2022年, 第51卷, 第2期　
刊出日期：2022-02-20

  

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专题——高速加工刀具涂层技术
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  刀具涂层材料的最新研究进展

  范其香, 林静, 王铁钢

  表面技术. 2022, 51(2): 1-19, 28. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.001

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  随着难加工材料和绿色干切削等先进加工技术的开发与广泛应用，刀具切削环境日益严苛，刀具涂层材料不断更新换代。涂层材料已由最初的二元涂层逐渐发展成三元及多元涂层，结构由单层逐渐向多层、梯度、复合结构转变。首先总结了几种常用二元涂层的性能和特点。再以Ti基和Cr基三元及多元涂层为例，阐述了掺杂元素对涂层微观结构和性能的影响及强化机制，分析了多元涂层的研究现状和面临的难题，以及多种掺杂元素的协同作用机制。还讨论了纳米晶/非晶复合结构涂层、纳米多层涂层以及梯度涂层的结构优势及研究现状，介绍了金刚石、类金刚石和立方氮化硼三种超硬涂层以及具有低摩擦因数软涂层的特点和研究进展。最后介绍了近几年研究的热点涂层(如高熵合金涂层、含氧涂层和多元多层复合涂层)的研究现状，并对刀具涂层的未来发展方向进行了展望。
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  MoS2-Ti自润滑复合薄膜的高温摩擦学性能研究

  刘勇, 苏峰华, 孙建芳, 李助军, 刘怡飞

  表面技术. 2022, 51(2): 20-28. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.002

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  目的 探究Ti含量对MoS2-Ti复合薄膜高温摩擦学性能的影响，制备高温摩擦性能良好的MoS2-Ti复合薄膜。方法 采用射频和直流双靶共溅射技术沉积了不同Ti含量的MoS2-Ti复合薄膜，研究了Ti含量对MoS2-Ti薄膜微观结构和力学性能的影响，进一步探究了MoS2-Ti复合薄膜在大气环境下的高温摩擦学性能。采用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)，对薄膜的成分、晶相结构及微观形貌进行分析。利用显微维氏硬度计测试薄膜的力学性能，通过UMT-TriboLab摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能。此外，采用SEM、拉曼光谱仪(Raman)和X射线光电子能谱仪(XPS)，对薄膜的磨痕形貌及对偶球转移膜的成分进行分析。结果 Ti掺杂促进了MoS2薄膜以(002)晶面择优取向生长，且提高了薄膜的致密度，薄膜硬度从70HV提升到350HV。MoS2-Ti复合薄膜在高温环境下的摩擦性能，随Ti含量的增加呈先上升后下降的趋势，其中Ti原子数分数为6.81%的MoS2-Ti复合薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率。通过对转移膜的成分进行分析，发现处于300 ℃高温环境下，Ti原子数分数为13.51%的MoS2-Ti复合薄膜由于在摩擦过程中生成的氧化物较多，其耐磨性能开始下降。结论 Ti含量对MoS2-Ti复合薄膜的高温摩擦学性能有明显的影响，掺杂适量Ti能显著提高MoS2 薄膜在大气环境下的高温摩擦学性能。
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  Al含量对TiAlN涂层结构及性能的影响

  王北川, 陈利

  表面技术. 2022, 51(2): 29-38. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.003

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  目的 系统研究Al含量对TiAlN涂层结构以及硬度、热稳定性、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响。方法 利用阴极弧蒸发技术，采用Ti、Ti50Al50、Ti40Al60和Ti33Al67靶材制备出4种Ti1?xAlxN涂层。分别利用能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪、热重分析仪(TGA)和以及电化学工作站，分析了涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性、抗氧化性和耐蚀性。结果 4种Ti1?xAlxN涂层均为面心立方结构，硬度由TiN的~26.4 GPa上升到Ti0.38Al0.62N的~32.7 GPa。Ti0.55Al0.45N和Ti0.44Al0.56N涂层在1100 ℃退火后，可检测到六方铅锌矿结构(w-)AlN相，而Ti0.38Al0.62N涂层在1000 ℃退火后便可检测到w-AlN相。Ti0.55Al0.45N和Ti0.44Al0.56N涂层的硬度在900 ℃退火后达到最高值，分别为~32.8 GPa和~33.3 GPa;而Ti0.38Al0.62N涂层的硬度在800 ℃时达到最高值，为~36.2 GPa。在800 ℃氧化20 h后，TiN已经被完全氧化，Ti0.55Al0.45N、Ti0.44Al0.56N和Ti0.38Al0.62N的氧化层厚度分别为~3.5、~0.6、~0.6 μm。Ti0.55Al0.45N、Ti0.44Al0.56N、Ti0.38Al0.62N在抛物线氧化阶段的氧化激活能分别为530.9、370、375.9 kJ/mol。TiN、Ti0.55Al0.45N、Ti0.44Al0.56N、Ti0.38Al0.62N涂层的极化电阻分别为4.59×10⁴、1.97×10³、3.71×10³、4.42× 10⁴Ω?cm²。结论 x<0.62时，涂层保持单相立方结构，且晶格常数和晶粒尺寸随Al含量的增加而减小。Al含量的提高优化了TiAlN涂层的力学性能，促进了涂层的热分解。Ti0.44Al0.56N涂层具有最优的抗氧化性能。另外，Al的加入降低了TiN涂层的抗腐蚀性能，但是含Al涂层的抗腐蚀性随Al含量的增加而增大。
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  Al含量对Cr1–xAlxN涂层力学、热稳定性、抗氧化性及耐蚀性的影响

  王桂云, 陈利

  表面技术. 2022, 51(2): 39-47, 65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.004

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  目的 探讨Al含量对Cr1–xAlxN涂层结构和性能的影响。方法 在阴极弧蒸发设备中，分别采用Cr、Cr0.70Al0.30、Cr0.50Al0.50、Cr0.40Al0.60和Cr0.30Al0.70靶材制备5种不同Al含量的Cr1–xAlxN涂层。借助能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪、扫描电子显微镜(SEM)和电化学工作站对Cr1–xAlxN涂层的成分、结构、力学性能、热稳定性、抗氧化性和耐蚀性进行研究。结果 5种Cr1–xAlxN涂层均呈单相面心立方结构，其硬度随Al含量的增加而提升，由CrN的(16.9±0.8) GPa升至Cr0.75Al0.25N的(25.1±0.7) GPa、Cr0.56Al0.44N的(27.0±1.1) GPa、Cr0.46Al0.54N的(28.5±1.5) GPa和Cr0.36Al0.64N的(30.4±0.8) GPa。所有涂层在1000 ℃退火后，开始出现六方h-Cr2N的衍射峰，其衍射峰强度随Al含量的上升而降低。Cr0.75Al0.25N、Cr0.56Al0.44N和Cr0.46Al0.54N涂层在1100 ℃退火后，可检测到六方纤锌矿结构w-AlN相，而高Al含量Cr0.36Al0.64N涂层在1000 ℃退火后，便可检测到w-AlN相。在1000 ℃氧化15 h后，CrN涂层已经完全氧化，Cr0.75Al0.25N、Cr0.56Al0.44N、Cr0.46Al0.54N和Cr0.36Al0.64N涂层的氧化层厚度分别约为0.4、0.3、0.3、0.2 μm;在1100 ℃氧化15 h后，CrN、Cr0.75Al0.25N和Cr0.56Al0.44N涂层已完全氧化，而Cr0.46Al0.54N和Cr0.36Al0.64N涂层的氧化层厚度分别约为2.5、1.4 μm。CrN、Cr0.75Al0.25N、Cr0.56Al0.44N、Cr0.46Al0.54N和Cr0.36Al0.64N涂层在3.5%的NaCl溶液中测得的极化电阻分别为567.69、5.34、71.80、160.10、92.56 kΩ.cm²。结论 涂层的硬度和抗氧化性随Al含量的增加而提升。Al的加入在抑制Cr—N分解的同时，促进了涂层中w-AlN的生成。CrN涂层具有最优的耐蚀性，而在含Al涂层中，涂层的耐蚀性随Al含量的增加呈现出先上升、后下降的趋势。
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  AlCrBN/AlCrSiN纳米晶多层复合涂层的制备及其性能

  张磊, 刘琰, 曾晓梅, 瓦西里.佩列诺维奇, 陈燕鸣, 李正刚, 张俊, 杨兵

  表面技术. 2022, 51(2): 48-56, 107. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.005

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  目的 制备高硬度、高耐磨性、自润滑及高热稳定性的AlCrBN/AlCrSiN纳米晶多层复合涂层，探索涂层的微观结构、力学性能、耐磨性能及高温热稳定性能。方法 采用多弧离子镀技术在WC-Co硬质合金以及不锈钢基底上，制备AlCrBN/AlCrSiN多层纳米晶复合涂层。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜、纳米压痕仪等设备，对涂层在不同温度(600~1000 ℃)下退火前后的表面形貌、微观结构、力学性能、耐磨性能进行系统研究。结果 AlCrSiN/AlCrBN涂层为典型的纳米晶复合多层结构，涂层主要由fcc-AlCrN纳米晶镶嵌在非晶的SiNx和BNx中并形成多层结构。涂层具有优异的热稳定性能，其结构能够保持到800 ℃不发生变化，当温度增加到900 ℃时，涂层发生调幅分解，形成c-AlN、hcp-AlN和Cr2N等复合结构，在1000 ℃退火后，涂层结构基本稳定，仍能检测到CrN相。涂层纳米硬度及平均摩擦因数分别为29.15 GPa和0.67。结论 AlCrSiN/AlCrBN涂层具有优异的力学性能、耐磨性能及高温热稳定性能，在800 ℃以下保持稳定，在1000 ℃退火后仍能保持较高的硬度及良好的耐磨性能，在高速切削刀具中具有良好的应用前景。
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  电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射AlTiN涂层及其切削性能研究

  刘源, 丁继成, 许雨翔, 张宝荣, 赵志勇, 冯利民, 郑军, 王启民

  表面技术. 2022, 51(2): 57-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.006

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  目的 比较两种沉积方法制备的AlTiN涂层的切削性能。方法 利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)和电弧离子镀技术(AIP)，在硬质合金车刀片上沉积AlTiN涂层，比较和研究两种AlTiN涂层的组织形貌特性及综合性能。利用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪，观察和检测涂层的生长形貌和元素含量。采用激光共聚焦扫描显微镜表征涂层的表面粗糙度。使用X射线衍射仪分析涂层的物相结构。使用纳米压痕仪测量涂层的纳米硬度以及弹性模量。通过干式车削试验研究涂层刀具的切削性能，并对其磨损机理进行分析。结果 两种涂层均为柱状晶生长，HiPIMS制备的AlTiN涂层相较AIP制备的AlTiN涂层，具有更加光滑平整的表面。两者压痕硬度相近，约为30 GPa，但HiPIMS-AlTiN涂层的弹性模量更小。随着切削距离的不断增加，刀具后刀面磨损变得越来越严重，未涂层的车刀在切削1 min(180 m)时，磨损量超过200 μm，达到了失效标准。在相同条件下切削9 min(1620 m)，AIP-AlTiN和HiPIMS-AlTiN两种涂层刀具后刀面的磨损量分别为231 μm和190 μm，AIP-AlTiN涂层刀具已达到失效标准。结论 干式车削316L不锈钢时，HiPIMS-AlTiN涂层刀具的切削寿命长于AIP-AlTiN涂层刀具，切削过程中，两种涂层刀具的主要磨损形式均为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。
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  不同基体前处理对AlCrN涂层结构和性能的影响

  房磊琦, 张家敏, 蔡飞, 李明喜, 吴丽君, 郑军, 汤昌仁, 朱瑞源

  表面技术. 2022, 51(2): 66-76. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.007

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  目的 通过对基体进行前处理，提高AlCrN涂层的摩擦磨损性能和切削性能。方法 采用不同前处理方法(湿喷砂、干喷砂和微粒子喷丸)对高速钢基体表面进行处理，随后沉积AlCrN涂层，利用X射线衍射以、扫描电子显微镜等仪器，以及切削试验，分析不同前处理方式对涂层组织结构、膜基结合力、表面形貌、表面粗糙度、摩擦磨损性能以及切削性能的影响。结果 相比于未经前处理的涂层，经湿喷砂及干喷砂前处理的涂层的膜基结合力均有所提高，达到了40.10 N和35.47 N。对基体进行不同前处理后，对涂层物相没有影响，但经过干喷砂和微粒子喷丸前处理的AlCrN涂层，其优先生长的方向由(111)晶面变为(200)晶面。摩擦磨损试验结果显示，湿喷砂和微粒子喷丸前处理的AlCrN涂层的磨损方式为磨粒磨损和氧化磨损，干喷砂前处理的AlCrN涂层的磨损方式为氧化磨损。切削试验结果显示，干喷砂前处理的AlCrN刀具涂层具有最好的切削性能。结论 前处理可以提高AlCrN涂层的性能，其中干喷砂前处理可以提高AlCrN涂层刀具的切削性能。
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  V-Al-C-N宽温域涂层的制备及其摩擦学行为

  齐帆, 张玉鹏, 王振玉, 汪爱英, 王铁钢, 柯培玲

  表面技术. 2022, 51(2): 77-85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.008

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  目的 设计制备用于高速切削难加工材料的长寿命刀具涂层。方法 采用三靶磁控共溅射技术，通过改变石墨靶材的溅射功率，调控不同润滑相的配比，制备具有不同C含量的V-Al-C-N纳米复合涂层。利用纳米压痕仪和高温摩擦试验机，对涂层的力学性能和摩擦学性能进行检测。采用透射电镜和扫描电镜观察涂层的显微结构和摩擦磨损表面形貌，并分析其磨损机理。结果 制备了具有优异性能的V-Al-C-N纳米复合刀具涂层。当涂层中C原子数分数为29.40%时，涂层的硬度和弹性模量分别高达36.3 GPa和370.5 GPa。在室温(RT)~650 ℃宽温域范围内，涂层具有稳定、良好的摩擦学性能。RT条件下，涂层中的磨痕很浅，摩擦因数(COF)为0.43;在300 ℃工作时，对比VAlN涂层，其非晶包裹纳米晶的结构使得掺C后的COF降低了14%，至0.72，磨损机理包含磨粒磨损和氧化磨损;650 ℃条件下，磨痕出现大量犁沟，大量磨屑在摩擦轨道两侧被压实，此时氧化反应明显加剧，涂层表面生成V2O5润滑相，摩擦因数稳定在0.35。结论 采用三靶磁控共溅射技术，在VAlN涂层中引入不同含量的C，可提高其力学性能，并在一定程度上降低涂层的高温摩擦因数。不同温度条件下摩擦因数的变化与涂层的磨损机制有关。
研究综述
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  聚合物基复合材料表面防护涂层的研究现状与展望

  彭启清, 刘明, 黄艳斐, 马国政, 郭伟玲, 王海斗

  表面技术. 2022, 51(2): 86-107. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.009

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  聚合物基复合材料相比金属等传统材料，其耐高温性能、抗固体颗粒冲蚀磨损性能等不足，导致聚合物基复合材料在高新技术领域、高温磨损等复杂工况中的应用受到严重制约。研究表明，在聚合物基复合材料表面制备功能性防护涂层，是一种有效提高或改变复合材料表面性能的途径。在介绍聚合物基复合材料基本性能特点的基础上，系统总结梳理了热喷涂、冷喷涂和溶胶-凝胶法，共3类5种国内外在聚合物基复合材料表面制备功能防护涂层的表面技术。梳理总结了不同表面技术沉积聚合物基复合材料表面3类主要的防护涂层(耐高温涂层、抗固体颗粒冲蚀磨损涂层、导电涂层)的侧重点，如电弧喷涂、冷喷涂主要在聚合物基复合材料表面沉积金属涂层。通过全面对比分析各种技术制备涂层的机理、性能、优缺点，以及涂层的失效原因，指出如何保持基体预处理过程中的表面完整性、如何提高涂层与基体的结合强度、如何有效沉积陶瓷涂层等，既是聚合物基复合材料表面防护涂层研究工作中的关键技术问题，同时也是后续研究中的重点工作。
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  硅橡胶表面老化、改性与修复的研究

  潘伟斌, 万小东, 南敬, 成保拓, 代思雨, 吴仲岿

  表面技术. 2022, 51(2): 108-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.010

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  主要探讨了硅橡胶表面产生电晕老化的原因和电晕老化的评估方法，并介绍了氢氧化铝(ATH)等无机填料对硅橡胶表面抗电晕老化改性的影响，归纳了硅橡胶表面紫外老化发生的机理以及相应的紫外老化评估手段。另外，讨论了二氧化钛、二氧化铈等光屏蔽剂以及紫外线吸收剂对硅橡胶表面耐紫外辐照老化性能的作用，总结了硅橡胶表面出现热老化的原因、相应的热老化评估方法以及当前国内外改善硅橡胶表面耐热老化性能常用的方法。论述了硅橡胶老化表面修复的最新研究进展。最后，提出了目前国内外学者在硅橡胶表面老化研究方面存在的一些问题，并对未来的发展方向进行了展望。
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  用于热障涂层的锆酸钆材料研究进展

  赵泓旭, 邓春明, 付朗, 邓子谦, 陈小龙

  表面技术. 2022, 51(2): 116-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.011

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  为了满足新型航空发动机的性能要求，需要开发出能在超高温条件下服役的热障涂层材料。近年来已有多种陶瓷材料被证实在热障涂层领域具有发展前景，在这之中，稀土锆酸盐材料有着高温下热导率较低与稳定性良好的特点，其中又以锆酸钆材料的热导率最低，热膨胀系数最高。概述了锆酸钆材料的结构特点，对其在高温下发生的有序无序转变进行了介绍，总结了原因及变化规律。简要分析了与其他材料相比，锆酸钆材料具有良好热性能的原因;归纳了粉末制备过程中常用的两种方法:固相法与液相法，在此基础上，总结了近年来不同制备方法与粉末团聚过程中工艺与参数的研究现状;最后，提出了锆酸钆材料在实际应用到热障涂层时存在的缺陷:断裂韧性与热膨胀系数较低，这就导致了单层锆酸钆涂层成形难度大，热循环寿命低。针对这一问题，重点综述了国内外对锆酸钆材料及热障涂层的改性方法，主要有掺杂改性、材料复合、涂层结构设计以及涂层制备技术，同时展望了新型热障涂层材料结合先进制备技术的发展趋势。
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  激光熔覆WC增强Ni基复合涂层的研究进展

  李倩, 陈发强, 王茜, 张峻巍

  表面技术. 2022, 51(2): 129-143. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.012

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  激光熔覆是一种新型表面改性技术，具有能量密度高、稀释率可控、涂层与基体呈现良好的冶金结合等优点，且快热快冷的特性有利于在基材表面形成具有细小致密组织的涂层，从而获得耐磨耐蚀等优异性能。WC增强Ni基复合涂层因兼具陶瓷材料优异的耐高温、耐磨性和金属材料良好的强韧性，近些年成为激光熔覆研究领域的热点。综述了激光熔覆WC增强Ni基复合涂层的研究进展。概述了WC在复合涂层中的作用，包括WC的强化机制及其对复合涂层摩擦磨损性能及磨损机制的影响。在此基础上，从Ni基合金成分、WC增强相的添加量、尺寸、种类以及稀土元素的影响等方面，论述了激光熔覆WC增强Ni基复合涂层的材料体系，重点讨论了WC在复合涂层中的分布规律和存在形式。同时综述了激光功率、扫描速度、基体预处理等熔覆工艺参数，以及超声振动辅助、感应加热等新型激光熔覆技术，对复合涂层成形质量、微观组织、物相组成及性能的影响。最后对现阶段激光熔覆WC增强Ni基复合涂层研究中存在的问题及未来发展方向进行了展望。
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  核电站用不锈钢在液态Pb-Bi合金中的腐蚀行为研究进展

  高玉, 于成涛, 余中狄, 陈明辉, 王福会

  表面技术. 2022, 51(2): 144-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.013

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  核电系统中，液态金属腐蚀问题是影响加速器驱动次临界系统(ADS)稳定服役的关键。概述了液态Pb-Bi合金和不锈钢在核电中的应用背景。在此基础上，重点综述了近年来常用不锈钢材料在液态Pb-Bi合金环境下的腐蚀行为，其中不锈钢在液态Pb-Bi合金中的腐蚀机制包括:(1)不锈钢中Ni元素在液态Pb-Bi合金中优先溶解而发生的溶解腐蚀;(2)不锈钢中Fe、Cr等元素与液态Pb-Bi合金中的溶解氧反应发生的氧化腐蚀;(3)晶界处优先溶解扩散导致的晶界脆化;(4)动态腐蚀条件下液态Pb-Bi合金流动对不锈钢造成的冲蚀与磨蚀等。针对不锈钢在液态Pb-Bi合金中的腐蚀情况，分别从腐蚀时间、腐蚀温度、不锈钢的合金成分、液态Pb-Bi合金中的溶解氧浓度及其流动速率等影响因素进行分析。同时归纳了其防护技术，包括对不锈钢的表面处理与改性，精确控制液态合金中的溶解氧浓度等。最后展望了未来液态金属腐蚀的研究重点及其防护涂层的制备关键。
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  磁控溅射薄膜生长的模拟方法

  王晓倩, 赵晋, 刘建勇

  表面技术. 2022, 51(2): 156-164. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.014

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  磁控溅射技术制备的薄膜膜层均匀，内部无气孔，密度高，与衬底的附着性良好，薄膜质量高，被广泛应用于科学研究和工业生产中，且适合应用计算机模拟来研究溅射过程和溅射结果，这样既可以检验模拟的准确性，又可以对实验现象的内在意义进行挖掘，为后续实验提供参考信息。在介绍磁控溅射薄膜生长常用模拟方法原理的基础上，详细讨论了第一性原理(First-principles calculations)、分子动力学(Molecular dynamics，MD)和蒙特卡洛(Monte Carlo，MC)等3种方法的适用条件和模拟结果，从3种方法适合解决的问题、相互之间的区别等方面，对国内外最新的研究进展进行总结与分析。发现3种方法在精确度和计算量上依次递减，在可模拟的时间和空间尺度上依次递增，在模拟对象上，第一性原理方法由于其高度的精确性被广泛应用于对薄膜本身的性质或对粒子间的运动等方面，且模拟结果可以是具体数值，从而对实验进行更加精确的预测和指导，分子动力学方法多用于模拟薄膜生长过程和原子间行为等方面，蒙特卡洛方法相较于前两者，用途更加广泛，可模拟的对象除了薄膜本身，也可以对电磁场等进行模拟。最后，对磁控溅射薄膜生长模拟未来的研究方向进行了展望。
摩擦磨损与润滑
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  球形碳化钨增强钴基堆焊涂层的组织及低温耐磨性

  石亮, 陈坤, 常雪婷, 王东胜, 尹衍升

  表面技术. 2022, 51(2): 165-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.015

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  目的 提升低温钢的摩擦磨损性能，为极地特殊船板的焊补和延寿技术提供试验依据。方法 利用等离子转移弧技术，在低温钢E32表面堆焊制备3组球形不同碳化钨含量的钴基涂层，比较该改性涂层和E32钢在低温条件下(–20 ℃)的摩擦磨损性能。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、3D光学轮廓仪等研究手段，分析碳化钨含量对堆焊层耐磨损性能和显微组织的影响规律，并揭示其耐磨损机理。结果 在载荷为50 N、滑动速度为20 mm/s条件下，经2 h干滑动摩擦磨损后，3组涂层较低温钢E32的摩擦系数和体积磨损率均下降，磨痕的宽度和深度均变小。富含WC、W2C增强相以及Cr23C6、Cr7C3、Co6W6C和Fe6W6C等碳化物硬质相的涂层，显著提升了E32钢的硬度和低温耐磨性。涂层的低温耐磨性能随着碳化钨含量的增大而提高，未添加碳化钨的涂层的主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损，当碳化钨的质量分数为30%和60%时，主要磨损机理为三体磨粒磨损。结论 通过在E32钢表面进行等离子转移弧堆焊，得到了结构致密、高硬度和抗低温耐磨性的球形碳化钨增强钴基表面改性涂层，在一定程度上提升了低温钢的服役寿命。
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  采油液力马达转子表面织构参数对其摩擦副摩擦学性能的影响

  黄志强, 熊辰, 钱韦吉, 王美玲, 杨仁松

  表面技术. 2022, 51(2): 176-184, 231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.016

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  目的 研究微沟槽织构对采油液力马达定转子配副表面摩擦学性能的影响，为减小液力马达螺旋副的摩擦阻力矩，从而解决大庆油田某型号液力驱动螺杆泵采油系统停机后启动困难的问题提供设计方向。方法 根据螺杆马达螺旋副，建立金属-橡胶平板往复摩擦模型，在金属试件表面加工出不同织构角度和深度的矩形微沟槽，采用正交试验方法，研究不同织构参数对液力马达螺旋副摩擦性能的影响规律，最后再对比分析橡胶试件摩擦磨损试验前后的表面形貌，以掌握织构存在对橡胶定子使用寿命的影响规律。结果 织构角度一定时，除90-5号试件以外，其余各组试件的摩擦因数表现出随织构深度的增加而增加的现象。织构深度一定时，各组试件的摩擦因数随织构角度的增大而表现出先增大后减小的现象。织构角度是摩擦因数的主要影响因素。相同试验条件下，0—5号试件的摩擦因数比未织构试件降低了20.2%。结论 在液力马达定转子这种金属-橡胶接触对中，织构的减摩机理主要是通过微沟槽输送润滑介质，改善润滑条件。织构参数设计合理的试样，在不缩减液力马达使用寿命的条件下可以有效减小摩擦副的摩擦因数，有利于液力驱动螺杆泵采油系统顺利启动。
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  抑制钢轨波磨的梯形轨道结构的多参数拟合与优化

  崔晓璐, 李童, 漆伟

  表面技术. 2022, 51(2): 185-192, 222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.017

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  目的 研究地铁车辆结构一系悬挂及轨道结构支承刚度和阻尼对梯形轨道小半径曲线钢轨波磨的影响规律，并提出抑制相应区段钢轨波磨的多参数拟合优化方法。方法 基于轮轨系统的摩擦自激振动理论，构建梯形轨道小半径曲线段上带有一系悬挂轮轨系统的有限元模型。然后通过复特征值分析，研究地铁梯形轨道小半径曲线段轮轨系统的摩擦自激振动特性。最后开展地铁车辆结构一系悬挂及轨道结构支承刚度和阻尼的参数化分析，采用最小二乘法，对影响不稳定振动的关键参数进行多参数拟合。根据该拟合方程，采用遗传算法进行关键参数的优化匹配。结果 在曲线半径为350 m的梯形轨道上，轮轨间因存在饱和蠕滑力，引起摩擦自激振动，在439.02 Hz时，产生了不稳定振动，从而导致了钢轨波磨的产生。影响轮轨间不稳定振动的关键因素为扣件的垂向刚度、横纵向刚度、垂向阻尼和减振材料的垂向刚度。结论 当扣件的垂向刚度为36 MN/m、扣件的横纵向刚度1.68 MN/m、扣件的垂向阻尼为2.9 kNs/m、减振材料垂向刚度为5.57 MN/m时，可有效抑制梯形轨道小半径曲线段上钢轨波磨的发生。
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  双粗糙表面的微动磨损行为研究

  李玲, 李港华, 吕刚, 史小辉, 阮晓光

  表面技术. 2022, 51(2): 193-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.018

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  目的 建立符合实际情况的粗糙表面微动磨损模型，准确揭示连接结构的磨损机理。方法 利用ABAQUS有限元软件中的UMESHMOTION子程序和能量耗散模型，建立粗糙表面的微动磨损模型，并探究不同表面粗糙度、材料和振动频率对粗糙表面微动磨损的影响。结果 在外部载荷、振动频率和材料相同的情况下，下试件表面粗糙度为0.2 μm的磨损深度最小，0.8 μm的磨损深度最大，0.5 μm的磨损深度处于二者之间。当外部载荷、振动频率和表面粗糙度相同时，上试件材料为HT200的磨损深度最小，合金钢的磨损深度最大。当外部载荷、表面粗糙度和材料一定时，振动频率为1 Hz的磨损深度最小;频率增加到20 Hz时，磨损深度达到最大;增加到25 Hz时，磨损深度呈现减小趋势。结论 粗糙模型的接触压力和磨损深度分布具有离散性。粗糙模型能反映磨损的实际接触面积，使得有限元模拟的表面接触和磨损情况更加准确。表面粗糙度和材料刚性的增大，使粗糙表面模型的磨损深度明显增大，而振动频率增大，使磨损量先增大、后减小，频率为20 Hz时的磨损量最大。
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  非对称通道内亲疏水结构影响下的纳米气泡滑移效应

  戴双武, 卢艳, 高友明, 李扬帆

  表面技术. 2022, 51(2): 202-210. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.019

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  目的 研究非对称性通道中亲疏水表面结构影响下纳米气泡特征与边界滑移之间的关系，以实现良好的流体减阻效果。方法 采用二元体系分子动力学方法，研究纳米气泡在通道流动中产生的滑移减阻效应。首先建立上下壁面非对称微通道模型，通过考虑微通道流动传热过程，探究纳米气泡影响下的微通道界面速度滑移现象。结果 保持亲水下壁面高度以及上下壁面温差不变的情况下，增加上壁面纳米结构高度，对通道中纳米气泡体积产生促进作用。另外，当上壁面为疏水壁面时，气泡呈现为壁面形式，并且随着体积增大，相对应通道中上壁面滑移长度增大;当上壁面为亲水壁面时，纳米气泡呈现为体相形式，并且随着体积增大，对应上壁面滑移长度减小。结论 非对称性通道内，在上壁面结构高度影响下，壁面形式的气泡体积增大对通道内减阻具有促进作用，而体相形式的气泡体积增大对通道内减阻具有抑制作用。
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  超声表面滚压加工对20CrMoH钢摩擦磨损性能的影响

  屈盛官, 吴志兵, 张亚龙, 王金涛, 李小强, 耿建伟, 邓云庆

  表面技术. 2022, 51(2): 211-222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.020

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  目的 提高20CrMoH钢的耐磨性能。方法 设置不同的超声滚压力(700、1000、1300 N)与次数(3、6次)，对20CrMoH钢进行超声表面滚压加工。采用扫描电子显微镜、粗糙度测量仪、光学显微镜、显微硬度测量仪、X射线应力分析仪、端面型滑动磨损试验机和3D形貌仪等设备，分别对加工前后试样的表面形貌、粗糙度、金相组织、显微硬度、表面残余压应力和摩擦磨损等性能进行对比分析。结果 经过超声表面滚压加工的试样，与未处理试样相比，在各项性能上都有较大的提升。表面形貌更加光整，粗糙度Ra从0.82 μm下降至0.331 μm;表面显微硬度从760HV0.2提高到856HV0.2，提升了12.63%;表面残余压应力从–286 MPa提高到–565 MPa;磨损机制从未处理试样的以磨粒磨损和疲劳磨损为主转变为以磨粒磨损和氧化磨损为主。试样在1000 N的作用力下进行6次超声滚压加工后，材料的耐磨性能最好，与未处理试样相比，稳态平均摩擦系数大幅下降，磨损体积从2.29 mm³减小到0.74 mm³，减小了67.69%。结论 超声表面滚压加工能有效改善20CrMoH钢试样的表面质量，细化表层晶粒组织，增加表面硬度与表面残余压应力，显著提升材料的耐磨性能。
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  固体渗氮C422钢的显微结构及其缺口敏感性

  秦小龙, 张健, 缪春辉, 王若民, 陈国宏, 汤文明

  表面技术. 2022, 51(2): 223-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.021

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  目的 针对固体渗氮C422(22Cr12NiMoWV)钢，开展渗氮层显微组织结构及其缺口敏感性的研究，为C422汽轮机阀杆服役可靠性评价提供技术支持。方法 采用固体渗氮剂对C422钢表面进行渗氮，通过渗氮层的成分与物相检测、显微组织结构观察、力学性能测试及断口形貌分析，揭示不同温度及时间条件下C422钢渗氮层的显微组织特征，以及渗氮对该钢有无缺口试样拉伸力学性能，尤其是缺口敏感性的影响。结果 C422钢表面渗氮层主要由Fe3N、Fe4N、Cr23C6、CrN、VN、WN等化合物构成。550 ℃、6 h渗氮后，渗氮层厚度为80 μm，组织致密，硬度高。随着渗氮温度的升高，保温时间的延长，渗氮层的厚度变化不大，但渗氮层组织粗化，并产生表面裂纹。有无渗氮C422钢的缺口敏感参数均小于1，对缺口轻微敏感，渗氮增加了缺口敏感性，渗氮导致C422钢试样的屈强比升高，塑性下降，渗氮层呈解理断裂，脆性断裂特征明显。结论 渗氮温度为550 ℃、保温时间为6 h是C422钢最佳的固体渗氮工艺参数，渗氮层结构致密，硬度高，渗氮对C422钢的缺口敏感性没有明显影响，但脆性有所增加。
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  超细VC对激光熔覆H13合金显微组织和耐磨性的影响

  赵菲, 刘子敬, 张杰, 吴志生

  表面技术. 2022, 51(2): 232-240. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.022

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  目的 通过添加超细VC颗粒改善Q235合金表面激光熔覆H13涂层的显微组织，并提高其耐磨性。方法 利用激光熔覆技术在Q235表面制备了H13/VC复合涂层，利用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪以及摩擦磨损试验仪，研究了超细VC颗粒不同添加量对涂层微观结构、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。结果 激光熔覆H13/VC复合涂层与基体呈冶金结合，无明显气孔和裂纹等缺陷。超细VC颗粒在激光熔覆过程中全部熔解，显著改变了涂层的微观特征。V元素没有明显的元素偏析现象，但是随着超细VC含量的增加，枝晶干和枝晶间内的V元素含量呈现增加的趋势。超细VC颗粒起到了固溶强化的作用，促使熔覆层的显微硬度随着超细VC含量的增加而增加。H13熔覆层的平均显微硬度为504.21HV0.3，随着超细VC含量的增加，复合涂层的显微硬度逐渐增加(608.21、658.24、680.41HV0.3)。H13熔覆层的磨损体积为3.97×10^?2 mm³，当VC添加量为2%时，复合涂层的耐磨性较H13合金有所提高，摩擦因数保持在较小的范围内，主要以磨粒磨损和氧化磨损为主，粘着磨损为辅。随着超细VC含量的增加，复合涂层的磨损体积逐渐减少，当VC添加量为10%时，复合涂层的磨损体积为2.69×10^?2 mm³，约为未添加超细VC颗粒涂层的2/3。结论 超细VC的添加有助于改善合金的显微组织和耐磨性。
腐蚀与防护
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  氨基链修饰氧化石墨烯/环氧树脂界面性能的分子动力学模拟

  孙伟松, 于思荣, 薛瑞婷, 尹晓丽, 王珺, 王丽媛

  表面技术. 2022, 51(2): 241-248. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.023

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  目的 对氨基链修饰氧化石墨烯与DGEBA/3,3′-DDS环氧树脂复合材料界面的形成过程和性能进行理论研究，为环氧树脂涂层的性能改性提供理论依据。方法 利用Materials Studio 2019软件的Amorphous Cell模块建立了复合材料界面模型，采用分子动力学模拟方法对界面的结构、能量变化、界面处基团运动过程、界面处浓度分布和界面结合能进行计算，确立了表面氨基链修饰氧化石墨烯与环氧树脂复合材料界面的形成机制。结果 复合材料界面的温度和能量经过初始模拟阶段(t<50 ps)后在小范围内震荡，体系处于动力学平衡状态。界面的形成过程经历了竖直方向的靠近运动、小范围内的震荡平衡和层间相互切向运动3个阶段，主要是氧化石墨烯表面的羧基和环氧树脂内部包含反应碳原子的分子链段之间相互作用。表面氨基链修饰氧化石墨烯浓度峰呈单一的峰，环氧树脂浓度峰含有多个峰值，界面厚度为0.82 nm。界面间的相互作用主要体现为氧化石墨烯表面官能团与环氧树脂分子间存在的范德华力，计算得界面作用能为27.596 kcal/mol。结论 表面氨基链修饰氧化石墨烯表面羧基与环氧树脂间相互作用的强弱决定了界面性能的优劣，从而直接影响复合材料的力学性能。分子动力学模拟可作为环氧树脂涂层改性研究行之有效的方法，为改性增强剂的选择提供理论依据。
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  W-SiC-C/C复合材料制备及等离子烧蚀性能

  王富强, 陈建, 张智, 谢栋, 崔红

  表面技术. 2022, 51(2): 249-258, 305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.024

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  目的 提高C/C复合材料在超高温下的抗烧蚀性能。方法 采用化学气相沉积法，在C/C复合材料表面制备SiC过渡层，然后以惰性气体保护等离子喷涂工艺在带有SiC过渡层的C/C材料表面制备W涂层，研究所制备的W-SiC-C/C复合材料的微观形貌与结构特征。以200 kW超大功率等离子焰流，考核W-SiC-C/C材料的抗烧蚀性能，并与无涂层防护的C/C材料进行对比分析。结果 W涂层主要为层状的柱状晶结构。W涂层与SiC过渡层、过渡层与基体界面呈镶嵌结构，结合良好。SiC过渡层阻止了W、C元素相互迁移与反应。在驻点压力为4.5 MPa、温度约5000 K、热流密度为36 MW/m²的烧蚀条件下，当烧蚀时间小于10 s时，涂层对C/C材料起到了较好的保护作用，W涂层发生氧化烧蚀，基体未发现烧蚀，平均线烧蚀率为0.0523 mm/s;当烧蚀时间超过15 s后，涂层防护作用基本失效，基体C/C材料发生烧蚀现象。结论 以W涂层、SiC过渡层为防护的C/C复合材料，能够适用于短时间超高温的烧蚀环境，如固体火箭发动机等。W涂层的熔融吸热、氧化耗氧以及SiC过渡层的氧化熔融缓解涂层热应力和氧扩散阻碍的联合作用，提高了C/C材料的抗烧蚀性能。
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  苯并三唑对碳钢/铜合金电偶腐蚀行为的影响

  王琳, 周漪, 李传鹏, 刘杰

  表面技术. 2022, 51(2): 259-267. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.025

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  目的 研究NaCl溶液中苯并三唑(BTA)对碳钢/铜合金电偶腐蚀行为的影响。方法 使用丝束电极(WBE)技术和电化学阻抗谱(EIS)技术研究在未添加和添加BTA的NaCl溶液中，丝束电极表面的电位分布、电流密度分布和电化学阻抗谱演化，同时对比分析碳钢区域与铜合金区域的阻抗谱特征。结果 在未添加BTA的条件下浸泡72 h时，碳钢表面阳极电流区域所占比例为80%，且电流密度的分布区间较窄。在添加BTA的条件下浸泡72 h后，碳钢表面的阳极面积占比为86%，其电流密度的分布区间明显变宽。铜合金在添加缓蚀剂条件下的阻抗值大于未添加缓蚀剂条件下的阻抗值;碳钢在添加和未添加BTA溶液中的阻抗均较小。结论 铜合金和碳钢在NaCl溶液中电耦合时，BTA的添加会增大碳钢的电化学不均匀性。在铜合金和碳钢的电偶腐蚀过程中，BTA的添加仅对铜合金起到了良好的缓蚀作用，对碳钢的缓蚀作用并不明显。与碳钢/铜合金偶对相比，铜合金在含有BTA的溶液中单独浸泡时，表面形成的Cu-BTA分子膜更稳定且缓蚀效果更好。随着浸泡时间的延长，WBE在添加BTA的NaCl溶液中的电极反应速率逐渐增加，而在未添加BTA的条件下WBE的电极反应速率的变化恰好相反。
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  氯化胆碱-尿素低共熔溶剂中锌的电沉积研究

  孙海静, 王贺, 杨帅, 付旭, 战充波, 张润佳, 周欣, 陈国亮, 孙杰

  表面技术. 2022, 51(2): 268-275, 305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.026

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  目的 研究锌在氯化胆碱-尿素低共熔溶剂(ChCl-Urea DES)中的电化学行为、电结晶机理、电沉积历程和耐蚀性。方法 采用循环伏安(CV)和计时电流技术(CA)，研究了锌在玻碳电极上的电化学行为和电结晶机理。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射技术(XRD)对锌镀层的微观形貌和物相组成进行了表征。采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱，对比研究了ChCl-Urea DES和水溶液中锌镀层的耐蚀性。结果 CV测试表明，在Zn(Ⅱ)的氧化还原过程中仅出现了一对氧化还原峰，这说明Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中为一步还原及氧化，且还原峰电位为?1.207 V(vs. Ag)。不同扫描速度下的CV曲线表明，还原峰和氧化峰的峰值电位Ep和峰值电流Ip均随扫描速率v的变化而有规律的偏移，这符合不可逆电极反应的特征。对Ip和v^1/2的关系进行了线性拟合，发现Ip与v^1/2之间符合线性关系，故可认为Zn(Ⅱ)的还原反应是受扩散控制的，进一步计算出扩散系数DZn(Ⅱ)为6.67×10^?8 cm²/s。在–1.141 ~ –1.147 V下测定CA曲线，通过对比拟合CA曲线和理论曲线发现，Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中的形核方式不符合三维瞬时成核和三维连续成核，是一种具有两种形核方式特征的混合形核。SEM结果表明，不同沉积时间下锌镀层的微观形貌相差较大。随着沉积时间的增加，锌晶粒由细小、粒径均一的颗粒逐渐变化成大小颗粒交叠存在的六方形立体结构，然后又变成线状或棒状的结构，最终转变为六方形的片状晶粒。XRD表明，锌镀层由六方晶相的多晶锌构成。动电位极化曲线测试和电化学阻抗图谱表明，在没有任何添加剂的情况下，ChCl-Urea DES可获得与水溶液中耐蚀性相当的锌镀层，且ChCl-Urea DES中锌镀层的沉积速率略高于水溶液。结论 Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中的电沉积过程是受扩散控制的不可逆电极过程，形核方式不符合三维瞬时成核和三维连续成核，是一种具有两种形核方式特征的混合形核。锌镀层是由六方晶相的多晶锌构成的。在ChCl-Urea DES中可获得与水溶液中耐蚀性相当的锌镀层，且沉积速率略高于水溶液。
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  CLAM钢表面铝化物涂层的制备与铅液相容性研究

  赵小军, 梁晓, 刘少军, 肖来荣, 蔡圳阳, 涂晓萱, 吕沛泽

  表面技术. 2022, 51(2): 276-283, 294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.027

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  目的 探索铝化物涂层的制备工艺，研究其是否能有效抑制铅液对CLAM钢的腐蚀。方法 用配制的渗剂对CLAM钢进行包埋渗铝，并通过随后的热扩散和原位氧化处理，在CLAM钢表面制备铝化物涂层，研究不同渗铝时间和热扩散时间对涂层厚度的影响。通过静态氧化试验和铅液腐蚀试验，分别评价铝化物涂层的抗氧化性能及其与铅液的相容性，采用XRD、SEM和EPMA分析涂层的相组成以及铅液腐蚀前后的微观形貌和元素分布。结果 包埋渗铝+热扩散+原位氧化处理制备的铝化物涂层主要由约30 μm的FeAl相层和约70 μm的α-Fe(Al)固溶体层组成。在热处理过程中，由于Al和Fe的互扩散现象，涂层中的Fe-Al相依次经过了Fe2Al5、FeAl2、FeAl、Fe3Al和α-Fe(Al)的转变。在600 ℃空气中静态氧化120 h后，铝化物涂层试样氧化质量增量为0.028 mg/cm²，比CLAM钢的氧化质量增量降低了1个数量级，铝化物涂层使CLAM钢的氧化动力学曲线由直线规律转变为抛物线规律。经550 ℃铅液腐蚀600、1800 h后，铝化物涂层的腐蚀质量增量分别为0.058、0.077 mg/cm²，仅约为CLAM钢的1/120。CLAM钢表面产生了疏松多孔的铁氧化物层，而铝化物涂层没有发生明显的腐蚀，但是腐蚀1800 h后，随着表面铝含量的不断消耗，Al2O3层厚度逐渐减小。结论 铝化物涂层具有良好的抗氧化性能及与铅液的相容性，能够有效抑制铅液对CLAM钢的腐蚀。
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  NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN涂层的腐蚀磨损行为

  杨英, 刘永康, 王芳, 李乐, 陈建军, 杨贵春, 李伯荣, 郑军

  表面技术. 2022, 51(2): 284-294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.028

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  目的 在中碳钢表面制备金属+氮化物涂层以研究其在腐蚀、磨损耦合环境下的服役行为。方法 利用电弧离子镀技术在42CrMo钢基体表面制备NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN双层涂层，通过改变氮气流量来调控涂层中氮元素含量。采用显微硬度计以及特制的腐蚀磨损试验机，同时结合XRD、XPS、SEM等各类表征技术研究涂层力学及腐蚀磨损行为。结果 NiCoCrAlYN涂层物相主要为γ-Ni、γ‘-Ni3Al、fcc-CrN和fcc-AlN。随着N2流量的逐步引入，涂层中CrN/AlN陶瓷相含量增加，显微硬度从575HV0.05逐渐提升至730HV0.05，而结合力等级从HF 2下降至HF 3。NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN双层涂层比NiCoCrAlY单层涂层具有更佳的腐蚀磨损性能，且随着N含量的增加而显著提升。当N2流量为400 mL/min时，涂层显示出最佳的腐蚀磨损性能。此外，涂层的失效形式也由磨损失效逐渐转变为腐蚀失效。结论 由于氮化物表层的高硬度特性增强了涂层耐磨性，NiCoCrAlY-NiCoCrAlYN界面的阻挡作用提高了涂层耐蚀性，加之底部NiCoCrAlY层具有良好的韧性和延展性，三者的综合作用导致NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN双层涂层的腐蚀磨损性能优于NiCoCrAlY单层涂层。
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  阳极反应气氛氢气对聚苯胺/不锈钢耐蚀性的影响

  杨佳宇, 周婉秋, 刘晓安, 辛士刚, 康艳红, 孙秋菊

  表面技术. 2022, 51(2): 295-305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.029

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  目的 为了提高双极板在质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作环境下的耐蚀性。方法 在1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐([EMIM][DEP])离子液体中，在316 L不锈钢(SS)基体上电聚合聚苯胺(PANI)膜。用红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)进行微观结构表征。通入氢气(H2)模拟阳极反应气氛，控制电位为?0.1 V(vs. SCE)，模拟阳极工作电位，采用开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和极化曲线研究H2对PANI/316 L SS双极板腐蚀性能的影响。结果 FTIR显示有苯环、醌环、P==O和—COOH伸缩振动，Raman显示有掺杂态半醌自由基C—N^+.伸缩振动，XPS表明PANI 膜含有C、N、O和P等元素。极化曲线腐蚀电流密度按照H2>N2>O2(DO)依次增大，EIS容抗弧半径按照H2<N2<O2 O2(DO)依次减小。H2环境使PANI/316 L SS体系OCP下降0.06 V，电荷转移电阻(Rct)值下降55 Ω/cm²，自腐蚀电位下降0.3 V左右。结论 PANI具有中间氧化态结构， (CH3CH2)2PO4^?和HOOC—COO^?作为“对阴离子”在PANI中发生共掺杂。在PEMFC阳极工作电位下，H2对PANI/316 L SS耐蚀性有显著影响，H2使PANI膜发生还原，—N⁺==与—N⁺H—的和与总N原子含量的比值(N⁺/N值)下降1.4%，导致PANI分子链中的“对阴离子”发生脱掺杂，PANI/316 L SS体系耐蚀性下降。
精密与超精密加工
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  锆元素诱导非球形磨粒对氧化锆陶瓷的化学机械抛光性能

  丁振宇, 雷红

  表面技术. 2022, 51(2): 306-312, 330. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.030

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  目的 为了提高氧化锆陶瓷手机背板的化学机械抛光(CMP)性能，合成新型非球形二氧化硅磨粒，并分析非球形二氧化硅磨粒在CMP过程中的作用机理。方法 利用Zr⁴⁺阳离子对球形二氧化硅纳米颗粒间作用力进行调控，制备Zr⁴⁺与SiO2的质量比分别为0、0.025、0.050、0.075、0.100的抛光磨粒;利用纳米粒度电位仪和电子扫描显微镜(SEM)分析抛光液胶体稳定性和磨粒形貌;采用表面粗糙度(Sa)和材料去除率(MRR)来分析磨粒的化学机械抛光性能;利用改装后的摩擦因数仪和X射线光电子能谱仪(XPS)揭示非球形二氧化硅对氧化锆陶瓷的作用机理。结果 在锆元素相对含量(以质量分数计)为0.075%时，得到了分散性良好的非球形二氧化硅磨粒抛光液，相较于球形二氧化硅磨粒抛光液，MRR提升了40.5%，并得到了Sa为1.74 nm的光滑表面;XPS分析结果表明，在抛光过程中二氧化硅磨粒可与氧化锆发生固相化学反应，生成更易去除的ZrSiO4。摩擦因数测量结果表明，非球形二氧化硅磨粒与陶瓷片的摩擦因数从球形磨粒时的0.276提高到0.341。结论 非球形的二氧化硅磨粒在抛光过程中具有更高的摩擦因数和化学机械协同作用，能高效地去除表面粗糙峰，并获得粗糙度为纳米级的平整表面，实现对氧化锆陶瓷手机背板的高效、高精度抛光。
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  脉冲电磁场辅助平面磁粒研磨加工试验

  杨欢, 陈松, 张磊, 徐进文, 陈燕

  表面技术. 2022, 51(2): 313-321. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.031

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  目的 在传统的平面磁粒研磨加工中添加脉冲辅助磁场，增大加工区域中磁感应强度和加工时磁感应强度动态变化，丰富磨料粒子在加工时的运动形式，使研磨轨迹复杂化，降低工件表面粗糙度，获得更好的工件表面形貌。方法 通过分析磨料粒子在有无辅助磁场时各自的受力情况，探究辅助磁场对磨料在加工时运动状态的影响，研究脉冲辅助磁场下磨料的运动行为机理。利用Ansoft Maxwell软件对电磁铁不同形状的磁极头产生的磁场进行模拟对比，确定理论上最优的磁极头形状。同时模拟对比脉冲电流在不同时刻加工区域内磁感线的分布情况，以及恒定磁场和脉冲磁场下磨料的运动轨迹。通过试验对比无辅助磁场、恒定辅助磁场和脉冲辅助磁场下磁粒研磨加工SUS304不锈钢的表面形貌和表面粗糙度。结果 在磁粒研磨加工中，磁性磨料分布受磁感线的影响，在脉冲辅助磁场的作用下加工区域内的磁性磨料会随磁感线的变化而做周期性的往复运动，加工时会有更为复杂的研磨轨迹。模拟3种不同形状的磁极头在加工区域产生的磁感应强度曲线，平面、圆锥面和半球面在中点处的磁感应强度峰值分别为655、636、702 mT。以SUS304不锈钢板作为试验对象，原始表面粗糙度为0.46 μm，采用半球形的电磁铁磁极头，在研磨间隙为2 mm、永磁极转速为800 r/min、进给速度为5 mm/s的试验条件下，对比电磁铁不通电、通入0.8 A直流电流、通入1 Hz，占空比50%，峰值电流0.8 A的单向脉冲电流3种辅助磁场分别对工件研磨30 min后的工件表面形貌，无辅助磁场时工件表面仍残留一些原始纹理;恒定辅助磁场下工件表面原始纹理被去除，但表面存在明显圆弧形研磨痕迹;脉冲辅助磁场下工件表面形貌更为光整、平滑。研磨后工件表面粗糙度分别降至0.28、0.13、0.06 μm。结论 脉冲磁场辅助磁粒研磨在提高加工区域磁感应强度的同时，可使磁性磨料在加工时做周期性运动，研磨轨迹复杂化，促进了磨料的更新，相比传统磁粒研磨和恒定辅助磁场磁粒研磨工艺，脉冲磁场辅助磁粒研磨加工后的工件表面形貌更加平滑，表面粗糙度更低。
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  磁极开槽对磁粒研磨加工镍钛合金血管支架管材内壁表面质量的影响

  邓曰明, 赵玉刚, 宋壮, 刘广新, 高跃武, 刘谦, 张夏骏雨, 代迪

  表面技术. 2022, 51(2): 322-330. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.032

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  目的 提高镍钛合金血管支架管材内壁的表面质量及磁粒研磨加工效率，研究开槽与不开槽磁极对磁粒研磨加工镍钛合金血管支架管材内壁表面质量的影响。方法 建立了有限元仿真模型，分别模拟了开槽磁极与不开槽磁极的磁感应强度分布情况。结合仿真结果，使用搭建的镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨加工设备，分别采用开槽磁极和不开槽磁极进行镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨加工实验。使用超景深3D显微镜对研磨前后表面粗糙度进行测量，使用扫描电子显微镜对内壁表面微观形貌进行对比分析。结果 在工艺参数组合为管材旋转速度100 r/min、磁极进给速度5 mm/min、磨料填充量0.1 g、磨料粒径100.00 μm、往复加工1次的参数条件下，使用不开槽磁极进行加工，管材内壁表面粗糙度Ra由加工前的0.5 μm降至0.24 μm，下降52%;使用开槽磁极进行加工，管材内壁表面粗糙度Ra由加工前的0.5 μm降至0.11 μm，下降78%。结论 磁极开槽后，在改善磁感应强度分布的同时，避免了因磁极所产生的磁驱动力不足以克服磁粒刷与管材工件间的摩擦力而产生的磁性磨粒的滞后现象。同时加工2个工作行程，使用开槽磁极对镍钛合金血管支架管材内壁进行磁粒研磨加工，内壁原始缺陷层的去除效果更好，加工后管材内壁表面质量更优。根据表面粗糙度值的变化趋势，开槽磁极研磨加工效率更高。
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  基于航空铸造钛合金Ti-6Al-4V高速铣削参数的表面质量及切削效率优化

  王慧, 李南奇, 赵国超, 周国强

  表面技术. 2022, 51(2): 331-337, 346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.033

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  目的 研究高速铣削参数对航空铸造钛合金Ti-6Al-4V表面质量的影响规律及交互作用，并基于高速铣削参数对表面质量和材料去除率进行优化。方法 采用Box-Behnken设计和二次回归正交实验法，建立高速铣削参数与表面粗糙度的显著不失拟回归模型，获得铣削参数影响表面粗糙度的显著性差异，挖掘高速铣削参数交互作用与表面粗糙度的关系;基于表面粗糙度回归模型及材料去除率，采用遗传算法(GA)，对高速铣削参数进行多目标优化。结果 铣削参数影响航空铸造钛合金Ti-6Al-4V试件表面粗糙度的显著性顺序为:切削深度>每齿进给量>切削宽度>主轴转速，其中切削宽度和主轴转速、每齿进给量和主轴转速的交互作用较为明显。利用遗传算法对铣削参数优化后，Ti-6Al-4V表面粗糙度较优化前提高44%，材料去除率提高70%，遗传算法优化后的试件表面粗糙度显著降低，表面刀路行距减小，纹理平均高度降低。结论 由实验验证可知，通过响应曲面建立表面粗糙度显著不失拟回归模型具有较高的预测精度，基于遗传算法优化获得的铣削参数可有效提高表面质量和切削效率，对保证航空铸造钛合金Ti-6Al-4V表面质量具有较好的指导意义。
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  微织构刀具切削性能及减摩效果的仿真分析

  刘伟, 刘顺, 梁桂强, 袁厚才

  表面技术. 2022, 51(2): 338-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.034

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  目的 研究3种不同类型微织构在钛合金(TC4)切削过程中对刀具切削性能的影响。方法 基于有限元分析软件，在硬质合金刀具的前刀面上设计半圆凹型微织构、半圆凸型微织构以及梯形槽微织构3种不同类型的微织构，通过改变微织构直径或宽度、微织构间距和微织构覆盖长度，研究微织构刀具对背向力、切削温度以及摩擦力的影响。结果 对背向力而言，半圆凹型微织构刀具、半圆凸型微织构刀具、梯型槽微织构刀具在最佳微织构参数下可分别降低14.0%、13.9%、18.6%;但半圆凸型微织构直径大于8 μm时，背向力超过了无织构刀具。对切削温度而言，3种微织构刀具在最佳微织构参数下可分别降低5.9%、10.7%、9.6%。对刀具所受摩擦力而言，3种微织构刀具在最佳微织构参数下可分别降低23.0%、27.7%、21.9%。 结论 合理的表面微织构能够改善刀具的切削性能。梯型槽微织构刀具降低背向力效果最佳;半圆凸型微织构刀具降温和减摩效果最佳。刀具切削性能随微织构直径和微织构间距的增加呈先减小后增大的趋势，且存在最优的微织构参数。在刀-屑接触长度范围内，微织构覆盖长度越长，减摩效果越好。
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  PVA/PF复合凝胶磨具精密磨削碳化硅陶瓷工艺实验研究

  冯凯萍, 吕冰海, 朱国旗, 赵天晨, 周兆忠

  表面技术. 2022, 51(2): 347-357. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.035

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  目的 针对传统粉末热压成形细粒度金刚石磨具存在颗粒团聚、磨削碳化硅陶瓷容易在表面产生较深划痕的问题，提出一种基于冷冻-解冻凝胶成形的细粒度金刚石磨具，用于精密磨削碳化硅陶瓷，并研究其加工工艺。方法 制备聚乙烯醇-酚醛树脂复合凝胶胶水，将金刚石和填料在凝胶胶水中剪切分散，得到的浆料浇筑在模具中，在–20 ℃低温条件下反复冷冻，形成胶体，再经干燥、烧结，得到粒度为2.5 μm的细粒度金刚石磨削磨具。采用制备的金刚石凝胶磨具磨削碳化硅平面反射镜，对比不同磨具转速、进给速度、磨削深度工艺条件下的表面磨削质量。结果 在低温条件下，聚乙烯醇-酚醛树脂分子链发生了物理交联，形成凝胶体，凝胶结合剂结合强度高，且分布均匀，所制备的凝胶磨具强度高于热压磨具，该方法可以解决传统粉料压制成形方法容易出现物相团聚、微观结构不一致的问题。磨削结果显示，当磨削进给速度为0.008 mm/min、磨具转速为1450 r/min、磨削深度为0.016 mm、转台转速为60 r/min时，获得了表面粗糙度Ra低于3.5 nm的镜面磨削效果，表面质量好于热压磨具磨削效果，3个?100 mm区域平面度PV值均小于0.5 μm。结论 采用聚乙烯醇-酚醛树脂复合凝胶成功制备了细粒度金刚石磨削磨具，通过优化磨削工艺参数，为碳化硅平面反射镜镜面加工提供了一种新的加工工艺。
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  基于BP神经网络与遗传算法的固结磨具制作工艺参数优化

  张翔, 王应刚, 陈泓谕, 杭伟, 曹霖霖, 邓辉, 袁巨龙

  表面技术. 2022, 51(2): 358-366. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.036

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  目的 利用BP神经网络技术与遗传算法寻找固结磨具制作最优工艺参数组合，实现固结磨具制作工艺参数的快速寻优。方法 设计磨粒粒径、磨粒质量分数、成型压力、烧结温度的正交工艺参数表，按正交表工艺参数制作蓝宝石晶片加工用的Cr2O3固结磨具，并且设计不同固化温度下制作的固结磨具的硬度与抗压强度测试试验，验证自制的固结磨具加工的有效性以及固化温度选择的合理性。使用自制的Cr2O3固结磨具在抛光机上进行加工试验，测量蓝宝石晶片的去除率和Cr2O3丸片的磨削比。综合考虑丸片的磨削效率与使用经济性，将去除率与磨削比采用min-max方法归一化后，乘对应的权重值并相加，得到丸片综合评分Y，作为丸片的评价标准。以磨粒粒径、磨粒质量分数、成型压力、烧结温度为输入，综合评分Y为输出，建立基于神经网络的丸片制作工艺参数与丸片综合评分Y之间的BP神经网络预测模型，并使用决定系数R²评价BP神经网络的训练结果。最后，设计初始化种群个体N、交叉概率Pc、变异概率Pm的正交试验表，基于构建的神经网络，根据正交试验表，使用遗传算法进行制作工艺参数的全局寻优。依据寻优结果制作丸片并进行试验，计算综合评分Y，与预测评分对比。结果 构建了4个输入层神经元、12个隐含层神经元、1个输出层神经元的三层BP神经网络。构建的BP神经网络的决定系数R²为0.9313，丸片综合评分Y的预测值与实际值的误差在4%以下，满足工程的实际应用。在给定的工艺参数范围内，在参数组合为初始化种群个体N为80、交叉概率Pc为0.6、变异概率Pm为0.06的条件下，使用遗传算法寻优得到的蓝宝石加工用Cr2O3固结磨具最优的制作工艺参数组合为:磨粒粒径10 μm，磨粒质量分数88%，成型压力80 MPa，成型温度174 ℃。丸片综合评分Y的寻优值为94.09，试验得到的丸片平均综合评分Y为89.87，与寻优值的误差为5%。结论 BP神经网络可以有效建立固结磨具制作工艺参数与丸片综合性能的预测模型。神经网络结合遗传算法寻优，可以为固结模具制作工艺参数组合的优化选择提供指导意义。
表面功能化
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  高频电刀手术电极表面润湿性对胰管闭合效果的影响

  蒋烁, 杨丹, 刘文韬, 郑靖, 张浩, 李可洲

  表面技术. 2022, 51(2): 367-374. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.037

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  目的 研究手术电极表面润湿性对胰管闭合效果的影响，旨在从电极表面改性角度探索提升高频电刀防胰瘘效果的措施。方法 选用电外科临床常用的304不锈钢手术电极制备电极样品，利用化学刻蚀法在电极表面构建微结构，以改变电极表面润湿性，进而选用新鲜离体猪胰腺作为生物组织样品，使用高频电刀进行胰管闭合试验。对不同表面润湿性的电极样品进行胰管闭合试验后，观察表征电极表面的组织粘附、胰腺断面焦痂形貌、主胰管爆破压和胰腺残端组织损伤。结果 原始304不锈钢手术电极表面接触角为86.1°，经FeCl3溶液一步刻蚀处理后，表面形成微米级凹坑结构，接触角降至65.3°，再经HCl溶液两步刻蚀处理后，微米凹坑上形成纳米孔洞，接触角增大至111.5°。在相同的电外科手术模拟试验工况下，随着手术电极表面接触角的增大，电极表面组织粘附减轻，胰腺断面焦痂组织的孔洞尺寸变小，主胰管的闭合厚度增大、爆破压提高，胰腺残端组织损伤减轻。结论 在电外科手术过程中，高频电刀手术电极表面润湿性会影响胰管闭合效果。表面疏水化可以有效抵抗电极作用于胰腺组织时的表面组织粘附，抑制电极-胰腺组织界面的电弧放电，从而促进胰管的有效闭合，减轻胰腺残端组织损伤，降低术后胰瘘风险。
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  ZrO2纳米颗粒对PEO涂层微观结构及热物理性能的影响

  李国栋, 齐少豹, 朱剑威, 李志杰, 马飞, 李光, 夏原

  表面技术. 2022, 51(2): 375-383. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.038

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  目的 提高PEO涂层的热物理性能。方法 以活塞主流材料——高硅铝合金(ZL109)为基体，在硅酸盐系电解液中，添加不同浓度的ZrO2纳米颗粒，制备一系列ZrO2/Al2O3复合PEO涂层，并通过涡流测厚仪、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分析ZrO2纳米颗粒对涂层生长、微观形貌、元素组成及晶相结构的影响规律。利用差式扫描热量仪(DSC)、激光导热仪(LFA)等设备探究各涂层的热物理性能。结果 在PEO放电过程中，添加ZrO2纳米颗粒使陶瓷膜两侧的击穿电压下降，当ZrO2的质量浓度达到9 g/L时，击穿电压的下降幅度达30 V。ZrO2能抑制陶瓷层中α-Al2O3晶体的生长，同时受放电能量的影响，涂层中的c-ZrO2结晶度先增高、后降低。当ZrO2的质量浓度为1.5 g/L时，涂层的微观形貌呈大孔嵌套小孔的“蜂巢”结构，并使涂层具有显著的低导热(0.13 W/(K.m))特性。当ZrO2的质量浓度为3 g/L时，涂层表面出现显著的微裂纹，开放型孔洞增加，热扩散系数增大(0.7 mm²/s)，热导率最高(0.42 W/(K.m))。结论 ZrO2的引入可以显著改变涂层的微观结构和热物理性能，当ZrO2含量控制在一定量时，复合PEO涂层呈封闭型微孔结构，有助于降低涂层的比热容、热导及热扩散系数。
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  基于TNTs中间层的钌铱钽氧化物阳极制备及强化寿命研究

  俞益航, 王新令, 励蓉, 曹华珍

  表面技术. 2022, 51(2): 384-391. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.039

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  目的 通过TNTs(TiO2纳米管阵列)中间层的引入以及涂层成分调控，制备具有优异析氯性能的长寿命金属氧化物阳极。方法 采用阳极氧化法及热处理工艺，在钛基体上原位生长导电性良好、化学性质稳定的TiO2纳米管阵列，进而通过涂覆、热分解法制备不同组成的RuIrTa氧化物复合电极。利用场发射扫描电镜(FESEM)、 X 射线衍射仪(XRD)等仪器，对电极的微观形貌、成分及晶体结构进行表征。借助循环伏安曲线、加速腐蚀试验研究电极的析氯活性及强化寿命，重点考察了涂覆液配比以及涂覆量等对电极性能的影响，并通过析氯实验研究了所制备的氧化物阳极对水体中氯离子的降解效率。结果 TNTs中间层可以有效减小电极表面涂层的裂纹数量及裂缝间隙，所制备的含TNTs中间层的RuIrTa氧化物电极强化寿命优于无中间层氧化物电极。涂层中Ta的引入可进一步提高电极的强化寿命，但会导致电极的电化学活性降低。此外，适宜的涂覆量是制备均匀涂层的关键，涂覆量过多将导致活性成分利用低、涂层龟裂。综合考虑，涂覆量为4.5 g/m²、Ru∶Ir∶Ta(物质的量比)=3∶7∶1的复合电极的综合性能较佳，不仅析氯活性高，且强化寿命长，可用于水体中微量氯的电解。结论 基于TNTs中间层的钌铱钽氧化物阳极具有优异的稳定性和电化学活性。
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  自相似双层结构自修复超疏水涂层的制备及性能

  鲁浈浈, 唐超, 梁杨, 蔡俊豪, 魏鹏

  表面技术. 2022, 51(2): 392-401. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.040

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  目的 研究自修复超疏水复合涂层的制备工艺及自修复性能。方法 将环氧树脂、中性硅酮胶和疏水纳米SiO2混合制得涂料底层，纳米SiO2与无水乙醇混合得到涂料面层，采用两步浸涂法在载玻片表面制备出具有自修复功能的自相似双层超疏水涂层。利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪和接触角测量仪，对复合涂层的微观形貌、分子结构和润湿性进行了表征。考察了复合涂层的机械稳定性、耐酸碱能力、自清洁能力、耐水冲击能力和自修复机理。结果 制备的双层超疏水涂层具有良好的超疏水性能和自修复能力。涂层静态水接触角达到156°±1.8°，经过30个机械磨损循环后，表层被彻底破坏露出底层，此时涂层接触角为125°±1°，通过在130 ℃环境下加热1 h，涂层的接触角达到157°±1.6°，恢复超疏水能力;同时，所制备涂层拥有优异的耐酸性和自清洁能力，并具有碱性破坏以及水冲击破坏后的自修复能力。结论 自相似双层结构的构建使超疏水涂层拥有自修复能力，有效提高了超疏水涂层的耐磨能力、耐腐蚀能力和耐水冲击能力。