2022年, 第51卷, 第1期　
刊出日期：2022-01-20

  

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特邀综述
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  耐空蚀涂层及其研究进展

  李雪寒, 李家乐, 秦真波, 吴忠, 胡文彬

  表面技术. 2022, 51(1): 1-15, 42. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.001

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  螺旋桨、水轮机和水泵等过流部件在高速运转过程中会因空泡腐蚀而损坏，严重时会造成部件提前失效，引发安全事故。所谓空泡腐蚀，是指过流部件附近液体因局部压力下降而引起气泡的形核与长大，当气泡流向高压区时发生溃灭，所产生微射流与冲击波对部件表面造成损伤。目前，在表面制备防护性涂层是部件抵御空蚀损伤较为经济且行之有效的方法。总结了多种国内外用于空蚀防护的涂层材料，并根据抗空蚀原理将其分为两种，一是为通过自身较高的硬度来抵御空泡冲击的高硬度涂层，如大多数的金属、陶瓷材料以及基体的直接硬化改性处理。其中金属涂层及表面硬化改性处理会在抗空蚀领域广泛应用，但仍需要解决腐蚀对空蚀的加剧作用;至于金属陶瓷涂层，热喷涂工艺下的颗粒难以完全熔化，制备的涂层呈现较高的孔隙率，且由于陶瓷颗粒与金属非冶金结合，因此在空蚀的作用下容易剥落。改善金属陶瓷涂层的硬度与韧性，增强涂层与基体间的结合力，降低涂层的孔隙率是未来的研究方向。另外一种是具有良好韧塑性的高弹性涂层，通过吸收空蚀冲击波与微射流的机械冲击能量来延长空蚀孕育期，降低空蚀破坏，如形状记忆合金和聚合物有机涂层。其中有机涂层极大地降低了腐蚀的作用，是未来抗空蚀涂层的研究热点。然而，有机涂层的耐磨蚀性能较差，与金属基体的结合力也较低，在空泡机械力的频繁击打下容易脱落，成为限制该涂层应用的一大障碍。同时，结合作者近年来在空蚀表面防护领域所做的工作，文章对每种耐空蚀涂层的特点、性能、应用现状及损伤机制进行了举例说明，分析了各自的优缺点。最后，展望了耐空蚀涂层的发展趋势，指出高强韧的金属涂层依旧是现阶段实际工程中空蚀防护的主要涂层，高弹性的有机涂层是涂层的研发方向，但需解决与工件表面结合力低的问题。
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  冶金严苛服役环境中热喷涂技术的应用现状及展望

  杨康, 陈诚, 徐国正, 张世宏

  表面技术. 2022, 51(1): 16-32. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.002

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  以超音速火焰喷涂、大功率等离子喷涂等为代表的先进热喷涂技术，已成为冶金行业关键装备及部件在严苛服役环境下实现高温耐磨、耐腐蚀、抗结瘤、隔热等多功能化的关键技术。概述了不同热喷涂技术的基本原理及涂层特性，进而详细论述热喷涂技术在服役于严苛环境中的冶金关键设备(如连铸结晶器铜板、热镀锌铝锅组件及高温炉辊等)上的研究现状及应用情况。针对熔融金属、内外大温差环境中连铸结晶器铜板表面修复强化，热喷涂技术具有取代传统电镀技术的潜力，所制备热喷涂层具有优异的热导率、耐腐蚀性、耐磨损性等，其中WC-Co系列和NiCr-Cr3C2系列是最具代表性的两种涂层材料。针对熔融金属环境中热镀锌铝锅组件表面防护，热喷涂技术可以取代传统的表面涂覆及表面渗镀技术，制备出具有高结合强度的高性能涂层，有效提高耐液锌腐蚀性能，涂层材料体系主要有陶瓷及金属陶瓷材料。针对高载荷、高温度环境中高温炉辊表面热喷涂防护，低温段常用涂层为WC-Co，中温段常用涂层为Cr3C2-NiCr，高温段常用涂层为陶瓷、金属陶瓷以及金属陶瓷+稀土氧化物涂层等。最后，展望了热喷涂技术在冶金领域的发展方向，以期推动热喷涂技术在冶金领域的更深入、广泛应用。
摩擦磨损与润滑
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  (WC+SiCw)/Cu-Al2O3复合材料载流摩擦磨损行为

  林焕然, 国秀花, 宋克兴, 苏娟华, 李韶林, 冯江

  表面技术. 2022, 51(1): 33-42. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.003

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  目的 研究相同载流条件下纳米Al2O3颗粒、微米WC颗粒和SiC晶须对(WC+SiCw)/Cu-Al2O3复合材料表面摩擦磨损性能的影响。方法 采用粉末冶金法和内氧化法相结合的方式，制备了(WC+SiCw)/Cu-Al2O3复合材料，并利用HST-100高速载流摩擦试验机进行载流摩擦磨损性能测试。采用透射电镜和扫描电镜观察复合材料的显微组织和载流摩擦磨损表面形貌。研究不同的增强相对(WC+SiCw)/Cu-Al2O3复合材料磨损性能的影响，分析其磨损机理。采用AUTOGRAPH AG-I 250 kN拉伸设备对试样进行拉伸，并分析抗拉强度与磨损性能的变化关系。结果 (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3复合材料的硬度和极限抗拉强度相较于Cu-Al2O3复合材料分别提高了20.2%和12.7%。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3复合材料的摩擦系数最小，为0.33，相对Cu-Al2O3复合材料降低了42.1%。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3复合材料表面磨损形貌最为光滑，无大面积电弧烧蚀现象，犁沟数量少且浅。结论 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3复合材料的磨损机理主要是粘着磨损、磨粒磨损和电弧烧蚀;纳米级Al2O3颗粒、微米级WC颗粒和SiC晶须三者协同强化铜基体，提高了复合材料的强度和硬度，从而降低了铜基复合材料的摩擦系数和磨损率。WC颗粒和SiC晶须采用合适质量配比时，可以有效地改善Cu-Al2O3复合材料的磨损情况。
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  平行滑块表面不同形状复合型织构的润滑性能研究

  胡宇, 王优强, 菅光霄, 左名玉, 房玉鑫, 莫君

  表面技术. 2022, 51(1): 43-51. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.004

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  目的 研究具有仿生硅藻结构的复合型织构对滑动轴承润滑性能的影响。方法 采用流固耦合的方法，对具有复合型织构的单元模型进行研究，依照硅藻的多孔结构，设计出矩形-半球型、矩形-椭球型、圆柱-半球型及圆柱-椭球型等4种类型的织构，建立这几种复合型织构的单个单元模型。在不同面积率和织构深度条件下，分析不同织构类型对滑动表面摩擦润滑性能的影响。结果 在考虑摩擦性能与承载力的条件下，矩形-半球型和矩形-椭球型织构的最佳面积率为25%，最佳深度分别为0.9 mm和1.1 mm;圆柱-半球型和圆柱-椭球型织构的最佳面积率分别为35%和25%，最佳织构深度分别为1.1 mm和0.9 mm。在不同织构深度条件下，随着复合织构面积率的变化，圆柱-半球型的承载力和摩擦学性能最好，圆柱-椭球型次之，而矩形-半球型和矩形-椭球型复合织构的承载力和摩擦学性能的变化几乎相同。结论 复合型织构的最佳面积率和最佳深度与织构形状有关，在相同面积率和深度的条件下，最佳的复合型织构形状为圆柱-半球型织构。
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  超声冲击对65Mn钢渗铬层摩擦磨损性能的影响

  王志明, 李庆达, 汪昊, 王宏立, 胡军, 赵胜雪

  表面技术. 2022, 51(1): 52-59, 85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.005

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  目的 提高65Mn钢的固体粉末渗铬层厚度和耐磨性能。方法 对65Mn钢进行超声冲击(UI)和固体粉末渗铬(SPC)相结合的复合工艺处理。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)，研究UI+SPC复合工艺处理后65Mn渗铬层的物相结构、厚度及元素分布。通过显微维氏硬度计、摩擦磨损试验机研究渗铬层的显微硬度和摩擦磨损性能。结果 SPC处理试样的渗层厚度约为45 μm，UI+SPC复合工艺处理试样的渗层厚度约为58 μm，相比SPC试样，渗层厚度提高了13 μm。渗铬层表面均匀致密，主要相组成为(Cr,Fe)23C6、(Cr,Fe)7C6、Cr2C。UI+SPC试样渗层表面硬度达1659HV，约为基体表面硬度的6倍，且硬度从表面至心部呈梯度下降。UI+SPC试样表面渗铬层具有较好的耐磨性能，平均摩擦系数为0.170，磨损量约为基材的1/4，其主要磨损机理为粘着磨损和氧化磨损，伴随着磨粒磨损。结论 UI可有效提高SPC工艺的Cr原子扩散性能，提高渗铬层厚度。相比于单一的SPC处理试样，UI+SPC复合工艺处理试样渗铬层的耐磨性显著提高。UI处理的加入，使SPC试样的磨损机理由“磨粒+粘着”转化为“粘着、氧化+磨粒”。
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  陶瓷-金属多层涂层不同温度循环冲击损伤特征与演化规律

  汪世广, 何卫锋, 黄达, 李才智, 蔡振兵, 王学德, 张一豪

  表面技术. 2022, 51(1): 60-68. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.006

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  目的 探讨环境温度对陶瓷-金属多层涂层冲击损伤的影响，获得不同温度条件下涂层的冲击损伤特征，揭示陶瓷-金属涂层在温度与循环冲击共同作用下的失效机理，为多层涂层的设计和使用提供参考。方法 首先使用可调温度的速度控制型单颗粒循环冲击设备，对陶瓷-金属多层涂层在不同温度(35、200、350、500 ℃)下进行垂直冲击试验。采用白光干涉仪、光学显微镜和扫描电镜观察冲击坑的形貌和微观结构，结合不同温度时涂层纳米硬度和弹性模量来分析其损伤机理。结果 温度较低(35、200 ℃)时，圆周裂纹是涂层的主要损伤形式，涂层冲击坑深度在达到稳定后增长缓慢;温度较高(350、500 ℃)时，涂层损伤特征由圆周裂纹向径向裂纹和剥落转化，冲击坑深度的增长速度较快。当温度从35 ℃提高到500 ℃时，涂层纳米硬度从31.22 GPa下降到11.18 GPa，H³/E²从38.38×10^?2 GPa下降到2.85×10^?2 GPa，涂层的峰值冲击力和能量吸收率分别从167.8 N和72.44%增长到184.6 N和82.37%，加剧涂层的损伤，使涂层冲击坑深度从4.74 μm增长到11.58 μm。结论 陶瓷-金属多层涂层的冲击损伤特征和性能受温度影响，温度升高使得涂层的纳米硬度和韧性H³/E²同时降低，循环冲击条件下的峰值冲击力和能量吸收率均增大，相同循环次数时，将增大涂层的冲击损伤深度。
腐蚀与防护
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  多界面CrN/CrAlN涂层在海水环境中的腐蚀磨损性能研究

  李文生, 孙绪伟, 王永欣, 李金龙, 王春婷, 隋永枫, 蓝吉兵

  表面技术. 2022, 51(1): 69-78. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.007

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  目的 通过多界面结构CrN/CrAlN涂层来提高316不锈钢在海水中的耐腐蚀磨损性能。方法 采用多弧离子镀技术在316不锈钢基底表面制备CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备表征涂层的微观结构和相组成;借助纳米压痕仪及划痕仪分别测试涂层的硬度和结合强度;通过往复式摩擦磨损试验机及电化学工作站，实时记录涂层在人工海水环境下摩擦系数和电化学信号的连续变化，并采用扫描电子显微镜对磨痕形貌进行分析，评价CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层在人工海水环境中的腐蚀磨损特性。结果 CrN/CrAlN多层涂层结构致密，层间界面清晰，厚度大约在4.12 μm，力学性能优异，其硬度高达37.65 GPa。在海水环境中，摩擦系数随外加电位增加而降低，且当外加电位为0.2 V时，最低摩擦系数在0.29左右。而多层涂层损失量变化规律与之相反，当外加电位为–0.6 V时，其具有最低损失量，大约为0.000 86 mm³。相比CrAlN单层涂层，CrN/CrAlN多层涂层的腐蚀电流密度降低，损失量显著减小。结论 CrN/CrAlN多层涂层具有致密的多界面结构，在海水环境中的耐腐蚀磨损性能更为优异。主要失效机制为磨粒磨损、塑性变形和腐蚀磨损。
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  超临界二氧化碳环境中低合金钢T24耐腐蚀性能研究

  王硕, 车鹏程, 程义, 谢敏, 梁奎, 刘光奎

  表面技术. 2022, 51(1): 79-85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.008

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  目的 获得低合金钢T24在550、600 ℃，25 MPa超临界二氧化碳环境中的抗腐蚀性能，为超临界二氧化碳环境中的锅炉选材提供基础数据。方法 使用静态反应釜开展T24在超临界二氧化碳环境中的腐蚀实验。利用精度为0.01 mg电子天平对实验前后的试样进行称量，利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、辉光放电发射光谱仪(GD-OES)，对T24的氧化膜表面形貌、横截面形貌、物相以及氧化膜中元素成分分布进行表征。结果 根据腐蚀增重曲线可知，550 ℃和600 ℃所对应的时间指数分别为0.45和0.43，表明腐蚀过程受到离子扩散控制。氧化膜表面主要由颗粒状氧化物组成，随着温度和时间的增大，这些颗粒状氧化物的尺寸逐渐增大，并且600 ℃环境下氧化膜表面形成裂纹。氧化膜为典型的双层结构，外层主要为Fe3O4，内层主要由Fe-Cr尖晶石组成。氧化膜外表面、Fe-Cr氧化膜内以及内层/基体之间存在元素C的富集。随着环境温度以及时间的增加，内层与基体之间的碳化层厚度逐渐增大。结论 温度的增加会加快T24的腐蚀速率以及碳化物层的厚度，大大降低其抗腐蚀性能，并使氧化膜易产生开裂或脱落。
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  纳米TiO2颗粒对Ni-W-P合金镀层性能的影响

  王小红, 刘豪, 蒋焰罡, 李子硕, 苏鹏, 龙武, 王水波

  表面技术. 2022, 51(1): 86-92, 104. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.009

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  目的 探究纳米TiO2颗粒对Ni-W-P镀层组织结构、耐蚀性与耐磨性能的影响，提高2024铝合金管材的耐蚀性。方法 使用化学镀的方法在2024铝合金表面制备了Ni-W-P/TiO2纳米复合镀层，通过SEM、EDS、XRD表征了镀层的表面形貌、表面元素分布以及镀层物相。对比了传统Ni-W-P镀层与所制备Ni-W-P/TiO2纳米复合镀层的显微硬度与耐磨性。结果 加入纳米TiO2颗粒后，镀层表面变得更加致密，晶粒得到细化。EDS结果表明，纳米TiO2颗粒在镀层中分布均匀。物相分析表明，镀层为晶态结构，加入纳米TiO2颗粒后，镀层平均晶粒尺寸为9.706 nm，比Ni-W-P镀层的晶粒尺寸减小了0.612 nm。失重试验表明，Ni-W-P/TiO2纳米复合镀层在Cl^–为2×10⁵ mg/L的地层水中具有较强的耐蚀性，腐蚀速率为0.1062 g/(m²?h)，与Ni-W-P镀层的腐蚀速率相比，减少了21%;与Ni镀层的腐蚀速率相比，减少了31%;与2024铝合金的腐蚀速率相比，下降了69%。电化学测试结果表明，Ni-W-P/TiO2纳米复合镀层的自腐蚀电位较Ni-W-P镀层、Ni镀层以及2024铝合金分别正移了0.0813、0.1668、0.4141 V，腐蚀倾向更低。与Ni镀层、Ni-W-P镀层相比，Ni-W-P/TiO2纳米复合镀层具有最高的显微硬度(535.6HV)以及耐磨性(0.1942 mg/min)。结论 纳米TiO2颗粒的加入可以减小镀层的晶粒尺寸，使镀层表面更加致密，同时提高镀层的硬度，增强镀层的耐蚀性与耐磨性。
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  不锈钢表面聚苯胺基复合涂层的制备与防腐蚀性能研究

  曾皓, 林冰, 张寒露, 张海兵, 唐鋆磊, 王莹莹, 杨庆

  表面技术. 2022, 51(1): 93-104. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.010

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  目的 制备一种新型复合防腐涂层，增强316L不锈钢在中高温硫酸溶液中的耐蚀性。方法 首先使用化学氧化法在石墨(G)颗粒表面原位聚合聚苯胺(PANI)，制得PANI/G复合材料，再使用环氧树脂(EP)作为粘结剂，制备PANI/G/EP复合涂层。对比了PANI/G/EP复合涂层与PANI/EP复合涂层及添加氧化石墨烯(GO)制备的PANI/GO/EP复合涂层的电化学性能、附着力、导电性以及对应复合材料的导电性，同时探究了石墨与聚苯胺比例对PANI/G/EP复合涂层电化学性能的影响。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线能谱(EDS)等手段对PANI/G复合材料与PANI/G/EP复合涂层的化学键合与微观结构进行表征，使用划痕浸泡试验对比探究了PANI/EP复合涂层与PANI/G/EP复合涂层在产生微小缺陷时对不锈钢的保护效果。最后，根据实验结果对PANI/G/EP复合涂层的保护机理进行了探讨。结果 对比实验显示，PANI/G复合材料以及PANI/G/EP复合涂层的电导率均为最高(分别为1.66 S/cm和8.93×10^?3 S/cm)，且PANI/G/EP复合涂层试样的附着力最好(约5.23 MPa)，电化学性能最佳。在50 ℃与60 ℃的1 mol/L硫酸溶液中，PANI/G/EP复合涂层的自腐蚀电位相对不锈钢分别提高了580 mV与470 mV，进入了不锈钢的稳定钝化区，且阳极极化曲线的电流密度显著下降。电化学交流阻抗测试表明，涂覆涂层后，试样阻抗显著增大。对PANI/G复合材料中石墨用量的探究表明，当G∶PANI=2∶100时，涂层的防腐蚀性能最佳。划痕浸泡试验表明，浸泡于50 ℃的1 mol/L硫酸溶液中一周后，PANI/G/EP复合涂层试样缺陷处的暴露基体几乎没有发生腐蚀。结论 石墨(G)能有效提高复合涂层的导电性，强化阳极保护效果。在中温硫酸溶液中，PANI/G/EP复合涂层能同时提供物理屏蔽作用以及显著增强的阳极保护作用，对不锈钢具有优秀的腐蚀防护能力。
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  氮氩比对模具钢表面镀CrAlN薄膜形貌和性能的影响

  付泽钰, 王天国

  表面技术. 2022, 51(1): 105-112. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.011

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  目的 提高H13模具钢的表面性能，延长模具使用寿命。方法 采用多弧离子镀技术，以氮气作为反应气体，通过改变氮气流量的方法制备出不同原子含量的CrAlN薄膜，研究氮氩比对CrAlN薄膜表面形貌、组织结构、硬度、结合力、抗高温氧化性及耐腐蚀性的影响。结果 随着氮氩比增加，CrAlN薄膜表面大颗粒数量减少，大颗粒尺寸变小，薄膜表面逐渐均匀致密，孔隙率降低，表面粗糙度下降。CrN(200)衍射峰逐渐增强，六方相AlN(101)逐渐消失，硬度、结合力、抗高温氧化性及耐腐蚀性先升高、后降低。在氮氩比为8∶2时，CrAlN薄膜性能最优，硬度达到最大值，为2400HV，膜基结合力达到最大值，约29 N，抗高温氧化性能及耐腐蚀性能达到最佳。结论 通过多弧离子镀技术在H13模具钢表面制备CrAlN薄膜，可以提高其表面性能，延长使用寿命。当氮氩比为8∶2时，在H13模具钢表面制备出的CrAlN薄膜性能最佳。
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  老化时间对AZ31B镁合金铁氰化钾转化膜耐蚀性的影响

  马琳梦, 邹忠利, 许满足, 刘坤

  表面技术. 2022, 51(1): 113-120, 191. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.012

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  目的 在镁合金表面制备一种新型的化学转化膜，以提高其耐蚀性。方法 通过化学浸渍法，以铁氰化钾作为成膜主盐，在镁合金表面制备一层耐蚀性较好的化学转化膜，主要探究老化时间对AZ31B镁合金铁氰化钾转化膜耐蚀性的影响。利用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS)对膜层表面形貌及组成进行分析表征，利用电化学方法和析氢实验研究转化膜的耐蚀性能，利用浸泡实验探究膜层的寿命。结果 镁合金基体表面生成了一层具有较少裂纹的膜层，膜层厚度约为 20 μm。XPS、XRD及EDS结果表明，膜层主要成分为Fe4[Fe(CN)6]3。动电位测试结果显示，老化12 h的膜层耐蚀性最佳，相比于未经处理的镁合金试样，其自腐蚀电位正移了约1000 mV，自腐蚀电流密度下降了约3个数量级。电化学交流阻抗结果显示，老化时间为12 h的电荷转移电阻(Rct)最大，为41 380 Ω.cm²，相比于其他老化时间的试样有了显著的提升。析氢实验结果也证明，老化12 h的铁氰化钾转化膜明显提高了AZ31B镁合金的耐蚀性。结论 铁氰化钾化学转化膜可以提高镁合金的耐腐蚀性能，并且最佳老化时间为12 h，其使用寿命至少可以维持48 h。
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  HCl介质中二苯乙酮咪唑啉季铵盐对碳钢的缓蚀行为及机制

  李文涛, 吴浩, 王璇, 苑旭雯, 曹扬, 杨怀玉

  表面技术. 2022, 51(1): 121-130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.013

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  目的 合成一种二苯乙酮咪唑啉季铵盐(PPLB)化合物，研究其在0.5 mol/L HCl溶液中对Q235钢的缓蚀性能，探讨其吸附动力学过程及可能的缓蚀机制。方法 以有机胺、硬脂酸、苯乙酮和氯化苄等为原料，经脱水环化、曼尼希反应和季铵化制备季铵盐。通过腐蚀失重、动电位极化曲线测试、电化学阻抗和表面形貌分析等手段，研究了二苯乙酮咪唑啉季铵盐在HCl介质中对Q235钢的缓蚀性能。结果 HCl溶液中PPLB对碳钢具有优异的缓蚀性能，缓蚀效率随浓度和介质温度的升高而增加。在353 K下，PPLB添加量为4.8×10^–4 mol/L时，缓蚀效率可达98.9%，表明缓蚀剂在高温酸性介质中仍可有效抑制碳钢的腐蚀。电化学研究结果证明，PPLB可同时降低阴阳极的腐蚀电流密度，即抑制了腐蚀的阴阳极过程，是一种通过“几何覆盖效应”起作用的混合型缓蚀剂，其在碳钢表面的吸附遵循Langmuir吸附等温规律，为典型的化学吸附。结论 合成的二苯乙酮咪唑啉季铵盐化合物是一种优异的酸性介质缓蚀剂，独特的分子结构使其通过多中心化学吸附在碳钢表面生成保护性吸附膜，从而有效抑制了HCl对碳钢的腐蚀。
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  12Cr1MoV焊接接头在碱性溶液中的应力腐蚀开裂行为

  江宽, 周友龙, 李厚一, 陈勇, 刘阳

  表面技术. 2022, 51(1): 131-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.014

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  目的 研究12Cr1MoV焊接接头在NaOH溶液中的应力腐蚀裂纹扩展行为及机理。方法 采用三点弯加载的方法，对不同初始应力强度因子(40、50、60 MPa.mm^1/2)条件下的12Cr1MoV焊接接头在NaOH溶液(80 ℃、质量分数为20%)中的应力腐蚀裂纹扩展行为进行研究，使用SEM和电子背散射衍射(EBSD)等方法，分析应力腐蚀裂纹扩展路径和断口形貌。结果 接头应力腐蚀裂纹扩展速率随着初始应力强度因子的增大而增大，最高达到11.189′10^–7 mm/s，但增大的趋势逐渐减缓。应力腐蚀裂纹呈树枝状扩展，且应力强度因子越大，主裂纹出现分支越早，裂纹扩展越宽。主裂纹在扩展过程中也产生了部分不连续的裂纹和与其在局部扩展方向一致的“跳跃”微裂纹。应力强度因子较高时，裂纹的断口呈冰糖状形貌，为沿晶裂纹，在较低应力强度因子(KI = 40 MPa.mm^1/2)条件下，裂纹断口表现出以沿晶为主、穿晶为辅的混合断裂模式。结论 随着初始应力强度因子的增大，应力腐蚀裂纹扩展速率提高，主裂纹出现分支越早，裂纹扩展越宽。焊缝应力腐蚀裂纹沿着原始奥氏体晶界，在阳极溶解和氢致裂纹的共同作用下进行扩展，其中以阳极溶解为主。
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  电火花沉积钨涂层的温度场和残余应力有限元模拟

  陈海涛, 张晶, 丛大龙, 张敏, 宋凯强, 李忠盛, 谢兰川

  表面技术. 2022, 51(1): 140-149. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.015

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  目的 通过模拟钢基体表面电火花沉积钨涂层过程中的熔池区域温度场变化及其残余应力分布，以便更好地理解电火花沉积钨涂层的工艺过程，得到钨涂层成膜过程中的温度场分布和残余应力形成机制。方法 采用电极低速旋转与上下点动相结合的电火花沉积工艺，由点到线、再到面的沉积顺序，在钢基体表面均匀制备抗烧蚀钨涂层。同时，采用ANSYS仿真软件对该工艺制备的钨涂层的温度场和残余应力进行模拟与仿真。结果 采用高斯热源模型较好地模拟出了电火花沉积钨涂层过程中熔池区域的温度场分布，并在此基础上，将温度场分布数据作为应力分析的载荷，导入到力学分析模型中，实现了温度场与应力场的耦合计算，得到了钨涂层沉积过程中熔池区域的应力变化状态和凝固后的残余应力大小。结论 随着电火花沉积功率的增大，熔池直径和深度均会增加，熔池峰值温度增高，电火花沉积钨涂层的残余应力增大。单排钨涂层沉积过程中，除第一个熔池外，其余熔池都会受到前一个熔池的影响，相对于单点钨涂层，残余应力明显减小。多排熔池群形成的钨涂层残余应力大小主要与沉积速率有关，沉积速率越快，钨涂层的残余应力越大。
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  氧化铝复合陶瓷涂层电绝缘处理对10CrNiCu-B10电偶对腐蚀行为的影响

  胡裕龙, 艾建阳, 卜世超

  表面技术. 2022, 51(1): 150-160. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.016

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  目的 采用等离子喷涂在铜合金B10表面制备了3种配比的Al2O3-TiO2复合陶瓷涂层，以研究复合陶瓷涂层电绝缘处理对10CrNiCu-B10电偶对腐蚀行为的影响。方法 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等对复合涂层进行了表征分析，将不同Al2O3/TiO2配比的复合陶瓷涂层串联在B10与10CrNiCu钢之间，组成电偶对，将电偶对及对比试样浸泡在3.5%NaCl溶液中，测定了电偶对和对比试样中10CrNiCu钢的失重、电位、电化学阻抗谱。结果 复合涂层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3两种相组成，其中主要相为γ-Al2O3，TiO2与Al2O3形成钛酸铝。陶瓷涂层的电绝缘作用有效抑制了10CrNiCu-B10之间的电偶电池作用，但还没有达到完全电绝缘的效果，仍存在一定的电偶电池作用。增加TiO2的加入量，可降低复合陶瓷涂层的孔隙率，但也降低了涂层的电阻，降低了电绝缘作用，增大了电偶对中10CrNiCu钢的腐蚀速率。结论 电阻是影响氧化铝复合陶瓷涂层电绝缘作用的主要因素，复合涂层电阻值大于10 kΩ时，仍可发生明显的电偶腐蚀。复合陶瓷涂层绝缘性能的降低与Al2TiO5的影响有关。孔隙率对涂层电绝缘作用没有明显的直接影响，但粗糙多孔的涂层易在连接面形成缝隙，引起10CrNiCu钢连接面的腐蚀。
精密与超精密加工
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  自激脉冲特性磨料水射流浸没式抛光数值分析与有效性实验验证

  邓乾发, 汪杨笑, 吕冰海, 厉淦, 程军, 袁巨龙

  表面技术. 2022, 51(1): 161-173. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.017

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  目的 提高磨料水射流在浸没环境中的加工能力，研究流体自激脉冲特性对磨料水射流抛光的影响。方法 提出一种基于流体自激脉冲特性的磨料水射流浸没式抛光方法，简称浸没式自激振荡磨料水射抛光(Submerged Self-excited Oscillation Abrasive Water Jet Polishing，SSEO-AWJP)，利用腔室特定边界条件，使磨料水射流获得自激脉冲特性，使其在水中获得更好的加工性能。首先利用数值模拟分析自激脉冲射流在浸没环境下的流体状态;之后研究喷嘴与工件的轴向距离和入射角度对加工表面受力的影响;最后搭建SSEO-AWJP加工实验平台，进行氮化硅抛光对比实验，以验证流体自激脉冲特性对提高浸没环境中磨料水射抛光能力的有效性。结果 SSEO-AWJP射流束在液体中以脉冲的形式存在，并具有更好的保持性。当射流束冲击工件时，其脉冲特性破坏了工件表面停滞层的稳定性，使得峰值壁面剪切力Pfm在工件表面往复移动并增大，以实现材料的高效去除。氮化硅表面抛光实验表明，相同条件下，定点加工25 min，浸没式磨料水射流抛光加工区域的最大去除深度为6.86 μm，SSEO-AWJP加工区域的最大深度为17.30 μm。浸没式磨料水射流加工14次后，粗糙度Ra稳定在35.7 nm;SSEO-AWJP加工5次后，Ra稳定在48.8 nm。使用SSEO-AWJP加工的工件，其表面粗糙度的下降速度始终大于磨料水射流，但是受磨粒动能影响，相同条件下，SSEO-AWJP的表面粗糙度会更高，而使用更细的磨料，可以令两种方法加工后的表面质量更加接近。结论 通过数值模拟与实验分析验证了SSEO-AWJP的有效性，利用自激脉冲特性可以实现磨料水射流在浸没环境下达到高效加工的目的。
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  磷酸基钝化电解液电化学射流加工铜的材料去除机理分析

  王可, 闫英, 张超, 柳雨生, 董晋彤, 周平, 郭东明

  表面技术. 2022, 51(1): 174-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.018

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  目的 提高电化学射流(Jet-ECM)加工纯铜工件的加工稳定性和表面质量，并分析材料去除机理。方法 采用基于磷酸基的酸性钝化电解液。该酸性钝化电解液采用磷酸为黏膜生成剂，乙醇为润湿剂，苯并三氮唑(BTA)为腐蚀抑制剂，醋酸铵和乳酸为表面氧化物去除剂。分别通过极化曲线，阻抗测试揭示磷酸溶液中黏膜层的生成机理，并通过循环伏安曲线(CV)对乙醇和BTA的反应机理进行研究。结果 提高磷酸浓度有利于形成厚实的黏膜层，提高表面质量。乙醇能够提高电解液的润湿性，促进电解产物的排出。同时乙醇在Jet-ECM加工过程中具有钝化效果，提高了表面质量。腐蚀抑制剂BTA能够吸附在工件表面，形成保护膜，同时参与反应，形成Cu(I)-BTA聚合物保护膜，通过这两种成膜机理，对铜工件表面形成有效保护。采用该酸性钝化电解液用于金属铜的Jet-ECM加工，加工后孔中心区和孔边缘区的表面粗糙度分别为14.5 nm和157 nm。相比常规NaNO3电解液以及纯磷酸电解液，该新型电解液能够有效避免絮状沉淀的产生，显著提高表面质量。结论 采用基于磷酸基的酸性钝化电解液，能够提高电化学射流加工纯铜工件的加工稳定性和表面质量。该研究有助于进一步揭示Jet-ECM加工中的电化学去除机理，提高无应力加工方法的加工质量和加工稳定性。
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  芳纶纤维复合材料制孔表面缺陷机理及工艺试验研究

  石文天, 庞庆超, 刘玉德, 李杰, 任冰

  表面技术. 2022, 51(1): 184-191. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.019

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  目的 减少芳纶纤维复合材料制孔的表面缺陷。方法 通过对芳纶纤维复合材料进行钻削试验，研究钻削过程中刀具的作用机理。通过不同切削速度和进给速度对制孔入口表面缺陷和孔内壁表面粗糙度的影响，研究制孔过程中的缺陷损伤，并进行相关评定。通过改变装夹工艺方式，研究装夹工艺系统的刚度对制孔表面缺陷的影响。结果 切削速度与进给速度对制孔表面缺陷的影响较大，切削速度和进给速度不断增大，孔径入口撕裂区域面积增大，孔径周围毛刺分布呈先减小、后增大的趋势。随着进给速度的增大，切削力总体呈减少趋势。试验表明，切削速度为62.83 m/min时，切削力最大，此时振动频率接近工艺系统的固有频率，出现共振现象。孔径内壁质量与切削速度成正比，与进给速度成反比。提高装夹工艺系统刚度，可以减少制孔入口的表面缺陷。对芳纶纤维复合材料板进行制孔试验，切削速度为87.96 m/min、进给速度为60 mm/min时，获得的表面质量最佳。结论 在高转速、大进给情况下，加工表面缺陷较严重，应避免用此工艺参数对芳纶纤维复合材料板进行加工。工艺系统的装夹方式对制孔缺陷的影响较大，工艺系统的刚度越高，制孔质量越好。
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  喷砂工艺的EDEM-Fluent耦合模拟喷嘴结构参数的研究

  周大鹏, 马学东, 杜昱霖, 张凡, 陈燕, 王海令

  表面技术. 2022, 51(1): 192-201, 211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.020

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  目的 研究在喷砂工艺过程中，喷嘴的收缩角、喉部半径及扩散角3种结构对出砂平均速度和出砂总量的影响规律及原因。方法 利用EDEM-Fluent耦合模型，对喷砂喷嘴内气固两相的运动状态进行模拟，并通过实验验证其正确性。以喷嘴的不同结构大小设置正交表进行仿真实验，运用方差分析法(F检验)，分析各因素水平出砂平均速度和出砂总量的变化规律，并利用控制变量法，进一步探究喉部半径对出砂平均速度和出砂总量的影响原因。结果 由出砂平均速度方差分析可得，喉部半径的F值为3716.044，收缩角的F值为380.102，出砂平均速度随着喉部半径的增大而快速增大，随着收缩角的增大而减小。由出砂总量方差分析可得，喉部半径的F值为103.695，收缩角的F值为13.101，出砂总量随喉部半径的增大而快速减小，随着收缩角的增大而缓慢增大。当收缩角和扩散角不变的情况下，随着喉部半径增大，喷嘴内负压增大，导致气相流速增大，进而使出砂平均速度增大。随着喉部半径增大到8 mm时，出砂平均速度不再增大，且有略微下降，其峰值为184.65 m/s。在砂粒生成速率相同的情况下，得出喉部半径越大，砂粒速度越大，砂粒在喷嘴内的停留时间越短，收缩段待喷出的砂粒质量越少，且分布状态越稀疏。结论 验证了EDEM-Fluent耦合模拟喷嘴内气固两相流场是合理可行的。基于这一仿真模型，得出了出砂平均速度及出砂总量分别与喷嘴不同结构参数之间的关系规律，其中喉部半径对两者的影响最为显著。随着喉部半径越大，出砂平均速度越大，单位时间内在喷嘴出口处统计到的砂粒总量越少。
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  高体分SiCp/Al复合材料薄壁小孔钻削工艺机理与实验研究

  高奇, 荆小飞, 李文博, 郭光岩

  表面技术. 2022, 51(1): 202-211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.021

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  目的 研究高体分SiCp/Al2024复合材料小孔钻削表面质量和出入口棱边缺陷形貌，为钻削加工提供一定理论基础。方法 用ABAQUS软件对薄壁板钻削加工的整个过程进行三维仿真模拟，采用直径为3 mm的PCD钻头对70%(体积分数)的SiCp/Al复合材料薄壁件进行钻削，采用单因素实验方案，通过改变主轴转速和进给速度检测复合材料已加工表面棱边的缺陷，并通过钻削实验验证有限元仿真的正确性。结果 薄壁小孔钻孔形成的过程中，表面会出现大量的凹坑、裂纹及划痕。当主轴转速N为3000、4000、5000 r/min，进给速度Vf为0.05、0.1075、0.1 m/min时，小孔内表面的粗糙度随主轴转速和进给速度的增大而明显降低。发现进给速度是影响钻削棱边缺陷质量的主要原因之一，随着进给速度的增大，断裂缺口的缺陷越明发显，毛刺的高度和厚度逐渐增加，缺陷越发严重;主轴转速对棱边缺陷质量的影响较小，主轴转速增大，颗粒与基体产生变形的现象较少，毛刺的高度和厚度也逐渐减小，材料脱离及断裂缺口现象得到明显改善。结论 当主轴转速为5000 r/min、进给速度为0.1 m/min时，加工表面较为光滑，材料的表面形貌较好，粗糙度为1.331 μm。棱边缺陷随进给速度的增大和主轴转速的减小变得严重。
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  立方晶格金属扫描电子束抛光处理下表面建模与试验研究

  李新凯, 王荣, 魏德强, 董玉健, 黄宇燕

  表面技术. 2022, 51(1): 212-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.022

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  目的 探究扫描电子束作用下立方晶格金属表面凸起的温度随扫描时间的变化规律。方法 以铣削加工后的立方晶格金属试样为研究对象，通过数值模拟的方法剖析表面凸起形状和一维热传导模型，采用理论和抛光试验相结合的方法分析电子束能量密度、电子束作用时间与温度之间的函数关系，并通过仿真软件建立不同材料属性、凸起形状影响下的温升曲线。结果 铣削表面的凸起形状可简化为圆锥形、半椭圆形和半球形，表面凸起的温度受到电子束能量密度、电子束作用时间以及起伏形貌参数比三个因素影响。凸起温升速率与材料导热性能正相关，当起伏的温度高于熔点200 K时，45钢与AZ91D镁合金的表面粗糙度均有所降低。起伏形状的温升速率与形状比正相关，且圆锥形凸起经三角函数拟合后的起伏温升曲线和形状比数值相似度较高。结论 扫描电子束抛光处理立方晶格金属表面时，通过建立凸起的温度变化曲线，可指导电子束工艺参数选取，预测表面形貌变化。
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  硬质合金刀片前刀面的剪切增稠抛光实验研究

  柯明峰, 吕冰海, 邵蓝樱, 邵琦, 周亚峰, 王佳焕, 袁巨龙

  表面技术. 2022, 51(1): 220-228. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.023

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  目的 采用柔性的剪切增稠抛光(STP)方法抛光开设有弧形断屑槽的硬质合金刀片前刀面，降低其粗糙度，提高刀具的切削性能。方法 利用非牛顿幂率流体的剪切增稠效应与磨粒的微切削作用，实现对工件粗糙表面的微凸峰去除。以前刀面断屑槽的表面粗糙度为评价指标，采用田口法设计正交实验，分析抛光速度、磨粒浓度、倾斜角度以及磨粒粒度等抛光工艺参数对刀片前刀面表面粗糙度的影响，采用方差分析(ANOVA)法评估各因素的有效权重，得到优化工艺参数组合。结果 抛光速度对表面粗糙度的影响最大，为74%;磨粒粒度与磨粒浓度次之，均为11%;倾斜角度对刀片前刀面表面粗糙度的影响最小，仅为4%。在抛光速度为85 r/min、磨粒浓度为9%(质量分数)、倾斜角度为2°以及磨粒粒度为#8000的优化工艺参数组合下进行抛光实验，抛光15 min后，刀片前刀面断屑槽表面粗糙度从(120±20) nm下降到(7.2±0.6) nm，微观粗糙峰变得平滑，刃口完整无缺陷。结论 相对于传统毛刷抛光方法，剪切增稠抛光方法抛光硬质合金刀片前刀面的效率更高，抛光质量更好。通过优化抛光工艺参数，可以有效提高刀片表面质量，且不会造成刃口缺陷，为硬质合金刀片高效高质量抛光提供了新的方法。
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  基于分子动力学研究刚性磨粒划擦铝基材料去除行为

  施渊吉, 程诚, 王捍天, 滕冰妍, 陈显冰, 何延辉, 张涛, 黎军顽, 郭训忠

  表面技术. 2022, 51(1): 229-239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.024

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  目的 实现材料高效去除，避免亚表层严重滑移，以及改善已划擦区表面形貌质量。方法 基于EAM和Morse混合势函数，采用分子动力学法对刚性磨粒划擦Al材料的去除行为展开研究，分析磨粒尺寸、温度、压深、速度对材料去除行为的影响，并提出飞秒激光辅助加热改善材料塑性去除行为的方法。结果 不同划擦因素变化对Al材料去除、表面形貌质量、亚表层滑移等方面影响显著，经飞秒激光辅助处理的表面，在划擦中能有效改善已划擦区的表面形貌质量，降低亚表层滑移程度。增加磨粒尺寸、温度、压深，有利于表面材料去除，更易将磨屑原子向沟槽边缘两侧挤出，造成磨屑堆积程度增加。另外，划擦速度越高，已划擦区的表面形貌质量获得相应改善，并有效减弱了其亚表层滑移程度。相比无激光辅助处理，经过飞秒激光处理的表面，在划擦中不仅有利于提高材料去除率，而且有效降低了磨粒与基底接触区域的应力集中度和亚表层滑移程度，明显改善了已划擦区的表面形貌质量。结论 为了获得较好已划擦区的表面形貌质量，且避免应力集中导致亚表层滑移严重，除了需要考虑飞秒激光辅助加热外，还需权衡加热源区深度尺寸与压深的关系，即宜取辅助热源区深度尺寸上下范围10%作为压深值。
表面功能化
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  基于神经网络遗传算法的超疏水涂层优化

  苑昭阔, 吴俐俊, 王骏, 张萍, 韦增志

  表面技术. 2022, 51(1): 240-246, 271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.025

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  目的 探究超疏水涂层各成分的含量对涂层水接触角和导热系数的影响，找到最优成分组合，使涂层水接触角和导热系数同时获得最大值。方法 根据设计的L25(5⁵)正交试验，制作和测试涂层试样，借助Matlab软件建立结构为5-8-2的BP神经网络，通过正交试验结果训练和测试神经网络，得到涂层水接触角和导热系数的预测模型。调用训练好的预测模型，采用遗传算法对涂层各成分含量进行全局寻优。使用寻优得到的参数和调整后的参数进行试验，检验寻优计算结果。结果 BP神经网络预测模型水接触角的最大误差为0.061 98，导热系数的最大误差为0.065 77。基于遗传算法的优化结果，涂层成分(质量分数)为纳米SiO2 10.1%+TiO2 6.4%+碳粉5%+纳米石墨烯0.6%+MTES 1.8%时，涂层的水接触角达到164.24°，导热系数达到14.19 W/(m.K)，其误差分别为3.80%和2.31%。采用调整后的参数进行试验，测试得到涂层的水接触角为155.02°，导热系数为13.25 W/(m.K)，其误差分别5.64%和5.58%。结论 通过BP神经网络预测模型和遗传算法寻优，可以使涂层的水接触角和导热系数都获得较大的提高。
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  混氧等离子体射流对CFRP表面性质及粘接强度的影响

  刘新, 张忠涛, 刘吉宇, 沈海洋, 关乃侨, 周瑜阳, 陈发泽

  表面技术. 2022, 51(1): 247-256. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.026

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  目的 探究不同氧气含量下大气压混氧等离子体射流特性，分析其对碳纤维复合材料(CFRP)表面理化性质的影响，研究其改善表面浸润性及粘接强度的机理。方法 采用大气压介质阻挡放电(DBD)，产生氦氧混合等离子体射流，对CFRP表面进行处理，研究了不同氧气体积分数射流对CFRP表面的作用效果，确定了相对较佳的氧气体积分数。借助接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等表面分析手段，对处理前后CFRP表面的润湿性、微观形貌、粗糙度和化学成分等进行测试分析。采用环氧树脂胶粘剂，分别对射流处理前后的CFRP与铝合金表面进行粘接，并测试不同表面的粘接强度。结果 随着氧气体积分数的增加，射流长度变短，温度逐渐下降。氧气处理所得表面的浸润性相比未混氧射流处理所得表面的浸润性明显提高。当氧气体积分数为0.75%时，所得表面浸润性相对最好。与纯氦等离子体射流相比，混氧射流处理后，表面环氧树脂铺展速率更高，说明表面对胶粘剂的亲和性相对较好，所得表面粗糙度也相对更低。XPS测试结果表明，混氧射流处理所得表面含氧官能团含量更高，表面能相对较高，故表面润湿性较好。结论 当氧气体积分数为0.75%时，混氧射流可更好地改善CFRP表面的浸润性，表面接触角由15.2°减小至接近0°，所得表面更平整，粘接强度相比未处理表面可提升约429.1%。
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  双氧水在铜纳米粒子催化刻蚀n型单晶硅中的影响研究

  洪世豪, 郑达敏, 马亮, 李绍元, 陈秀华, 马文会

  表面技术. 2022, 51(1): 257-264. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.027

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  目的 在反应速率温和的前提下，在n型单晶硅片表面制备低反射率的纳米倒金字塔绒面，研究H2O2浓度对铜纳米颗粒的沉积及刻蚀行为的影响。方法 利用铜纳米粒子催化刻蚀方法对金刚线切割n型单晶硅进行表面织构化处理，利用扫描电子显微镜观察制绒后硅片表面微观形貌，利用紫外-可见分光光度计测试并计算硅片表面反射率，并分析铜催化刻蚀形貌和刻蚀速率随温度、H2O2浓度的变化情况，讨论铜催化刻蚀过程中倒金字塔的形成机理以及H2O2浓度对硅片表面刻蚀形貌的影响规律。结果 双氧水浓度通过控制铜纳米颗粒在硅片表面的沉积-氧化平衡，来影响铜颗粒的沉积状态，并最终影响刻蚀过程。随着H2O2浓度的提高，刻蚀速率先升高、后降低，最后趋于平稳。同时，刻蚀过程将产生四个阶段的结构演化。结论 H2O2在铜催化化学刻蚀过程中起着重要作用，调节H2O2浓度可控制铜纳米颗粒的沉积-氧化平衡，进而在硅片表面形成形貌均匀且反射率低的倒金字塔结构。40 ℃下，H2O2浓度为1.6 mol/L时，可在金刚线切割n型单晶硅片上成功制备出均匀的倒金字塔结构，表面反射率降低至6.4%，且反应速率温和(0.23 μm/min)，硅片减薄量低(3.5 μm)。
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  SEBS/h-SiO2复合涂层疏水性能研究

  薛森, 石涛, 彭华乔, 苏正良

  表面技术. 2022, 51(1): 265-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.028

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  目的 在飞机常用材料AMS 4037铝合金表面制备超疏水复合涂层，并研究其疏水性，以避免液滴在飞机表面停留，减少结冰，保证飞机在冰雪天气中安全航行。方法 以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、疏水二氧化硅(h-SiO2)为原料，通过提拉法在铝合金表面制备SEBS/h-SiO2超疏水复合涂层。借助扫描电子显微镜、红外光谱仪、接触角测定仪、激光共聚焦显微镜对涂层的显微结构、官能团、粗糙度、接触角进行表征。结果 当SEBS与h-SiO2质量比为1∶3时，涂层表面粗糙度为1.11 μm，涂层疏水性能达到最佳，与水的静态接触角大于160°滚动角小于1°。涂层表面分布着许多尺寸为10 μm的微/纳双重结构。通过Cassie模型分析得出，涂层水接触面积为12%，截留88%的空气。稳定性测试显示，涂层在水中持续浸泡120 min，依然能保持良好的疏水性。结论 SEBS/h-SiO2复合涂层具有二元微/纳米粗糙结构和低表面能，当液滴接触时，形成气垫，从而呈现优异的疏水性能。同时，该涂层表现出良好的稳定性和类似荷叶的自清洁能力。
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  微结构几何参数对铝合金表面结冰性能的影响

  弯艳玲, 严灿东, 王博, 于化东

  表面技术. 2022, 51(1): 272-279. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.029

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  目的 制备具有稳定性的抗结冰表面，并探讨表面微结构几何参数对表面结冰性能的影响。方法 以铝合金为基底材料，采用电火花线切割加工方法，在材料表面构建可控微米级尺寸沟槽与方柱阵列结构，对试件进行润湿性、结冰性能以及稳定性测试。结果 制备的微结构表面超疏水或者近超疏水。微结构表面具有优异的抗结冰性能，且方柱结构表面的抗结冰性能优于沟槽结构表面。微结构高度的增加以及宽度的减小都会延迟水滴在微结构表面的结冰时间，且宽度的影响程度更大。结冰-融冰循环试验表明，微结构表面具有一定的稳定性。分析抗结冰机理可知，微结构表面的两级结构，形成了“气垫效应”，提高了表面疏水性，减小了固液接触面积;微结构高度增加、宽度减小以及形态由沟槽变为方柱，使传热热阻增大，传热面积减小，减缓了三相接触时液滴的热能损失，因此延长了结冰时间。结论 电火花线切割加工方法在构建微结构的同时，提高了表面的疏水性，并且微结构几何参数不同程度地提高了表面的抗结冰性能，为探究新型抗结冰表面提供了一种新的思路。
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  基于丙烯酸酯树脂的无铜自抛光防污涂料研制

  孙保库, 范会生, 潘学龙, 陆阿定, 胡建坤

  表面技术. 2022, 51(1): 280-286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.030

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  目的 合成侧链上含杀菌官能团的丙烯酸酯树脂，研究开发一种基于该树脂的无铜线性自抛光防污涂料。方法 首先采用自由基聚合、梯度降温法，制备具有线性溶蚀性能的丙烯酸酯树脂，然后以卤虫为受试生物，筛选广谱、高效、符合国际环保法规要求、成本低的无铜防污剂体系，最后通过防污涂层抛光性能测试、浅海浸泡试验进行涂料配方研究，并对其基本性能进行表征。结果 丙烯酸酯树脂的重均分子量约为21 829 Daltons、数据分子量约为11 872 Daltons、PDI分散系数约为1.84时，可基本实现线性溶蚀，溶蚀速率满足制备防污涂料的要求，且在防污涂料中的最佳添加量约为20%，平均抛光速率约为4.73 μm/month。无铜防污剂体系为吡啶硫酮锌(ZPT)与Tralopyril防污剂按质量比3∶5复配，杀生效果达到93.4%左右，在保证杀生效果的基础上，实现成本控制，在防污涂料中的添加量达到12%时，即可满足防污要求。在综合考虑涂料良好的力学性能、施工性能、贮存稳定性能等基础上，确定防污涂料的基础配方。结论 制备的无铜自抛光防污涂料，经浅海浸泡试验验证，防污性能优异，且挥发性有机物的质量浓度约为335 g/L，符合国家对涂料产品征收消费税和环保税的政策导向。
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  锶含量对Ti-15Mo合金微弧氧化膜层及其磷灰石诱导能力的影响

  刘元才, 徐铁伟, 张珊珊, 毕可晓, 伏淑霞, 曹磊, 梁森

  表面技术. 2022, 51(1): 287-295. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.031

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  目的 提高Ti-15Mo合金的生物相容性。方法 通过电解液中Sr元素替代Ca元素，采用微弧氧化(MAO)与水热处理相结合的方法，在Ti-15Mo合金表面制备不同Sr含量的羟基磷灰石(HA)涂层。借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析膜层的微观组织结构、相组成、接触角以及在模拟体液中的磷灰石诱导能力。结果 电解液中的Sr含量会影响Ti-15Mo合金在恒流模式下MAO的电压，使得不同Sr含量样品的膜层微孔孔径与孔隙率随着Sr含量的增加先降低、后升高。水热处理后，膜层表面出现HA与Sr-HA相，样品表面Sr-HA的结晶度随着Sr含量的增加先增加、后降低。在30-Sr样品中，膜层表面Sr-HA的结晶度最好，Sr-HA晶柱分布均匀，呈现稳定的六棱柱形。此外，水热处理后的30-Sr样品，接触角达到10.5°，表现出优异的亲水性。模拟体液(SBF)浸泡实验结果显示，Sr离子的加入可以提高样品表面膜层的磷灰石诱导能力，尤其在30-Sr样品中，膜层表面的磷灰石沉积厚度达到58.87 μm。结论 Sr离子的加入可以有效提高Ti-15Mo合金表面的磷灰石诱导能力，其中，在电解液中替代加入30%(质量分数)Sr离子时，膜层表面的磷灰石诱导能力最强，表现出良好的生物相容性。
热喷涂与冷喷涂技术
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  感应钎涂中涂层与基体的热耦合效应

  赵梦琪, 石秋生, 陈林, 杨冠军

  表面技术. 2022, 51(1): 296-302. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.032

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  目的 研究钎涂中涂层感应热和基体感应热对基体温度场的耦合效应。方法 建立二维有限元模型，研究涂层制备全周期热载荷作用下涂层与基体的温度场变化规律，揭示涂层与基体感应热对基体热影响的耦合作用机制。以钛合金表面感应重熔钛基合金涂层为例，研究涂层和基体感应热耦合作用对基体的热影响，同时，对比研究涂层和基体感应热单独作用对基体的热影响。结果 在涂层感应热和基体感应热共同作用下，发现了熔化界面从涂层表面和涂层/基体界面向涂层内部双向推移的现象，基体感应热对涂层熔化具有反向热输入作用。在本研究条件下，表面开始熔化后，经历0.38 s可以实现涂层熔透。结论 两个单因素的作用并非简单叠加，共同作用下基体最高温度低于单因素作用之和，但基体最大相变深度和相变时间均高于单因素作用之和，涂层感应热与基体感应热存在耦合效应。在基体感应热使得基体具有高界面温度(但低于相变温度)的基础上，温度更高的涂层，通过进一步提高基体表层的最高温度，使得基体发生相变。
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  氧化铝含量对冷喷涂Al-Al2O3复合涂层表观形貌和显微结构的影响

  李林波, 罗洪杰, 杜昊, 任宇鹏, 邱翔, 熊天英

  表面技术. 2022, 51(1): 303-310. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.033

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  目的 通过改变原料粉末中氧化铝的添加量，研究氧化铝含量的变化对冷喷涂Al-Al2O3复合涂层形貌和显微结构的影响，为冷喷涂金属/陶瓷复合涂层的制备及结构性能的优化提供参考。方法 将商用纯Al粉和Al2O3粉按照不同的配比进行混合，利用冷喷涂技术在Q235钢表面制备不同Al2O3含量的Al-Al2O3复合涂层。通过X射线衍射仪、扫描电镜、激光共聚焦显微镜和金相显微镜等观测仪器，研究Al2O3含量对涂层形貌和显微结构的影响。结果 涂层的物相组成不随Al2O3含量的增加而变化，但Al2O3颗粒的加入可以促进Al粒子变形，消除涂层表面的凹陷和突起，提高涂层的表面平整度，涂层的表面粗糙度从13.5 μm下降至6.7 μm。随着Al2O3含量的增加，Al2O3颗粒的夯实作用和嵌入效应，使得涂层与基体间的机械互锁得到增强，且涂层孔隙率从3.59%下降到1.25%。Al2O3颗粒的加入还可以显著提高涂层的厚度，Al-50%Al2O3复合涂层的厚度达到了3.56 mm，而纯Al涂层的厚度仅为1.82 mm。然而，增加原料中Al2O3的含量对Al2O3颗粒沉积效率的提升作用不明显，还会导致涂层中Al2O3颗粒发生破碎。结论 Al2O3颗粒的加入可以有效提高涂层的表面平整度和厚度，促进金属颗粒的变形、涂层的致密化以及涂层与基体间的结合，但Al2O3含量的增加对沉积效率的影响不大，还会造成涂层内部Al2O3颗粒的破碎程度增加。
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  基于CGSOA-BPNN优化AlCoCrNiFe高熵合金涂层等离子喷涂工艺参数

  李赞, 张长胜, 马涛, 王卓

  表面技术. 2022, 51(1): 311-324. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.034

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  目的 解决等离子喷涂工艺参数耦合导致的参数选取困难问题，提高AlCoCrNiFe高熵合金涂层力学性能。方法 提出全局混沌高斯融合的海鸥算法(CGSOA)，优化权值和阈值，使BP(Back Propagation, 反向传递)神经网络训练输出理想控制参数。利用改进logistic混沌序列实现网络参数初始化种群的全局搜索，提高权值和阈值初始质量。引入改进logistic映射跳出局部最优，通过加强局部搜索能力，以提高算法收敛精度。引入高斯变异增加种群多样性，提高全局搜索能力。选取6个基准函数，对BAS、PSO、ACO、SOA及CGSOA算法进行测试，仿真结果表明，所提算法具有较快收敛速度、较高寻优精度和稳定性。结果 CGSOA算法优化BP神经网络得出最佳控制量为:喷涂距离99.7 mm，喷涂电流649.6 A，喷涂电压56.3 V，送粉载气203.1 L/h，送粉电压5.1 V。以其进行喷涂试验，涂层结合强度和显微硬度分别为25.2 MPa和616.8HV，与模型预测值的相对误差分别为3.02%和2.91%，验证了CGSOA-BPNN应用到实际喷涂过程的可行性。结论 CGSOA-BPNN对AlCoCrNiFe高熵合金涂层等离子喷涂工艺参数进行优化，进而提高涂层力学性能，具有一定的现实指导意义。
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  烧结钕铁硼磁体等离子喷涂-晶界扩散氧化镝研究

  赵鹏翔, 白玉, 马文, 尹雪, 王誉, 娄树普, 王强

  表面技术. 2022, 51(1): 325-331. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.035

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  目的 采用悬浮液等离子喷涂技术，在烧结Nd-Fe-B磁体表面制备结构完整、厚度可控、结合力较强的Dy2O3涂层，并通过晶界扩散提高Nd-Fe-B磁体的矫顽力。方法 制备Dy2O3悬浮液，在烧结Nd-Fe-B表面，利用悬浮液等离子喷涂技术制备Dy2O3涂层。利用激光粒度仪测试粉体粒度。采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对Dy2O3涂层的显微形貌、组织结构和物相组成进行分析。通过涂层附着力自动划痕仪测试涂层的结合力。利用NIM-2000H自动磁性能测量仪对烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能进行测试分析。结果 875 ℃的晶界扩散Dy2O3使磁体的矫顽力从1161.19 kA/m增加到1277.74 kA/m，剩磁下降0.01 T。矫顽力得到较高提升，且剩磁略微下降。SEM和EDS分析结果表明，晶界组织形貌的改善和(Nd,Dy)2Fe14B外延层的形成是矫顽力提升的主要原因。结论 证实了悬浮液等离子喷涂-晶界扩散技术能够控制涂层厚度，绿色高效地制备高矫顽力烧结Nd-Fe-B磁体
表面强化技术
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  基于GA-BP神经网络的喷丸样品表层硬度预测模型

  石明, 汪舟, 甘进, 杨莹, 王晓丽, 任旭东, 申建国, 邱斌

  表面技术. 2022, 51(1): 332-338, 357. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.036

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  目的 建立能够准确预测不同喷丸工艺参数下工件表层显微硬度的数学模型。方法 以42CrMo钢作为研究对象，采用正交实验法设计喷丸实验方案和逐点测量法测量0~320 μm层深内的显微硬度，以实验数据为样本，基于BP神经网络建立42CrMo钢受喷后表层显微硬度的预测模型，并利用遗传算法(GA)对BP神经网络结构进行优化，建立基于GA-BP神经网络的42CrMo钢受喷后表层显微硬度模型。结果 将实验数据集用于模型的训练，BP神经网络模型和GA-BP神经网络模型训练的相关系数R均为0.97左右，两种模型的训练效果均较好。对比20组测试集的模型预测值和实验值发现，BP神经网络模型预测值与实验值之间的相对误差的最大值和平均值分别为3.5%和1.1%，相比之下，经遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)模型预测值与实验值的相对误差的最大值和平均值仅为2.9%和0.7%。GA-BP神经网络模型具有更高的预测精度和稳定性。结论 经GA遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)更适合用于建立受喷工件表层显微硬度的预测模型，可为其在工程上的应用提供一定的参考。
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  超声滚压对45钢微观组织和力学性能的影响

  许全军, 龚宝明, 刘秀国, 邓彩艳, 王东坡

  表面技术. 2022, 51(1): 339-347. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.037

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  目的 提高45钢的表面完整性，研究超声表面滚压加工(Ultrasonic Surface Rolling Processing, USRP)技术对45钢微观梯度结构和力学性能的影响。方法 通过USRP技术，在材料表层制备出微观梯度结构，并对试样梯度结构组织进行金相、SEM、EBSD、表面粗糙度以及显微硬度分析。最后，考虑到尺度效应的影响，采用应变梯度理论修正的仪器化压痕法，对试样表层组织的梯度力学性能进行分析。结果 试样表层形成120 μm厚的取向各异的细小晶粒组织，晶粒尺寸形成了梯度变化，距离表层10 μm区域内的平均晶粒尺寸可以达到360 nm。材料表层组织的大小角度晶界数量明显增多，且随加工遍数的增加而明显增加。试样的表面粗糙度降低至纳米级，比原始粗糙度降低了96.7%，表面显微硬度提高了55.1%。根据塑性变形程度，将表层微结构分为强变形区、微变形区和未影响区3个区域。强变形区、微变形区的厚度随着处理遍数的增加而增加，塑性变形层厚度最高达320 μm。结论 试样表层形成了一定厚度的细小晶粒组织，试样表面粗糙度和显微硬度均有明显改善。试样表层的弹性和塑性性能均体现出明显的梯度变化，其中弹性模量提高了1.67倍，屈服强度提高了83.3%，加工硬化指数降低了68.3%，在改善材料的抗疲劳和腐蚀性能方面十分有效。
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  激光冲击选区强化对2024铝合金叶片振动响应特性的影响

  吴郑浩, 周留成, 张波, 阚前华, 张旭

  表面技术. 2022, 51(1): 348-357. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.038

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  目的 探究激光冲击强化技术对2024铝合金叶片振动性能的影响，并探寻最理想的冲击参数。 方法 运用Johnson-Cook动态塑性本构模型模拟激光冲击选区强化过程，对强化后的2024航空铝合金叶片的振动特性进行分析。将2024铝合金在激光冲击强化过程中产生的残余应力场和梯度密度分布导入模型，量化激光冲击强化对2024铝合金叶片振动特性的提高效果，研究激光冲击参数对叶片振动响应的影响规律。结果 激光冲击强化产生的残余压应力场并非均匀分布在表面，而是只存在于冲击区域，冲击区域外为拉应力。其中，最大残余压应力为273.5 MPa。选取第六阶振型为目标振型，在同样冲击工况下，模拟和实验结果吻合较好。在模型中引入激光冲击强化产生的残余应力与梯度密度结构会使2024铝合金叶片的振动特性发生改变，其中，残余应力对振动特性影响更为显著。结论 激光冲击强化工艺调控分析表明，采用较大圆形光斑，施加较大功率密度冲击模型中部，可获得最显著的振动特性改善效果。最适合的激光冲击强化参数可将振动特征频率降低118.87 Hz，将振幅降低94.37%。
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  Nb微合金化对渗碳齿轮钢组织演变及接触疲劳性能的影响

  杨少朋, 胡芳忠, 尉文超, 汪开忠, 吕皓天, 王毛球, 张弛

  表面技术. 2022, 51(1): 358-367. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.039

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  目的 研究Nb微合金化后渗碳层和基体的显微组织变化规律，及Nb微合金化对接触疲劳性能的影响，以实现齿轮的接触疲劳长寿命。方法 利用真空渗碳炉将Nb微合金化及未Nb微合金化齿轮用钢18CrNiMo7-6进行渗碳热处理，采用滚动接触疲劳试验机进行接触疲劳试验，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射显微镜(EBSD)和洛氏硬度计等设备，对试样的组织及硬度进行检测，探讨Nb微合金化对接触疲劳性能的影响。结果 渗碳热处理后，表面组织为针状马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部组织为板条马氏体。Nb微合金化渗碳层组织发生了细化，位错密度由7.52×10¹⁵ m^?2增加到8.75×10¹⁵ m^?2，残余奥氏体含量由23.6%降低至15.4%，渗碳层硬度由58.6HRC提高至59.4HRC，心部奥氏体晶粒平均尺寸由20.5 μm降低至16.3 μm。剥落坑表面粗糙且呈分层结构，起裂位置位于次表面;剥落坑在滚动接触应力作用下发生加工硬化，Nb微合金化和未Nb微合金化的加工硬化硬度均提高了1HRC左右，抗变形能力相差不大。Nb微合金化齿轮钢的接触疲劳寿命L10=3.2×10⁷，L50=8.2×10⁷;未Nb微合金化齿轮钢的接触疲劳寿命L10=2.0×10⁷，L50=6.4×10⁷。结论 Nb微合金化后，渗碳层组织细化，位错密度增大，显著抑制了裂纹的萌生，并且渗碳层的硬度稍有增加，综合作用使得齿轮钢的接触疲劳寿命L10和L50分别提高37.5%和22%。
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  超声表面滚压处理对AZ31B镁合金组织和性能的影响

  耿纪龙, 闫志峰, 张红霞, 董鹏

  表面技术. 2022, 51(1): 368-375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.040

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  目的 研究AZ31B镁合金在超声表面滚压处理后，表面微观结构、显微硬度和表面粗糙度的变化及其在拉伸试验过程中对AZ31B镁合金内部组织的影响。方法 利用超声表面滚压处理在AZ31B镁合金表面制备梯度变形层。利用X射线衍射仪、EBSD、显微硬度仪和表面粗糙度仪，分析试样表面的微观结构、显微硬度和表面粗糙度。对超声表面滚压处理前后试样进行拉伸试验，分析其拉伸性能和微观组织变形。结果 经过9道超声表面滚压处理后，样品表层形成了厚约600 μm的变形层。变形层组织呈梯度分布，分别为超细晶粒层、细粒过渡层和母材组织。随着与试样表面距离的增加，试样表面的显微硬度值为84~52HV10g。USRP试样的表面粗糙度Ra达到0.140 μm。在拉伸过程中，相对于母材，超声表面滚压处理试样微观组织的变化量较少。结论 相对于未处理试样，超声表面滚压处理试样的屈服强度提高了28%，显微硬度提高了40%，表面粗糙度降低了96.4%。同时，超声表面滚压处理在镁合金试样表层形成的梯度结构，在拉伸过程中降低了中心微观组织的变形。