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2022年, 第51卷, 第6期　
刊出日期：2022-06-20
  

  • 全选
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    专题——极地环境服役材料与损伤防护
  • 极端低温环境下防覆冰材料研究进展
    伍大恒, 刘文静, 吴斌, 梁伟, 蓝席建
    表面技术. 2022, 51(6): 1-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.001
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    表面覆冰和积雪广泛存在于日常生活及工业生产中，但在极端复杂低温环境下，工程设备表面严重积冰会影响其使役性能，常常导致高能耗或灾难事故发生。传统除冰技术如机械除冰、加热融冰以及喷洒化学试剂等效率低，费用高，作业危险性大，无法从根本上解决实际工程领域的覆冰难题。通过采用涂装功能防覆冰材料的策略，抑制或延缓材料表面覆冰的形成，降低表面冰层的结合强度和覆冰量，从源头上解决覆冰问题成为主要的研究方向。相比于传统物理法和化学法，该方法具有高效率、低能耗、简便易行等特点，具有较好的应用前景。基于此，在详细阐述了材料表界面润湿特性和防覆冰机理的基础上，综述了国内外极端低温环境下防覆冰材料的研究进展，并对固–液界面型、液–液界面型以及复合涂层材料等几类主要防覆冰材料的适用性及优缺点进行了对比和分析，最后指出了目前防覆冰材料应用面临的技术瓶颈，并对未来防覆冰材料的发展方向和趋势进行了展望，为极端低温环境防覆冰材料的设计和选择提供参考。
  • 极端环境下自愈合仿生材料的研究进展
    李瑞琪, 田澍, 杨静, 张雷
    表面技术. 2022, 51(6): 14-26, 35. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.002
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    自愈合材料是受动物天然皮肤的启发，可识别损伤并自我修复的一种新兴材料。这类材料可应用于工程装备的表面或智能设备的基底，修复开裂与机械损伤，延长设备的工作寿命。而在极端环境(低温、水下、强酸、强碱等)下可以自主愈合的材料更具工业应用前景，但同样也是材料领域的难点。梳理了目前可在极端环境下实现自主愈合的本征型弹性体材料的研究情况。首先，深入总结了弹性体聚合物网络中动态共价键与超分子相互作用通过可逆断裂实现本征自愈合的机制，具体包括在自主愈合弹性体设计中应用最广的二硫键/二硒键、亚胺键、氢键和金属配位键;并梳理了弹性体在不同极端环境下自愈合的研究进展，主要介绍了它们的制备方法和自愈合性能。而后，总结了极端自愈合仿生材料在防护涂层、柔性电子、储能装置和密封元件等工程装备及智能设备领域的应用。最后，对该领域现存的挑战以及未来发展进行了分析。
  • 典型防护涂层体系在南极大气环境中的失效行为研究
    满成, 国景一, 孙议祥, 崔中雨, 王昕, 崔洪芝
    表面技术. 2022, 51(6): 27-35. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.003
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    目的 研究南极多种特殊环境因素对典型有机涂层失效产生的具体作用。方法 以在南极中山站现场暴露1 a的环氧树脂类、聚氨酯类涂层体系为研究对象，通过光泽度测试、色差测试、附着力测试、SEM、EIS、FTIR等方法系统地研究涂层的失效行为，以及中山站环境因素的作用机制。结果 在环氧树脂类涂层表面有肉眼可见的剥落、起泡、微裂纹和坑状损伤，表现出比聚氨酯类涂层更加明显的失光、色差、附着力损失、化学结构变化等;电化学测试结果表明，6种涂层的无划叉试样在暴露1 a后防护性能均有所下降，其低频阻抗模值(|Z|0.01 Hz)下降了约1个数量级。其中，环氧树脂类涂层的划叉试样表现出更差的防护性能，其|Z|0.01 Hz最大下降了5个数量级，最低达到4.02×104 Ω.cm2，同时聚氨酯类涂层的|Z|0.01 Hz仍保持在1011 Ω.cm2左右。红外测试结果表明，环氧类涂层的部分官能团发生了水解反应，而聚氨酯类涂层没有发生明显的化学结构变化。此外，环氧涂层的附着力损失率较高，最高达到77%。结论 南极中山站的高湿度、高盐度、强紫外线、强风、低温等环境因素对涂层的失效起到了重要作用。
  • 模拟北极航线多因素耦合条件下船用低合金钢的腐蚀行为
    毛晓敏, 刘涛, 郭娜, 郭章伟, 董丽华
    表面技术. 2022, 51(6): 36-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.004
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    目的 研究船舶低合金钢在模拟南海到北极的航行过程中的腐蚀情况，探索它在环境交变条件下的腐蚀行为与机理。方法 选用3种温度(37、25、4 ℃)及相对应的典型海洋细菌，包括大西洋假交替单胞菌(Pseudoalteromonas atlantica)、需钠弧菌(Vibrio natriegens)和养料嗜冷杆菌(Psychrobacter cibarius)，模拟航行往返过程中海洋环境的变化情况，以21 d为一个实验周期，每7 d改变一次温度和细菌种类，采用扫描电镜(SEM)、白光干涉、失重法和电化学测试方法从宏观和微观两方面对材料的腐蚀行为进行表征分析。同时，将相同的低合金钢试样浸泡在无菌海水中进行对照实验。结果 浸泡在无菌海水中，当初始温度为37 ℃时，低合金钢的初始腐蚀速率较大;随着温度的降低和时间的延长腐蚀速率逐渐减小;当初始温度为4 ℃时，低合金钢的点蚀情况较严重，但腐蚀速率变化不大。浸泡在有菌海水中，初始温度为37 ℃时，低合金试样表面有大量方解石结构的碳酸钙镁盐沉积，从而较好地抑制了均匀腐蚀和点蚀的发生;当初始温度为4 ℃时，低合金钢试样表面点蚀严重，EDS能谱分析证明低合金钢试样在低温环境中没有明显的碳酸钙镁盐沉积。结论 初始海水温度和细菌种类的不同会造成船用低合金钢腐蚀行为的极大差异，其原因主要是高温下细菌会诱导产生碳酸钙镁盐，并在低合金钢试样表面沉积，从而明显抑制了腐蚀;在低温环境下，细菌难以诱导碳酸钙镁盐的沉积，试样的均匀腐蚀和点蚀会非常严重，一旦发生腐蚀，即便后期再形成矿化产物膜也难以起到良好的防护作用。
  • 基于磁性Fe–MOF掺杂纳米银环保复合防污剂的制备及其性能
    常雪婷, 李金阳, 陈晓秋, 王东胜, 蒋颖畅, 孙士斌
    表面技术. 2022, 51(6): 48-58. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.005
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    目的 研发新型环保防污涂料，在保证海洋防污效果的基础上，尽量减少海洋防污剂的使用量和避免因表面涂层脱落而带来的重金属污染等问题。方法 成功制备了2种基于金属有机框架材料(MOF)掺杂纳米银的复合防污剂〔Ag/PDA–Fe–MOF(700 ℃)、Fe3O4@Fe–MOF@Ag〕。采用水热法制备的Fe–MOF呈正八面体形态，尺寸均匀，约为2~3 μm。经过700 ℃真空退火处理后整体尺寸缩小，达到纳米级别，约为100~200 nm，通过分析X射线衍射图谱证明无磁MOF经过退火后转变为强磁性的Fe3O4。另外，采用共沉淀法和水热法合成的Fe3O4@Fe–MOF也呈正八面体结构，尺寸差别较大，较大的颗粒长度为5~6 μm，较小的颗粒粒径仅为400 nm左右。后续通过聚多巴胺和还原法成功在2种颗粒表面组装纳米Ag颗粒，质量分数约为0.66%。结果 抑菌圈结果显示，Ag/PDA–Fe–MOF(700 ℃)对Bacillus subtilis的生长仅有轻微抑制作用;而Fe3O4@Fe–MOF@Ag表现出显著的杀菌效果，抑菌区直径约为1.5 cm。进一步使用荧光染色法考察5%、20%(质量分数)的Fe3O4@Fe–MOF@Ag与聚二甲基硅氧烷(PDMS)杂化制得的涂料的防污性能，发现磁处理后样品的细菌附着情况明显优于未处理样品的细菌附着情况，尤其是20%的Fe3O4@Fe–MOF@Ag复合涂料磁处理后浸泡7 d表面未有活菌附着。结论 利用磁性填料的特性使防污剂富集在涂层上表面，降低防污剂的使用量，并减轻防污涂料产生的微塑料污染问题。
  • 极地低温高强韧耐磨破冰涂层制备及性能评价
    蓝席建, 张馨, 朱能杰, 刘文静, 宣孝文, 沈权, 王立平, 严明龙, 伍大恒, 吴斌
    表面技术. 2022, 51(6): 59-66. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.006
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    目的 制备低温下具有高耐磨和高强韧性能的极地破冰涂层，并研究其低温服役性能。方法 以氢化环氧树脂和氨基有机硅固化剂为基料，涂层交联固化时依靠Si==C、Si—O—Si键的作用形成软硬嵌段结构，有效改善环氧树脂的低温脆性，降低表面张力，将KH560改性的SiC、玄武岩等高硬度无机粉体和柔性减阻的聚四氟乙烯粉等骨料在基料中充分分散均匀，制备极地低温高强韧耐磨破冰涂层。同时关注到此类产品仅有应用案例而无标准的现状，基于产品实际及潜在应用，增设部分新的指标及检测方法并进行了探讨。通过?50 ℃低温下的附着力、抗冲击性能、柔韧性能来评价涂层的低温服役性能。通过?50 ℃低温下的摆杆硬度、耐磨性来评价涂层的低温高耐磨性能，通过耐中性盐雾试验、人工加速老化试验及各试验前后3 000 h的附着力、SEM形貌变化来评价涂层的耐久性。通过接触角、着冰力来表征涂层的防冰性能。结果 涂层的硬度和耐磨性随着颜基比的增大而逐渐增大，接触角、着冰力、耐盐雾性能和拉开法附着力均先增后降。其中，c组的摆杆硬度为0.553，磨耗为16 mg(1 000 g/750 r)，接触角约为98.8°，着冰力为32 N，综合性能表现最优;人工加速老化试验和中性盐雾试验的SEM形貌也表明c组涂层具有较强的耐久性。结论 氢化环氧树脂和氨基有机硅固化交联的环氧聚硅氧烷体系保持较高硬度的同时可有效避免低温脆性，涂层的低温服役性能、高耐磨性能、耐久性能、防冰性能良好，低温附着力、耐冲击性能、柔韧性好。涂层在高硬度无机粉体和柔性减阻填料的协同作用下，有效提高涂层在低温下的耐磨性、硬度等性能，可满足极地低温环境下舰船破冰区防护的要求。
  • 390 MPa级复合钢板极地低温环境适应性分析
    高珍鹏, 宫旭辉, 牛佳佳, 王东胜, 朱官朋
    表面技术. 2022, 51(6): 67-75. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.007
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    目的 验证复合钢板的极地低温环境适应性。方法 采用爆炸复合的方法制备低温复合钢板。通过全浸腐蚀试验、间浸腐蚀试验、腐蚀磨损试验、系列温度冲击试验、系列温度动态撕裂试验和全厚度止裂试验，分别评价复合钢板的耐蚀性、耐磨性能、低温断裂性能及止裂性能，并对复合钢板的低温断裂性能及极地低温环境适应性进行分析。结果 全浸腐蚀条件下，复合钢板基层材料的腐蚀速率是复层材料的105倍;间浸腐蚀条件下，复合钢板基层材料的腐蚀速率是复层材料的350倍;全浸和间浸状态下，复层钢板的腐蚀速率均远小于基层钢板，复层材料的耐蚀性远远好于基层材料。模拟海水条件下，复合钢板复层317L不锈钢的磨损量为0.003，基层FH40钢的磨损量为0.75，基层材料的磨损量是复层的250倍，复层材料的耐磨性远远好于基层材料。分析了20组大厚度规格低温钢的韧脆转变特征温度与止裂温度的相关性关系，指出了现有规范与标准以冲击功作为低温钢断裂性能技术指标的局限性，建立了止裂温度与动态撕裂韧脆转变特征温度相关性方程，给出了低温钢极地环境低温服役下的韧脆转变特征温度建议值，确定了复合钢板极地低温环境服役的最低温度。结论 模拟海水环境下，复合钢板复层材料的腐蚀速率和磨损量均远低于基层钢板，采用复层材料+基层材料的设计思路能够有效地解决低温钢极地环境下的腐蚀磨损问题。冲击试验测得的性能无法有效表征大厚度低温钢的实际性能，现有标准和规范以冲击性能表征参量作为低温钢断裂的技术指标值将不能保证低温钢极地环境下服役的安全性，心部动态撕裂韧脆转变温度能够较好地表征低温钢的实际服役性能。
    • 研究综述
  • 激光熔覆加工头聚焦性能及成形工艺研究进展
    曹嘉兆, 陈永雄, 陈珂玮, 梁秀兵, 夏铭, 罗政刚
    表面技术. 2022, 51(6): 76-88. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.008
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    激光熔覆作为一种十分有前途的制造技术，已在工业中广泛用于部件修复、表面改性以及增材制造等领域。在激光熔覆系统中，激光熔覆加工头是其关键核心部件，可以在基材表面实现激光束、熔覆材料和熔池之间的精准耦合并形成连续熔覆层。激光熔覆加工头内置有光学镜组，主要用于激光束的传输、变换和聚焦，可以根据不同的加工需求对光束进行处理。主要从分析激光熔覆加工头聚焦性能对熔覆成形工艺影响的角度出发，综述了加工头的设计及其成形工艺的发展，具体包括光斑尺寸、光斑形状、光斑能量分布、激光功率、光源特性等对材料沉积速度、材料利用效率、熔覆层质量等的影响。首先按照激光熔覆的材料类型和材料与激光束的耦合形式，对激光熔覆光料耦合方式及加工头进行了简要概述，并对成形工艺造成的影响进行了总结。其次分别讨论了连续高斯光束和平顶光束以及脉冲激光的聚焦性能对熔覆层的影响，同时概述了3种不同形状光斑(圆形、矩形、环形)的能量分布特性和光斑尺寸对成形工艺的影响;接着研究了激光能量密度对熔覆层质量的影响;基于超高速激光熔覆技术分析提出透镜长焦深聚焦特性能够大幅提升激光熔覆的加工效率。最后展望了激光熔覆加工头聚焦性能在成形工艺上的发展趋势和应用前景。
  • 超声冲击强化焊接接头及金属表面强化研究进展
    李美艳, 薛喜欣, 张琪, 宋立新, 韩彬, 刘明磊
    表面技术. 2022, 51(6): 89-99. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.009
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    工程机械零件及焊接结构在服役过程中常常因为表面发生磨损、腐蚀和疲劳断裂而失效，而失效形式与其表面加工质量、应力分布状态和表面性能等因素密切相关。超声冲击是一种利用超声波振动驱动冲击针高速撞击工件表面，使工件表面产生塑性变形和残余压应力的表面强化技术，具有效率高、加工精度高以及加工范围广等优势。概述了超声冲击处理技术在焊接接头处理、金属材料表面强化、激光熔覆–超声冲击复合处理以及超声冲击–化学处理复合强化等方面的研究现状及进展。在此基础上，重点综述了超声冲击处理Al、Mg合金及合金钢焊接接头残余应力、力学性能及抗疲劳性能的变化，归纳了传统金属材料以及新兴高熵合金表面超声冲击处理后的组织、微观亚结构及性能变化，总结了超声冲击对激光改性层组织性能的影响规律以及超声冲击预处理对离子渗氮/渗硫层形成及其性能的影响等。超声冲击处理明显降低了焊接接头的残余拉应力，有效提高其疲劳强度，使金属和涂层表面产生纳米化组织，显著提升材料的表面硬度、耐磨性能、耐蚀性能以及耐高温性能，从而延长工程构件的服役寿命。显然，超声冲击处理技术与表面涂层技术相结合，为工程零部件表面强化提供了新的思路。对于表面涂层，超声冲击能够在兼顾其塑韧性的前提下提升表面性能，获得更高的表面质量、更优异的耐蚀性能和耐磨性能，广泛应用在关键零部件的强化、修复、再制造等领域。另外，超声冲击层内细化的组织和大量的微观亚结构为后续化学处理提供了更多的扩散通道，起到了积极的促进作用。最后展望了超声冲击处理技术在工程结构件中的应用前景及发展方向，为其推广应用提供参考。
  • 表面微织构在切削过程中的研究进展
    周小容, 何林, 袁森, 周滔, 田鹏飞, 邹子川
    表面技术. 2022, 51(6): 100-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.010
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    在切削过程中，临近切削刃的刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与已加工表面接触区存在的高温高压情况严重影响了刀具服役寿命和工件表面完整性。表面微织构技术是一种先进的表面改性技术，在刀具表面制备不同尺寸参数、形状参数、分布参数的表面织构能够显著影响刀具的切削性能。当刀具表面微织构制备方法不同时，微织构所呈现的性能也不同。首先从制备技术的原理、制备过程、制备技术特点等方面对当前最先进的刀具表面微织构制备技术进行了综述。然后从切削力、切削温度、刀具磨损、切屑形成、工件表面完整性等角度分析了微织构对刀具切削性能的影响规律与机理。在分析切削力、切削温度、刀具磨损、切屑形成等4个指标时重点关注了刀具前刀面微织构所起的作用，在分析工件表面质量时，同时考虑了刀具后刀面微织构、前刀面微织构的影响。最后，介绍了当前微织构的研究热点，主要包括微织构技术与钝化刃口、润滑剂的协同作用对切削性能的影响，以及微织构刀具在切削过程中发生的衍生切削行为。通过对文献的归纳、总结与深入分析，给出了表面微织构未来的研究方向，为刀具进一步优化提供设计参考。
  • 功能型氟硅聚合物涂层的研究进展
    李宗林, 刘杰, 郑楠, 刘军海, 李志洲, 李文戈
    表面技术. 2022, 51(6): 128-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.011
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    氟硅聚合物涂层是一种以有机硅、氟改性有机硅或有机氟为基体的材料，具有表面能低、稳定性高、易加工等特点，广泛应用于国防军事、轻工、机械、化工、医学等领域。综述了近年来氟硅聚合物常用的合成方法，如原子转移自由基聚合(ATRP)法、阴离子开环聚合法、硅烷偶联剂法、硫醇–烯点击法等，采用上述方法合成的氟硅聚合物，因其有序的氟/硅–碳排列，使得制备的涂层材料具有润湿性低和稳定性高等特点，在防污、抗菌等领域有着巨大的应用前景。同时，综述了不同维度材料修饰的氟硅聚合物涂层的研究进展，如一维材料(纳米线、纳米管等)、二维材料(片状硫化铜、石墨烯、MXene、氮化硼等)和三维材料(CeO2、SiO2、Fe3O4等颗粒及微胶囊)。对不同维度材料在防覆冰、抗菌、导电、导热、红外隐身、光催化、自修复等领域的应用和作用机制进行了分析。此外，综述了有机链段(聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯等)改性的氟硅聚合物涂层在医学、防污、自修复等领域的应用，并对其作用机制进行了分析。最后，对氟硅聚合物涂层研究中存在的问题进行了归纳，并对其发展方向进行了展望。
  • 纳米压痕技术及其在薄膜/涂层体系中的应用
    王宇迪, 王鹤峰, 杨尚余, 赵帅, 金涛, 肖革胜, 树学峰
    表面技术. 2022, 51(6): 138-159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.012
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    综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。为了保证测试结果的准确性，要在合适的温度、湿度下进行压入实验，借助保载来消除一些可以避免的误差。阐述了压头的分类和选择原则，玻氏压头相比于维氏压头具有更小的中心线与棱面夹角，避免了尖端横刃对于压入结果准确性的影响，因此最常用的压头为玻氏压头;表征断裂韧性最合适的压头为立方角压头;表征微机电系统的弯曲采用楔形压头。总结了通过最大载荷和压入面积得到涂层力学参量的分析流程。归纳了将纳米压痕法应用于表征薄膜涂层的硬度和弹性模量、室温下蠕变性能、断裂韧性、残余应力、塑性性能等力学量的研究，如表征硬度和弹性模量的Oliver-Pharr法的应用，识别蠕变柔量的Lee-Radok模型的应用，分析断裂韧性的Lawn-Evans-Marshall模型的应用。在涂层制备过程中，制备参数的改变可以使得涂层具有不同的力学性能，涂层厚度远小于表面尺寸，硬度和弹性模量仍然存在各向异性，非晶态结构涂层具有更高的硬度和弹性模量。采用碳纳米管强化可以提高涂层的断裂韧性，涂层内存在适量的残余应力数值和合适的残余应力类型，可以改善涂层的力学性能。具有多层结构、梯度结构等新型结构的涂层相比于传统涂层具有更优良的力学性能。纳米压痕法结合AFM原子力显微镜可以实现原位测量，结合有限元法可以对于理论模型进行完善，并拓宽模型的适用范围。最后，对于纳米压痕技术在薄膜涂层中的应用前景进行了展望。
  • 高硼铁基耐磨熔覆层研究进展
    吴耀燊, 陈俊孚, 牛犇, 易江龙, 胡永俊, 曾邦兴
    表面技术. 2022, 51(6): 160-169, 193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.013
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    高硼铁基合金是一种原位生成硼化物硬质相的铁基耐磨材料，具有高硬度、良好的高温稳定性以及低成本的优势，近年来受到了广泛的研究，国内外大量研究通过对硼化物形态进行调控，以达到抑制裂纹以及提高耐磨性能的目的。从材料体系和熔覆层制备技术2大方面系统地综述了高硼铁基耐磨熔覆层近年来的研究进展。首先重点介绍了Fe–B–C、Fe–B–Cr–C、Fe–B–Cr–Mo–C等3种常见的高硼铁基材料体系，详细阐述了各体系合金成分与原位生成硼化物硬质相类型、形态、分布间的相互作用规律，并给出各体系硼化物随成分含量变化的显微形貌图。归纳总结了成分设计及热处理工艺对合金组织演变及耐磨性能的影响，并分析了其他元素对高硼铁基合金组织性能的影响。其次，介绍了高硼铁基耐磨熔覆层制备技术，包括等离子熔覆、激光熔覆、电子束熔覆与氩弧熔覆，分析了如复合热源和外加磁场等可行的熔覆技术改进方法，并讨论了制备工艺对熔覆层的影响。最后对高硼铁基材料未来的研究及应用方向进行了展望。
  • 热障涂层在飞机APU中的应用、失效形式与维护方法
    王璐璐, 刘延宽, 王志平, 许婧, 费宇杰
    表面技术. 2022, 51(6): 170-179, 203. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.014
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    飞机辅助动力装置(Auxiliary Power Unit，APU)是当前主流民用飞机上必不可少的部件，而热障涂层在APU中的应用能够减少发动机油耗、提升效率、延长热端部件的使用寿命。首先概述了飞机辅助动力装置的结构和工作原理，以及热障涂层的材料及结构体系。其次归纳了飞机APU常见热端部件中热障涂层的制备技术及应用特点，主要对大气等离子(Air Plasma Spraying，APS)和电子束物理气相沉积(Electron–Beam Physical Vapor Deposition，EB–PVD)等2种热障涂层进行了论述。在此基础上，重点综述了热障涂层在民用飞机APU中的典型失效形式，包括高温氧化失效、烧结失效、CMAS腐蚀、颗粒物冲击等，同时结合热障涂层热生长氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)生长、应变能释放、蠕变与疲劳、颗粒物沉积、外来物损伤等行为，对以上失效形式的失效机理进行了重点论述;分别从微观结构观察、断裂力学参数计算、有限元建模等方面详细阐述了飞机APU热障涂层的失效分析手段与方法。最后结合航空公司的实际运营情况对提升APU使用寿命和系统可靠性给出了基于热障涂层的维护建议和预防措施。
  • 仿生表面/涂层在金属腐蚀防护中的研究进展
    姜丹, 黄国胜, 马力, 段体岗
    表面技术. 2022, 51(6): 180-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.015
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    首先分别概述了仿生非浸润表面(超疏水表面、超滑表面)和智能自修复涂层(缺陷愈合型自修复涂层、腐蚀抑制型自修复涂层)的仿生设计原理和制备技术，重点阐述和探讨了其在金属腐蚀防护领域的研究进展与存在的问题。然后进一步梳理了近年来通过将仿生非浸润技术与智能自修复技术相结合，构建自愈性超疏水表面、超疏水活性涂层和超滑活性涂层等多功能防腐蚀涂层的新策略。最后分别对非浸润表面和自修复涂层技术在金属腐蚀控制领域未来的研究重点和发展趋势进行了展望，希望为仿生表面/涂层的设计、制备及防腐蚀应用提供有益的参考。
    • 摩擦磨损与润滑
  • 织构化涂层表面的黏附接触力学行为研究
    闵强强, 唐雪峰, 周青华
    表面技术. 2022, 51(6): 194-203. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.016
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    目的 建立刚性微球与织构化涂层表面黏附接触数值分析模型，探究织构化涂层属性对微观接触副黏附力学性能的影响。方法 基于Hamaker求和法以及Lennard–Jones势能定律，考虑织构高度对接触体间距离分布的影响以及涂层、织构材料属性对接触体间黏附力的影响，建立织构化涂层表面黏附接触力学模型并验证所提模型。基于所提模型，研究不同Tabor数下织构形貌、密度、高度以及涂层厚度对接触系统黏附力学性能的影响。结果 在相同参数下，圆柱型织构黏附力最大，半椭球型织构次之，四棱锥型织构最小。织构密度从200 μm?2增加到4 000 μm?2时，最大黏附力随着织构密度的增加而增加，圆柱型织构增加约5~6倍，四棱锥型织构增加约1.5倍。随着织构高度从1εbs增加至30εbs，最大黏附力减小，四棱锥型织构减小最多，约为原来的1%，圆柱形织构减小最少，约为原来的90%。涂层厚度能够影响黏附力的大小，但影响规律与织构化涂层的Tabor数及织构高度相关。随着涂层厚度从1εbs增加至16εbs，大Tabor数时黏附力逐渐增加，小Tabor数时黏附力逐渐减小。Tabor数较大、织构高度较小时，黏附力–接近距离曲线会出现2次峰值。结论 揭示了织构形貌、密度、高度及涂层厚度对接触系统黏附力学性能的影响，总结了黏附力与最大黏附力的变化规律，所得规律可为工程实践中的黏附微纳米结构设计与应用提供理论指导。
  • 加砂压裂过程中套管孔眼抗冲蚀性能分析
    曾德智, 张思松, 田刚, 于会永, 石善志, 朱红钧
    表面技术. 2022, 51(6): 204-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.017
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    目的 研究加砂压裂过程中，压裂液排量和含砂比对套管射孔孔眼冲蚀的影响规律。方法 运用CFD数值模拟方法，针对射孔套管内流场、流迹特性和颗粒轨迹开展模拟分析，并使用E/CRC和Oka冲蚀模型模拟了压裂施工排量为5~15 m3/min、压裂液含砂比为8%~23%工况下套管射孔孔眼及附近的冲蚀情况，总结其影响规律。结果 随着排量的增加，孔眼处流速激增，压降达到5.5 MPa，但在管底形成一定憋压。E/CRC冲蚀模型考虑了颗粒数量的影响，相比于Oka冲蚀模型更适合于压裂过程中套管孔眼系统冲蚀的实际情况，在孔眼处上部流量进口方向的冲蚀速度明显大于下部管道方向，且冲蚀程度向四周逐渐减小，E/CRC模型的最大冲蚀速率由2.14×10?8 kg/(m2.s)上升至5.85×10?8 kg/(m2.s)。随着压裂液含砂比的上升，E/CRC模型在孔眼处的最大冲蚀速率由2.21×10?8 kg/(m2.s)上升至95.6×10?8 kg/(m2.s)，孔眼附近管壁受冲蚀区域和冲蚀速率均逐渐增大，并在含砂比达到20%以上时，孔眼附近管壁最大冲蚀速率与孔眼处已相差无几。结论 排量和含砂比均与孔眼冲蚀速率成正相关，且含砂比的增大还会加速孔眼附近管壁的冲蚀。建议在高排量时使用低含砂比，高含砂比时使用低排量，以减少孔眼及附近管壁的冲蚀。
  • 风沙冲蚀作用下钢结构涂层的应力计算与分布特征
    蔺鹏臻, 魏亚鹏, 陈星
    表面技术. 2022, 51(6): 214-220, 266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.018
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    目的 合理计算风沙冲蚀作用下钢结构涂层的应力，并客观反映其分布特征。方法 基于接触力学和结构动力学理论，建立风沙侵蚀钢结构涂层时的冲蚀荷载表达式，利用位势理论推导出在冲蚀荷载作用下钢结构涂层的应力计算公式，并结合西北地区风沙流特征对钢结构涂层不同位置处的应力分布规律进行分析。结果 涂层的面漆和中间漆厚度宜分别取165~210 μm和145~165 μm。面漆应具有良好的抗拉、抗压和抗剪性能，以防止发生表面开裂和次表层塑性屈服现象;中间漆的抗剪和抗压强度应分别不小于250 kPa和800 kPa。钢结构建筑物的最小迎风面积应尽可能垂直于风向，以降低风沙对钢结构建筑物的冲蚀破坏。结论 在风沙冲蚀作用下钢结构涂层宜设置底漆、中间漆和面漆3层，且底漆、中间漆和面漆的厚度应依次增大;面漆抗压和抗剪强度均要优于中间漆和底漆，以防止表面开裂和次表层塑性屈服。
  • 基于分形理论的钢化玻璃风沙冲蚀损伤形貌演化机理
    郝贠洪, 张飞龙, 刘艳晨, 宣姣羽
    表面技术. 2022, 51(6): 221-228. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.019
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    目的 为准确评价风沙冲蚀环境下钢化玻璃表面形貌，描述形貌演化过程，分析形貌损伤机理。方法 进行了钢化玻璃风沙冲蚀损伤试验，利用激光共聚焦显微镜(LSCM)提取损伤表面形貌，利用透光率仪测试钢化玻璃透光率，综合使用分形维数、多重分形谱、透光率表征不同演化条件(冲蚀时间、冲蚀角度)下钢化玻璃表面形貌演化过程，识别冲蚀损伤特征及损伤阶段。结果 不同冲蚀时间下，存在3个损伤阶段——快速增长期、中速增长期和稳定期，前2个阶段分形维数增速和透光率减速较快，稳定期透光率减速较慢，且分形维数将逐渐稳定在最大值(1.875)左右;不同冲蚀角度下，存在2个损伤阶段，中低冲蚀角(≤60°)下分形维数增速和透光率减速较快，高冲蚀角(>60°)下分形维数增速和透光率减速较慢。结论 钢化玻璃表面冲蚀损伤机制为初生损伤和次生损伤，前者由风沙粒子单次冲击造成，后者是在后续沙粒持续冲击下由初生损伤诱发演化产生，前者复杂程度及对可见光的削弱能力大于后者;快速增长期、中速增长期和中低冲蚀角(≤60°)下以初生损伤为主，稳定期和高冲蚀角(>60°)下次生损伤大量增加。
  • 超高压水射流冲蚀船用A级钢表面实验研究
    程书铭, 曹宇鹏, 陆华, 花国然, 王振刚, 陈真, 丁海华
    表面技术. 2022, 51(6): 229-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.020
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    目的 研究超高压水射流与船用A级钢表面的相互作用及冲蚀机理。方法 使用200 MPa的超高压水对船用A级钢进行射流冲蚀实验，并用20 MPa高压水射流进行对比实验。利用ASMC2–4电阻应变仪采集水射流冲击过程中船板背面的动态应变信号，同时使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等设备对船用A级钢冲击前的微观组织、物相和冲击后的材料表面形貌与元素分布进行观察分析。结果 在200 MPa压力下船用A级钢冲击中心区域背面平均微应变为180×10?6，微应变振幅为35×10?6~50×10?6，水射流对A级钢的冲击力为循环脉动交变应力;在射流交变应力作用下材料表面发生疲劳破坏，水射流冲蚀后A级钢中心区域以长条状渗碳体硬质相为主，还存在有未被冲蚀的珠光体组织;在200 MPa超高压射流作用下材料表面还存在着典型的剥落坑、层蚀、穴蚀等断裂形貌。结论 建立了船用A级钢水射流冲蚀剥离模型，阐明了水射流冲蚀作用机理。
  • 掺杂元素Ti对WS2薄膜结构和摩擦学性能的影响
    张赵云, 段泽文, 江海霞, 张贝贝, 赵晓宇, 吴有智, 王鹏
    表面技术. 2022, 51(6): 239-247, 266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.021
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    目的 提高单一成分WS2薄膜的力学和摩擦学性能。方法 采用多靶磁控溅射方法制备不同Ti含量的WS2–Ti复合薄膜。利用X射线能谱仪(EDS)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪，对薄膜的成分、化学态、晶体结构、形貌以及力学性能进行表征，并利用球–盘摩擦试验机检测该系列薄膜在大气和真空环境下的摩擦学性能。结果 掺杂元素Ti 显著改善WS2薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能。随着Ti含量的增加，WS2薄膜的结晶度下降，致密度增加，其硬度和杨氏模量分别从0.25 GPa和16.60 GPa增加到3.52 GPa和59.00 GPa。Ti原子数分数为7.17%时，复合薄膜的磨损率在真空和大气环境下分别低至0.10×10?15 m3/(N.m)和2.66×10?15 m3/(N.m)。结论 在真空摩擦试验中，WS2基薄膜的磨损机制为黏着磨损，适量的Ti可有效抑制薄膜发生黏着磨损，使得薄膜的磨损率大幅降低。在大气摩擦试验中，Ti有效抑制了硬质颗粒WO3刺穿WS2分子保护膜，使得复合薄膜的磨损寿命延长，磨损率降低。
  • 航空发动机可磨耗涂层在不同碰磨场景下的有毒物质产生机理
    孙杨慧, 陈勇, 王少辉, 侯乃先, 孙建刚
    表面技术. 2022, 51(6): 248-254, 290. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.022
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    目的 获得铝硅聚苯酯涂层在发动机不同碰磨条件下磨削物的尺寸、内部结构与其热分解特性的关系，进而揭示有毒气体产生的机理。方法 应用LS–DYNA软件计算压气机在不同运行工况下叶片的伸长量与伸长率，定义碰磨场景。应用等离子喷涂技术(APS)制备铝硅聚苯酯涂层，利用高温超高速可磨耗试验机模拟碰摩场景并开展碰摩试验。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)表征不同碰摩场景下磨削物颗粒的尺寸、形貌与成分。利用气相色谱–质谱连用仪对不同尺寸、形貌及内部结构的磨削物颗粒开展热分解试验，获得热分解规律及导致客舱引气污染的有害物质。结果 高转速(183 m/s)、低进给率(28 μm/s)条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为30.8 μm;高转速(183 m/s)、高进给率(257 μm/s)条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为74 μm;低转速(52 m/s)、低进给率(28 μm/s)条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为101.8 μm;低转速(52 m/s)、高进给率(257 μm/s)条件下，磨削物颗粒的平均尺寸约为119.4 μm。当涂层磨削物颗粒尺寸大于100 μm时，在210 ℃附近未发生热解，仅在550 ℃附近有明显的热解反应;当涂层磨削物颗粒尺寸小于75 μm时，在210、550 ℃附近都有明显的热解现象，且都会产生苯、甲苯等有害物质。结论 线速度基本一致的条件下，磨削物颗粒尺寸与进给率成正相关;进给率基本一致的条件下，磨削物颗粒尺寸与进给率成负相关。磨削物颗粒的热稳定性与颗粒的尺寸、内部结构相关。涂层在高转速下热效应明显，涂层骨架中的聚苯酯发生部分坍塌，内部结构遭到破坏，导致磨削物在低温下发生热解反应，且产生的有害物质会污染客舱引气。
    • 腐蚀与防护
  • 超声波冷锻与微弧氧化处理铝合金钻杆的耐腐蚀性能
    梁健, 李嘉栋, 林冰, 岳文, 王成彪, 尹浩, 唐鋆磊
    表面技术. 2022, 51(6): 255-266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.023
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    目的 采用超声波冷锻与微弧氧化技术处理形成包裹于铝合金表面的细晶层和微弧氧化膜层用以提高铝合金钻杆的耐腐蚀性能。方法 用超声波冷锻技术(Ultrasonic Cold Forging Technology，UCFT)和微弧氧化技术(Micro Arc Oxidation，MAO)处理形成包裹于铝合金表面的细晶层和微弧氧化膜层，从而强化铝合金钻杆材料(2024)。通过模拟铝合金材料在科学超深井“高温–高压–力学–化学”的服役条件和环境，并使用失重法、电化学方法、扫描电子显微镜以及X射线衍射等测试方法，研究了细晶层和微弧氧化膜层对铝合金钻杆腐蚀行为和腐蚀规律的影响。结果 通过电化学测试结果可知，经UCFT+MAO处理的铝合金的耐腐蚀性能随着弹性拉应力的增加而逐渐下降。但在300 MPa的弹性拉应力作用下，经UCFT+MAO处理的铝合金仍能维持较低的腐蚀速率(10?2 mm/a)，并且耐蚀性能仍大于未经UCFT+MAO处理的铝合金。通过失重法和扫描电子显微镜测试结果可知，在100 MPa的弹性拉应力条件下，经UCFT+MAO处理的铝合金的腐蚀速率随试验温度的升高而明显上升，并且表面的腐蚀形貌也变得越来越不平整，凸起程度增加。当试验温度超过125 ℃时，经UCFT+MAO处理的铝合金的腐蚀速率随温度的增加而显著上升。通过XRD测试结果可知，在100 MPa的弹性拉应力和不同温度条件下，经UCFT+MAO处理的铝合金表面的化学组成主要以Al和Al2O3为主。结论 经UCFT和MAO处理形成的细晶层和微弧氧化膜层能够有效保护铝合金基体，提升铝合金的耐腐蚀性能。
  • 热障涂层热疲劳寿命预测模型研究
    姚玉东, 艾延廷, 关鹏, 田晶, 包天南
    表面技术. 2022, 51(6): 267-274. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.024
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    目的 建立热障涂层寿命预测模型，并研究涂层寿命预测与各种应力应变信息的相关性。方法 首先利用带热障涂层圆管试验结果，将涂层界面简化为余弦曲线，建立了相应的二维轴对称有限元模型;然后根据热障涂层疲劳试验结果，结合线性疲劳累积理论和Manson–Coffin低周疲劳模型，建立了热障涂层的寿命预测模型，并将拟合问题转化为寻优问题，使用遗传算法确定寿命预测模型中的系数;最后基于热障涂层试验的微观照片确定出危险点位置，选取正向、剪切、等效和通过二向应力应变分析方法提取垂直于余弦曲面形貌的11种应力应变信息进行寿命预测，并分析了寿命预测的最大误差和平均误差，对分析的结果进行了验证。结果 采用等效应变范围进行涂层寿命预测的最大误差和平均误差最小，分别为50%和21%，涂层寿命与等效应力的相关性最大。采用等效应变进行寿命预测的结果与文献中的结果相比，最大误差降低了169.1%，整体的寿命预测值从±2倍分散带之内缩小到了±1.5倍分散带之内。采用等效应变范围进行不同工况下的涂层寿命预测，预测结果为130次循环，试验结果为160次循环，寿命预测的结果较好。结论 证明了所建立模型的正确性与准确性，为涂层寿命预测提供了一种有效方法。
  • LaMgAl11O19热障涂层退火过程残余热应力分布及涂层热稳定性的数值模拟
    胡帅, 冯永军, 李伟汉, 胡素影, 宫雪, 解志文
    表面技术. 2022, 51(6): 275-282. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.025
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    目的 研究退火过程中LaMgAl11O19热障涂层内部残余热应力的分布情况及其对热障涂层热稳定性的影响机理。方法 基于等离子喷涂制备的LaMgAl11O19/YSZ双热障涂层物理模型，采用Abaqus建立数值仿真模型，通过温度位移耦合计算，系统分析不同退火温度下LaMgAl11O19热障涂层内部残余热应力的分布情况。通过扫描电镜，观察退火前后涂层表面及断面的微观组织形貌。根据数值模拟结果及涂层SEM图像，分析残余热应力对LaMgAl11O19热障涂层热稳定性的影响，探究引起涂层裂纹损伤失效的影响因素。结果 数值模拟结果显示，LaMgAl11O19热障涂层内部的残余热应力以径向应力为主，其值远大于轴向应力及剪切应力。退火中，径向残余热应力在径向距离0~2.4 mm内缓慢增长到最大值，而在x=2.4 mm至径向边缘范围内急剧降低。退火后，在涂层径向边缘位置出现应力集中，在径向距离x=2.6 mm处达到最大拉应力，并迅速减小为压应力。900、1 000、1 100、1 200 ℃退火中径向残余热应力梯度分别为0.334、0.369、0.389、0.391 GPa。退火后径向残余热应力梯度分别为0.104、0.148、0.203、0.260 MPa。从退火后涂层表面及断面扫描电镜图像观察到，LaMgAl11O19热障涂层内部裂纹损伤以轴向裂纹为主。结论 LaMgAl11O19热障涂层退火过程中内部径向残余热应力在径向边缘位置存在拉压应力突变，应力梯度随退火温度的升高而增大。LaMgAl11O19热障涂层在退火过程中存在较大的径向残余热应力，其应力值占主导地位，是引起涂层轴向裂纹产生及扩展的主要原因。
  • 盐穴储气库注采管柱内腐蚀速率预测模型研究
    骆正山, 欧阳长风, 王小完, 张新生
    表面技术. 2022, 51(6): 283-290. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.026
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    目的 提升盐穴储气库注采管柱的内腐蚀速率预测精度，以保障盐穴储气库的设施健康和运行安全。方法 建立基于小波核主成分分析(KPCA)和改进灰狼算法(IGWO)优化的极限学习机(ELM)腐蚀速率预测模型。以某盐穴储气库注采管柱为例。首先选取10种腐蚀影响因素，建立盐穴储气库注采管柱的内腐蚀指标体系;其次通过小波KPCA提取影响注采管柱内腐蚀的关键特征，后利用IGWO对ELM模型参数 和 进行迭代寻优，进而建立IGWO–ELM盐穴储气库注采管柱内腐蚀速率预测模型;最后在MATLAB中进行仿真计算，将IGWO–ELM模型与ELM、PSO–ELM、SSA–ELM模型进行预测误差对比。结果 经小波KPCA特征提取后得到包含98.61%原信息的3项主成分，IGWO–ELM模型的预测结果与实际值吻合度高，其均方根误差为0.008 8，平均绝对百分比误差为0.260 9%，决定系数(R2)高达0.992 5，比其他3个对比模型的性能更优。结论 小波KPCA特征提取能力优良，IGWO–ELM模型能够有效预测盐穴储气库注采管柱的内腐蚀速率，为盐穴储气库注采管柱的腐蚀研究提供了新的思路与方法。
  • 油酸咪唑啉与油酸在饱和CO2盐溶液中的缓蚀协同效应
    刘畅, 陈旭, 杨江, 王欣彤
    表面技术. 2022, 51(6): 291-299. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.027
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    目的 探究咪唑啉与油酸的协同效应。方法 采用失重法和电化学技术，研究咪唑啉与油酸缓蚀剂对N80钢在饱和CO2油田地层水中的协同增效缓蚀效果。用SEM技术对腐蚀形貌进行了观察。通过测量金属表面膜的接触角，评价金属表面膜的疏水性能，并建立吸附模型以及拟合吸附曲线，分析了2种缓蚀剂单一作用时和混合后的缓蚀机理。结果 咪唑啉和油酸单独使用时均能够使腐蚀电位正移，添加量为100 mg/L时，缓蚀效率分别为82.89%和78.51%。二者复配后，缓蚀效率有一定提高，在油酸咪唑啉与油酸的复配比为25∶75时，缓蚀效率最大，相较于单独添加相同浓度的油酸咪唑啉，缓蚀效率提高了约15%，达到98.07%。在添加单一缓蚀剂时，金属表面的腐蚀程度随浓度的增加而减轻，在添加复配的缓蚀剂后，对比相同浓度下添加单一缓蚀剂后的腐蚀形貌，点蚀坑数量减少且尺寸减小。两缓蚀剂复配后，金属表面接触角较单独使用时增大，表明其在金属表面形成的缓蚀剂膜的疏水能力较单独使用时强。经计算单独使用油酸咪唑啉和油酸时体系的吉布斯自由能ΔG0分别为?48.578、?48.319 kJ/mol。结论 油酸咪唑啉与油酸之间有良好的缓蚀协同效应。单一油酸咪唑啉或油酸缓蚀剂通过化学吸附作用于金属表面。油酸咪唑啉与油酸复配后的缓蚀机理可归因于两者复配后改变了混合膜的结构，使缓蚀剂膜更致密，从而达到更好的缓蚀效果。
  • 2Cr13不锈钢活性屏等离子体源渗氮层组织与耐蚀性能
    李广宇, 李刚, 雷明凯
    表面技术. 2022, 51(6): 300-306. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.028
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    目的 探讨活性屏等离子体源渗氮技术提高马氏体不锈钢硬度与耐蚀性能的可行性。方法 将2Cr13马氏体不锈钢进行350~550 ℃、6 h活性屏等离子体源渗氮处理，采用光学显微镜(OM)、电子探针显微分析仪(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)分析渗氮层的组织、成分和相结构，使用显微硬度计测试渗氮层的显微硬度，利用电化学腐蚀试验解析评估渗氮层的耐蚀性能。结果 经活性屏等离子体源渗氮处理后，可在马氏体不锈钢表面形成厚度为2~45 μm，N原子分数为20%~25%的渗氮层，其表面显微硬度达1050~1350 HV0.25，是基体硬度的4~5倍。350 ℃时，渗氮层以ε-Fe2-3N相为主，且含有少量αN相;450 ℃时，渗氮层由αN、ε-Fe2-3N和g￠-Fe4N相构成;渗氮温度升至550 ℃时，渗氮层由a-Fe、CrN和g￠-Fe4N相构成，aN、e-Fe2-3N相消失。350、450 ℃时，渗氮层在3.5% NaCl溶液中的阳极极化曲线出现明显钝化区，而未渗氮的2Cr13不锈钢并未发现钝化区，自腐蚀电位Ecorr由未渗氮的–308 mV(vs. SCE)分别升高至–151、–104 mV，腐蚀电流密度Jp均维持在0.03~0.2 μA/cm2内。550 ℃时，渗氮层表面因CrN相析出，耐蚀性能相对恶化。电化学阻抗谱结果显示，350、450 ℃时，渗氮层表面钝化膜电荷转移电阻Rct由未渗氮的5.25× 104 Ω.cm2分别增至2.76×105、3.18×105 Ω.cm2，双电层电容Cdl由未渗氮的473 μF/cm2分别降至74、103 μF/cm2，说明渗氮层表面形成的钝化膜更厚，致密性更好，能有效阻碍反应离子的渗透和迁移，耐蚀性能显著提高。结论 活性屏等离子体源渗氮技术处理2Cr13马氏体不锈钢可以获得高的表面硬度和优异的耐腐蚀性能。
  • 交流电对X80钢腐蚀行为影响研究
    吴广春, 李德明, 张梦梦
    表面技术. 2022, 51(6): 307-316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.029
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    目的 明确交流电对X80钢的腐蚀电化学动力学参数、腐蚀发展历程和腐蚀速率的影响规律。方法 利用交流电流密度作用下X80钢试样的动电位极化测试，分析交流电对X80钢腐蚀电化学动力学参数的影响。搭建室内腐蚀质量损失模拟试验，并对试验过程中试样的阴极保护和交流干扰参数进行监测，分析交流电对X80钢试样腐蚀速率、扩散电阻和直流电流密度的影响规律。利用拉曼光谱测试和微观形貌相结合的方法，对交流电作用下X80钢试样的腐蚀形貌和腐蚀产物成分变化过程进行分析。结果 交流电使X80钢的自腐蚀电位负向偏移，交流电流密度小于100 A/m2时，负移幅度随交流电流密度的增加而明显增大;交流电流密度大于100 A/m2时，腐蚀电位则整体接近。自腐蚀电流密度呈现同样的规律，阴极和阳极塔菲尔斜率无明显变化。试样极化电位从–0.428 V(vs. SCE)负移至–0.928 V时，面积为6.5、1.0 cm2试样的扩散电阻分别从约0.063、0.048 Ω.m2减小至0.051、0.036 Ω.m2。交流电流密度从0增大到300 A/m2，极化电位–0.428、–0.878、–0.928 V对应的直流电流密度平均值的变化系数分别为0.83、1.72、2.30。交流电加速了X80的腐蚀，交流电流电流密度从0 A/m2增大到300 A/m2时，腐蚀速率增幅呈现先显著后平缓的规律，腐蚀形貌由均匀腐蚀→点腐蚀→局部腐蚀转变，交流电流密度达到200、300 A/m2时，试样的腐蚀产物中出现了γ-FeOOH。结论 交流电促进了X80钢的阴阳极反应过程，且对阳极反应过程的影响大于对阴极，X80钢自腐蚀电位出现负向偏移，自腐蚀电流密度增大。交流电加速了离子传质过程，表现为阴极极化下试样扩散电阻变小，同时增大了阴极保护所需的电流密度。交流电改变了X80钢的腐蚀形貌，随着交流电流密度的增大，腐蚀形貌由均匀腐蚀→点腐蚀→局部腐蚀转变。高的交流电流密度下，腐蚀产物中出现的γ-FeOOH为强氧化剂，进一步加速了腐蚀。
    • 精密与超精密加工
  • 基于静电微量润滑的AlSi7Mg铝合金高速铣削能量消耗研究
    林铁宇, 徐锦泱, 李超, 安庆龙, 明伟伟, 陈明, 时轮
    表面技术. 2022, 51(6): 317-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.030
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    目的 通过开展AlSi7Mg铝合金高速铣削实验，研究静电微量润滑(Electrostatic Minimal Quantity Lubrication，EMQL)条件下不同的铣削参数对铣削过程中能量消耗的影响规律。方法 采用AlSi7Mg铝合金板材，在PT50A加工中心开展EMQL条件下不同铣削参数(切削速度、进给量和铣削深度)的正交实验，以及4种润滑条件(干式、传统浇注润滑、微量润滑和EMQL)下的对比实验，监测不同铣削条件下机床功率P情况，并对功率进行曲线拟合，再依据拟合函数积分求解不同条件下铣削过程的材料去除能量Ek，进而换算出相同材料去除体积下(即单位深度下)消耗的能量E ′，然后根据功率求解铣削比能Ek。根据实验结果分析不同铣削参数和润滑条件对4种能量消耗指标(P、E、E ′和Ek)的影响规律，并将依据4种指标选出的正交实验优化参数应用于缸盖加工中。结果 尽管切削速度v和进给量f各有不同，当铣削深度ap取最小值(0.4 mm)时，功率曲线水平以及材料去除能量E均位于各数据组的最低水平。在实验11加工过程中，每毫米切削深度的材料去除能量E ′为最小值。不论ap值如何变化，铣削比能均随着f的增大而逐渐减小。EMQL与传统润滑在功率、材料去除能量及铣削比能的结果上均较为接近。根据4种指标结果选出了优化铣削参数，v=1 800 m/min，f =0.16 mm/r，ap=0.4 mm。结论 铣削深度对功率及材料去除能量的影响较显著，进给量对铣削比能的影响更为突出，而切削速度对E ′值的影响较明显。此外，EMQL对传统润滑具有较好的替代性。
  • 高体积分数SiCp/Al复合材料超声辅助划切微观去除机理
    张红哲, 朱晓春, 鲍永杰
    表面技术. 2022, 51(6): 327-335, 363. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.031
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    目的 揭示高体积分数SiCp/Al复合材料在超声辅助加工条件下的材料去除机理。方法 采用SiCp/Al复合材料的超声辅助划切试验，探究划切参数变化对超声振幅、划切力及摩擦因数的影响规律，并通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对划痕表面微观形貌进行观察，分析单点金刚石磨粒工具超声辅助划切材料去除的特点。结果 随着划切深度从0.01 mm增加到0.05 mm，电流值逐渐降低，电流值变化量从12 mA增加到25 mA，超声振幅逐渐衰减，金刚石压头的轴向冲击作用减弱。划切深度和划切速度的增加使切向挤压切削作用增强，划切力和摩擦因数增大。在材料去除过程中，碳化硅颗粒存在破碎成小颗粒、剪切断裂破碎和拔出等多种去除形式，铝基体出现明显的塑性流动和涂覆现象，并形成切削沟槽外侧堆积。结论 当切削深度和进给速度较小时，材料去除主要是在轴向的高频振动冲击作用下完成，材料表面加工质量较好;当切削深度和进给速度逐渐增大时，材料去除是在轴向冲击破碎和切向挤压切削共同作用下完成，材料表面加工质量逐渐降低。
  • 线性液动压抛光波纹度加工特性研究
    淦作昆, 蔡姚杰, 许鑫祺, 洪滔, 文东辉
    表面技术. 2022, 51(6): 336-345. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.032
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    目的 探究线性液动压抛光波纹度特性，建立抛光波纹度预测模型，获取最佳加工工艺参数组合。方法 结合线性液动压抛光原理，分析抛光波纹度产生机理，探究流场力分布特性，并获得影响波纹度的相关工艺参数。设计单因素试验，探究各工艺参数对波纹度的影响规律，并进行显著性分析，选取显著参数为试验因子，设计正交试验，以试验结果作为训练集，建立基于支持向量回归机(Support Vector Regression，SVR)的波纹度预测模型。以该预测模型为适应度函数，进行遗传算法寻优，以获取最佳工艺参数。结果 线性液动压抛光波纹度由流场力分布特性及工件进给运动共同作用产生，其大小受抛光间隙、抛光速度、进给速度和抛光液黏度影响。单因素试验分析结果显示，抛光波纹度Wa随进给速度和抛光间隙的增大而增大，随抛光速度的增大而减小，随抛光液黏度的增大而先减小、再增大。其中进给速度的影响最显著，抛光间隙和抛光速度次之，而抛光液黏度的影响具有分段差异性，显著性最弱。以正交试验数据所建立的抛光波纹度预测模型的回归相关系数R2为0.992 0。随机验证实验结果显示，各组预测值与真实值的误差均在10%以内，遗传算法寻优得到最佳工艺参数(h0, u0, vf)=(50, 8, 200)。抛光1 h后，工件表面波纹度为5.23 nm。结论 合理选取工艺参数可优化抛光波纹度，基于SVR的线性液动压抛光波纹度预测模型，预测能力可靠，能够实现对抛光波纹度的可控加工。
  • 不锈钢电解质等离子体抛光表层元素化学形态演变及界面反应
    段海栋, 孙桓五, 纪刚强, 杨冬亮, 李思雪
    表面技术. 2022, 51(6): 346-353, 389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.033
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    目的 研究不锈钢经电解质等离子体抛光后，表层元素化学形态的变化及机制，为材料去除机理、表面性能、工艺参数、抛光液处理等相关研究提供参考。方法 通过表面粗糙度测试仪、扫描电镜分别对加工前后试样表面粗糙度、形貌变化进行测试表征。通过X射线光电子能谱技术，对加工前后试样表面及抛光液沉积物中主要元素的组成、化学态、分子结构进行测试表征。结合加工现象及材料去除机理，分析加工过程中固、液、气、等离子体之间的界面反应。结果 电解质等离子体抛光后，试样表面平整光亮，预处理中粗磨的痕迹已被完全去除。Ra平均值由0.311 μm降低至0.045 μm，Rq平均值由0.442 μm降低至0.059 μm，Rz平均值由3.260 μm降低至0.369 μm。与抛光前试样相比，抛光后试样表层检测到S+6和Ni+2，沉积物中的Fe均为Fe+3，Cr主要为Cr+3，含有少量Cr+6。抛光后试样表面及沉积物中金属元素的化合物主要为氧化物和氢氧化物。结论 电解质等离子体抛光316LVM不锈钢有显著效果，抛光后试样表面粗糙度明显降低。抛光过程中，试样表面主要发生氧化反应，氧化性物质主要来自水。硫酸根离子在加工中与金属离子生成了硫酸盐，可能未参与氧化还原反应。试样表面的铁、铬、镍以氧化态形式被去除，抛光液中氧化态的铁、铬以沉淀形式存在，氧化态的镍以络合物的形式存在。
  • TB9钛合金车削系统振动特性与表面粗糙度关系的试验研究
    史丽晨, 李进学, 刘亚雄, 贾荣枭, 豆卫涛
    表面技术. 2022, 51(6): 354-363. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.034
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    目的 通过车削加工TB9钛合金试验，定量研究不同位置的振动特性对表面粗糙度的影响规律，并建立基于振动参数的表面粗糙度预测模型。方法 选用涂层硬质合金刀具对TB9钛合金线材进行车削加工。通过8704B25和3333A2加速度传感器对试验过程中不同位置的切削振动进行检测。运用Matlab对振动加速度信号进行处理和分析。采用TR2000高精度表面粗糙度仪测量工件表面粗糙度。结果 车削系统不同位置的振动特性均与表面粗糙度存在线性关系。车削系统中刀具振动加速度均方根值、主轴振动加速度均方根值以及后导向振动加速度均方根值与表面粗糙度的Pearson相关系数分别为0.379 93、0.331 90、0.181 95。表面粗糙度预测模型的预测平均百分比误差小于3%。结论 车削加工时刀具、主轴以及后导向的车削振动均对表面粗糙度有一定影响。车削系统不同位置的振动特性对表面粗糙度的影响次序为刀具>主轴>后导向，可见距离切削位置越近的振动对车削加工表面粗糙度的影响越大。基于振动参数的表面粗糙度预测模型的准确度较高，可作为表面粗糙度的预测模型。
    • 表面功能化
  • 高功率微波等离子体对单晶金刚石同质外延生长的影响
    张青, 翁俊, 刘繁, 李廷垟, 汪建华, 熊礼威, 赵洪阳
    表面技术. 2022, 51(6): 364-373, 398. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.035
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    目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境，研究高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长层的影响。方法 利用实验室自主研发的915 MHz–MPCVD装置，在20~35 kW高功率微波馈入的条件下，具体研究了高功率等离子体环境中甲烷浓度、微波功率及基片温度对单晶金刚石外延生长层的影响。利用光学显微镜、激光拉曼光谱及光致发光光谱对所生长的单晶金刚石进行形貌质量表征，利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行诊断。结果 在馈入25 kW的微波功率时，将甲烷的体积分数从6%下降至3%，可以使单晶金刚石更易于出现层状生长结构;保持甲烷体积分数为3%，将微波功率从25 kW提高到35 kW，可以进一步优化单晶金刚石生长的层状结构，提高单晶金刚石的生长质量和生长速率;保持微波功率为35 kW，当甲烷体积分数为3%时，将基片温度从800 ℃提高到1 210 ℃可以明显提高单晶金刚石的生长速率，但会易于引入非金刚石相;保持甲烷体积分数为3%，将微波功率提高到35 kW，可以在等离子体中激发更多有利于金刚石快速生长的含碳活性基团;当微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%、基片温度为950 ℃时，单晶金刚石的生长速率可达25.6 μm/h，且单晶金刚石的质量及颜色较好。结论 在高功率等离子体环境中，即使在相对较低的甲烷浓度下，通过大幅度提高微波功率也可以有效活化含碳基团，在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团;基片温度对单晶金刚石中的非金刚石相及颜色具有显著影响，在微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%的情况下，将基片温度控制在950 ℃附近，可以有效抑制非金刚石相的生成。
  • 树莓形SiO2–TiO2纳米粒子的制备及其在光学涂层中的应用
    王平美, 何玫莹, 贾新利, 肖沛文, 罗健辉, 江波
    表面技术. 2022, 51(6): 374-381. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.036
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    目的 提高TiO2纳米粒子在复合光学薄膜中的分散性及光催化自清洁效率。方法 以通过St?ber法制备的粒径为70、140 nm的SiO2粒子与酸催化法制备的粒径为5 nm的TiO2粒子为原料，分别使用硅烷偶联剂3–氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，或KH550)与γ–缩水甘油醚氧丙基三乙氧基硅烷(GLYMO，或KH560)对2种纳米粒子进行表面改性。通过2种粒子表面的化学基团之间的化学键，将2种粒子进行偶联，形成了小粒子包覆大粒子的树莓形结构，并利用溶胶–凝胶法制备了光学涂层，通过紫外–可见分光光度计、红外光谱仪、激光粒度仪等多种表征设备对制备的复合纳米粒子及构筑的薄膜的结构、形貌和性能进行了分析。结果 粒径较小的TiO2纳米粒子通过表面基团的反应均匀地包覆在粒径较大的TiO2纳米粒子表面形成树莓形的复合结构，构筑的薄膜具有较高的透光率(>90%)，较好地保留了玻璃基底的透过率，在紫外辐照条件下可在120 min内完全降解有机污染物，具有高效的光催化自清洁功能。水接触角测试表明，膜层表面具有较高的亲水性，其接触角最低可达2.68°，因此具有较好的防雾性能。此外，膜层的透过率在耐摩擦试验中表现出较高的稳定性，摩擦测试前后透过率变化在1.0%以内。结论 通过表面基团偶联的方法成功制备了树莓形复合纳米粒子，以该粒子构筑的涂层材料兼具透光性、高效光催化自清洁性以及防雾性能，并且具有良好的机械强度。
  • 表面形貌对TB8钛合金/环氧树脂粘结性能的影响
    刘斌, 谢兰生, 陈明和
    表面技术. 2022, 51(6): 382-389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.037
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    目的 通过在基体表面构建出不同的微观结构，提升环氧树脂与钛合金的粘结强度。方法 采用等离子刻蚀设备，调节气体流量、处理时间、RF功率对TB8钛合金样品进行处理，并对处理过的样品进行单搭接接头制备。利用扫描电子显微镜对等离子刻蚀前后的样品表面形貌进行研究，利用XPS分析刻蚀前后样品表面化学成分变化，利用水接触角表征样品表面润湿性，利用电子万能试验机对等离子刻蚀处理后的样品与环氧树脂的粘结强度进行研究。结果 采用CF4对样品进行等离子化学刻蚀，不同的刻蚀时间形成了不同类型的表面微观结构，其中圆粒状结构比蜂窝坑结构表面的粘结性能优越。采用Ar对样品进行等离子溅射刻蚀，样品表面形成纳米级片状微坑结构。等离子刻蚀后，基体表面更加洁净，活性增强，水接触角基本降为0°，润湿性显著提升。等离子刻蚀处理前，样品与环氧树脂的粘结强度为5.32 MPa;等离子刻蚀处理后，样品与环氧树脂的粘结强度可达23.25 MPa，而经喷砂后，等离子刻蚀处理的样品与环氧树脂的粘结强度高达30.29 MPa。最佳等离子刻蚀处理工艺参数为RF功率540 W，气体流量120 mL/min，处理时间50 min，喷砂后最佳等离子刻蚀工艺参数为RF功率540 W，气体流量120 mL/min，处理时间40 min。结论 等离子刻蚀处理能够显著提升TB8钛合金的粘结性能，结合喷砂复合处理效果更佳。
  • 助航灯具干冰清洗多目标参数混合优化
    董慧芬, 刘嘉祺
    表面技术. 2022, 51(6): 390-398. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.038
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    目的 采用干冰清洗技术对助航灯具进行自动清洗，并对清洗参数进行多目标混合优化。方法 以清洁度为评价指标，使用单一变量控制法进行试验，分析清洗工艺参数影响力，获得清洗距离、角度、流量、时间等参数的最佳范围。提出以提高清洁度，节约清洗原料，降低发光口磨损度，提升清洗效率为目标，构建多目标参数优化模型，以清洗参数为决策变量，通过GA-SA混合算法求解优化参数。最后，对设定权重下的子目标优化结果进行试验验证。结果 在仅考虑清洁度这一目标时，试验结果表明，清洗距离范围为8.5~12 cm，清洗角度范围为70°~83°，清洗流量范围为0.6 L/min及以上，清洗时间范围为2 s及以上。通过求解多目标优化模型，获得清洗工艺参数组合，距离为10.801 7 cm，角度为77.459 5°，流量为0.630 1 L/min，时间为2.207 0 s。结论 相较于传统助航灯具清洗方式，干冰清洗多目标参数混合优化获得的工艺参数组合在保证清洁度的前提下，可以实现同时使节约清洗原料、降低发光口磨损度、提升清洗效率达到理想效果的最优解，解决了人工手动清洗费时、耗力、成本高等问题。
    • 热喷涂与冷喷涂技术
  • 超音速火焰喷涂碳化钨与磁控溅射掺钨类金刚石膜复合涂层结构及性能
    杨焜, 宋进兵, 林松盛, 曾威
    表面技术. 2022, 51(6): 399-406, 415. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.039
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    目的 改善唇形油封与对磨旋转轴的密封效果，提高旋转轴的耐磨减摩性能，并延长唇形油封的使用寿命。方法 采用超音速火焰喷涂方法在TC4钛合金试样上制备碳化钨涂层并进行磨削及抛光加工以获得光滑的表面，再利用离子源辅助磁控溅射方法制备掺钨类金刚石膜。采用扫描电子显微镜、摩擦磨损试验机和油封模拟试验台等手段对复合涂层的显微结构、摩擦磨损和密封性能进行系统表征。结果 复合涂层中的超音速火焰喷涂碳化钨涂层显微结构均匀，碳化钨含量梯度变化的掺钨类金刚石膜厚度约为2.1~2.3 μm。与超音速火焰喷涂碳化钨涂层相比，复合涂层与F223–15橡胶和石墨的摩擦因数及磨损量均有一定程度的降低，油封模拟试验中润滑油泄漏量显著减少，唇形油封唇口的磨损量更低，但密封试验后旋转轴表面磨痕中部DLC出现局部脱落迹象。结论 超音速火焰喷涂碳化钨与磁控溅射掺钨类金刚石膜复合涂层具有优异的耐磨减摩作用，唇形油封的密封效果得到显著加强，具有作为唇形油封对磨转动部件表面强化涂层的潜力。
  • 基于SPH的超音速火焰喷涂WC-12Co粒子速度对其沉积行为的影响
    曹晓恬, 查柏林, 周伟, 王金金, 贾旭东, 范珂华
    表面技术. 2022, 51(6): 407-415. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.040
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    目的 以超音速火焰喷涂过程为基础，探究粒子撞击速度对粒子在基体上沉积行为的影响。方法 应用SPH方法，模拟分析WC-12Co粒子速度在400~800 m/s内，单个粒子在相同基体上的沉积行为。结果 粒子撞击速度与粒子扁平率、粒子基体结合面积、结合方式等有密切关系。随着粒子撞击速度的增加，基坑深度持续增大至最小深度的4.6倍，金属射流对提高粒子扁平化程度及粒子与基体的有效结合面积起到促进作用，总接触面积最大可达到原有效接触面积的2.7倍。撞击速度的提升使得有效塑性应变及应变区域增加，形变区域增大。同时，结合面温升总体增加，增强了粒子与基体的结合条件。沉积过程存在能量耗散，初始能量的提高有利于粒子与基体总能量的增加，强化了压实效应，进一步促进粒子与基体的结合。结论 在数值模拟选取的范围内，超音速火焰喷涂WC-12Co粒子的撞击速度越高，粒子与基体的结合状态越好。
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