2022年, 第51卷, 第3期　
刊出日期：2022-03-20

  

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特邀综述
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  高碳奥氏体耐热钢晶间腐蚀行为与纳米化快速脱敏的研究进展

  王锐坤, 周晴雯, 高岩

  表面技术. 2022, 51(3): 1-11, 50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.001

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  在传统304不锈钢基础上开发的高碳奥氏体耐热钢Super304H具有优异的高温性能，被大量应用于制造超超临界火电机组的过热器管和再热器管，然而其高碳含量带来的高晶间腐蚀敏感性问题已成为影响Super304H钢安全运行的关键因素。为此，研究人员从Super304H奥氏体耐热钢管材的成分优化、热处理工艺改进，特别是脱敏自愈合工艺调控与机理等几个方面进行了研究，寻求降低该材料晶间腐蚀敏感性的方法。在简介奥氏体耐热钢晶间腐蚀机理的基础上，重点综述了近年来Super304H钢晶间腐蚀防护各类对策的研究进展。目前传统的选取C含量下限、添加Nb稳定化元素和双固溶处理等常规手段，都无法有效遏制Super304H钢在高温服役过程中因M23C6的快速形成而引发的高晶间腐蚀敏感性，只能另辟蹊径。通过采用表面喷丸纳米化工艺，不仅加快富铬碳化物M23C6的形成，而且也促进了贫铬区的自愈合，实现了快速脱敏的目标。然而，严重的塑性变形组织在高温时效早期便出现富铬sigma相快速析出的异常现象，导致Super304H钢的腐蚀性能劣化。对此，进一步调节喷丸处理的工艺参数，在避免sigma相析出的前提下获得贫铬区快速脱敏自愈合的最优脱敏工艺，并维持了纳米晶的稳定性，而且所进行的脱敏处理没有对不锈钢的均匀腐蚀性能带来负面影响。最后展望了奥氏体耐热钢晶间腐蚀防护技术在超超临界机组领域的发展方向。
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  高性能难加工材料可磨削性研究进展

  卢守相, 郭塞, 张建秋, 江庆红, 周聪, 张璧

  表面技术. 2022, 51(3): 12-42. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.002

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  高性能难加工材料在高端制造业中的应用越来越广泛，关键零部件的精度要求极高，而材料的可磨削性差，对磨削加工工艺提出了严峻挑战。为了提高难加工材料磨削表面完整性，降低砂轮磨损，国内外学者开展了大量研究。全面回顾了难加工金属材料、硬脆材料以及复合材料可磨削性的国内外研究进展，包括工件表面完整性、砂轮堵塞与磨损、磨削颤振以及改善可磨削性的先进技术4个方面。对不同类型难加工材料可磨削性的特点及共性问题展开了讨论，总结了各类难加工材料加工损伤的成因，指出改善难加工材料可磨削性的主要思路是降低磨削力和磨削温度。分析了磨削力和磨削热的来源以及对表面完整性和砂轮磨损的影响，提出了基于“节源”和“开流”思想降低磨削力和磨削温度的工艺策略，并对难加工材料高质高效加工方法进行了展望，指出高性能砂轮及其修整技术、高效冷却润滑技术、多能场复合磨削技术以及超高速磨削技术的不断发展，都有利于解决难加工材料的高质高效加工难题。
摩擦磨损与润滑
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  轴盘制动对高速列车车轮多边形磨耗的影响

  康熙, 陈光雄, 朱琪, 董丙杰

  表面技术. 2022, 51(3): 43-50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.003

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  目的 研究高速列车轴盘制动引起车轮多边形磨耗的形成机理，并提出相应的抑制措施。方法 基于摩擦自激振动引起车轮多边形磨耗的观点，建立高速列车拖车轮对-轴盘制动-轨道系统的有限元模型。采用复特征值法，分析制动工况下制动盘和制动片摩擦激励的振动。根据等效阻尼比判断摩擦自激振动的不稳定性，等效阻尼比越小，则不稳定振动发生趋势越强。当等效阻尼比小于–0.001时，不稳定振动的振幅会克服系统阻尼逐渐增大。为了考虑模型中非线性因素的影响，采用瞬时动态仿真，获得制动时轮轨间的法向接触力，通过功率谱密度分析，获得轮轨振动主频。此外，分析轴盘制动系统安装位置和3种类型的制动片对车轮多边形磨耗的影响。结果 轴盘制动系统摩擦制动容易激励出637 Hz左右的不稳定振动，由于复特征值分析与瞬时动态分析求解方法不同，因此该不稳定振动频率的计算结果存在6%左右的相对误差。轴盘制动系统的安装位置对于不稳定振动的发生趋势具有重要影响，考虑到轴盘制动系统实际安装空间，当制动压力角为–10°~10°时，637 Hz左右的振动对应的等效阻尼比随压力角的增大而减小。采用多个蜂窝状制动单元组成的制动片，在制动时可引起602 Hz左右的不稳定振动。当制动片表面存在复合沟槽结构时，在550~650 Hz内，没有等效阻尼比小于–0.001的不稳定振动。结论 当高速列车运行速度为300 km/h时，轴盘摩擦制动引起的637 Hz左右的不稳定振动可通过轮对传导至轮轨系统中，引起轮轨摩擦功周期性波动，从而导致拖车车轮发生22~23阶多边形磨耗。在满足制动系统安装要求的条件下，适当增大压力角，可减轻由轴盘制动引起的车轮多边形磨耗。采用多个蜂窝状制动单元组成的制动片，容易导致拖车车轮发生20~21阶多边形磨耗。在制动片表面添加复合沟槽结构，可抑制由轴盘制动引起的19~23阶车轮多边形磨耗。
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  MoS2薄膜摩擦因数和磨损量的数学模型

  陈爽, 王勇杰, 李仕华, 辛浩天, 李浩天

  表面技术. 2022, 51(3): 51-56, 75. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.004

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  目的 构建MoS2薄膜的摩擦因数模型和磨损模型，预测其磨损体积。方法 通过球-盘摩擦磨损实验，研究法向载荷和滑动速度对MoS2薄膜摩擦因数的影响规律，其中最大接触压强范围为441.08~1393.82 MPa，滑动速度为0.05~0.628 m/s。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)和白光共聚焦显微镜分析MoS2薄膜的磨损形貌。结果 基于赫兹接触理论，建立了MoS2薄膜摩擦因数与法向载荷和滑动速度的数学模型。预测结果与实测结果之间的最大相对误差为12.02%，其余预测结果的相对误差均小于10%。从摩擦耗散能的角度，研究发现MoS2薄膜的磨损体积与摩擦耗能之间呈显著的线性关系，结合新的摩擦因数模型，提出了MoS2薄膜的磨损模型。此磨损模型是法向载荷、滑动速度和摩擦时间的函数关系式，其相对误差绝对值的平均值为10.81%。与传统Archard模型的结果进行比较发现，新的磨损模型的相对误差较小。通过分析MoS2薄膜的磨损机理，探讨了磨损模型产生误差的原因。结论 所建立的摩擦因数模型和磨损模型的预测结果与实测结果吻合较好。磨损模型能够较准确地预测MoS2薄膜的磨损量，具有重要的工程应用价值。
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  计入表面吸附膜的热弹流润滑体系建模及分析

  张翔, 刘晓玲, 孙文东, 郭峰

  表面技术. 2022, 51(3): 57-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.005

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  目的 研究表面吸附膜在热弹流润滑中的作用机理。方法 构建考虑表面吸附膜的非牛顿流体点接触热弹流润滑模型，分析润滑剂的非牛顿性、吸附膜及钢的热传导系数对热弹流润滑性能的影响。结果 润滑剂的非牛顿性及吸附膜的计入对油膜压力和厚度的影响很小。与牛顿流体相比，非牛顿流体可以得到较低的温升和摩擦系数。同时，随着非牛顿流体特征剪应力的增大，油膜中层温度和吸附膜表面温度有所提高。吸附膜的存在明显提高了润滑油的温升，但降低了摩擦系数。摩擦副表面的摩擦系数随着卷吸速度的增大而逐渐降低。在相同的卷吸速度下，摩擦系数又随着吸附膜厚度的增加而降低。与热弹流润滑中沿用钢的热传导系数不同，合适的热传导系数会引起油膜压力的二次压力峰增大，润滑油的最小膜厚和摩擦系数减小及油膜温度升高。结论 润滑剂的非牛顿性、吸附膜及钢的热传导系数都会影响热弹流润滑性能。因此，在热弹流润滑体系中，考虑表面吸附膜的影响及其作用机理很有必要。
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  非对称表面织构表征及动压润滑效应分析

  朱春霞, 王德全, 杨晓楠, 常永祥

  表面技术. 2022, 51(3): 66-75. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.006

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  目的 建立具有非对称表面织构的粗糙平面的表征方程，并分析方程参数对其形貌的影响，依托表征方程重建的织构平面研究非对称表面织构在动压润滑条件下的润滑特性。方法 根据非对称织构平面的加工过程，基于W-M函数重构粗糙表面，再叠加非对称织构形貌特征方程，实现不同尺寸非对称表面织构的数学表征，利用Matlab软件对方程中表面织构参数和粗糙表面参数对织构平面形貌的影响进行分析，并利用方程表征的织构平面建立动压润滑压力油膜的实体模型，对压力油膜进行CFD计算，分别得出正向非对称织构、对称织构、反向非对称织构中的压力分布规律和流线分布规律，实现非对称表面织构的动压润滑效应分析。结果 表征方程的各个参数中，尺度系数和分形维数主要影响粗糙表面轮廓高度的变化范围和变化频率，微观轮廓高度的变化范围随着尺度系数的减小以同样的倍率减小，微观轮廓高度变化随着分形维数的逐渐增大越来越剧烈，变化频率也越来越快，非对称度、织构深度等织构相关参数主要影响织构的形貌特征。润滑压力油膜CFD分析计算表明，正向非对称织构(k=2)的进出口压力差为1747 Pa，明显大于对称织构(k=1，387 Pa)和反向非对称织构(k=0.5，707 Pa)，三者的流线分布云图表明，正向非对称织构内的回流效应更加剧烈，流线分布更加复杂。结论 所建立的非对称织构平面的表征方程可以清晰地描述其形貌特征，方程参数对形貌特征的影响机理明确，且构型合理的非对称织构在提高承载能力和改善润滑方面存在明显的优越性。
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  碳含量对TiAlCN涂层结构和摩擦学性能的影响

  刘克, 刘翔, 李金龙

  表面技术. 2022, 51(3): 76-85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.007

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  目的 探索制备摩擦因数低、硬度高、弹性模量高和耐磨性高的TiAlCN涂层。方法 采用多弧离子镀技术在F690钢表面沉积具有不同碳含量的TiAlCN涂层。通过扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜、拉曼光谱仪、透射电子显微镜、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪、往复式摩擦磨损仪和台阶仪对涂层的结构、硬度、弹性模量、摩擦磨损性能和磨痕形貌进行分析。结果 碳含量对TiAlCN涂层的结构、硬度和摩擦学性能有比较明显的影响。涂层表面粗糙度会随着涂层中碳含量的增加而逐渐增大。此外，涂层的组成主要为fcc-TiN、fcc-TiC和hcp-AlN。随着涂层中碳含量的增加，涂层的晶粒取向由(111)变化为(200)，同时涂层中的非晶含量也逐渐增加，涂层的纳米硬度和弹性模量也随之下降。碳的质量分数为15.57%的TiAlC80N320涂层具有36.21 GPa的硬度和430.15 GPa的弹性模量。在干摩擦条件下，TiAlC80N320涂层具有较低的磨损率，为2.85×10^–6 mm³/(N.m)。TiAlC160N320涂层具有较低的摩擦因数，但是具有较高的磨损率(4.31×10^–6 mm³/(N.m))。结论 涂层中碳含量的增加会导致涂层中非晶含量的增加，涂层的硬度、弹性模量和耐磨性会随之降低，涂层的摩擦因数会降低。
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  退火对等离子熔覆FeCoCrNiAl高熵合金涂层组织与耐磨性的影响

  许启民, 张霄, 赵禹, 黄仲佳, 周晓宏, 王刚

  表面技术. 2022, 51(3): 86-94, 166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.008

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  目的 通过退火来提高等离子熔覆FeCoCrNiAl高熵合金涂层的耐磨性。方法 通过等离子熔覆技术在45号钢基体上制备了FeCoCrNiAl高熵合金涂层，并分别在500、800、1200 ℃温度下退火2 h。退火前后的涂层由XRD、能谱仪、扫描电镜、三维形貌仪、摩擦磨损试验机、硬度仪对其组织形貌及力学性能进行测试与表征。结果 退火前的FeCoCrNiAl熔覆涂层由BCC相和大量非稳态FCC相构成。经500 ℃退火后，涂层形成了单一BCC相;经800 ℃退火后，涂层中的BCC相开始转变并析出均匀分布的FCC相。以上两个涂层的硬度均处于较高水平，但受FCC相的影响，经400 ℃摩擦磨损30 min后，800 ℃退火后的涂层的耐磨性开始降低。而1200 ℃退火后，涂层中析出了大量棒状和不规则形状的富Fe-Cr相，导致其硬度和耐磨性显著降低，涂层的磨损更严重。结论 未退火的涂层和经500 ℃退火后的涂层的磨损机制主要为磨粒磨损，经800 ℃退火后的涂层属于磨粒磨损和粘着磨损机制，而1200 ℃退火后的涂层主要是疲劳磨损、磨粒磨损和粘着磨损。
腐蚀与防护
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  温度对厌氧环境中硫酸盐还原菌所致铜镍合金腐蚀行为的影响

  宋翼, 陈守刚

  表面技术. 2022, 51(3): 95-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.009

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  目的 探究环境因素(温度)在微生物腐蚀(Microbiologically Influenced Corrosion，MIC)过程中的影响以及细菌最适宜的温度条件，初步探索铜合金的MIC机理，为微生物的腐蚀与防护提供依据。方法 利用生物学分析、表面分析以及电化学手段，研究不同温度(25、37、45 ℃)条件下培养基中硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing Bacteria，SRB)的生长状况和铜镍合金表面的腐蚀状态，进而对微生物体系中的MIC行为进行分析。结果 从生物学分析来看，培养周期内SRB细胞的数量先迅速增加，之后又逐渐减少。温度为37 ℃时，检测出的SRB细胞数和培养基中生成的H2S最多。从表面分析来看，铜镍合金表面生成不致密的生物膜，在生物膜下面检测出点蚀坑，且点蚀密度小。温度为37 ℃时，生物膜覆盖的区域最大，且该温度下检测到最大的平均点蚀坑深度，约9.3 μm。从电化学分析来看，在各种温度下，浸泡在生物介质中的试样的开路电位(OCP)大致向正方向移动，Rp曲线呈现先上升后下降的趋势，温度为37 ℃，试样检测出的Rp值最小。结论 温度能够影响SRB所导致的铜镍合金的MIC行为，且温度为37 ℃时，SRB的生长状态最好，铜镍合金的腐蚀最严重。SRB所导致的铜镍合金腐蚀的腐蚀机制可能是EET-MIC和M-MIC同时存在，且与铜镍含量的差异相关。
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  Si改性等离子熔覆IN 718涂层的高温氧化行为

  赵文超, 周杰, 彭文屹, 危翔, 邓晓华, 章爱生, 于思琪, 孙祖祥, 余飞翔, 高安澜

  表面技术. 2022, 51(3): 103-109. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.010

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  目的 提高IN 718涂层的抗氧化性。方法 向IN 718镍基粉末中添加2%Si粉，使用等离子熔覆技术在H13钢表面制备涂层。利用线切割将涂层从基体上剥离，使用高温炉在静态空气中进行900、1000、1100 ℃的循环氧化实验，测试了Si改性IN 718涂层的抗高温氧化性能，通过XRD、SEM、EDS分析了涂层及其氧化层的组织、成分的变化。结果 添加Si改变了涂层的微观组织，增加了等轴晶的含量，提升了涂层的显微硬度。两种涂层在900 ℃的氧化动力学曲线基本一致，氧化层均为Cr2O3。IN 718在1000~1100 ℃中氧化层为Cr2O3，根据热力学计算结果，Si元素活性在900 ℃以后大幅提高，因此IN 718+Si涂层在1000 ℃以及1100 ℃生成了双层氧化层，外层为Cr2O3，内层为SiO2。结论 添加Si元素提高了IN 718涂层在1000 ℃以上的抗高温氧化性能。
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  超防垢复合涂料的制备及其特性研究

  吴绍伟, 李鹏飞, 吴娴, 王佳伟, 程利民, 王山林

  表面技术. 2022, 51(3): 110-116, 166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.011

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  目的 表面结垢行为是影响海上油田石油开采的重要因素之一，为了解决这一问题，设计并研制了一种可大规模喷涂的超防垢复合涂料。方法 以超疏水二氧化硅纳米粉、硅微粉、醋酸丁酯和丙烯酸树脂为主要原料，采用两步喷涂工艺技术制备具有超疏热水特性的超防垢复合涂料，通过接触角测量仪、延时拍摄手段和沸水蒸发结垢实验分别评价了涂层的润湿性、耐磨性、自清洁特性、防垢防腐特性，并且借助场发射扫描电子显微镜和体式显微镜对其表面形貌的变化进行表征。结果 将该复合涂层喷涂于N80钢片表面后，其表面上95 ℃热水的接触角大于150°、滚动角小于10°。该复合涂层在经砂纸打磨70周期或10 h的水冲实验后，接触角大于150°，说明表面仍保持了优异的疏水性能。沸水蒸发结垢实验表明，与未处理的N80钢片相比，该复合涂层在沸水结垢实验50 h后，表面无明显结垢现象，阻垢率约为98.00%，且仍然保持优异的超疏热水特性。在经王水浸泡60 min和1 mol/L氢氧化钠溶液浸泡12 h后，接触角大于150°，说明表面具有优异的抗化学腐蚀性能。结论 研制了一种超防垢复合涂料，喷涂于N80钢片后获得的超疏热水涂层具有优异的疏热水特性、高温稳定性和抗水冲特性。可以有效保护基底表面，大幅增强表面的防垢、防腐特性，为解决海上油田井筒的防垢问题提供了新的思路。
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  Ce变质处理提高Fe-Cr-Ni中熵合金抗点蚀性的研究

  杜晓洁, 张威, 丁骁, 贾玺泉, 徐震霖, 范光伟, 何宜柱

  表面技术. 2022, 51(3): 117-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.012

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  目的 研究Ce变质处理提高Fe-Cr-Ni中熵合金在3.5%NaCl溶液中抗点蚀性的机理。方法 通过动电位极化实验，分析Ca变质处理与Ce变质处理的Fe-Cr-Ni中熵合金的抗点蚀性。利用SEM和EDS等手段观察了经不同变质处理后合金中夹杂物的形貌和元素组成，并结合阻抗谱分析与XPS技术研究了Ce对钝化膜保护力的影响。结果 经不同变质处理的Fe-Cr-Ni中熵合金中的夹杂物形态不同，Ca变质处理合金中夹杂物为CaO-Al2O3和CaS-Al2O3复合夹杂物。在腐蚀过程中，CaS优先溶解导致点蚀萌生。Ce变质处理合金中夹杂物是具有核壳结构的(Ce,Si)xOy-(Al,Mn)xOy稀土复合夹杂物，降低了点蚀敏感度，提高了抗点蚀性。在3.5%NaCl溶液中，Ca变质处理Fe-Cr-Ni中熵合金的腐蚀电流密度为3.108×10^?6 μA/cm²，Ce变质处理Fe-Cr-Ni中熵合金的腐蚀电流密度为4.883×10^?7 μA/cm²，其腐蚀电流密度降低了85%。Ca变质处理与Ce变质处理的Fe-Cr-Ni中熵合金的容抗弧均呈不完整的半圆状，钝化膜与基体间的电荷转移电阻分别为1.872×10⁵ Ω.cm²和4.312×10⁵ Ω.cm²，Ce变质处理合金钝化膜中电荷转移电阻提高了1.3倍。稀土铈提高了钝化膜的Cr+Ni/Fe+Mn阳离子比，Ca变质处理与Ce变质处理的Fe-Cr-Ni中熵合金钝化膜的Cr+Ni/Fe+Mn阳离子分别为1.66和1.2。XPS分析结果同样表明，Ce变质处理Fe-Cr-Ni中熵合金钝化膜具有更好的保护性。结论 和Ca变质处理Fe-Cr-Ni中熵合金相比，Ce变质处理合金具有更优异的抗点蚀性，这主要归因于稀土元素Ce的影响，一方面Ce使合金中的夹杂物改性，降低了点蚀敏感度;另一方面Ce增加了钝化膜的保护能力，提高了点蚀抗力。
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  MMT-PPy改性环氧涂层的制备及防腐性能

  秦文峰, 李亚云, 耿俊恒, 林传熙

  表面技术. 2022, 51(3): 128-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.013

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  目的 研究蒙脱土-聚吡咯(MMT-PPy)改性环氧树脂涂层的防腐性能。方法 通过氧化合成法制备PPy，采用插层法制备不同吡咯(Py)含量的MMT-PPy粉末。然后分别制备MMT-PPy/EP涂层、不同Py含量的MMT-PPy复合材料涂层和掺杂不同MMT-PPy含量的复合材料涂层。利用XRD、接触角测量仪、电化学工作站等对涂层的微观形貌、结构成分、疏水性能、耐蚀性等进行观察与分析。结果 SEM测试观察到，MMT层间距离明显变大，片层间有胞状的PPy颗粒，形貌更加致密，表明PPy成功地插层到了MMT中。FT-IR测试表明，特征峰左移，PPy与MMT之间发生聚合。XRD测试表明，PPy成功地插层到MMT的层间，并且MMT的层间距由1.241 nm扩大到1.838 nm。接触角与粗糙度测试表明，MMT-PPy/EP涂层的接触角为84.3°，疏水性能好。电化学极化曲线测试表明，MMT-PPy/EP涂层的腐蚀电位最大，为?0.661 V，腐蚀电流密度最小，为1.801×10^?8 A/cm²，保护率达到99.28 %，其腐蚀速率最低。电化学阻抗谱测试表明，MMT-PPy/EP涂层比其他涂层具有更大的阻抗弧，在高频区域相位角最大，低频区域阻抗模值最大，说明其防腐性能最好。在改变Py含量对制成的MMT-PPy粉末防腐性能的影响中，m(Py)∶m(MMT)=3∶1粉末的阻抗弧最大，将(m(Py)∶m(MMT)=3∶1)的MMT-PPy粉末以5%的添加量加入到环氧树脂中，涂层的阻抗弧最大，其防腐性能最好。结论 当MMT-PPy复合材料的添加量为5%时，m(Py)∶m(MMT)=3∶1时，复合材料环氧树脂涂层的防腐效果最好。
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  颜填料配比及颜料体积浓度对聚硫改性环氧涂层防腐性能的影响

  潘巍, 李瑜, 辛颉, 孙昭宜, 王国荣, 王清鑫

  表面技术. 2022, 51(3): 138-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.014

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  目的 探究聚硫橡胶改性环氧树脂防腐涂层的颜填料最佳配比及临界颜料体积浓度。方法 首先固定颜料体积分数(PVC)为15%，采用磷酸锌作为防锈颜料、湿法绢云母粉作为体质颜料，以液态聚硫橡胶(LP3)改性环氧树脂(E51)作为涂层的基体，制备聚硫改性环氧防腐涂料，测试涂层的基本物理性能。分别利用金相显微镜和扫描电镜(SEM)观察防腐涂层的表面形貌和截面形貌，同时利用电化学阻抗谱(EIS)技术探究颜填料配比对聚硫改性环氧涂层防腐性能的影响。选定最佳颜填料配比后，通过电化学阻抗谱(EIS)技术探究颜料体积浓度对聚硫改性环氧涂层防腐性能的影响。结果 随着防锈颜料磷酸锌含量的降低，腐蚀介质穿透涂层的时间延长，停留在涂层-底材金属界面的时间缩短。当颜填料配比为3∶2时，涂层的防腐性能达到最优。当PVC≤20%时，涂层的防腐性能随着PVC的增大而提高;当PVC≥25%时，涂层的防腐性能迅速下降。结论 当颜填料配比为3∶2、颜料体积浓度为20%时，涂层具有较好的物理性能和优异的防腐性能，因此该体系的临界颜料体积浓度(CPVC)为20%~25%。
精密与超精密加工
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  黏结法制备铁基碳化硼磁性磨粒

  丁叶, 陈燕, 丁云龙, 刘文浩, 周大鹏

  表面技术. 2022, 51(3): 151-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.015

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  目的 为解决现有铁磁性磨粒中研磨相材料价格昂贵、硬度不够和性价比低等问题，采用碳化硼粉末制备出一种具有成本低和性价比高的新型磁性磨粒。方法 采用黏结法制备铁基碳化硼磁性磨粒，探究制备工艺中不同成分配比对其研磨性能的影响。通过扫描电子显微镜观察磁性磨粒表面形貌，并进行面扫能谱分析观察磨粒中研磨相分布情况;采用表面粗糙度测量仪与3D超景深显微镜对研磨前后的工件表面质量进行对比分析;结合钛合金平板试件的研磨试验结果评价磁性磨粒的研磨性能，最终确定黏结法制备铁基碳化硼磁性磨粒的最佳方案。结果 压制力为100 kN，物料与黏结剂量比为10︰1，粒径比为4︰1时，磁性磨粒的切削刃较为明显，研磨效果达到最佳。使用此磁性磨粒研磨30 min后，钛合金平板试件的表面粗糙度由原始的Ra 0.88 μm降至Ra 0.07 μm，有效去除了工件原始表面的缺陷和加工纹理，改善了工件的表面质量。结论 在黏结剂中加入无水乙醇可解决黏结剂过于黏稠、不利于与物料混合的问题。采用此黏结法所制备的铁基碳化硼磁性磨粒能够有效地完成对钛合金材料的加工，铁基碳化硼磁性磨粒可以作为性能优良的磨削介质参与研磨，并能够满足磁粒研磨光整加工的要求。
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  瓦形磁极对磁粒研磨加工管件内表面的影响

  王金龙, 陈燕, 张泽群, 李文龙

  表面技术. 2022, 51(3): 158-166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.016

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  目的 提高磁粒研磨加工厚壁管内表面的表面质量与表面粗糙度改善率。方法 采用聚磁盘与瓦形磁极相配合的方式，通过仿真软件对不同数量的瓦形磁极与聚磁盘的多种组合进行模拟仿真，并分析其磁感应强度变化与磁力线分布。利用磁粒研磨法对管件内表面进行研磨试验验证，研磨后对工件表面粗糙度进行测量，并观察工件表面微观形貌。分析瓦型磁极数量、主轴转速以及磁性磨粒粒径对管件内壁表面质量的影响。结果 不设置瓦形磁极时，在主轴转速为600 r/min、磨粒粒径为185 μm、研磨时间为15 min的条件下，管件内表面粗糙度由原始的0.42 μm 左右降低至0.14 μm左右，表面粗糙度改善率为67.05%，表面质量有所改善。设置2个瓦形磁极时，在主轴转速、磨粒粒径、研磨时间与不设置瓦形磁极相同的条件下，管件内表面粗糙度从原始的0.42 μm 左右降低至0.09 μm，表面粗糙度改善率为78.57%，表面缺陷被完全去除。结论 聚磁盘与瓦形磁极相配合的磁极排布方式，使得管件内外形成封闭磁回路，增大了加工区域的磁感应强度并改善了磁场分布，工件内表面的微裂纹、凹坑等表面缺陷基本被去除，获得良好的表面加工质量和较高的表面粗糙度改善率。
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  7N01铝合金高速斜角切削过程中的切屑演化机理

  于晓, 王优强, 张平, 宋爱利, 徐创文

  表面技术. 2022, 51(3): 167-177. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.017

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  目的 研究高强铝合金高速斜角切削参数对切屑形态及演化规律的影响，探究切屑形态转变的内在机理，为延长刀具使用寿命、改进加工工艺提供理论依据。方法 基于通用有限元软件建立7N01铝合金高速斜角切削三维数值模型，利用加工中心、三向测力仪进行切削试验，通过金相显微镜和扫描电子显微镜对切屑形貌进行表征，结合有限元仿真结果，探明切屑演化机理。结果 在刃倾角为15°、切深为2 mm及进给量为0.9 mm/z的切削参数下，当切削速度低于900 m/min时，切屑宽度方向首先与刀刃接触的一侧有较为明显的撕裂或出现边缘锯齿状毛边现象，此时切削力波动剧烈，结合撕裂区微观组织和有限元分析，发现该侧应力和温度水平明显高于另一侧，循环拉-压塑性变形是导致切屑锯齿状毛边的主导因素。当切削速度高于700 m/min时，材料的热软化效应增强，绝热剪切带来的热塑性剪切失稳占据主导作用，切屑边缘锯齿状毛边逐渐消失，沿切屑的厚度方向出现了明显的绝热剪切带，即形成了锯齿状切屑，并且锯齿化程度随着切削速度的提高而加剧。结论 斜角切削时，切屑形态会随着切削速度的变化而发生转变，切削加工中的热-力耦合作用是切屑演化的主要原因，2种锯齿状切屑均会带来切削力的波动，影响表面质量，在实际切削加工过程中要尽量避免。
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  易解理氧化镓晶片的半固结研磨工艺

  蒋网, 周海, 计健, 任相璞, 朱子岩

  表面技术. 2022, 51(3): 178-185, 198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.018

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  目的 为了探究在半固结研磨工艺下的工艺参数对单晶氧化镓(100)晶面材料去除率和表面形貌的影响。方法 通过单因素试验研究研磨垫上磨料的粒度、研磨压力和研磨盘转速等工艺参数对氧化镓晶片材料去除率和表面粗糙度的影响规律，并采用正交试验对工艺参数进行优化。结果 实验结果表明，随着研磨垫上磨料粒度的增大，材料的去除率也逐渐增大，表面粗糙度也逐渐增大;随着研磨压力的增大，材料去除率逐渐增大，表面粗糙度增大的趋势逐渐减缓;随着研磨盘转速的增大，材料去除率逐渐增大，表面粗糙度变化不大。最后通过正交试验优化了工艺参数，得到优化后的最佳工艺组合，研磨垫上磨料的粒度为3 μm，研磨压力为2940 Pa，研磨盘转速为60 r/min，研磨后氧化镓表面粗糙度为26 nm，材料去除率为3.786 nm/min。结论 半固结研磨工艺可以抑制解理现象，并且通过选择合适的半固结研磨工艺参数能够稳定有效地降低表面粗糙度，获得较好的氧化镓表面，并为后续的精密抛光工艺提供了技术依据。
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  耦合空化效应的超声滚压系统流场结构优化设计

  郭永磊, 郑建新, 朱立新, 商映举, 邓瀚林

  表面技术. 2022, 51(3): 186-191, 198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.019

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  目的 实现耦合空化效应的超声滚压系统流场结构的优化，提升超声滚压加工质量。方法 首先，利用Fluent流场仿真软件模拟超声滚压加工流场空化情况，获取滚珠周边3个关键位置的气含率。其次，采用最优拉丁超立方方法进行实验设计，并以流场结构参数为优化变量，以3个关键位置气含率为优化目标，基于二阶响应面法建立气含率近似模型。然后，综合运用AHP和熵权法确定各个气含率的权重值，采用遗传算法NSGA-II对近似模型进行优化求解来获取最优流场结构参数。最后，对优化结构与初始结构下获得的气含率进行对比，验证优化结果。结果 基于20组最优拉丁超立方试验结果所构建的二阶响应面近似模型拟合度较好，3个关键位置气含率均在95%置信水平上均通过显著性检验。综合分析后，3个优化目标的权重分别为0.2791、0.2516和0.4692，获得的优化结构的3个关键位置气含率相较于初始结构分别提升了21.6%、156.4%、44.1%，效果明显。结论 优化后的流场结构可以应用在超声滚压加工系统中以提升加工过程中的空化效应。
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  纳米金刚石TiV色心的实验制备与性能研究

  谭心, 徐宏飞, 孟可可

  表面技术. 2022, 51(3): 192-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.020

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  目的 利用磁控溅射辅助微波等离子体化学气相沉积技术制备钛掺杂纳米金刚石薄膜。方法 预先通过磁控溅射在石英玻璃基底上沉积纳米钛颗粒，然后使用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备在其表面沉积金刚石薄膜，通过活性氢原子将钛带入含碳生长基团中，从而将钛掺入纳米金刚石薄膜内。使用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、原子力显微镜(AFM)和共聚焦显微拉曼光谱仪对钛掺杂纳米金刚石薄膜的化学组成、表面形貌和钛色心光致发光性能进行分析。结果 上述实验方法可以将钛掺杂到金刚石薄膜中，进而影响金刚石薄膜的微观结构和表面形貌。利用XPS对实验中经过MPCVD沉积前后钛元素的键能详细地做了对比分析，预溅射钛的XPS能谱在458 eV和464 eV处出现明显的峰值，符合氧化钛的能谱，而经过MPCVD沉积金刚石薄膜后钛元素的峰值发生了移动，在454 eV和460 eV处，表明钛成键发生了改变;通过Raman检测发现钛的掺入导致G峰的强度增加;AFM表明纳米金刚石薄膜掺钛后表面粗糙度由13.8 nm下降到6.69 nm;通过荧光检测首次观察到了钛掺杂纳米金刚石薄膜在540 nm和760 nm附近的光致发光现象。结论 掺杂钛可细化金刚石晶粒，同时会增加石墨相，并降低其表面粗糙度。光致发光光谱表明钛掺杂金刚石薄膜中存在TiV⁰色心。这为金刚石过渡金属色心的制备提供了研究基础。
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  SiCf/SiC复合材料表面Si/Yb2Si2O7双层涂层结合强度分析

  张乐, 张艺馨, 牛亚然, 李其连, 邓杨芳, 周海滨, 姚远, 罗文东

  表面技术. 2022, 51(3): 199-207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.021

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  目的 通过选择合适的复合材料拉伸方向和涂层制备工艺，在SiCf/SiC复材上获得高结合强度的Si/Yb2Si2O7双层涂层。方法 采用真空等离子喷涂技术在2.5D编织的SiCf/SiC复合材料表面制备Si涂层、Si/Yb2Si2O7双层涂层。采用金相、XRD、SEM和EDS对试样进行表征，采用拉伸试验测试涂层的结合强度，观察涂层拉伸后的断裂面形貌，分析涂层结合强度的影响因素。结果 采用胶粘拉拔法，2.5D编织的SiCf/SiC复合材料拉伸后的强度值为(32.41±3.52) MPa，Si涂层和Yb2Si2O7涂层的孔隙率分别为2.3%和5.2%，Si涂层与SiCf/SiC复合材料的结合强度为(30.48±4.43) MPa，Si/Yb2Si2O7双层涂层与SiCf/SiC复合材料的结合强度为(26.23±3.13) MPa。Si涂层在拉伸过程中，部分Si层、SiCf/SiC复合材料表面纬向SiC纤维、SiC基体和粘接胶都发生了断裂。Si/Yb2Si2O7双层涂层在拉伸过程中，大量Si层、复合材料表面纬向SiC纤维和SiC基体以及少量Yb2Si2O7层被拉开。结论 Si/Yb2Si2O7双层涂层与SiCf/SiC复合材料结合强度较高的主要原因是SiCf/SiC复合材料沿拉伸方向强度较高，Si涂层与复合材料结合强度高。真空等离子喷涂技术有利于减少涂层微观缺陷。Yb2Si2O7的热膨胀系数与Si、SiCf/SiC相近。Si涂层与Yb2Si2O7涂层化学相容性好。
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  过氧化氢水热改性PMMA及其对界面粘附性的影响

  刘超, 曹晓雪, 许洪珠, 刘惠涛, 高原

  表面技术. 2022, 51(3): 208-216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.022

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  目的 利用过氧化氢(H2O2)溶液的强氧化性，探索一种简单、实用的PMMA基材表面改性方法。研究室温及水热条件下H2O2对PMMA的作用机理，同时考察表面改性对PMMA基体与SiO2涂层界面粘附性产生的影响。方法 采用不同浓度的H2O2溶液，在室温或水热条件下处理PMMA基材。用红外光谱仪(FTIR)测定PMMA改性前后表面化学组成的变化，用紫外可见分光光度计(UV-Vis)表征样品的透光率，通过测量水接触角评价样品表面的润湿性。采用磁控溅射法和Sol-Gel法分别在PMMA基材表面制备SiO2涂层，用材料显微镜和原子力显微镜(AFM)分析表面形貌的微观变化，通过划格试验和摩擦试验评价涂层的附着力。结果 PMMA基材表面处理条件为30%(质量分数)H2O2溶液、水热温度60 ℃、时间1 h，水接触角由73°下降为56°。AFM分析表明，H2O2去除了PMMA表面的钝化层，磁控溅射法沉积的SiO2颗粒形状规整，均匀致密。Sol-Gel法制备的涂层表面的可见裂纹由未改性多、室温改性少变为水热改性无。划格试验表明，在水热改性后，PMMA表面所制备的涂层没有脱落，评价为0级。结论 高浓度H2O2溶液水热处理PMMA基材改善了其表面润湿性，提高了PMMA与SiO2涂层之间的界面粘附性。在改性后，PMMA表面所制备的SiO2涂层由均匀致密的纳米颗粒组成，起到了一定的防护效果。
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  反射型蓝色隔热节能涂层的制备及隔热性能

  余茂林, 孙皓, 杨雨浛, 邓安仲, 罗盛, 袁旺

  表面技术. 2022, 51(3): 217-225, 295. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.023

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  目的 针对目前广泛应用的传统型保温隔热建筑材料存在的施工困难、体系过厚、装饰性安全性较差等不足，制备力学性能和装饰性优异的隔热节能涂层。方法 使用KH560对硅溶胶进行改性，与苯丙乳液进行复合制备隔热节能涂料的成膜基料，加入质量分数分别为5%、10%、15%、20%的群青、钴蓝颜浆，制备8种隔热节能涂层。采用傅里叶红外变换光谱仪、马尔文Zeta电位仪、扫描电镜和热重分析仪分别对硅溶胶的接枝改性效果、粒径分布、微观形貌及热稳定性进行测试。采用扫描电镜、X射线衍射仪、电子探针分别对2种颜料的微观形貌、晶体特性和元素组成进行分析。采用紫外/可见/近红外分光光度计测试2种蓝色颜料和节能涂层的太阳光反射比和近红外反射比。采用红外热像仪对涂层试板隔热性能进行测试。采用多种涂层力学测试工具和扫描电镜分别对涂层的综合力学性能、微观形貌进行表征。结果 KH560对无机硅溶胶改性效果较好，可以显著降低硅溶胶的团聚，提升硅溶胶的热稳定性及其在有机乳液的分散性。群青和钴蓝颜料的添加量为5%时，2种涂层的节能隔热效果达到最优。添加量为5%群青的涂层的太阳光反射比、近红外反射比分别为0.462、0.533，添加量为5%钴蓝的涂层的太阳光反射比、近红外反射比分别为0.311、0.522。红外热像图显示，添加量为5%群青的涂层和5%钴蓝的涂层的背面热平衡温度分别为68.0、65.5 ℃，较空白板分别降低了4.9、7.4 ℃。颜料的添加量5%时，2种涂层均具有优异的力学性能，经盐溶液浸泡30 d后2种涂层均无明显微观和宏观缺陷，能满足实际使用需要。结论 隔热反射性能测试结果表明，制备的反射型隔热节能涂层的隔热性能较优异，同时兼具较好的力学性能和耐腐蚀性能，符合当下绿色环保的发展理念。
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  多孔SiC表面WC+W2C涂层的制备及其结构研究

  刘琪, 桑可正, 曾德军

  表面技术. 2022, 51(3): 226-233. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.024

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  目的 改善金属与SiC的润湿性，避免金属熔渗过程中损伤多孔SiC基体。方法 采用氧化烧结法制备了多孔SiC基体，再采用溶胶氢还原法于900 ℃在多孔SiC表面制备了WC+W2C涂层。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了涂层的结构和组成，以及热处理温度、时间和溶胶吸收次数对涂层的影响。结果 热处理温度为900~1100 ℃时，W与C发生反应并形成了WC与W2C，但温度增加至1350 ℃时，涂层与基体发生反应，形成了WSi2化合物。在900 ℃时，随着热处理时间从1 h增加至3 h，涂层颗粒聚集长大，颗粒之间的距离增加。随着吸胶次数的增加，经还原后的涂层颗粒数量增多，平均粒径不断增加，吸胶5次后，涂层颗粒所占表面区域面积百分比达到饱和，约为40%。吸胶6次后，涂层颗粒的平均粒径达到0.53 μm。结论 WC+W2C涂层以颗粒状分布在基体表面形成涂层。通过增加吸胶次数到6次，可以有效地增加涂层颗粒的数量以及所占面积百分比。基于涂层与金属润湿效果的最佳工艺条件是在试样吸胶6次后进行还原热处理，还原温度为900 ℃，时间为1 h。
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  丝网印刷和烧结工艺对陶瓷基复合材料微带天线膜层结构与性能的影响

  崔凤单, 慈吉良, 吴春博, 杨静, 高文博, 张剑, 吕毅, 张昊

  表面技术. 2022, 51(3): 234-241. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.025

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  目的 研究丝网印刷工艺参数(印刷压力、离网间距和印刷速度)和烧结制度(烧结温度和保温时间)对陶瓷基复合材料微带天线基板表面丝网印刷银膜层结构与性能的影响。方法 在石英纤维增强二氧化硅基复合材料表面，通过丝网印刷工艺，在指定温度下烧结制备银膜层。采用金相显微镜、扫描电镜、四探针测试仪和焊接法等测试手段，研究银膜层的微观形貌、方阻与附着力。采用矢量网络分析仪表征微带贴片天线的驻波性能。结果 当印刷压力为90 N、离网间距为2.5 mm、印刷速度为90 mm/s时，银膜层的方阻最低，附着力最大。当烧结温度为850 ℃、保温时间为15 min时，银膜可以获得最好的致密结构和导电性，此时方阻为5.4 mΩ/□，附着力为2.25 N/mm²。在上述印刷和烧结工艺条件下制作的天线板，其常温中心频点为1.869 GHz，与设计中心频点(1.86 GHz)的吻合度较好。结论 丝网印刷工艺参数通过影响印刷过程中银浆的转移率影响膜层的导电性和附着力，烧结制度显著影响银膜结构的致密性，进而影响银膜的导电性和附着力。在印刷压力为90 N、离网间距为2.5 mm、印刷速度为90 mm/s的印刷工艺条件和850 ℃保温15 min的烧结条件下，制备的陶瓷基微带贴片天线具有较好的驻波性能。
表面强化技术
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  基于正态分布的GCr15轴承钢强化研磨残余应力场数值模拟

  范立维, 梁忠伟, 刘晓初, 吴俊, 吴子轩, 耿晨, 谢鑫成

  表面技术. 2022, 51(3): 242-253. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.026

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  目的 探索强化研磨不同工艺参数下定点喷射对GCr15轴承钢残余应力场的影响规律。方法 采用图像处理技术分析了不同工艺参数下强化研磨定点喷射表面覆盖率的分布特征。采用二维正态分布函数描述强化研磨定点喷射下钢珠的分布特征，运用Python/Opencv确定了在不同工艺参数下有限元模型所需的钢珠数量，基于Abaqus/Python构建出强化研磨正态分布有限元模型。运用所建立的正态分布模型分析不同喷射速度、钢珠直径及覆盖率对残余应力场的影响。结果 当喷射速度从45 m/s增加到70 m/s时，表面残余压应力从?683.5 MPa增加到?902.4 MPa，最大残余压应力从?981.6 MPa增加到?1330.6 MPa，残余压力层厚度从89 μm增加到151 μm，最大残余压应力深度从30 μm移动到70 μm。当钢珠直径从0.4 mm增加到1.0 mm时，表面残余压应力先增大后减小，最大残余压应力从?1063.5 MPa增加到?1240.7 MPa，最大残余压应力深度从30 μm增加到60 μm，残余压应力层厚度从103 μm增加到147 μm，其中钢珠直径从0.8 mm增加到1.0 mm，最大残余压应力保持不变。当喷射覆盖率从100%到300%时，表面残余压应力、最大残余压应力及最大残余压应力深度略有增加，残余压应力层厚度几乎保持不变。将正态分布模型、随机分布模型仿真值与实验值进行比较，发现三者的表面残余压应力、最大残余压应力深度及残余压应力厚度几乎一致，最大残余压应力随机分布模型的仿真值比实验值高32.1%，正态分布模型的仿真值比实验值高18.9%。结论 强化研磨正态分布有限元模型能够较为准确地预测残余应力变化过程，能够为强化研磨工艺参数优化提供一定的指导。
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  超声辅助混粉电火花加工7Cr13Mo钢试验研究

  张威, 李丽, 邵杰, 王宁, 任建华, 刘宪福

  表面技术. 2022, 51(3): 254-261. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.027

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  目的 利用超声辅助混粉电火花加工(Ultrasonic-assisted Powder Electrical Discharge Machining, US-PMEDM)对7Cr13Mo钢进行表面改性研究。方法 用US-PMEDM和传统电火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)对7Cr13Mo钢分别进行表面改性研究。采用扫描电子显微镜(SEM)对试样表面的表面形貌和重凝层进行分析，用TR200粗糙度测量仪和FM800型显微硬度仪分别测量加工试样的粗糙度和表面硬度。结果 和常规电火花加工相比，US-PMEDM加工表面更加平整，裂纹减少。随着脉冲宽度的增加，放电凹坑变得大而浅，当脉冲宽度增加到120 μs时，裂纹数量增加。随着峰值电流的增加，US-PMEDM重凝层的连续均匀性变差，但随着脉冲宽度的增加，重凝层更加致密、均匀，与基体结合良好，厚度增加到10.30 μm以上。US-PMEDM加工表面粗糙度随脉冲宽度和峰值电流的增加均增加，与电火花加工相比，相同放电参数下，其表面粗糙度降低，最大降低40%左右。随着峰值电流的增加，US-PMEDM的显微硬度增加，随脉冲宽度的增加，其显微硬度先增加后降低。与电火花加工相比，US-PMEDM的显微硬度提高约50%。结论 用超声辅助混粉电火花复合加工改善了放电环境，使表面质量和表面硬度均得到提高。
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  GCr15SiMn轴承钢超声滚压表层组织及性能分析

  高心寰, 潘金芝, 陈春焕, 程志, 任瑞铭

  表面技术. 2022, 51(3): 262-270. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.028

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  目的 通过不同超声滚压加工工艺对GCr15SiMn轴承钢磨削态试样进行表面强化处理，并研究超声滚压加工工艺对表层组织及性能的影响。方法 采用扫描电子显微镜(SEM)对试样表面、截面组织进行观察，并用粗糙度仪和硬度仪对表面粗糙度、显微硬度进行表征。对不同电流、静压力参数下超声滚压加工试样表面、截面组织和性能的差异进行了分析。结果 根据机加工细晶层及微裂纹可将原始试样分为3类:第1类为无裂纹机加工细晶层;第2类为有裂纹机加工细晶层;第3类为无机加工细晶层。超声滚压加工后，3类表层均被预置塑性变形层，但塑性变形层厚度有明显差别，第3类原始试样形成的塑性变形层最厚，约为2 μm;试样表面磨削犁沟变浅，粗糙度显著改善，较原始粗糙度值降低了67%，表层磨削微裂纹扩展，部分表层机加工细晶剥落，表面微裂纹尖端角度减小，表面缺陷减少;表面硬度分布均匀性得到改善并预置表面硬化层，较原始表面硬度提升2%。结论 随电流的增加，粗糙度降低，塑性变形层的厚度和连续性提高，硬化层的硬度及厚度基本不变。随静压力的增加，硬化层的硬度及厚度增加，塑性变形层的厚度和连续性提高，粗糙度基本不变。
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  高温渗碳对硬质合金涂层刀具高温力学性能及干式切削性能的影响

  谭君国, 李季飞, 叶谱生, 张腾飞, 王启民

  表面技术. 2022, 51(3): 271-277. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.029

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  目的 探究硬质合金基体渗碳处理对涂层刀具高温元素扩散、高温力学性能和切削性能的影响。方法 通过高温渗碳和PVD方法制备了渗碳涂层刀具。采用SEM观察渗碳前后基体的表面形貌。采用维氏硬度计表征渗碳硬质合金基体截面的硬度分布。采用EDS对基体截面进行成分分析。采用XRD对涂层进行物相分析。利用纳米压痕仪对涂层高温退火硬度、弹性模量进行了表征。选用SKD-11冷作模具钢进行了干式切削实验。结果 经过渗碳处理后，硬质合金车刀基体形成了表面层贫Co、近表面层富Co的梯度结构，在距基体表面0~900 μm的深度范围内，基体硬度呈现梯度变化。高温下，在均质硬质合金基体上沉积的涂层中检测到Co元素，而渗碳硬质合金基体的涂层中未检测到明显的Co元素。在沉积态、800 ℃真空退火和1100 ℃真空退火3种条件下，渗碳涂层车刀的硬度(分别为33、32、22.5 GPa)均高于均质硬质合金涂层车刀(分别为31、30、18.5 GPa)。均质硬质合金裸刀的车削长度为~80 m时达到磨钝标准，渗碳涂层车刀的车削长度为~1100 m时达到磨钝标准。结论 渗碳处理显著抑制了硬质合金基体中的Co在高温下向涂层内部扩散，增强了涂层高温稳定性，使得涂层在高温下仍能维持较高的力学性能，同时显著改善了涂层刀具的干式车削寿命。
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  Si和316L基片上TiN薄膜微观结构和应力的对比分析

  赵升升, 程毓, 张小波, 常正凯

  表面技术. 2022, 51(3): 278-285. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.030

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  目的 比较Si和316L基片上TiN薄膜的微观结构和应力，分析基片材料和基片初始曲率对薄膜应力的影响。方法 采用电弧离子镀技术在Si基片和316L基片上制备了TiN薄膜，实测了薄膜应力，通过XRD、SEM、TEM等方法对薄膜的微观结构进行了分析。运用有限元分析技术，以结构力学为原理，分别对不同初始曲率的Si基片和316L基片上的薄膜应力测试进行了计算和校正应用。结果 相同工艺条件下，316L基片上TiN薄膜的应力比Si基片上的大。TiN薄膜应力随偏压的增大而增大。薄膜生长至近表面都形成了柱状晶结构，316L基片与TiN薄膜的膜基界面处出现较多的半共格生长结构，而Si基片的膜基界面结合以纳米晶混合为主。基片的初始曲率半径会导致薄膜应力测试产生误差，初始半径越小，引起的误差越大。结论 偏压作用下，316L基片上薄膜会产生更大的压应力。316L与TiN薄膜的膜基界面结合更好，有利于其承受更高的薄膜应力。316L基片的初始曲率半径显著小于Si基片，由此引起的薄膜应力测试误差较大，有必要对316L基片上的薄膜应力测试结果进行校正。
激光表面改性技术
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  铺粉厚度对选区激光熔化316L沉积层致密度与表面形貌的影响

  张杰, 杨高林, 徐侠, 姚建华, Volodymyr Kovalenko

  表面技术. 2022, 51(3): 286-295. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.031

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  目的 为了解决选区激光熔化增材再制造时出现的首层铺粉粉层厚度不均的问题，研究首层粉层厚度为400 μm时选区激光熔化成形工艺。方法 采用倾斜基板预置楔形粉层，在粉层上进行不同激光功率的激光扫描实验，研究楔形粉层对沉积的影响规律。然后在水平放置的基板上分别预置50、100、200、300、400 μm厚度粉层，在粉层上进行激光扫描实验，研究粉层厚度对沉积的影响规律。最后做首层400 μm层厚，后续5层每层50 μm的多层沉积实验，研究厚粉层对后续SLM成形的影响规律。结果 在倾斜上表面采用选区激光熔化技术进行修复，铺粉厚度的增加会导致沉积层致密度变差且表面起伏增大。通过提高激光能量密度的方式，采用300 W、800 mm/s的工艺参数在400 μm大层厚下激光扫描，可改善沉积层与基板的结合情况并减小沉积层上表面的起伏轮廓，同时该参数也能在小层厚时得到致密的沉积层。在首层400 μm层厚的基础上进行SLM成形时，需用首层沉积的工艺沉积5层作为过渡区，后续可按正常的SLM成形工艺进行沉积。结论 用SLM技术进行零件修复时，虽然首层会出现厚度不均的楔形粉层。当粉层最厚区域不超过400 μm时，需提高激光功率密度进行沉积。在高功率密度参数下沉积5层后可以采用正常SLM工艺进行后续成形。
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  曲面基底工件激光熔覆温度场与应力场数值模拟

  谢林圯, 师文庆, 吴腾, 龚美美, 黄江, 谢玉萍, 何宽芳

  表面技术. 2022, 51(3): 296-303, 325. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.032

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  目的 研究曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况。方法 采用数值模拟的方法模拟激光熔覆及冷却过程中的温度场和应力场。通过Ansys软件，采用高斯热源模型模拟圆环柱曲面基底外表面上的激光熔覆过程。在加工过程中，激光头与基底的相对运动为螺旋运动。分析不同功率和扫描速度对温度场和残余应力的影响，以及应力场随时间的变化和残余应力的分布情况。结果 扫描速度对温度场的影响较大，功率和扫描速度对残余应力无明显直接影响，不同功率和扫描速度的残余应力最大值都出现工件外壁中部。在XZ轴面上的径向应力呈现出漏斗形，四周高，中间低，大部分都在–20~20 MPa，起伏较小;周向应力在XZ轴面对角线方向上呈近似抛物线，两端高，中间低，最高值为100 MPa，最低值为–50 MPa，起伏较大;厚度方向的应力分布呈近似半圆锥三维形状，在Z轴方向上为近似直线，在X轴方向上为近似半抛物线，呈现出一端高、一端低、中间部分逐渐下降的趋势，最高值为110 MPa，最低值为–30 MPa，起伏较大。结论 成功研究了曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况，对曲面基底激光熔覆的工艺参数优化和提高产品质量有一定指导作用。
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  液压支架缸体内壁面再制造粉流场影响规律分析

  郭辰光, 孙瑜, 吕宁, 李强, 岳海涛

  表面技术. 2022, 51(3): 304-314. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.033

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  目的 开展液压支架缸体内壁面再制造粉流场规律分析，以提高液压支架缸体内壁面的修复效率，降低其修复成本。方法 采用激光沉积技术修复液压支架缸体内壁面时，侧向送粉粉流集聚性是影响液压支架缸体内壁面修复效率的重要因素。建立修复液压支架缸体内壁面的长悬伸激光沉积模型，基于DEM-CFD双向气固两相流耦合模型，在送粉喷嘴位姿不变的条件下，分析送粉工艺参数(即载气流速度、保护气速度、送粉速率)对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。结果 随着载气流速度的增大，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度呈现先增大后减小的趋势，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。随着保护气速度的增大，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度呈现先增大后减小的趋势，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。随着送粉速率的增大，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度变大，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。结论 当载气流速度为4 m/s、保护气速度为3 m/s、送粉速率为5 g/min时，粉流集聚效果好，粉体利用率高，有助于提高液压支架缸体内壁面的修复效率。
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  激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响

  徐硕, 苏波泳, 花国然, 王恒, 曹宇鹏

  表面技术. 2022, 51(3): 315-325. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.034

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  目的 提高TC4钛合金与TiN涂层的结合强度。方法 通过实验研究的方法探索激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响。首先，采用不同激光冲击参数(光斑搭接率、功率密度)对其表面进行前处理。利用Wyko NT 1100 型非接触式光学轮廓仪(NCOP)测量TC4钛合金试样的表面几何形貌和粗糙度。利用X350A型X射线残余应力测定仪测量TC4钛合金表面残余应力。利用HXD-1000TMSC/ LCD型显微硬度计测量冲击表面的显微硬度。其次，采用离子镀膜技术在激光冲击区域制备TiN薄膜，并利用WS-2005型涂层附着力自动划痕仪测试TiN涂层与TC4钛合金的界面结合力，分析激光冲击前处理对TiN涂层界面结合性能的影响。最后，通过摩擦磨损试验验证激光冲击强化前处理改善涂层界面结合性能的有效性。结果 在动态加载载荷为50 N、加载速率为50 N/min、划痕长度为4 mm的测试条件下，未经激光冲击处理的TiN涂层与基体的结合力为28.9 N，经激光冲击前处理后A1—A5试样的结合力分别提升至32.3、33.2、34.9、36.8、39.6 N，前处理对界面结合力的提升幅度分别为11.76%、14.88%、20.76%、27.34%、37.02%。在试验负载为7.5 N、往复行程为5 mm、往复频率为2 Hz、测试时间为25 min的干摩擦条件下，A1—A5试样的磨损率分别降至3.79×10^?5、9.8×10^?6、8.82×10^?6、4.32×10^?6、1.24×10^?6 mm³/(N?m)。结论 激光冲击强化前处理可以有效提高TiN涂层的界面结合力，提高涂层的耐磨损性能。激光参数中光斑搭接率对涂层界面性能的影响最显著，50%的搭接率可使激光强化效果均匀，在50%搭接率、6.43 GW/cm2功率密度的激光参数作用下可以获得最优的界面结合性能和耐磨效果。
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  激光增材制造TC4/GH4169梯度结构微观组织分析

  宋晨晨, 蔡昱陈, 朱禹昊, 马广义, 刘士博, 吴东江

  表面技术. 2022, 51(3): 326-332, 379. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.035

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  目的 提高TC4/GH4169梯度过渡界面的元素分布均匀性，削弱界面效应，制备二维TC4/GH4169梯度结构。方法 利用激光增材制造技术，采用TC4-90%TC4+10%GH4169-GH4169的梯度过渡方式制备TC4/GH4169一维梯度材料，并在一维梯度的基础上设计二维梯度结构，制备TC4/GH4169二维梯度材料。利用场发射扫描电子显微镜对TC4/GH4169一维和二维梯度材料内的析出相以及各梯度过渡界面的组织形态进行分析，利用能谱仪对各梯度过渡界面处的元素分布进行分析。结果 一维梯度90%TC4+ 10%GH4169-GH4169界面相比于TC4-90%TC4+10%GH4169界面材料相互渗透程度更高。由于TC4内Ni元素的加入，在90%TC4+10%GH4169内生成了较多的呈交联网状分布的Ti2Ni析出相。二维梯度样件在水平方向的界面波动程度以及材料相互渗透程度相比于沉积方向更高，其中二维梯度水平方向TC4-90%TC4+10%GH4169界面两侧元素充分扩散，相比于一维梯度TC4-90%TC4+10%GH4169界面处的元素分布均匀性显著提高。结论 通过合适的梯度过渡方式以及二维梯度结构设计有效提高了梯度材料过渡界面的元素分布均匀性，显著削弱了界面效应，对梯度材料的制备具有指导意义。
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  热等静压处理对选区激光熔化成形Inconel 718合金各向组织及力学性能的影响

  罗浩, 李小强, 潘存良, 曾克里, 何鹏江, 潘超梅, 李晖云

  表面技术. 2022, 51(3): 333-341, 362. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.036

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  目的 研究热等静压处理对选区激光熔化(SLM)成形不同沉积方向Inconel 718合金试样显微组织和力学性能的影响规律，提升Inconel 718合金的综合力学性能。方法 采用SLM技术制备平行沉积方向和垂直沉积方向的Inconel 718合金试样，并对试样进行热等静压(HIP)处理和热等静压+固溶时效(HIP+HT)处理。利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)，对合金的显微组织、断口形貌、物相组成、晶粒形貌及取向进行分析。对试样进行显微硬度和拉伸强度性能测试，对比分析不同沉积方向SLM、HIP及HIP+HT试样的显微硬度、拉伸强度、屈服强度以及断口延伸率。结果 SLM成形的Inconel 718合金经热等静处理后，平行方向的晶粒形态由柱状晶转变为等轴晶，晶粒尺寸增大，并伴随有孪晶形成。晶界处的Laves相基本溶解，同时有许多MC碳化物在γ基体中析出。不同处理状态下平行方向试样的拉伸强度、屈服强度和硬度值均小于垂直方向。平行和垂直方向SLM成形件的拉伸强度σb分别为996.3 MPa和1051.1 MPa，热等静压处理后σb分别提高至1151.5 MPa和1167.6 MPa。对比3种处理工艺，垂直方向的HIP+HT试样具有最高的强度和硬度，且整体性能优于锻件技术标准要求。断口分析表明，3种试样的断口均呈韧性断裂。结论 热等静压处理可以消除裂纹和孔隙等缺陷，促进不同方向的显微组织均匀化，从而综合提升SLM工艺制备的Inconel 718合金的力学性能。
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  基体预热对激光熔覆制备Al2O3-ZrO2陶瓷涂层裂纹敏感性的影响

  王冉, 王玉玲, 姜芙林, 杨发展

  表面技术. 2022, 51(3): 342-352. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.037

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  目的 为了解决钛合金表面制备Al2O3-ZrO2陶瓷涂层存在的陶瓷涂层脆性大、易开裂等问题，有效增强钛合金耐高温、耐磨损性能，扩大其在高温、重载等严苛条件下的使用范围，方法 通过基体预热方式对在钛合金表面制备的Al2O3-ZrO2陶瓷熔覆层的裂纹敏感性进行改善，通过进行熔覆试验和对熔覆层微观组织形貌分析、性能测试分别评价不同预热温度对熔覆层裂纹敏感性的影响，还进一步通过有限元分析软件建立热力耦合模型，从理论的角度探究基体预热影响熔覆层裂纹敏感性的作用机理。结果 实验发现经基体预热，熔覆层裂纹数量明显减少，测得基体预热200 ℃时，熔覆层断裂韧性得到明显提高，从4.7 MPa.m^?提高至8.1 MPa.m^?，熔覆层显微组织发生了由等轴晶、柱状晶向条状枝晶、胞状晶的转变。根据不同预热温度下的热力耦合结果发现，随着预热温度的升高，熔覆层中的残余应力明显减小，降低了熔覆层内部的应力集中，从而抑制了熔覆层的开裂行为。结论 采取基体预热的方式可明显降低熔覆层内的残余应力，改善熔覆层裂纹的敏感性，增强熔覆层的韧性，预热200~300 ℃时对熔覆层性能的改善效果最为明显，可以为实际生产制造陶瓷涂层过程中抑制裂纹发生提供切实可行的参考依据。
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  高温松弛软化带辅助激光熔覆制备复合涂层

  吴成萌, 冯爱新, 吴旭浩, 余满江, 张成龙, 徐国秀

  表面技术. 2022, 51(3): 353-362. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.038

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  目的 研究抑制玻璃冲头表面热疲劳裂纹失效和粘着磨损的规律。方法 利用高温松弛软化带辅助激光熔覆制备复合涂层，以Ni60+35%WC(质量分数)粉末作为复合涂层材料，45^#钢作为基体材料，316不锈钢网作为高温松弛软化带，研究高温松弛软化带对复合涂层组织结构及其耐磨性能的影响。结果 未加316不锈钢网时，复合涂层表面的磨损量和摩擦因数分别0.04 g和0.32，磨痕宽度为(2120±250) μm，残余拉应力较大且分布不均衡，伴随有大量裂纹产生。加入316不锈钢网后，复合涂层表面的磨损量和摩擦因数分别为0.03 g和0.25，磨痕宽度为(1202±100) μm，残余拉应力小且分布较均衡，伴随有少量裂纹产生。316不锈钢网可以吸收复合涂层表面的残余拉应力，减少裂纹扩展甚至形成无裂纹的复合涂层，使复合涂层表面纵向和横向残余应力分布均衡，同时添加Ni60+35%WC(质量分数)粉末可提高复合涂层表面的耐磨性和硬度。结论 通过在玻璃冲头表面加入高温松弛软化带辅助激光熔覆制备复合涂层可以显著提高其硬度和耐磨性，并抑制复合涂层表面裂纹的产生与扩展。
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  激光熔覆CoCrFeNiTix高熵合金涂层的组织与性能

  左润燕, 孙荣禄, 牛伟, 郝文俊, 谷米, 李小龙

  表面技术. 2022, 51(3): 363-370. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.039

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  目的 研究Ti含量对激光熔覆CoCrFeNi高熵合金涂层的组织和性能的影响。方法 利用激光熔覆技术在45钢表面制备CoCrFeNiTix(x表示摩尔比值，x为0、0.2、0.4、0.6、0.8)高熵合金熔覆层，并通过Leica DVM6光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、电化学工作站等设备，对单道和多道熔覆试样的宏观形貌、显微组织、显微硬度、耐腐蚀性能等方面进行分析研究。结果 随着Ti含量的增加，熔覆层的稀释率逐步增大，涂层与基材之间的冶金结合性能变好，但表面的成形质量变差;熔覆层随着Ti含量的增加，由单一的面心立方(FCC)相变为面心立方(FCC)和体心立方(BCC)相混合;在Ti含量的增加过程中，熔覆层的组织由树枝晶变为没有明显方向的等轴晶，且晶粒趋于细化;熔覆层的硬度随着添加元素Ti含量的增加而逐步提高，当x=0.8时硬度值提高至502.39HV0.3;随着Ti含量的增加，熔覆层的腐蚀电位逐渐先向正方向移动，后向负方向移动，腐蚀电流密度先减小后略有增加。结论 在CoCrFeNi合金体系中添加Ti元素，会导致熔覆层的成形质量恶化。Ti元素的加入可以促成体心立方(BCC)相的形成，且起到细化晶粒的作用，有效地提升了熔覆层的显微硬度和耐腐蚀性能。
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  脉冲激光改性聚醚醚酮及表面金属化技术研究

  李家峰, 王楠, 白晶莹, 王旭光, 佟晓波, 郭中增, 王骏, 张立功

  表面技术. 2022, 51(3): 371-379. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.040

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  目的 赋予聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)材料表面良好的导电性，满足其在雷达天线等航空航天领域的应用。方法 采用波长1064 nm的脉冲红外纳秒光纤激光对化学惰性极高的PEEK材料进行表面改性处理，并结合化学镀镍技术，实现激光改性PEEK表面金属层的沉积制备。利用扫描电镜、电阻测试仪、金相显微镜等对PEEK材料表面改性后的微观结构和表面金属层性能进行表征。结果 当激光能量密度较低(Q<60 J/cm²)时，脉冲激光改性PEEK表面主要发生光热作用，基材表面呈周期性起伏的微纳沟槽结构，并分布有少量孔洞特征;当激光能量密度较高(Q≥60 J/cm²)时，脉冲激光对PEEK表面的光热作用增强，并具有部分光化学作用，发生光热解化学键断裂，PEEK表面均匀覆盖一层熔融物或熔化后重新凝固的产物。对激光改性后的PEEK表面进行化学镀镍处理，当激光能量密度>10 J/cm²时，化学镀镍层致密均匀，镀层表面电阻≤20 mΩ，且镀层结合力良好。结论 对脉冲红外纳秒光纤激光与聚醚醚酮界面处的作用机制进行了初步研究，并在激光诱导作用下实现了聚醚醚酮材料表面金属层的制备。