛矿结构钡盐、钽酸盐、石榴石结构稀土铝酸盐、磁铅石结构稀土铝酸盐、独居石结构稀土磷酸盐等新型陶瓷层材料的研究是一大热点。与传统YSZ相比，新陶瓷层材料有优异的高温相稳定性、高热膨胀系数、高热导率等性能，但存在断裂韧性低、组分复杂等缺点。最后，为热障涂层未来研究指出了方向，并展望了其面临的挑战。
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  热喷涂金属陶瓷涂层后处理技术的研究进展

  赵运才, 张新宇, 孟成

  表面技术. 2021, 50(7): 138-148. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.013

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  首先，从热喷涂的后处理技术方向入手，重点综述了激光重熔后处理技术、热处理后处理技术的研究进展，简要分析了两种后处理技术对金属陶瓷涂层界面综合性能、界面结合强度、内聚强度、耐磨性、残余应力等的影响，指出外部因素(激光重熔参数、热处理工艺参数、材料种类、重熔方式和热处理的时间等)和内部因素(金属陶瓷涂层本身的特性)对两种后处理技术的影响。然后，介绍了几种材料后处理技术(喷丸和热等静压后处理技术)，分析了其对材料性能的影响。其次从微观层次入手，探索和分析了热喷涂后处理技术的原理和其中存在的问题，且对其研究和发展方向做出了预测。最后，在前人研究的基础上，结合近些年常用的涂层后处理技术和一些材料后处理技术，提出了采用一种新的后处理技术——感应重熔技术和超声深滚技术耦合对喷涂涂层实施后处理，且初步制定了研究的技术方案，并对其特色点和创新之处进行了总结，同时对该研究进行了可行性分析。
表面功能化
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  纳米氧化锌掺杂对多孔聚氨酯薄膜表面结构和性能的影响

  计俞伟, 薛名山, 李娜, 李坚, 殷祚炷, 罗一丹

  表面技术. 2021, 50(7): 149-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.014

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  目的 通过纳米氧化锌(nano-ZnO)掺杂制备规整有序、分布均匀的蜂窝状多孔聚氨酯薄膜，并改善多孔薄膜表面的润湿性和热稳定性。方法 利用nano-ZnO的极性分子特性，以溶液共混的方式将TPU用四氢呋喃(THF)溶解，添加nano-ZnO颗粒进行混合，采用微液滴模板法固化成膜，制备不同掺杂比例的nano-ZnO/TPU多孔复合薄膜。结果 nano-ZnO的质量分数为0%~50%时，薄膜表面微孔结构呈现先有序、后无序。nano-ZnO的质量分数为10%(TPU-10)时，表面微孔排列最为致密有序，表面静态接触角(CA)达到最大，为134.5°，相比于未掺杂的多孔TPU薄膜，软段熔融温度(tm)、硬段软化温度(tg)分别升高了51、8.1 ℃，起始热分解温度(td)降低了61.1 ℃。nano-ZnO质量分数为40%~50%(TPU-40、TPU-50)时，经高锰酸钾(KMnO4)粗化及低表面能物质全氟辛基三甲氧基硅氧烷(POTS)修饰，CA达到156°以上。结论 掺杂的nano-ZnO抑制了多孔薄膜制备过程中TPU体系的微相分离，使多孔复合薄膜tm、tg相对于TPU-0有所升高，同时由于部分软段内部的氢键被取代，导致td降低。nano-ZnO质量分数为10%时，多孔复合薄膜表面微孔排列最规则，CA达到最大值;nano-ZnO质量分数≥40%时，薄膜通过KMnO4粗化及低表面能修饰，可获得超疏水性。
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  基于润湿过渡的玻璃表面亲水微结构的理论设计与制造

  杨亮, 王志兴, 王琦

  表面技术. 2021, 50(7): 158-164. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.015

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  目的 为实现一种仿生蜂窝状的微结构的理论设计与制造，达到对接触角的理论预测，并进行试验的测量验证。方法 通过建立蜂窝状微结构的理论模型，基于润湿的Cassie-Baxter态到Wenzel态的转化理论，采用数值仿真程序对该结构接触角进行预测。采用纳秒脉冲光纤激光器在玻璃表面加工出蜂窝状结构。结果 通过首次建立蜂窝微结构理论模型可得到接触角的表达式，在满足物理约束(重力、拉普拉斯压力、内外压差)的条件下可得到最优的边界条件。利用数值仿真程序，得到的接触角预测值和纳秒激光技术加工后的测量值吻合良好，误差均小于5°。同时，表面接触角随着蜂窝状结构尺寸的减小而减小，在蜂窝状结构边长约为10 μm时达到超亲水状态。结论 基于润湿过渡理论建立的蜂窝状微结构理论模型是可行的，可以准确预测微结构的表面亲水性(表观接触角)。通过纳秒激光的吸光材料辅助烧蚀技术，可以在玻璃表面准确地加工出微米级的蜂窝结构。利用生物学仿生技术设计的蜂窝微结构，能够起到减小表观接触角的效果，从而有效地改善玻璃表面的亲水性。
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  玻璃表面微结构的构建及其雾度和亲疏水性的调节

  王金磊, 李刚, 杨扬, 金克武, 鲍田

  表面技术. 2021, 50(7): 165-171, 224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.016

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  目的 提高蒙砂玻璃的雾度以及调控其表面的亲疏水性。方法 通过在酸蚀液中添加不同浓度的KCl，可控调节蒙砂玻璃表面微纳结构，并利用光学轮廓仪对表面形貌和粗糙度进行表征分析。通过分光光度仪对蒙砂玻璃的雾度、透过率进行测试，并使用接触角测量仪对其亲疏水性进行分析评价。结果 通过调节酸蚀液中KCl的加入量，得到具有不同表面微结构及表面粗糙度的蒙砂玻璃。酸蚀液中KCl的加入，可以实现不损失玻璃透过率的同时，将蒙砂玻璃的雾度提高1个数量级，从4.23%提高至73.11%。酸蚀液中加入质量分数20%的KCl，可实现蒙砂玻璃表面较好的亲水性，接触角达20.9°，而玻璃原片的接触角仅为47.5°。在蒙砂玻璃表面涂覆十三氟辛基三乙氧基硅烷，100 ℃下热处理30 min，可实现蒙砂玻璃较强的疏水性，对水的接触角达到124.3°。结论 酸蚀液中加入KCl可以实现酸蚀蒙砂玻璃表面微结构的构建，并且通过控制KCl的加入量，提高蒙砂玻璃的透过率和雾度，实现较好的亲水性。用低表面能物质十三氟辛基三乙氧基硅烷成功对具有一定表面微结构的蒙砂玻璃进行修饰，将蒙砂玻璃由亲水性变为较强的疏水性。
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  铝诱导法制备多晶硅薄膜的膜层间结合力影响机制

  段永利, 臧浩天, 邓文宇, 齐丽君, 杜广煜, 谢元华, 刘坤

  表面技术. 2021, 50(7): 172-178, 202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.017

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  目的 分析铝诱导法制备多晶硅薄膜层间结合力大小的影响机制。方法 采用磁控溅射分别制备Al/α-Si复合薄膜以及Al2O3/α-Si复合薄膜，使用划痕仪获取两样品膜层结合力，并进行对比。采用第一性原理计算，从原子间作用力的微观角度，分析Si原子在Al层和Al2O3层的最佳吸附位置、吸附过程中的电子转移情况以及电子态密度图。结果 Si附着于Al层的临界载荷高于Si附着于Al2O3层的临界载荷。Si在Al(001)表面的最佳吸附位点为位点2，在Al2O3(001)表面未发现最佳吸附点。Si在Al2O3(001)表面的不同吸附点位下的电子得失情况不同，Si吸附Al2O3层的效果弱于其吸附于Al层的效果。在Si吸附于Al层的过程中，Si/Al界面层存在着Al─Si金属键的连接作用，Si原子的3p轨道电子和Al原子的3s、3p轨道电子起到吸附作用，吸附后，Si原子3p轨道电子的电子态数量增多，说明吸附过程中发生了电子的转移，膜层间形成了硅化物。在Al2O3层吸附Si原子的过程中，不同的吸附点位上，Si的得失电子情况不同，部分Si离子与Al2O3中的Al离子同时呈现出金属性，金属离子键的作用力降低了Si离子与O离子形成共价键的可能，降低了Al2O3吸附Si的能力。结论 Si吸附于Al层的过程中，与Al形成了硅化物，进而提高了膜层间结合力。加入Al2O3中间过渡层后，Si的金属性降低了与O形成共价键的可能，因此加入Al2O3中间层后，将会降低膜层间结合力。
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  表面改性纳米纤维素/羟基磷灰石纳米复合材料的制备与性能研究

  杨可晴, 朱玉, 赵一阳, 杨京龙, 陈宗举, 张秀成

  表面技术. 2021, 50(7): 179-186. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.018

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  目的 制备羟丙基纳米纤维素/羟基磷灰石(NCC-HPC/HA)纳米复合材料。方法 以环氧丙烷作为改性剂，对纳米纤维素(NCC)表面进行化学修饰，获得羟丙基纳米纤维素(NCC-HPC)，以提高NCC的表面疏水性及改善其分散性。在此基础上，以NCC-HPC为成核点，采用共沉淀法制备NCC-HPC/HA纳米复合材料，研究复合材料的结构与性能。结果 采用共沉淀法在改性后的纳米纤维素表面成功地合成了羟基磷灰石纳米球。由分析证实，经环氧丙烷表面改性后的NCC，几乎没有发生晶体结构变化，疏水性得到了提高，再分散性得到了改善，且能稳定存在于水和其他有机溶剂体系中，NCC-HPC与水的接触角由17°增加到55.3°。NCC-HPC/HA纳米复合材料的表面均匀分布着钙、磷元素，其Ca/P原子比为1.64，接近真实骨的钙磷比。在2 MPa条件下压制的复合材料的力学性能显示，与未经表面修饰的NCC相比，经表面修饰的纳米纤维素制备的NCC-HPC/HA纳米复合材料的力学性能有所提升。拉伸强度可达到3.48 MPa，提高了6.7%;弯曲强度可达到5.22 MPa，提高了4.4%;压缩强度可达到2.11 MPa，提高了4.7%。结论 经羟丙基改性的NCC，疏水性得到提高，在水溶液中的分散性明显改善。以此为基础制备的NCC-HPC/HA纳米复合材料中，球状纳米羟基磷灰石(n-HA)均匀分布在线状NCC-HPC上，具有较好的力学性能和热稳定性，适用于骨组织工程应用。
摩擦磨损与润滑
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  利用液固界面摩擦力表征经典特殊润湿性生物表面

  张晋红, 石奎, 徐鹏, 李倩, 薛龙建

  表面技术. 2021, 50(7): 187-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.019

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  目的 用毛细管投影传感技术(MPCP)定量表征经典生物材料表面的液固界面摩擦力，揭示滚动角测试所无法揭示的液固界面作用规律。方法 利用毛细管投影传感技术(MPCP)表征了水滴在荷叶、玫瑰花瓣和蝴蝶翅膀表面的摩擦力，并进一步探讨了样品干燥、水滴大小和移动速度对液固摩擦力的影响规律。结果 当液滴体积由2 μL增大到10 μL时，水滴在新鲜荷叶表面的静摩擦力FS从(10.01±0.75) μN增大到(15.99±1.99) μN，动摩擦力FK由(9.10±1.30) μN增大到(11.31±0.75) μN;干燥过程使得FS由(22.11±3.44) μN上升到(34.72±1.99) μN，FK由(10.40±0.75) μN增大到(20.42±3.00) μN。与荷叶不同的是，新鲜玫瑰花瓣的静摩擦力FS和动摩擦力FK均高于冻干玫瑰花瓣，且随着水滴尺寸的增大而明显增大。由于蝴蝶翅膀结构的各项异性，顺着蝴蝶翅膀DF方向的FS和FK比反向DO方向要明显小一些，有利于水滴从体表滚落。当液滴移动速度由0.05 mm/s增大到2.05 mm/s时，荷叶表面的FS和FK变化不明显;新鲜玫瑰花瓣的FS由(70.22± 1.99) μN减小到(60.21±1.99) μN，FK由(44.21±2.25) μN显著减小到(18.21±1.30) μN。而冻干玫瑰花瓣表面的FS和FK，随着液滴移动速度的增大而略微减小。蝴蝶翅膀的摩擦力对液滴移动速度表现出一定的方向依赖性，随着液滴移动速度的增大，DF向的FS和FK保持恒定，而DO向的FS和FK减小则显著一些。结论 用毛细管投影传感技术MPCP可以揭示水滴在固体表面的摩擦特征，定量表征摩擦力，弥补了滚动角只能表征液滴滚落一瞬间固体对水滴滑动的阻力，无法表征液固动摩擦的不足;定量地揭示了样品干燥、水滴大小和移动速度对水滴在荷叶、玫瑰花瓣和蝴蝶翅膀表面摩擦力的影响规律。
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  冷喷涂辅助原位合成CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层的组织性能研究

  冯力, 胡昱轩, 李文生, 王贵平, 王军

  表面技术. 2021, 50(7): 194-202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.020

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  目的 为了提升普通金属材料的表面性能，提出了一种在普通金属材料表面制备性能较好的CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层的技术工艺。方法 采用Cu、Fe、Cr、Al、Ni、Ti六种金属单质粉末为原料，经过2 h机械混合后，使用低压冷喷涂技术在45^#钢基体上制备混合金属涂层，再经感应重熔技术将混合金属涂层原位合成为CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)，对混合金属涂层和原位合成CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层的微观组织和相结构进行观察分析，并对原位合成CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层的硬度、摩擦性能及耐腐蚀性能进行检测分析。结果 原位合成CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层组织致密、元素分散均匀;涂层结构是简单的固溶体结构BCC相和FCC相。涂层的综合性能良好，硬度可达543.4HV，与Al2O3的干摩擦因数为0.428，是45^#基体与Al2O3的干摩擦因数的61.6%，且较基体有更好的耐氯盐腐蚀性能，并在1 mol/L的NaCl溶液和0.5 mol/L的H2SO4溶液中电化学腐蚀后，涂层中都不会形成腐蚀产物。结论 使用冷喷涂辅助原位合成的CuFeCrAlNiTi高熵合金涂层具有相对较高的硬度、较好的摩擦性能以及耐氯盐腐蚀性能。
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  低压冷喷涂镍基金属陶瓷复合涂层的摩擦学性能研究

  张涛, 成波, 李文生, 范祥娟, 李建军, 黄晓龙

  表面技术. 2021, 50(7): 203-211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.021

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  目的 研究镍基陶瓷复合涂层的摩擦学性能，为现场修复泥浆泵关键部件提供实验支撑。方法 采用低压冷喷涂技术，在Q235钢表面分别制备不同Al2O3和ZrO2含量的镍基金属陶瓷复合涂层。通过HT-1000摩擦实验机测试大气气氛下涂层的摩擦磨损性能，采用X射线衍射仪(XRD)和附带能谱的扫描电镜(SEM)表征复合涂层的微观组织和物相组成，利用维氏显微硬度仪测试复合涂层硬度。结果 陶瓷颗粒添加量为9%~33%(以体积分数计)时，涂层硬度随着Al2O3含量的增加，呈先增后减的趋势，而随着ZrO2增加，涂层的硬度呈先减再增的趋势。这主要是因为不同类型陶瓷颗粒的添加使涂层的致密度发生了变化。Ni-Al2O3复合涂层摩擦因数随Al2O3含量增加，呈现先减后增的趋势，涂层磨损机理由粘着磨损向磨粒磨损转变，而Ni-ZrO2复合涂层摩擦因数大致稳定在0.2附近。Ni-Al2O3复合涂层的磨损率随Al2O3含量的增加，呈现先减后增的趋势，而ZrO2含量增加，Ni-ZrO2复合涂层的磨损率则呈现先增后减的趋势。当加入23%Al2O3颗粒时，涂层的耐磨性能明显改善，摩擦因数低至0.149，磨损率为3.18×10^–5 mm³/(N.m)。结论 陶瓷颗粒的加入可有效提高涂层的耐磨性能，但耐磨性能也受添加颗粒尺寸因素的影响。该研究结果为泥浆泵关键部件的修复提供了一定的理论数据支撑。
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  钢球展开轮表面微结构几何参数优化研究

  潘承怡, 童圆栖, 赵彦玲, 李侠, 曹冠群

  表面技术. 2021, 50(7): 212-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.022

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  目的 对钢球展开轮表面凹坑形微结构的几何参数(形状、大小、深度、间距)进行优化，获得增摩降磨(增加摩擦系数、降低磨损量)特性最佳的展开轮表面微结构几何参数匹配，为微结构展开轮的设计和应用提供方法和依据。方法 首先运用Hertz理论对展开轮与钢球的接触面积进行分析，确定微结构几何参数范围，设计正交试验表，并进行摩擦磨损试验;然后，基于Archard理论推导展开轮表面磨损深度计算模型，通过数值模拟获得不同几何参数情况下微结构表面的磨损深度，将仿真结果与试验结果进行对比和验证;最后，以最小磨损量和最大摩擦系数为目标函数，利用基于Pareto思想的遗传算法建立微结构几何参数优化模型，通过求解得到摩擦系数和磨损深度的最佳范围及相应微结构的几何参数匹配。结果 求解得到0.2 s时间内微结构展开轮磨损深度h为5.24×10^–7~5.32×10^–7 mm，摩擦系数μ为0.2600~0.2607，与之对应的20个非劣解中，形状系数c为0.289左右，面积s全部为0.0310 mm²，深度d为97~112 μm，大多数集中在100 μm左右，间距θ在全部间距取值范围内都有分布，其中出现频数最高的为3.59°。结论 微结构几何参数对展开轮表面磨损深度的影响程度顺序为:面积>形状>深度>间距;对摩擦系数的影响程度顺序为:形状>面积>间距>深度。展开轮表面微结构的最佳几何参数匹配:形状为菱形，面积为0.0310 mm²，深度为100 μm左右，间距为3.6°。
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  正弦微沟槽织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响

  杜文鑫, 何霞, 陈文斌, 王国荣, 钟林

  表面技术. 2021, 50(7): 225-232. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.023

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  目的 研究不同工况下正弦沟槽织构对柱塞密封副摩擦性能的影响，以降低压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损。方法 基于压裂泵柱塞密封副几何模型和流体润滑理论，建立了正弦微沟槽织构化柱塞-橡胶密封副动压润滑数值理论模型，通过仿真模拟研究了不同柱塞密封压力、运动速度对正弦织构减磨性能的影响。结果 不同密封压力下，从40 MPa增至140 MPa时，织构化柱塞表面的油膜承载力及其增长率都不断增大，摩擦系数增大，增长率减小，且柱塞运动速度越高，油膜承载力及摩擦系数越大。不同柱塞运动速度下，油膜承载力和柱塞速度成线性增长关系，摩擦系数不断增大，增长率则呈现减小趋势。针对常用的压裂泵工况，柱塞运动速度和密封压力为错峰配合。根据仿真结果可以看出，在柱塞运动速度-密封压力为150 冲次/min-80 MPa工况下，油膜承载力最大，摩擦系数最小，而300 冲次/min-40 MPa工况下的油膜承载力最小，摩擦系数系数最大。结论 正弦沟槽织构能够有效改善柱塞密封副的动压润滑性能，在文中的正弦沟槽织构参数下，随着柱塞密封压力、运动速度的上升，油膜承载力和摩擦系数均呈现增长趋势。
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  基体表面粗糙度对HVOF粒子沉积行为的影响

  查柏林, 贾旭东, 王金金, 石易昂, 苏庆东, 曹晓恬, 许可俊

  表面技术. 2021, 50(7): 233-242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.024

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  目的 研究超音速火焰喷涂时，45^#碳钢基体表面粗糙度对WC-12Co粒子在其表面的沉积变形行为的影响。方法 基于Johnson-Cook塑性材料模型与Thermal Isotropy-Phase-Change热材料模型，采用LS-DYNA进行建模分析。结果 不同45^#碳钢基体表面粗糙度下，WC-12Co粒子的沉积行为存在明显差异，波峰高度与波谷深度的差异造成粒子不同程度的不规则变形。当基体表面粗糙度Ra=10.26 μm时，粒子沉积位置不同将引起粒子最终沉积形貌不同，但粒子的冲击均引起波峰偏移变形，且粒子不同程度地填充弥补波谷。粒子沉积过程中，粒子中下部与粒子先接触基体处的屈服应力、等效塑性应变与温升均高于粒子顶部以及粒子后接触基体处。Ra=0 μm时，粒子等效塑性程度最大，等于2.03，此时粒子温度峰值最高为1562 K，粒子-基体结合界面局部区域屈服应力迅速下降为0，但基体变形程度较低，二者结合面积有限，粒子-基体结合强度较弱。Ra=5.34 μm时，粒子的屈服应力在非理想平面状态下最为稳定，且等效塑性应变与温升幅度最大，分别为1.83以及1496 K。结论 理想表面状态下，粒子屈服应力、等效塑性应变以及温度变化最佳，但粒子-基体结合面积较低，并不利于粒子沉积。非理想表面状态下，一定程度增加Ra，可促进粒子塑性变形，提升粒子温度，增大结合面积，降低粒子屈服应力，但粒子沉积形貌相比理想表面沉积形貌更加多样复杂。此外，过度增加Ra将引起波峰变形偏移，消耗大量粒子动能，粒子主要用于填充弥补波谷，等效塑性变形程度与温升幅度下降，屈服应力增加，不利于粒子沉积。
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  载荷对金属/织构化三元乙丙密封副摩擦学性能的影响

  唐杰, 齐凯, 曾杰, 李玉帅, 曾祥瑞, 鲁鑫

  表面技术. 2021, 50(7): 243-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.025

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  目的 提高三元乙丙/金属动密封的抗磨性能，揭示织构化橡胶在不同载荷下的磨损机理和损伤演变规律。方法 采用激光打标器在三元乙丙橡胶表面加工规则凹坑阵列，与金属小钢球组成摩擦副，并利用UMT-2摩擦磨损试验机进行摩擦实验，研究不同载荷下织构化三元乙丙橡胶试样的摩擦学特性。通过分析摩擦系数和磨损率等获得实验过程的摩擦学信息，再利用场发射扫描电子显微镜和白光干涉三维表面轮廓仪对磨痕和磨屑进行表面微观分析，并对磨损区域进行三维形貌重组。结果 随着载荷的增加，磨损量都有上升趋势，无织构三元乙丙试件的摩擦系数呈下降趋势，织构化表面摩擦系数先减小、后增大。在载荷为35 N时，织构的摩擦学性能最好，相较于无织构试样，其磨损量下降了33.4%，摩擦系数下降了24.2%，表面粗糙度为245 nm;载荷为80 N时，织构的引入会加剧磨损，表面粗糙度达到了1.12×10⁴ nm。通过观察磨损表面和磨屑形貌得出，在中低载荷下，表面织构可以有效减少腐蚀磨损和粘着磨损;在高载荷下，织构的磨损机理变为磨粒磨损。结论 总体而言，在合适的载荷下，织构化处理可以有效地改善三元乙丙的摩擦性能，但高载荷下织构会增大磨损。
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  重熔温度对GCr15轴承钢表面感应重熔镍基涂层微观组织性能的影响

  解芳, 高金杰, 翟长生, 燕松山, 胡瑞, 许春霞

  表面技术. 2021, 50(7): 250-257. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.026

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  目的 获得优化后的感应重熔工艺参数，改善GCr15轴承钢表面感应重熔镍基涂层的微观组织性能。方法 采用高能火焰喷涂法在GCr15轴承钢基体上预制备Ni60A涂层，并且分别在960、1012、1052 ℃重熔温度下对预制备的涂层进行感应重熔，获得3种感应重熔镍基涂层，并通过金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计对其孔隙率、微观组织、显微硬度等进行了对比研究，探讨了重熔温度对感应重熔涂层微观组织性能的影响，并揭示了涂层的形成机制及增强机理。结果 与960、1052 ℃重熔温度制备的感应重熔涂层相比，1012 ℃时制备的重熔涂层更加致密，孔隙率仅为0.27%，缺陷数量明显减少，缺陷尺寸明显减小，硬质相数量显著增多，且Ni元素与Fe元素在界面混合交叉密布，形成了强冶金结合的融合区，有利于提高涂层与基体的界面结合强度。此外，该涂层的表面及界面融合区的平均显微硬度均高于其他两种涂层，且硬度极差较小。结论 合理地控制重熔温度，能够有效改善感应重熔镍基涂层的微观组织性能，以及涂层与基体的界面结合特性，并提高涂层的显微硬度。
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  高压管汇三通冲蚀磨损特性研究

  祝效华, 张覃, 张洋铭, 董亮亮

  表面技术. 2021, 50(7): 258-265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.027

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  目的 研究在页岩气开采过程中，含砂压裂液对高压管汇三通冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法 基于两相流颗粒冲蚀理论建立三通冲蚀数值计算模型，预测三通在使用过程中易发生冲蚀磨损的部位，研究三通方位夹角，压裂液入口流量、固相颗粒体积分数、颗粒直径和压裂液密度对三通冲蚀速率的影响。结果 Y型三通和歧型三通冲蚀最严重的部位均在支管与主管的相贯线上。在控制单因素变量的前提下，随着方位夹角从30°增加到150°时，Y型三通的最大冲蚀速率增大了12.7倍。而随着方位夹角从30°增加到90°时，歧型三通的最大冲蚀速率增大了1.85倍，并且最大值出现在60°附近。随着压裂液入口流量从0.5 m³/min增加到2.5 m³/min，Y型三通的最大冲蚀速率增大了232.5倍;随着压裂液入口流量从1 m³/min增加到4 m³/min，歧型三通的最大冲蚀速率增大了7.5倍。同时随着固相颗粒体积分数从2%增加到10%，粒径从200 μm增加到600 μm，密度从1000 kg/m³增加到1400 kg/m³，Y型三通的最大冲蚀速率分别增大了4.4倍、0.63倍、1.3倍，而歧型三通的最大冲蚀速率分别提高了4.4倍、0.58倍、1.06倍。结论 两种三通的最大冲蚀速率均随着入口流量、固相颗粒体积分数的增加而变大，随粒径的增加而减小。Y型三通的最大冲蚀速率随空间夹角、压裂液密度的增加而变大，但歧型三通的空间夹角为60°时冲蚀最严重，且压裂液密度对其影响较小。
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  钛微弧氧化膜层在不同摩擦工况下的摩擦磨损行为研究

  柴琛, 汪华月, 陈兆祥, 李云玉, 高珊

  表面技术. 2021, 50(7): 266-275, 309. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.028

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  目的 研究钛微弧氧化膜层在不同摩擦工况下的摩擦磨损行为，为该膜层在工业领域中的合理应用提供参考。方法 首先，在铝酸盐电解液中，通过恒压模式制备钛微弧氧化膜层，然后在四种摩擦工况下(干摩擦/GCr15对磨球、干摩擦/Al2O3对磨球、油润滑/GCr15对磨球和油润滑/Al2O3对磨球)，测试微弧氧化膜层的摩擦学性能。通过XRD分析膜层的物相组成，通过SEM、EDS分析不同摩擦工况下磨痕的表面形貌和元素分布，测量膜层的摩擦系数和磨损率，探讨不同工况下钛微弧氧化膜层的摩擦磨损形式和机理。 结果 干摩擦/GCr15对磨球工况下，膜层主要发生磨粒磨损，磨损率为1.4×10^–5 mm³/(N.m);在干摩擦/Al2O3对磨球工况下，膜层迅速失效;在油润滑/GCr15对磨球工况下，膜层仅发生轻微磨损，表面出现疲劳剥落现象，磨损率为5.3×10^–6 mm³/(N.m);在油润滑/Al2O3对磨球工况下，膜层疲劳磨损较严重，磨损率为1.5× 10^–5 mm³/(N.m)。结论 当对磨副材料为硬度较低的金属材料时，钛微弧氧化膜层在干摩擦和油润滑工况下，均表现出良好的耐磨性，但干摩擦工况容易造成对磨副材料的严重磨损;当对磨副材料为高硬度的陶瓷材料时，干摩擦工况下，钛微弧氧化膜层的耐磨性很差，然而通过润滑油可以显著降低膜层的摩擦系数和磨损率。
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  TC4钛合金表面TiAlN/Ti涂层的抗冲蚀性能研究

  李玉琴, 文建中, 孙志平

  表面技术. 2021, 50(7): 276-282, 357. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.029

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  目的 通过明晰TC4钛合金表面不同结构的TiAlN/Ti涂层的冲蚀机制，为提高TC4钛合金的抗冲蚀性能、制备具有良好冲蚀性能的涂层奠定基础。方法 采用磁过滤真空阴极弧(FCVA)与金属蒸汽真空弧(MEVVA)技术，按照一定方式在TC4钛合金表面制备相同厚度不同层数的TiAlN/Ti涂层，采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜、纳米压痕仪，对TiAlN/Ti涂层的微观结构和力学性能进行表征和分析。采用冲蚀试验平台，通过参数的调整来模拟沙尘环境，开展TC4钛合金和TiAlN/Ti涂层的冲蚀试验，计算获得冲蚀率。采用Proto-LXRD应力仪测试分析冲蚀前后TiAlN/Ti涂层的残余应力，利用SEM对涂层的冲蚀形貌进行表征和分析，并探讨涂层冲蚀损伤机理。结果 相比于TC4基体试样，层数为4、8、12层的TiAlN/Ti涂层试件冲蚀后的质量损失分别降低了86.9%、91.3%和94.0%，残余压应力分别增加了34、135、203 MPa。对比冲蚀区表面形貌，当涂层的层数为4层时，冲蚀区涂层脱落明显;当涂层层数为8层时，冲蚀区涂层局部有脱落;当涂层层数为12层时，冲蚀区涂层脱落不明显，对基体的防护较好。结论 MEVVA离子源注入技术显著提高了涂层的致密度和涂层与基体间的结合力。TiAlN/Ti涂层能显著改善试样的表面性能。相同涂层厚度下TiAlN/Ti涂层的层数越多，H³/E²值越大，抗冲蚀性能越优异。
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  高合金表面硬化轴承钢的滚动接触疲劳行为研究

  吴志伟, 杨卯生, 赵昆渝

  表面技术. 2021, 50(7): 283-294, 309. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.030

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  目的 探究高合金表面硬化轴承钢的滚动接触疲劳失效机理，以提高钢的疲劳寿命。方法 在球棒滚动接触疲劳试验机上进行滚动接触疲劳试验，测试试验钢的疲劳寿命，其中，滚动体为GCr15钢，钢棒为高合金表面硬化轴承钢。采用显微硬度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜和Thermo-Calc热力学计算软件等，分析了失效钢棒的渗碳层深度、碳化物类型、碳化物分布，研究钢棒表面磨损行为和滚动接触疲劳的失效类型、裂纹起裂原因、裂纹扩展机理。结果 试验钢棒经表面渗碳处理后，渗碳层深度达到1.6 mm，表面硬度最高为827HV。渗碳层碳化物为M23C6、M7C3、M6C，其中，M23C6主要分布在渗碳层晶界上，M7C3和M6C主要分布在晶体内部。试验钢棒在5 GPa接触应力下循环1.02×10⁹周次后，其滚道深度为9.3 μm，压入量为0.093%。球棒润滑状态为部分膜弹流润滑，随着疲劳周次的增加，表面磨损加剧，磨损类型为疲劳磨损。循环2.76×10⁸周次后，钢棒发生剥落失效，失效类型为渗碳层碳化物引起的表面起裂失效和次表面剪切应力引起的次表面起裂失效。在剥落坑下部，发现白蚀区(white etching area, WEA)，WEA的硬度为684HV，比基体的硬度升高了25.4%。在WEA内，与滚动方向呈一定角度的小裂纹汇聚形成主裂纹，主裂纹穿过渗碳层，终止于距表面1.5 mm处。在距表面560 μm处，发现宽度为610 μm的黑蚀区(dark etching regions, DER)，DER的硬度为612HV，比基体的硬度降低了10.5%。结论 控制渗碳层的碳化物尺寸和形状，可以进一步提高高合金表面硬化轴承钢滚动接触疲劳寿命。
腐蚀与防护
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  热带雨林环境中涂镀层表面的真菌群落研究

  刘倩倩, 卢琳, 肖葵

  表面技术. 2021, 50(7): 295-309. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.031

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  目的 研究热带雨林大气环境中5种常用涂(镀)层钢板表面的菌群分布及其变化规律，并深入讨论真菌对涂镀层材料的破坏作用。方法 对聚酯涂层、氟碳涂层、含铬耐指纹涂层、无铬耐指纹涂层和热镀锌板在内的5种材料，在西双版纳大气试验站进行2年的大气暴晒实验，干季和雨季共进行4次菌种采集。结合传统的培养法和现代分子生物学的方法，鉴定涂镀层材料表面生长的真菌，并对优势菌进行统计学分析。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)研究霉菌对涂镀层材料的腐蚀行为。结果 从投试材料表面共分离纯化了真菌154株。根据ITS rDNA系统发育分析，鉴定为子囊菌门(Ascomycota)的3纲10目37属和担子菌门(Basidiomycota)的3纲6目12属。用统计学法得出，轮层炭菌属(Daldinia)、炭角菌属(Xylaria)、曲霉属(Aspergillus)、篮状菌属(Talaromyces)、弯孢属(Curvularia)、鬼伞属(Coprinellus)、链格孢属(Alternaria)、黑团孢属(Periconia)、拟鬼伞属(Coprinopsis)和皮司霉属(Pithomyces)等在数量、分布和季节上均为优势菌属。结论 以炭角菌属、弯孢属和曲霉属等为代表的真菌生命活动可能与涂层的劣化过程具有较强的相关性，可考虑作为相关材料霉菌实验的添加菌种。
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  粘结层粗糙度对YSZ涂层热震性能的影响

  李国浩, 巴德纯, 倪岩松, 谭帧, 陈红斌, 杜广煜

  表面技术. 2021, 50(7): 310-317, 336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.032

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  目的 提高YSZ涂层的服役寿命。方法 采用火焰喷涂和等离子喷涂的方法，在GH4169高温合金上分别制备NiCoCrAlY粘结层和8YSZ陶瓷层。在制备陶瓷层之前，通过低压喷砂的方法对粘结层表面进行处理，改变粘结层的表面粗糙度。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、3D测量激光显微镜，表征涂层的物相、微观形貌和表面粗糙度。使用马弗炉进行1100 ℃的热震实验，表征YSZ涂层的热震性能。结果 通过喷涂方法制备的粘结层，表面较为粗糙，喷砂处理后，有效地改善了表面情况，表面粗糙度下降了1~3 μm。随着热震实验的进行，陶瓷层和粘结层中间形成的热生长氧化物(TGO)不断增厚。喷砂处理后，涂层的氧化速率降低。热震实验后，涂层边缘处会萌生微裂纹，随着裂纹的累积扩展，最终贯通，形成局部的涂层剥离。失效前后，YSZ没有相变发生。结论 涂层失效多发生在TGO界面处，粘结层的高温氧化引起TGO层生长增厚，会导致涂层的失效。平整的TGO生长界面可以减少接触面，降低粘结层的氧化速率。平整界面可以避免局部起伏造成的TGO过度生长。经过表面喷砂处理改善粘结层粗糙度的涂层，具有更优异的抗热震性能。TGO层的形成和生长，容易导致微裂纹的萌生和扩展。粘结层表面处理后，能够为TGO的形成和生长提供相对平整的界面，有效提高TGO的质量，进而提高涂层的抗热震性能。
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  CF8611/AC531复合材料老化时的电化学行为及与其偶接时7B04铝合金的当量折算系数

  王安东, 魏梓林, 胡建军, 张勇, 卞贵学, 陈跃良

  表面技术. 2021, 50(7): 318-327, 336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.033

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  目的 为掌握航空用CFRP在老化过程中的电化学特性，准确获得CFRP/金属偶对中金属的当量折算系数，方法 以海洋环境为背景，以飞机常用的CF8611/AC531复合材料和7B04铝合金为研究对象，开展了CFRP的加速老化试验及其在不同电解液中的极化试验，并使用光学显微镜、SEM、FTIR等设备，观测其在老化过程中的性能变化。同时，在充分考虑电偶效应腐蚀加速作用的前提下，改进当量折算系数计算方法，基于电偶腐蚀模型获得CFRP/7B04偶对的电偶电流，并计算了相应的折算系数。结果 随着老化的进行，该型CFRP表面环氧树脂逐渐分解，使得碳纤维裸露，阴极性质得到增强。在含Cu²⁺的电解液中极化时，碳纤维裸露区域会形成Cu单质聚集，老化420 h后，裸露面积占比维持在0.9左右，不再增长，即阴极性质达到相对稳定状态，据此获得了CFRP的自腐蚀电流密度与碳纤维裸露面积的关系曲线，并划分了表面活性阴极区和惰性阴极区，明确了其老化机制和阴极反应机制。得到了CFRP/7B04偶对的相关腐蚀参数和改进后的当量折算系数。结论 该型复合材料的阴极性质良好，活性阴极区是其阴极性质的重要来源，在使用时应避免与金属直接接触。在设计结构件的加速腐蚀环境谱时，务必考虑电偶效应，以提高环境谱的精度和适用性。
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  火电机组过/再热器锅炉管内壁铝化物涂层研究(Ⅲ):实炉服役行为

  黄锦阳, 钟强, 黄浩刚, 雷中辉, 王鹏, 张醒兴, 党莹樱, 鲁金涛, 谷月峰

  表面技术. 2021, 50(7): 328-336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.034

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  目的 验证抗蒸汽氧化涂层锅炉管在实机服役环境下的综合性能。方法 将涂层验证管与对比管样(喷丸管、Super304H母材管)焊接在在役超临界锅炉高温段末级过热器同温区管屏，通过实炉运行，研究真实服役环境下各试验管的综合使役性能。结果 实炉服役8600 h后，涂层管表现出了极为优异的抗高温蒸汽氧化性能，管内壁生长约0.3 μm厚的保护性Al2O3膜，参比的喷丸管和母材表面氧化膜厚度分别为0.55 μm和64.31 μm。服役后涂层仍保持双层结构，厚度增加4.5%，平均硬度升高约8.1%，参比的喷丸管样喷丸层部分孪晶消失，细化晶粒合并长大，喷丸层的平均硬度下降21.3%，厚度退化约32%。实炉服役样品650 ℃拉伸试验表明，涂层验证管的强度与母材持平，涂层管与机组过热器管屏焊缝组织稳定，焊缝各区域内未见铝元素扩散污染，焊接头拉伸样品断裂在无涂层一侧。结论 与Super304H母材管和喷丸管相比，涂层管有效提高了管材抗蒸汽氧化能力，内壁氧化膜更薄，生长速率更慢。施加涂层显著提高了管道内表面硬度，对管道服役后的高温力学性能及母材组织无显著影响。施加涂层不影响焊缝组织的稳定性。
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  超支化聚硫醚改性环氧丙烯酸酯光固化涂料的制备及性能研究

  钱佳怡, 李平, 魏玮, 刘晓亚, 李小杰

  表面技术. 2021, 50(7): 337-344. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.035

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  目的 研究超支化聚硫醚的结构对环氧丙烯酸酯复合光固化涂层性能的影响。方法 利用存在明显反应速率差异的巯基-点击化学反应，首先以三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸)酯(TMPMP)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为原料，一锅法合成端巯基超支化聚硫醚(HBP-SH);然后以四氢呋喃丙烯酸酯(THFA)为改性单体，按HBP-SH与THFA物质的量比分别为1∶1、1∶0.9和1∶0.8，一锅法合成端基改性比例分别为100%、90%、80%的超支化聚硫醚(HBP-xTHFA, x=100%, 90%, 80%);最后将HBP-xTHFA加入商业化环氧丙烯酸酯(EA)中，制备超支化聚硫醚改性环氧丙烯酸酯光固化涂层。结果 添加HBP-xTHFA的复合光固化涂层的综合性能均高于纯EA涂层。通过附着力和固化收缩率测试表明，随着超支化聚硫醚末端基团改性比例的增加，涂层的附着力增加，固化收缩率减小。当端基改性比例为100%、添加量为2%时，复合涂层的附着力最好，固化收缩率最小。通过抗冲击和拉伸测试结果表明，添加HBP-xTHFA的复合光固化膜的脆性得到改善。实时红外测试表明，加入HBP-xTHFA的固化膜仍维持较高的双键转化率。结论 一锅法制备的超支化聚硫醚合成步骤简单，加入EA体系能降低固化收缩率，提高附着力并改善涂层的脆性，具有工业化应用前景。
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  丙炔醇改性硫脲基咪唑啉在CO2/H2S共存体系中对X65钢的腐蚀抑制作用

  陆原, 张国欣, 刘保山, 刘言霞, 张妙玮, 赵景茂, 樊保民

  表面技术. 2021, 50(7): 345-350. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.036

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  目的 提高硫脲咪唑啉类缓蚀剂在CO2/H2S共存体系中的缓蚀效果，并揭示缓蚀机理。方法 利用丙炔醇对硫脲基咪唑啉(TAI)进行改性得到双炔丙基甲氧基硫脲基咪唑啉(DPFTAI)，通过动态失重试验、极化曲线测试、交流阻抗测试分析其腐蚀性能。采用Material Studio 7.0软件模拟计算其分子轨道能量、Fukui指数、表面相互作用力和吸附状态、缓蚀剂分子与侵蚀性离子间的相互作用情况等，验证DPFTAI的缓蚀效果。结果 在不含H2S的条件下，TAI和DPFTAI的缓蚀效率均高于93%，当含有2000 mg/L H2S后，DPFTAI的缓蚀效率仍高达91.96%，且比TAI高出18.22%。模拟计算表明，DPFTAI有3个吸附中心，分别为其咪唑啉环上的2个N原子和DPFTAI分子侧链上的S原子，其与铁表面的相互作用能为29.66 kcal/mol，而TAI只有一个吸附中心，为其分子上的S原子，其与铁表面的相互作用能为22.46 kcal/mol;DPFTAI周围的HS^–浓度明显大于TAI周围的HS^–浓度。上述结果说明在CO2/H2S腐蚀体系中，DPFTAI在钢材表面的吸附效果明显优于TAI，因此缓蚀效果更好。结论 通过丙炔醇对TAI进行改性后，缓蚀剂DPFTAI抗CO2/H2S的腐蚀性能明显提高。吸附能力的提升是DPFTAI腐蚀抑制性能提高的主要原因。
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  硫酸溶液中2-巯基苯并噻唑与氯离子的协同缓蚀作用

  刘冬梅, 杨康, 石鑫, 魏晓静, 高多龙, 闻小虎

  表面技术. 2021, 50(7): 351-357. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.037

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  目的 提高缓蚀剂在酸溶液中的缓蚀性能。方法 构建含有2-巯基苯并噻唑(MBT)以及不同浓度Cl^–的Fe表面溶液模型，并进行分子动力学计算。观察缓蚀剂分子在Fe表面的吸附构型，考察不同Cl^–值下缓蚀剂膜的致密化行为。提取缓蚀剂分子的均方位移(MSD)曲线，评价缓蚀剂膜的稳定性。计算水分子的密度分布和扩散系数，考察不同Cl^–值下MBT缓蚀剂膜的驱水能力和水分子的迁移能力。结果 当Cl^–值从0增加到25时，MBT膜的厚度(0.42~1.51 nm)和致密度(占有面积0.33~1.31 nm²)增加，缓蚀剂分子的自扩散系数减小(从1.25×10^–9 m²/s到接近0)，水分子的吸附峰强度(相对密度为72.3~33.9 nm^–3)和扩散系数(1.495×10^–9~0.627×10^–9 m²/s)降低。当Cl^–值从25增加到36时，则出现了相反的趋势。结论 缓蚀剂分子与Cl^–之间存在协同作用，适当浓度的KCl可以提高MBT缓蚀剂在H2SO4溶液中的缓蚀性能。Cl^–值为25时，MBT缓蚀效率最高。
精密与超精密加工
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  滚抛磨块物理性能及其对7075铝合金滚磨光整加工的影响

  王嘉明, 石慧婷, 高志森, 李秀红, 李文辉

  表面技术. 2021, 50(7): 358-366. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.038

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  目的 探索不同材质滚抛磨块的物理性能，及其对7075铝合金滚磨光整加工效果的影响。方法 相同条件下，使用不同材质滚抛磨块对7075铝合金试件进行滚磨光整加工实验和摩擦磨损实验，测试铝合金试件加工前后的粗糙度和材料去除量。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)，表征加工前后试件表面和磨痕形貌及元素成分的变化。结果 加工初始表面粗糙度Ra为1.200 μm的铝合金试件，棕刚玉磨块的加工效率最高，加工极限Ra最低为0.262 μm，对试件的材料去除量最大，呈递增趋势。白陶瓷磨块加工后，试件表面光亮度最好，氧化铝加工次之，棕刚玉加工最差。氧化铝磨块加工后，试件表面出现Fe元素堆积，棕刚玉磨块加工后，试件表面存在凹坑缺陷，凹坑内C、O元素质量分数分别达到了20.85%和41.86%。结论 加工初始表面较粗糙的铝合金试件，白陶瓷磨块加工效率及加工极限适中，加工后，试件表面无缺陷，表面光亮度最好。颗粒强度较小的滚抛磨块自锐性较好，加工效率高，但其表面致密性较差，磨耗大，不仅使得磨块利用率低，并且更易与试件表面发生吸附和氧化作用，在试件表面形成杂质颗粒和金属氧化物，降低试件表面光亮度。
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  磁性剪切增稠光整介质的制备与加工特性研究

  周强, 田业冰, 范增华, 钱乘, 孙志光

  表面技术. 2021, 50(7): 367-375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.039

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  目的 解决Ti-6Al-4V器件的纳米级表面光整效率低的问题。方法 开发了一种磁性剪切增稠光整介质，利用设计的磁场发生装置，在主轴转速100 r/min、工作间隙0.5 mm的加工参数下，探究不同磨料粒径和磨料质量分数的光整介质对表面粗糙度的影响。结果 当磨料的质量分数为45%时，在碳化硅粒径为80 μm、羰基铁粉粒径为150 μm条件下，工件表面粗糙度值由初始的173 nm下降到92 nm;在碳化硅粒径为30 μm、羰基铁粉粒径为50 μm条件下，工件表面粗糙度值由初始的170 nm下降到79 nm;在碳化硅粒径为4 μm、羰基铁粉粒径为5 μm条件下，加工效果最优，Ti-6Al-4V工件的表面粗糙度由初始的169 nm下降到61 nm，表面粗糙度降低了64%。结论 在磨料粒径相同的条件下，随着磨料质量分数的提高，加工效率增加;在磨料质量分数相同的条件下，磨料粒径越小，获取的表面粗糙度值越小。通过金相显微镜和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察发现，工件表面的划痕显著减少，验证了所研制介质的有效性。
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  石英玻璃固结磨料研磨工艺参数响应面模型的研究

  王占奎, 杨亚坤, 逄明华, 李勇峰, 马利杰, 姚建国, 朱永伟, 苏建修

  表面技术. 2021, 50(7): 376-385. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.040

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  目的 通过优化工艺参数，充分挖掘固结磨料研磨加工的优势。方法 采用固结磨料研抛垫对石英玻璃进行研磨，以材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)为评价指标，采用3因素3水平的响应曲面法，探索工件转速、研磨压力、研磨液流速三个工艺参数对固结磨料垫加工特性的影响规律。建立三个工艺参数作用下的MRR模型和Ra模型，结合响应曲面及其等高线，获得工艺参数变量两两复合的影响规律和各目标下的最优工艺参数。最后，对最优工艺参数进行实验验证。结果 实验结果及其分析表明，以最大材料去除率为目标的最佳工艺参数为:转速90 r/min，压力20.685 kPa，研磨液流速60 mL/min。以最小表面粗糙度为目标的最佳工艺参数为:转速100 r/min，压力20.685 kPa，研磨液流速80 mL/min。最优工艺的加工性能预测值为34.5 nm/min和38.5 nm，验证实验结果为37.6 nm/min和39.4 nm，二者的误差值在合理范围内。结论 研抛工艺参数的响应面模型具有良好的预测能力，预测误差很小，最优工艺参数下，工件表面平整光滑，没有明显的凹坑和粗大划痕。
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  扫描电子束微熔抛光临界功率密度规律及实验研究

  李新凯, 王荣, 王启超, 董玉健

  表面技术. 2021, 50(7): 386-393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.041

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  目的 明确扫描电子束改善45钢表面粗糙度工艺方法以及电子束抛光工艺参数的内在联系。方法 以热轧空冷45钢为研究对象，通过设定可编程数字信号发生器的参数，实现扫描电子束环状下束的方式，对45钢试样进行微熔抛光处理，搭建45钢表面微熔状态下电子束功率与熔化所需功率密度的临界平衡关系，并采用数值模拟的方法，研究不同工艺参数下试样温度场的变化规律。结果 45钢微熔状态下，电子束束流与工件移动速度呈非线性关系。当电子束束流为9.36 mA，工件移动速度为11 mm/s时，45钢表面原始铣削划痕完全消失，且光洁度良好，表面粗糙度由2.0 μm降至0.43 μm，降低幅度约为78.5%。部分参数下，表面会出现熔坑、褶皱现象。这是因为单个扫描周期过长，能量积累，导致表层过度熔融。4#试样经电子束处理后，铣削划痕仍旧可见，这是因为单个扫描周期仅为3.6 s，表层能量流失过快，导致熔融不全的现象。结论 扫描电子束处理45钢表面，可显著降低试样表面粗糙度。通过调节工艺参数，可控制电子能量密度和散热速率，减少熔坑、褶皱的出现。