2023年, 第52卷, 第1期　
刊出日期：2023-01-20

  

• 全选
  |

专题——高熵合金涂层/薄膜技术及应用
• Select
  高熵合金涂层的研究进展

  李星, 王亚强, 张金钰, 吴凯, 刘刚, 孙军

  表面技术. 2023, 52(1): 1-20, 46. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  高熵合金涂层由于具有优于块体高熵合金和传统金属涂层的综合性能，在航空航天、核反应堆等极端服役环境下表现出了巨大的应用潜力。涂层低维形态产生的尺寸效应与高熵合金独特的多主元特征效应相耦合，使高熵合金涂层具有成分均匀、组织致密、结构稳定、性能优异等特点。概述了近年来高熵合金涂层的主要制备技术，简述了不同制备方法的原理、优势及工艺参数对涂层组织性能的影响。探讨了高熵合金中主要组元元素的作用、相结构的调控准则、多相转变行为等微观组织结构的特征与影响机制。论述了高熵合金涂层的服役性能特点，包括力学性能、抗氧化、耐腐蚀、抗辐照及耐磨损性能，并分析了成分/工艺-组织-性能的关联及相关作用机理。最后，总结了目前研究工作中存在的关键科学难题与挑战，对高熵合金涂层的研究方向与应用前景进行了展望。
• Select
  氮含量对Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的影响

  张毅勇, 井致远, 张志彬, 梁秀兵

  表面技术. 2023, 52(1): 21-28. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究氮含量对MoTaW多主元合金薄膜的微观组织和力学性能的影响，并提高Mo-Ta-W多主元合金薄膜的力学性能。方法 采用反应多靶磁控溅射技术在单晶硅片上制备出了具有不同氮含量的Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜，通过X射线光电子能谱仪、掠入射角X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜对薄膜的成分、组织结构、表面及截面微观形貌、厚度和粗糙度进行了表征分析，并采用纳米压痕仪对薄膜的硬度和弹性模量进行了测试。结果 Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜中的氮含量随着溅射过程中氮气流量的增加而增加，当氮气流量达到50%时，薄膜中的氮含量升至49%，而钽含量则随之降低至12%。形成氮化物后，Mo-Ta-W多主元薄膜由BCC结构转变成了单相FCC固溶体结构，表面由层片状结构转变为花椰菜状团簇结构，随着氮含量的增加，表面的粗糙度先降低后升高，厚度则不断降低。与Mo-Ta-W多主元合金薄膜相比，Mo-Ta-W多主元合金氮化物薄膜的力学性能有所提高，但随着氮含量的增加而下降，当氮气流量为10%时，Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的硬度和弹性模量分别为34.3 GPa和327.5 GPa。结论 氮化物的形成对Mo-Ta-W多主元合金薄膜的相结构、表面形貌等有影响，可有效提高薄膜的力学性能。
• Select
  激光熔覆TiZrHfCrMoW涂层在大气和模拟体液环境下的摩擦磨损行为

  湛思唯, 汤军辉, 王奉涛, 纪秀林

  表面技术. 2023, 52(1): 29-37. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高钛合金表面耐磨性。方法 采用激光熔覆技术在TC4基体表面制备TiZrHfCrMoW涂层，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等分析涂层的相组成和显微组织结构。联合电化学工作站和摩擦磨损试验仪，分别在大气和37 ℃的0.9%NaCl模拟体液环境条件下，研究TiZrHfCrMoW高熵合金(HEA)涂层与TC4合金的摩擦磨损行为。结果 激光熔覆HEA涂层均匀致密，无明显缺陷，主要由2种BCC相及1种未知相组成，涂层平均硬度为584.6HV0.2，约为TC4基材硬度的1.6倍。在空气中滑动时，HEA涂层在0.3、0.5、1 N下的磨损率均比TC4基体低，且涂层的磨损率随载荷的增加而增加，TC4的磨损率则相反。在(37±0.5) ℃的0.9%NaCl溶液中，0.5 N载荷下TC4的磨损率是HEA涂层的6倍。HEA涂层与TC4钛合金基体相比，具有更高的自腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度。模拟体液环境下HEA涂层的主要磨损机制为逐层剥落和腐蚀磨损。结论 激光熔覆HEA涂层可以有效提高TC4合金的耐磨损及耐腐蚀性能。
• Select
  退火对激光熔覆CoCrFeNiW0.6高熵合金涂层组织与性能的影响

  马世忠, 孙荣禄, 牛伟, 张连旺, 蒋廷普, 杨佳伟

  表面技术. 2023, 52(1): 38-46. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.004

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 通过对激光熔覆CoCrFeNiW0.6高熵合金涂层进行退火处理，使涂层性能得到进一步提高。方法 采用RFL–C1000光纤激光器在45钢表面制备CoCrFeNiW0.6高熵合金涂层，通过SXL–1200管式电阻炉在不同温度下(600、800、1 000 ℃)对高熵合金涂层进行退火处理，保温时间为2 h，冷却方式为随炉冷却。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计、摩擦磨损试验机等对熔覆层的微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能进行分析和测试。结果 CoCrFeNiW0.6高熵合金涂层由FCC相和μ相(Fe7W6)组成，经过不同温度退火处理后，涂层未析出新的相，μ相衍射峰强度呈先减小后增大的趋势;涂层组织经高温退火(800 ℃、1 000 ℃，2 h)后发生了明显的改变，经800 ℃/2 h退火处理后，枝晶间析出了大量μ相沉淀，经1 000 ℃/2 h退火处理后晶界开始出现断裂分解，晶粒内部和晶界部位析出了大量的富W颗粒相(μ 相)。经1 000 ℃/2 h退火处理后，熔覆层具有较高的平均显微硬度，为475.68HV0.3，相较于未经退火处理的熔覆层，其硬度提高了约45%;经600 ℃/2 h退火处理后，涂层的平均摩擦因数最低，约为0.226，磨损量最小，与未经退火处理的涂层相比，其磨损量降低了约28%。退火温度的升高并未使磨损机制发生明显改变，主要为磨粒磨损。结论 高温退火处理可以促进μ相的生成;经退火后，CoCrFeNiW0.6高熵合金涂层的硬度得到显著提高，改善了涂层的摩擦磨损性能，强化机制为固溶强化和第二相强化。
• Select
  钛元素含量对CoCrFeNiTi高熵合金涂层硬度及耐磨性能的影响

  王昕阳, 刘谦, 任海滔, 李湛, 许诠, 黄燕滨, 郭一鸣

  表面技术. 2023, 52(1): 47-55. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.005

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 系统研究钛元素含量对CoCrFeNiTi系高熵合金涂层成形过程、组织性能、力学性能和耐磨性能的影响，设计并制备工业应用价值较高的合金涂层。方法 采用激光熔覆技术在Q235钢上制备了CoCrFeNiTi高熵合金涂层，基于第一性原理预测了不同Ti元素涂层力学、形成特性，研究表征了涂层的显微组织、显微硬度和耐磨性能，结合试验和计算阐明了耐磨性能强化机制。结果 CoCrFeNiTi高熵合金固溶体相剪切模量较高，形成能较低，并且随着Ti元素含量的提升，两者逐渐升高。试验结果证明，CoCrFeNiTi涂层整体为FCC固溶体相，高钛元素组会出现FeCr相、NiTi相和CoTi相组成。组织呈典型树枝晶状，枝晶区域富含Fe和Cr元素，枝晶间区域富含Ni和Ti元素。随着Ti元素含量的提高，CoCrFeNiTi涂层的显微硬度逐渐增加，摩擦因数、磨损率和磨损质量不断降低，耐磨损能力明显增强，试验与计算结果一致。其磨损机制主要为磨粒磨损，Ti元素含量较低组还伴随着黏着磨损。Ti元素含量提高会加剧合金内晶格畸变效应，促进σ相等硬质相析出，产生固溶强化与析出强化作用，阻碍裂纹发展，磨损面积较小，提高耐磨性能。结论 随着钛元素含量的增加，CoCrFeNiTi高熵合金涂层的硬度和耐磨性能有了明显的提升。CoCrFeNiTi0.7激光熔覆涂层具有更高的工业应用价值。
• Select
  磁控溅射工艺对FeCrCoNiMn氧化物薄膜质量的影响

  李岩, 张伟强

  表面技术. 2023, 52(1): 56-62, 92. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.006

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究氧气浓度、基底温度和溅射功率对高熵合金氧化物薄膜成分、膜基结合力和硬度的影响，分别找出某一工艺参数的改变对性能的影响趋势，并总结影响因素和规律。方法 采用射频磁控溅射方法在Si(100)基体上制备不同工艺参数下的(FeCrCoNiMn)Ox薄膜，结合X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、划痕仪、纳米压痕仪分析薄膜的物相结构、成分组成、膜基结合力、硬度和弹性模量。结果 薄膜为FCC结构。膜基结合力、硬度和弹性模量随着氧气浓度的增加，分别由4.85 N、6.06 GPa、137.8 GPa提高至6.56 N、14.51 GPa、189.4 GPa，最后降至3.75 N、7.52 GPa、144.9 GPa。薄膜的膜基结合力、硬度和弹性模量随着基底温度的升高而升高，分别由3.6 N、12.58 GPa、164.2 GPa升高到5.05 N、14.51 GPa、189.4 GPa。随着溅射功率的提高，膜基结合力由5.05 N提高至8.25 N，硬度和弹性模量呈先升高后降低的趋势。结论 与普通FeCrCoNiMn合金薄膜相比，氧原子的引入使(FeCrCoNiMn)Ox薄膜拥有更大的混合熵，增强了其固溶强化效应。氧气浓度和溅射功率对薄膜成分的影响较大，基底温度对成分无明显影响。适当提高氧气浓度和溅射功率可以有效提高薄膜的力学性能，在温度为350 ℃时膜基结合力和硬度均最好。
摩擦磨损与润滑
• Select
  掺杂Ti对Ni基复合材料摩擦学性能的影响

  孔轩, 陈明辉, 张涛, 王福会

  表面技术. 2023, 52(1): 63-71. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.007

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 通过在NiCr-WS2自润滑体系中掺杂纳米Ti，提升自润滑复合材料在不同环境中的摩擦学性能。方法 通过放电等离子烧结(SPS)技术制备了NiCr(N)、NiCr-WS2(NW)、NiCr-WS2-Ti(NW15T)3种复合材料。采用SEM 和EDS分析了复合材料的微观性能。通过摩擦磨损试验机分别测试了3种材料在干摩擦、去离子水和3.5%NaCl溶液中的摩擦学性能，并借助RAMAN分析磨痕的化学成分。结果 在干摩擦条件下，NW15T的摩擦因数和磨损率分别为0.38和4.2×10^?5 mm³/(N.m)。相较于传统的NW，NW15T的摩擦因数和磨损率分别降低了22.4%和83.7%;当在去离子水中摩擦时，虽然NW15T也具有较好的摩擦学性能，但是与NW相比优势不明显;在3.5%NaCl溶液中摩擦时，NW15T产生的腐蚀产物避免了摩擦副的直接接触，并使摩擦因数降低至0.16，磨损量降低为0.4×10^?5 mm³/(N.m)。与NW相比，NW15T在3.5%NaCl溶液中的摩擦因数和磨损率分别降低了38.5%和81.8%。结论 在NW传统自润滑复合材料体系中掺入Ti，原位生成了TiS和Ni3Ti，不仅提高了材料的力学性能，同时提高了复合材料在不同环境下的摩擦学性能。尤其是在NaCl溶液中，在TiS和腐蚀产物的共同作用下，NW15T的摩擦因数和磨损率大幅下降。
• Select
  电弧喷涂碳纤维增强铝基耐蚀减磨复合涂层研究

  王应泉, 房立家, 淡焱鑫, 吴双杰, 周平, 黄晶, 李华

  表面技术. 2023, 52(1): 72-81. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 制备耐蚀减磨性能优异的碳纤维增强铝基复合涂层。方法 利用粉芯丝材技术制备碳纤维增强铝基复合粉芯丝材，再利用电弧喷涂技术将制备的复合粉芯丝材制备成复合涂层。对铝基涂层使用SEM、XRD进行微观形貌、物化性能检测，使用摩擦磨损试验机、电化学工作站、中性盐雾试验机等对涂层的摩擦学、耐腐蚀性能等进行检测，综合评价在涂层体系中添加碳纤维对铝基涂层性能的影响。结果 添加碳纤维的铝基复合涂层相较于纯Al涂层，其摩擦学性能得到显著提升，摩擦系数由纯Al涂层的~0.4下降至~0.2，磨损率由纯Al涂层的~2.0×10^–3 mm³/(N.m)下降至~8×10^–4 mm³/(N.m)，相关指标均下降了50%以上。同时，利用扫描电子显微镜观察涂层表面的磨痕及对磨副的划痕，并分析了铝基涂层的磨损机理，结果表明，Al/CFs复合涂层主要以磨粒磨损为主导机制，而纯Al涂层则以粘着磨损为主导机制。通过电化学工作站测试涂层的动电位极化曲线和Bode曲线分析涂层发生腐蚀的趋势，其电化学结果表明，添加碳纤维后不显著影响铝基涂层的耐腐蚀性能。进一步中性盐雾试验结果表明，中性盐雾试验720 h后，铝基涂层均未出现明显的腐蚀产物，涂层展现了优异的耐腐蚀性能。结论 利用粉芯丝材技术和电弧喷涂技术可以制备碳纤维增强铝基复合粉芯丝材及其涂层，在不影响原有铝涂层耐腐蚀性能的前提下，添加碳纤维可显著降低复合涂层的摩擦系数和磨损率，使涂层具有耐蚀减磨性能，可拓展铝基涂层在耐蚀减磨领域中的应用。
• Select
  MoSi2对CoCrNiW合金干摩擦磨损性能的影响研究

  李方舟, 崔功军, 程书帅, 王晓博, 寇子明

  表面技术. 2023, 52(1): 82-92. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.009

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 系统研究MoSi2含量对Co基合金干摩擦磨损性能的影响，以开发摩擦学性能优异的CoCrNiW基复合材料。方法 利用热压烧结技术，设计制备CoCrNiW-MoSi2(质量分数分别为0%、3%、7 %、11%)抗磨复合材料。采用往复式球–盘摩擦磨损试验机，研究不同载荷和滑动速度对复合材料干摩擦磨损性能的影响，进一步优化MoSi2的含量。采用XRD、SEM、EDS等技术分析材料的物相组成、微观结构及磨损形貌。结果 MoSi2的添加有效提高了材料的硬度及致密度，MoSi2质量分数为7%的试样，硬度为386HV。复合材料的物相包括γ–fcc、ε-hcp、MoSi2、CrSi2、Mo1.24Ni0.76、MoSi2.43W0.211相。摩擦系数随载荷和滑动速度的增加而减小，磨损率随载荷的增加而增大，随滑动速度的增加而减小。硅化物硬质颗粒起到了弥散强化作用，提高了磨损表面的承载能力。其中，添加7%和11% MoSi2的试样，磨损率较低且接近，高载和高速下，磨损率较未添加试样分别下降约31.3%和25.5%。适当含量的MoSi2具有一定的减摩性，添加7% MoSi2的试样，摩擦系数始终最低，变化范围为0.24~0.53。结论 CoCrNiW-7wt.% MoSi2表现出了最佳的摩擦学性能，其磨损机理在高载条件下主要为磨粒磨损，在高速条件下主要为磨粒磨损和轻微氧化磨损。
• Select
  微织构对铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能的影响

  马文林, 未亮亮

  表面技术. 2023, 52(1): 93-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.010

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 针对活塞环在高温高压、循环往复的惯性力等工况下与气缸极易磨损的问题，以栓盘模型为试验对象，研究圆形微织构对铜基自润滑复合材料的摩擦磨损性能，以期提高两者的耐磨损性能。明确微织构在不同工况下与复合材料摩擦磨损行为之间的联系，建立表面微织构设计准则。方法 采用CT-MF20型光纤雕刻激光打标机在45#钢表面加工制备出直径为0.2 mm的圆形微织构，并通过栓-盘形式在HT-1000型摩擦磨损试验机上对圆形织构化45#钢进行摩擦性能试验，考察圆形微织构在不同载荷(2、10、20 N)及不同滑动距离(1.88 m和18.84 m)下的摩擦磨损情况，而且借助扫描电子显微镜(SEM)分析摩擦表面的显微结构和形貌，通过能谱仪(EDS)结果分析摩擦表面元素积累情况。此外，为了与之形成对比每组均设有无织构的45#钢试验。结果 在摩擦试验中，载荷为20 N、滑动距离为18.84 m时圆形织构的摩擦磨损性能最优，平均摩擦因数降幅随着滑动距离的增加从11%增加到23.5%，同时栓和盘表面形貌磨损也明显比其他条件的试件要小。在EDS结果中发现圆形织构表面的氧元素更多，集中分布在织构里。结论 当载荷为20 N、滑动距离为18.84 m时，圆形织构的减摩效果最好，摩擦因数稳定，栓盘磨损表面变得光滑，这归因于圆形织构盘表面棘轮效应明显，并形成连续稳定的转移润滑膜，从而减小磨损。
• Select
  山地城市地铁制动/轨道结构参数对钢轨波磨的影响

  崔晓璐, 尹越, 包鹏羽, 唐传平, 漆伟

  表面技术. 2023, 52(1): 103-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.011

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 山地城市地铁相较于平原城市地铁具有爬坡大且曲线多的复杂线路特点，其钢轨波磨问题更加严重。探究山地城市地铁制动区间钢轨波磨的形成机理，提出相应钢轨波磨的控制方法。方法 首先，结合现场调研建立了轮对-轨道-制动系统的有限元模型。然后，采用复特征值分析法研究了轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动特性，进而对制动闸片的表面织构及扣件参数进行参数化分析。最后，基于最小二乘法，采用2种拟合方程对扣件参数进行多参数拟合，并采用遗传算法与粒子群算法确定抑制钢轨波磨扣件参数的最优解。结果 发现轮对-轨道-制动系统存在2个不稳定振动频率，分别为653.73 Hz与584.76 Hz，其中653.73 Hz的复特征值实部较大，为46.53。对比不同表面织构，采用正六边形织构表面闸片的轮对-轨道-制动系统复特征值实部最小，为19.46。对比扣件参数优化前后，采用优化后的扣件参数的轮对-轨道-制动系统复特征值实部较小，为0.49。结论 轮轨子系统与制动子系统的摩擦耦合作用导致轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动，是诱导山地城市地铁制动区间钢轨波磨产生的重要因素。当采用正六边形表面织构闸片或设置扣件参数中垂向刚度为36.2 MN/m，垂向阻尼为2 800 N.s/m，横向刚度为25 MN/m，横向阻尼为2 000 N.s/m时能有效抑制钢轨波磨的产生。
• Select
  复杂交变载荷条件下微动运行状态

  田帅, 李欣, 杨建伟, 刘乐强, 张育轩

  表面技术. 2023, 52(1): 112-120. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.012

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究典型的加载参数对复杂交变载荷作用下微动运行状态的影响。方法 利用ABAQUS建立了二维(平面应变)有限元模型，模拟微动垫和试件在循环法向载荷和轴向载荷下的接触状态，对不同加载条件下的微动运行状态进行分析，提出一种Q-P曲线的分析方法，再结合双轴微动疲劳试验验证其适用性。结果 比例加载条件下，在微动垫夹具刚度较小时的Ft-D的曲线为直线，而微动垫夹具刚度较大时的Ft-D曲线表现为不规则的四边形，这些条件下的Q-P曲线均为线性函数，并且随着微动垫夹具刚度增加，曲线的斜率增大;非比例加载条件下，Ft-D曲线的形状不再是四边形，形状较为复杂，此时Q-P曲线为椭圆函数。随着微动垫夹具刚度的增大，椭圆的短轴增加。当相位差不为90°时，椭圆两半轴与坐标系不平行，椭圆发生旋转;特别地，相位差为90°时，Q-P曲线为标准椭圆函数。当Q-P曲线与直线Q=±μP相交时，由于滑移的产生，椭圆曲线将发生变化。结论 在复杂交变载荷作用下， 不同的加载参数(法向载荷、轴向载荷、微动垫夹具刚度等)或其相互间的组合会影响Q-P曲线的大小和位置，提出的Q-P曲线方法可以为分析复杂交变载荷条件下的运行状态研究提供手段，为进一步地讨论微动疲劳或微动磨损行为提供指导。
• Select
  某柴油喷油嘴新冲蚀寿命预测模型及瞬态特性数值模拟

  许磊, 张翼, 徐春龙, 宋猛, 庞浩宇, 张宇, 唐诗泽, 雷丽军

  表面技术. 2023, 52(1): 121-131, 177. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.013

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 针对柴油喷油嘴喷孔内部空化现象及冲蚀磨损问题，建立了考虑近壁面不同边界层内群气泡溃灭产生冲蚀影响的柴油喷油嘴瞬态特性仿真模型。探究柴油喷油嘴内部冲蚀磨损程度的影响因素，并对喷孔内部冲蚀磨损寿命进行预测。方法 首先，采用MATLAB对不同近壁面距离的空化泡对壁面作用压力及射流速度进行函数拟合，结合传统经验公式，推导了可考虑距壁面不同距离的群空泡阻力修正经验公式。其次，利用Fluent中UDF建立了基于阻力修正经验公式以及网格自适应算法的有限元模型，用Rrs冲蚀风险预测模型和冲蚀疲劳试验结果对本文提出的新模型进行验证。在此基础上讨论了喷嘴孔圆锥度Kfac及动态特性对喷孔冲蚀磨损的影响。结果 Rrs冲蚀磨损风险预测模型和冲蚀磨损疲劳试验结果与本文提出的新模型结果有较好的一致性，证明了该新模型的可行性。有限元仿真结果显示，当喷嘴形状相同时，随着针阀向上移动，空化现象被有效地抑制，逐渐向喷孔的入口处收缩，其上最大射流速度和水锤压力会略微增加，但总体空化区域多集中于喷孔入口上表面处。随着喷嘴几何尺寸从Kfac0增加至Kfac2、Kfac4，其上喷孔的气泡溃灭最大微射流速度及最大水锤压力分别减少11.29%、1.4%。当无量纲距离δ=1.3时，其最大速度和压力值仅为无量纲距离δ=1.0时的2.6%，故可忽略无量纲距离δ>1.3时的气泡溃灭对壁面的冲蚀磨损影响。随着喷嘴几何尺寸从Kfac0增加至Kfac2、Kfac4，其上喷孔内壁面最小寿命分别提升了18.17%及32.32%。结论 喷嘴孔圆锥度Kfac及动态特性均对近壁面空化冲蚀磨损程度产生影响。总体空化冲蚀磨损区域多集中于喷孔入口上表面处，可对此采取措施以提高总体喷嘴寿命，疲劳寿命计算时可忽略距壁面无量纲距离δ>1.3时气泡对壁面产生的影响，喷嘴喷孔圆锥度的增加可降低喷孔内侧冲蚀磨损程度，显著提升喷嘴寿命。
• Select
  有序排列硬质合金颗粒增强铁基复合材料的研究

  杨建业, 谢鲲, 岳丽杰, 夏鹏成, 曹梅青, 谭云亮

  表面技术. 2023, 52(1): 132-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究有序排列硬质合金颗粒作为增强相对高铬铸铁组织与性能的影响。方法 采用对WC-Co硬质合金颗粒进行预先排布固定的方式，结合离心铸造制备了有序排列硬质合金颗粒增强高铬铸铁复合材料。通过相组成和显微组织的演变分析复合材料的形成过程，并对摩擦磨损性能进行研究。结果 制备的复合材料实现了硬质合金颗粒在基体上的有序排列及与基体的冶金结合。存在由颗粒表层熔解区和碳化物散布区构成的梯度过渡层，硬度也呈梯度变化，有利于降低应力集中。在载荷为100 N时，复合材料的体积磨损量相较于高铬铸铁降低了57.6%;载荷为150 N时，复合材料的体积磨损量相较于高铬铸铁降低了69.2%，硬质颗粒的有序排列可减缓磨粒磨损和剥层磨损。结论 通过对增强颗粒进行有序排列，可提高复合材料性能的可设计性，抑制了过度反应，并促进梯度过渡层的形成，同时还可减少硬质颗粒的用量，改善复合材料的韧性。有序排列硬质合金颗粒可以有效提高高铬铸铁的硬度和耐磨性。
腐蚀与防护
• Select
  微观组织结构对镍基825合金力学性能和硫化物应力腐蚀开裂的影响

  时圳演, 张言, 董立谨, 郑淮北, 王勤英, 刘庭耀

  表面技术. 2023, 52(1): 141-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.015

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 揭示微观组织结构对镍基825合金硫化物应力腐蚀开裂的影响规律及机理。方法 利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和背散射电子衍射(EBSD)分析了2种镍基825合金的金相组织、夹杂物种类及等级、晶界类型以及残余应变和晶粒尺寸分布。通过显微维氏硬度计评价了合金的力学性能，同时采用氢微印、动态充氢慢应变速率拉伸试验和三点弯曲试验，评估了合金的氢脆倾向和硫化物应力腐蚀开裂敏感性。结果 2种镍基825合金的夹杂物均以B类和D类TiN为主。2种合金中B类夹杂物均以晶界分布为主，D类夹杂物在合金1#中集中分布，在合金2#中随机分布。合金1#中B类夹杂物等级为0.91，D类夹杂物等级为1.4，合金2#中2种夹杂物等级分别为0.54和1.33。氢微印试验发现氢在合金1#的晶内、晶界处均大面积存在，而在合金2#中则分布稀疏。EBSD发现2种合金均为等轴奥氏体，合金1#晶粒尺寸稍大，晶界以随机大角度晶界为主且存在较高的残余应变集中，而合金2#晶粒细小且尺寸分布更均匀，随机大角度晶界和低Σ界面为其主要晶界类型，残余应变分布均匀。合金1#的硬度为184.67HV，屈服强度为285.30 MPa，而合金2#的硬度和屈服强度分别为207.75HV和300.03 MPa。在动态充氢慢应变速率拉伸试验中，2种合金均出现了氢脆倾向，合金1#的断裂延伸率降低了2.6%，而合金2#只降低了1.6%。三点弯曲试验中合金1#表面发生严重均匀腐蚀，出现了以穿晶为主的宏观裂纹，裂纹萌生部位的基体元素显著降低，在其周围还发现了夹杂物及其脱落留下的微孔，而合金2#表面仍有金属光泽，只有微米级的裂纹萌生于应力集中处。结论 大量夹杂物的存在降低了合金1#的屈服强度并导致晶界残余应变集中，同时作为有效氢陷阱增加了镍基825合金硫化物应力腐蚀开裂的敏感性。此外，夹杂物与金属基体之间形成微电偶，促进周围金属阳极溶解，进一步增加了合金的开裂敏感性。
• Select
  铜锌合金表面CeO2颗粒掺杂微弧氧化复合膜层的制备及性能分析

  王帅柯, 孟建兵, 关庆义, 董小娟, 于浩洋, 李红梅, 李丽

  表面技术. 2023, 52(1): 152-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.016

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高铜锌合金的耐蚀性，对黄铜表面进行颗粒掺杂微弧氧化(MAO)，研究纳米颗粒CeO2对复合膜层性能的影响。方法 以Na2SiO3.9H2O、NaOH的混合溶液作为电解液，对铜锌合金进行微弧氧化，以膜层厚度和自腐蚀电流密度为评价指标，对氧化时间、正向电压、反向电压、占空比进行正交试验和极差分析，得到最佳微弧氧化电参数。将CeO2添加到混合电解液中，以制备颗粒掺杂微弧氧化复合膜层。通过SEM、EDS、XRD、动电位极化曲线和电化学交流阻抗测试等手段，研究CeO2纳米颗粒对膜层表面、横截面的微观形貌和成分组成及膜层表面的物相结构和耐蚀性能的影响。结果 以自腐蚀电流密度为主要评价指标，兼顾膜层厚度，通过正交试验和极差分析，得到了铜锌合金微弧氧化最佳电参数组合，氧化时间为80 min，占空比为20%，正向电压为550 V，反向电压为5 V。未添加CeO2的黄铜试件，微弧氧化膜层表面存在粗糙多孔的结构;掺杂纳米颗粒CeO2后，复合膜层表面变得更为平整，表面粗糙度Ra值从3.883 μm降至3.331 μm，孔隙率也由颗粒掺杂前的35.11%降至32.98%。随着CeO2颗粒的掺杂，膜层表面的C、O、Si、Ce元素增加，Cu、Zn元素下降，膜层表面的物相主要由CuO、ZnO、CeO2和SiO2组成。纳米颗粒CeO2掺杂前后，膜层均与黄铜基体结合紧密，无明显裂缝。沿着膜层表面向基体方向，Cu和Zn元素含量短暂上升后保持平稳，而O和Si元素含量变化情况为先增加、后减小至消失。颗粒掺杂前，MAO膜层的自腐蚀电流密度Jcorr为8.095×10^–4 A/cm²，掺杂纳米颗粒CeO2后，Jcorr为7.402×10^–5 A/cm²。两者与黄铜基体的Jcorr(1.236×10^–2 A/cm²)相比，分别下降了2、3个数量级。结论 对铜锌合金进行微弧氧化可以在合金表面制得多孔且有良好耐蚀性的陶瓷膜层。纳米颗粒CeO2的掺杂，能够有效改善铜锌合金微弧氧化膜层的多孔结构，降低孔隙率，阻碍外界腐蚀离子的侵入，增强膜层的耐腐蚀性能。
• Select
  荞麦提取物对钢在HCl介质中的缓蚀机理

  雷然, 李向红, 石成杰, 谭照源, 张富

  表面技术. 2023, 52(1): 162-177. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.017

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提取制备一种环境友好型缓蚀剂，并研究缓蚀剂对冷轧钢在1.0 mol/L盐酸溶液中的缓蚀性能。方法 利用超声波提取法从荞麦中提取得到荞麦提取物。采用失重法和电化学法研究荞麦(Fagopyrum esculentum Moench.)提取物(FEME) 对冷轧钢在HCl介质中的缓蚀性能，测试缓蚀溶液的紫外光谱(UV)、电导率及表面张力，并通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X–射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)表征钢表面的微观形貌、化学组成，用接触角测量仪测定钢表面的亲水/疏水性，分析FEME中的主要成分，进而深入探究了其缓蚀有效成分及作用机理。结果 FEME在1.0 mol/L HCl中具有良好的缓蚀性能，100 mg/L FEME的缓蚀率达90.1%(30 ℃);FEME在钢表面的吸附服从Langmuir吸附等温式，标准吸附Gibbs自由能(?G^Θ)为–32~–27 kJ/mol，电化学缓蚀机理为“几何覆盖效应”。添加FEME后，有效降低了钢/酸界面的双电层电容值，提升了电荷转移电阻。缓蚀钢表面的SEM和AFM微观形貌表明，其腐蚀程度明显下降，接触角变大，疏水性增强，FTIR和XPS证实了FEME能有效吸附在钢表面形成缓蚀膜层，且缓蚀膜层主要是通过FEME在钢表面的物理吸附和化学吸附而形成，FEME成分中含有大量的—OH，—OH的存在会使这些成分质子化，从而与带负电荷的钢表面通过静电引力而发生吸附，而且分子中含有大量的O、N等杂原子和不饱和基团结构，有大量的孤对电子可以与Fe的空d轨道配位，从而产生缓蚀剂在钢表面的化学吸附。与浸泡前相比，在钢腐蚀浸泡后，缓蚀溶液的表面张力增加，是由于浸泡后部分缓蚀剂分子在钢表面发生了吸附，致使溶液体相中的缓蚀剂分子浓度下降而引起。钢在腐蚀浸泡后，因H⁺的消耗，电导率明显降低，但浸泡钢表面后的缓蚀溶液随着FEME浓度的增加，电导率增加，说明缓蚀剂在钢表面吸附后，与钢表面发生腐蚀反应的H⁺消耗减少。20 ℃时，质量浓度为100 mg/L的芦丁的缓蚀率为57.8%，FEME的缓蚀性能优于其主成分芦丁，其机理为黄酮类化合物与其他成分的协同缓蚀作用。结论 FEME是一种高效、环保的混合抑制型缓蚀剂。
• Select
  实海浸泡条件下聚氨酯涂层的失效行为

  马纪源, 郭辉, 张馨月, 李传鹏, 解杰, 罗来正, 周堃, 刘杰

  表面技术. 2023, 52(1): 178-186. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.018

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在青岛市小麦岛试验站开展实海浸泡试验，探究聚氨酯涂层在实际服役过程中的失效行为。 方法 选用TS55?80聚氨酯涂层/Q235碳钢体系为试验样品，开展实海浸泡试验。从聚氨酯涂层的表面形貌、失光率、色差、涂层附着力、化学结构及涂层热稳定性等角度对聚氨酯涂层的失效行为进行研究。结果 在实海浸泡条件下，聚氨酯涂层表面会出现明显的鼓泡和裂纹等缺陷，在浸泡6个月后的涂层表面可以观察到明显的腐蚀产物。随着浸泡时间的延长，涂层的化学结构发生了明显变化，涂层的热稳定性显著降低。在浸泡12个月后，聚氨酯涂层的失光率为69.9%，属于严重失光;涂层的色差达到3.20，属于轻微变色，涂层的附着力降至0.82 MPa，涂层与金属基体的结合强度大幅下降;聚氨酯涂层的阻抗值降至2.81×10³ Ω.cm²，说明涂层的防护性能基本丧失。结论 在实海浸泡条件下，聚氨酯涂层中颜料颗粒的脱落会造成涂层表面孔隙数量的增加，这会加速海水中水和氧气等腐蚀性介质的渗透过程，使得涂层/金属界面处的电化学反应快速进行，导致涂层的防护性能快速下降。此外，聚氨酯链中氨基甲酸酯键的水解是造成聚氨酯涂层发生降解的主要原因。
• Select
  不同厚度薄壁单晶高温合金/PtAl涂层界面演变

  倪建洋, 尹斌, 邓春明, 杨焜, 张留艳, 邓畅光

  表面技术. 2023, 52(1): 187-195, 231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.019

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究不同厚度薄壁单晶高温合金/PtAl涂层界面演变机制。方法 采用电镀Pt和高温低活度气相渗铝的方法在不同厚度(0.5、1.0、2.0 mm)的第三代镍基单晶高温合金DD9上制备PtAl涂层，进行1 100 ℃恒温氧化试验后，利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)研究不同厚度薄壁单晶高温合金DD9/PtAl涂层界面元素互扩散及界面组织演变。结果 3种基体厚度的涂层试样恒温氧化100 h，其互扩散区(IDZ)快速增大;恒温氧化500 h，IDZ厚度基本稳定，均约为25 μm;恒温氧化1 000 h，只有0.5 mm基体厚度的涂层试样在IDZ出现TCP相“贫化带”。3种基体厚度的涂层试样在IDZ以下，均形成了二次反应区(SRZ)，其中析出了针状和颗粒状TCP相。恒温氧化100 h，3种基体厚度的涂层试样的SRZ厚度相当，但是500 h和1 000 h后，0.5 mm基体厚度的涂层试样的SRZ厚度显著小于其他2种基体厚度的涂层试样。结论 界面附近Ta元素的富集是SRZ形成的主要原因，W、Re和Ta等难熔元素扩散的差异是引起不同基体厚度的涂层试样IDZ和SRZ形貌/厚度差异的关键因素。
• Select
  医用镁合金表面阳极氧化/茶多酚复合转化层耐腐蚀性能研究

  李浩, 张皓, 申孝龙, 李栋梁, 杨成

  表面技术. 2023, 52(1): 196-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.020

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在AZ31镁合金表面制备阳极氧化/茶多酚复合转化层，解决医用镁合金在植入环境中降解过快、易导致炎症等问题。方法 使用阳极氧化法在镁合金表面构建阳极氧化(Anodization)层，之后在阳极氧化层上通过浸泡法制备多酚转化层，得到复合转化层，多酚选择表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)。通过SEM、EDS、XRD、FTIR和XPS对转化层的表面形貌、成分结构进行分析，利用极化曲线、电化学阻抗谱、长期浸泡试验评价转化层的耐腐蚀行为。结果 阳极氧化层内层致密，外层多孔，主要成分为MgO和MgSiO3。在阳极氧化层表面构建EGCG转化层形成复合层后，外层孔洞被填补，且FTIR图谱中出现了EGCG的特征峰。电化学评价结果显示，与AZ31相比，复合转化层的自腐蚀电流密度降低了约2个数量级，高频容抗弧半径显著增大，等效电路模拟后所得极化电阻(Rp)为179.425 kΩ.cm²，远大于裸材。长期浸泡试验结果显示，复合层可明显控制浸泡过程中溶液pH值的增加，且明显低于其他对照组。浸泡160 h后，表面腐蚀产物最少，具有良好的耐腐蚀性能。结论 采用阳极氧化法和浸泡法在AZ31镁合金表面成功制备了阳极氧化/茶多酚复合层，明显提高了镁基底的耐蚀性能。选用的EGCG来源绿色、价格低廉，且具有抗氧化、抗炎等多重功效，为医用镁合金表面改性提供了一种新方案。
• Select
  NiCrAl-NiC封严涂层在盐雾环境下的腐蚀行为研究

  刘天, 孙杰, 宋佳, 杨国昊, 孙海静, 王保杰

  表面技术. 2023, 52(1): 206-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.021

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 通过盐雾试验，研究NiCrAl-NiC封严涂层在高湿度、高盐分的环境中工作的腐蚀行为及机理。 方法 使用热喷涂的方法，在GH907基体上，以NiAl作为粘结层，喷涂制备NiCrAl-NiC封严涂层，并针对该涂层进行连续盐雾试验。对不同盐雾试验时间得到的试样进行电化学(极化曲线以及电化学阻抗谱)测试、XPS测试、SEM观察及EDS测试，研究涂层的腐蚀行为。结果 在500倍电子显微镜下观察得涂层表面腐蚀在表面孔隙附近发生，且腐蚀产物随腐蚀时间的增加而不断增加。EDS结果显示，腐蚀前期O元素含量增加，在连续盐雾时间达到72 h后，观察到Cl、Fe元素，且涂层表面的腐蚀产物出现裂隙。这个结果说明电解质溶液已侵入涂层内部，使基体发生腐蚀。涂层在盐雾试验前期，极化曲线所得腐蚀电流密度有所下降，说明涂层耐蚀性增强。盐雾腐蚀后期，腐蚀电流密度增加，涂层耐蚀性下降。结论 试验前期，腐蚀产物的积累使得涂层的耐蚀性提高，由于腐蚀速率随时间逐渐增加，试验后期涂层内部已经发生腐蚀，腐蚀产物为金属氧化物和氢氧化物。
• Select
  热镀锌双相钢钢板表面橘皮缺陷研究

  马二清, 靳立, 杨峥, 崔磊, 肖洋洋, 谷海容, 谢义康

  表面技术. 2023, 52(1): 214-221. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.022

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究一种热镀锌双相钢表面橘皮状缺陷的特征及形成机理。方法 采用数字显微镜、扫描电镜和辉光光谱仪对正常和缺陷位置的镀锌态、去锌层态、冷轧态和热轧态的形貌和表层成分分布开展对比分析研究。结果 橘皮状缺陷特征是由于锌晶粒异常长大至350 μm，为正常晶粒的4倍。镀锌态缺陷区较正常区Mn含量高26%，纵截面观察基板表层有约2~4 μm深的微裂纹，界面处检测出Al、O、Mn峰，存在Mn表面富集。去锌层态和冷轧态基板表层呈冷轧轧裂特征，存在大量垂直于轧制方向的10~30 μm的横向微裂纹。卷取温度为650 ℃时，热轧态边、中位置氧化层厚度分别为6.5、5.8 μm，较550 ℃时增加25%和23%。GDS检测表明，对应缺陷区热轧态发生共析转变，相构成以低氧含量的Fe3O4、FeO、Fe为主。实践证实，卷取温度下调至560 ℃以下时，可有效消除该缺陷。结论 缺陷形成机理是，热轧钢卷在570 ℃以上温度卷取，经缓慢冷却至室温时，形成纯铁包覆Fe3O4的共析转变氧化铁皮，卷取温度高也使氧化层增厚，导致酸洗难度增大，氧化铁皮无法有效清除。酸洗后残存的氧化层和Mn富集导致表层协同变形能力弱，冷轧形成大量10 μm级横向微裂纹。微裂纹处的凹凸表面诱发Fe-Zn相爆发生长，导致锌晶粒异常长大。厚带钢具有更多的内部热量，出锌锅冷速慢，也为镀后锌晶粒长大创造条件。
精密与超精密加工
• Select
  各向异性对IC10高温合金磨削表面完整性的影响

  朱志成, 杨昭, 潘博, 张帅奇, 杨忠学, 王赛, 张长春, 郭江

  表面技术. 2023, 52(1): 222-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.023

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究IC10单晶高温合金缓进磨削表面完整性的影响因素，提高关键零件的使用性能。方法 通过制备不同晶面、同一晶面不同晶向试块，采用刚玉砂轮在同一工艺参数下开展缓进磨削实验，研究各向异性对工件表面粗糙度、表面形貌、显微硬度和塑性变形层的影响。结果 在vs = 20 m/s，vw = 150 mm/min，ap = 0.2 mm条件下，不同晶面磨削后的平均表面粗糙度Ra为0.3~0.4 μm，其中(001)晶面加工后的平均表面粗糙度Ra为0.32 μm，加工纹理均匀且轮廓起伏变化程度最小，(011)晶面的平均表面粗糙度Ra为0.35 μm，(111)晶面的平均表面粗糙度Ra为0.39 μm，其表面出现了深的犁沟及凹坑等现象;不同晶面加工后工件表面均发生了硬化，硬化程度由强到弱依次为(001)、(011)、(111)晶面;不同晶面磨削后表面存在微米级厚度的塑性变形层，其中(111)晶面塑性变形层最厚，厚度为3.6 μm，(011)和(001)晶面的厚度分别为2.8、2 μm。(001)晶面在不同晶向磨削后工件的表面粗糙度、表面形貌、显微硬度和塑性变形层则无明显的规律性变化。结论 IC10单晶高温合金各向异性对磨削后工件表面完整性具有一定影响，不同晶面由于塑性变形难度存在差异，导致磨削后其表面完整性存在规律性变化，其中(001)晶面加工后的表面粗糙度最低，加工纹理最平整，显微硬度最大，塑性变形层厚度最小。由于显微组织呈现随机分布的圆形、方形、三角形等形态，且不规则，导致同一晶面不同晶向对磨削后工件表面完整性的影响无明显规律。
• Select
  球面滚子剪切增稠抛光优化实验

  傅琳, 邵蓝樱, 杨居儒, 吕冰海, 邓乾发, 王旭

  表面技术. 2023, 52(1): 232-241, 265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.024

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究球面滚子在剪切增稠抛光过程中，不同抛光参数对表面粗糙度的影响，获得滚子光滑滚动面，并优化抛光工艺参数。方法 基于田口实验设计，以表面粗糙度Sa为评价指标，分析磨粒种类、磨粒浓度、抛光转速、抛光间距等4个抛光工艺参数对球面滚子剪切增稠抛光后表面粗糙度的影响。通过实验分析表面粗糙度Sa的信噪比结果，得出最优的参数组合，并通过摩擦磨损实验评价抛光表面的摩擦磨损性能。结果 得到了优化的工艺参数，Al2O3与SiO2混合磨粒的质量比为1∶1，磨粒的质量分数为10%，抛光转速为70 r/min，抛光间距为4 mm，抛光时间为30 min。在此优化的工艺参数下，球面滚子表面粗糙度Sa从(40±10)nm降至(8.51±2)nm。结论 剪切增稠抛光可以有效地去除球面滚子的表面缺陷，且在抛光过程不会改变滚子的圆度，抛光后滚子表面的摩擦因数减小，表面不易发生氧化物堆积。采用剪切增稠抛光可以有效提高GCr15球面滚子的表面质量。
• Select
  基于WOA–LSSVM的磁粒研磨表面粗糙度预测及工艺参数优化

  宋壮, 赵玉刚, 刘广新, 曹辰, 刘谦, 张夏骏雨, 代迪, 郑志龙

  表面技术. 2023, 52(1): 242-252, 297. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.025

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 实现磁粒研磨过程中表面粗糙度值的准确预测，同时获得提高材料表面质量的最优工艺参数组合。方法 通过自由降落气固两相流双级雾化快凝法制备CBN/Fe基磁性磨料，用于磁粒研磨试验。将316L不锈钢作为实验材料，以磁极转速n、加工间隙δ、进给速度v和磁性磨料粒径d为输入值，以表面粗糙度Ra为输出值，设计L25(5⁴)正交试验。同时借助Matlab软件引入鲸鱼优化算法(WOA)与最小二乘支持向量机(LSSVM)，基于正交试验结果构建WOA–LSSVM的磁粒研磨表面粗糙度预测模型，并将输出值表面粗糙度 Ra 作为适应度，再次调用WOA对工艺参数进行全局寻优，获得最优工艺参数组合。使用优化得到的工艺参数组合进行试验，并与模型预测结果进行对比。结果 根据正交试验构建的WOA–LSSVM表面粗糙度预测模型的均方根误差(RMSE)为0.003 373，平均绝对百分比误差(MAPE)为2.814%。通过WOA寻优得到了最佳工艺参数组合，n、δ、v、d分别为1 526.690 7 r/min、1.527 414 mm、1.076 732 7 mm/min、114.260 52 μm，此时获得的最佳表面粗糙度为0.063 512 μm。对寻优所得的工艺参数组合微调后进行试验，得到的表面粗糙度Ra为0.062 μm，与模型预测值的相对误差约为2.44%。结论 基于WOA–LSSVM的表面粗糙度预测模型拟合性能优良，可实现磁粒研磨的可控加工。使用磁粒研磨技术结合WOA的寻优结果可获得更优的表面质量。
• Select
  Si3N4陶瓷球研磨轨迹分析及其对表面质量的影响机制

  孙健, 陈伟, 姚金梅, 李颂华, 田军兴

  表面技术. 2023, 52(1): 253-265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.026

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 明确在相同的研磨液配比、磨料类型，不同的研磨盘转速、研磨装置施加的载荷、磨粒粒径下，陶瓷球研磨轨迹对陶瓷球表面质量的影响，确定锥形研磨法加工的氮化硅陶瓷球的最优研磨参数，提高陶瓷球的表面质量。方法 首先建立研磨盘和氮化硅陶瓷球的相对运动模型，利用MATLAB模拟不同研磨参数的下氮化硅陶瓷球的研磨轨迹，分析得到研磨参数和研磨轨迹的变化关系;再利用锥形研磨装置进行单因素实验验证，参与实验的3个变量设定为磨粒型号(粒径)、研磨盘转速和研磨装置施加载荷，将实验结果取样，通过粗糙度仪测量球体的表面粗糙度，用扫描电镜和超景深三维显微镜检测研磨后的陶瓷球表面形貌，结合仿真分析和实验结果探究研磨参数对加工后表面质量的影响。结果 将不同仿真轨迹下得到的研磨参数变化规律与实验结果相结合，得到了最佳的研磨参数，即研磨盘转速为50 r/min，施加的载荷为1.30 N，磨粒类型为W7。在此条件下得到的陶瓷球表面的粗糙度为0.009 6 μm，基本能达到实际生产中对G3级精度全陶瓷球的质量要求。结论 陶瓷球的表面质量受到研磨盘转速、研磨装置施加载荷及磨粒粒径的影响较大，由仿真分析和实验结合可知，在研磨过程中随着磨粒粒径的减小，以及研磨盘转速和载荷的下降，陶瓷球的研磨轨迹趋于稀疏，表面粗糙度Ra呈下降趋势。研磨氮化硅陶瓷球时取粒径较小的磨粒，以较低的研磨盘转速和较小的研磨装置施加载荷有利于提高其表面质量。此研究成果对提高陶瓷球的表面质量具有重要的指导意义。
表面功能化
• Select
  Al0.4CoCrCuFeNi高熵合金在生活环境中的抗菌性能

  肖凌云, 武文韬, 周沂霖, 闫姿霓, 周恩泽, 孙明月, 徐大可, 王福会

  表面技术. 2023, 52(1): 266-277. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.027

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 利用高熵合金多主元的设计思想，添加高含量的铜制备出具有优良机械性能的新型含铜抗菌高熵合金(Antibacterial High-entropy Alloy)，探究其在多种复杂生活环境中服役时的抗菌性能。方法 通过XRD分析高熵合金的物相组成。通过拉伸试验研究该高熵合金的机械性能。采集多种生活环境下的微生物群落，通过平板涂布、场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观察细菌生长与成膜形貌，对比分析高熵合金的抗菌性能。通过基因测序，经由OTU聚类分析与物种分类学分析等研究手段，统计和分析菌落结构与物种多样性。通过活性氧簇分析，探究高熵合金的杀菌机理。结果 Al0.4CoCrCuFeNi高熵合金的屈服强度为(308±10) MPa，高于传统抗菌不锈钢材料。通过抗菌试验结果得出，高熵合金的抗菌率达到99.99%以上。通过扫描电镜分析和活死染色结果，发现AHEA表面菌落数量显著减少且几乎没有任何活的微生物。此外，通过测序结果可以看出，易黏附于普通金属样品表面的优势菌种多为有害致病菌，包含细菌和真菌，而AHEA对它们有着良好的抑制作用。结论 AHEA可以作为一种高效的抗菌材料，不仅能防止细菌在金属材料表面繁殖生长，还能有效抑制真菌生长和生物被膜的形成，综合性能远优于传统抗菌合金。
• Select
  超疏水锯齿表面振动液滴的动态特性

  黄宝罗, 贾志海, 康学良, 潘桂暖

  表面技术. 2023, 52(1): 278-284. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.028

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在振动的超疏水锯齿表面上，液滴表现出明显的运动特征，探究在该过程中液滴的运动机理及影响因素。方法 采用铝片制作一系列具有一定倾角和高度的非对称锯齿状表面，使用疏水涂层Glaco Soft 99均匀喷涂，并干燥其表面，重复多次实验，直到表面具有稳定的超疏水性。加载一定的振动，对表面振动液滴的动态行为进行研究。结果 在一定的振动范围内，当频率的作用范围为10~100 Hz，振幅的作用范围为0~2 mm时，随着振动参数的增加，超疏水锯齿表面上的液滴会产生4种不同的行为，即静止、定向蠕动、跳跃、破裂等。实验表明，超疏水锯齿表面振动液滴的最快运动速度为8 cm/s。针对液滴的定向蠕动行为，运用力学分析方法，建立了液滴运动的物理模型，并分析了振动特征参数、锯齿表面参数、液滴体积对液滴运动特征的影响。结论 对于一定尺寸的液滴，存在一个由共振频率和最优振幅组成的最佳的振动加速度，可使液滴达到该条件下的最优运动速度。同时，通过改变锯齿表面的结构参数，可使液滴运动速度更快，并且随着液滴体积的增加，液滴运动速度呈现先增快、后减慢的趋势。
• Select
  硫酸铜浓度及反应时间对LA103Z镁锂合金PEO膜层热控性能的影响

  邢爽, 张敏, 杨佳, 李秀华, 高悦, 李亚泽, 李思雨, 王震

  表面技术. 2023, 52(1): 285-297. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.029

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在LA103Z镁锂合金表面原位生长高吸收率高发射率的黑色陶瓷膜，研究硫酸铜浓度及反应时间对该膜层热防护性能的影响规律，同时建立膜层的色度值与其热控性能的联系。方法 采用等离子体电解氧化技术(PEO)，在Na2SiO3电解液体系中，通过调节硫酸铜浓度及反应时间优化膜层性能。采用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、CIE颜色系统和能谱仪(EDS)研究膜层的组成和结构。采用分光光度计和红外发射率仪研究膜层的热控性能。结果 PEO膜层主要由MgO和Mg2SiO4相组成。随反应时间及CuSO4浓度的增加，MgO和Mg2SiO4相的衍射峰峰强增加，基体的衍射峰峰强减弱。PEO膜层主要由Mg、O、Si、Na、Cu元素组成，且Cu元素含量随CuSO4浓度的增加而增加。XPS结果表明，膜层中铜主要以一价和二价离子形式存在，可推断膜层中铜是以非晶氧化铜和氧化亚铜的形式存在。PEO膜层具备典型的多孔火山口形貌，孔洞周围稍微突起，膜层与基体紧密结合，无裂缝，具有良好的膜基结合力。膜层微孔数量和孔隙率随CuSO4浓度的增加而增加，随反应时间的延长而减少。随反应时间的延长和CuSO4浓度的增加，膜层厚度和粗糙度增大，反射率降低(0.25~2.5 μm)，色度值(L^*)由81降低至29，膜层颜色由银灰色逐渐变为浅红，最终变为黑色。当CuSO4质量浓度为1.25 g/L和反应时间为20 min时，膜层吸收率和发射率分别高达0.815 0、0.907 2，此时其热控性能最佳。结论 在电解液中添加CuSO4和适当延长反应时间，可提高LA103Z镁锂合金表面PEO膜层的热控性能，为镁锂合金在航空航天领域的进一步应用奠定了基础。
• Select
  基于水溶性煤沥青的MnO@C复合材料的制备及储锂性能研究

  刘渤, 周卫民, 陈燕, 王坤, 张殿浩, 张文武, 孟祥安, 王士戈, 安百钢, 徐桂英

  表面技术. 2023, 52(1): 298-305, 324. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.030

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 制备出具有高容量、良好的倍率性能和循环稳定性的MnO@C复合电极材料。方法 使用水溶性煤沥青及KMnO4为原料，通过水热法制备出Mn3O4@C前驱体。然后经过高温碳热还原制备MnO@C复合电极材料。通过SEM、XPS、XRD和Raman等分析技术对MnO@C复合材料的形貌、表面、结构等进行表征，并使用循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗等电化学分析技术对其电化学性能进行了评价。结果 TEM和SEM结果表明，制备的水溶性煤沥青表面丰富的含氧官能团与MnSO4溶液中的Mn²⁺之间有较强的相互作用，提供成核位点，进而促进了后续MnO@C材料中纳米颗粒的形成和均匀生长。这些纳米粒子的形成又起到了提升MnO@C电化学性能的作用。XRD、Raman和XPS结果表明，Mn3O4@C前驱体经过高温碳热还原反应生成MnO@C后，在MnO表面和包覆的碳材料之间生成了大量的Mn—O—C键。电化学结果表明，MnO@C电极在0.1 A/g电流密度下循环100圈后具有606.47 mAh/g较高的储锂容量，即使是在0.5 A/g大电流密度下循环400圈后仍具有293.83 mAh/g的储锂容量。同时，电化学测试也表明，MnO@C复合材料具有非常好的倍率性能。结论 使用鞍钢产的煤沥青根据混酸法制备了水溶性煤沥青。通过使用水溶性煤沥青和KMnO4成功地制备了Mn3O4@C前驱体。以Mn3O4@C前驱为原料，通过高温碳热还原法制备了MnO@C 复合材料。在MnO表面包覆碳层不仅提供活性位点而且起到限制在充放电过程中MnO体积膨胀的作用。特别值得注意的是，Mn—O—C键构筑了MnO和碳层之间的快速导电通道，提升了电极反应动力学。
激光表面改性技术
• Select
  飞秒激光全划切超薄碳化硅基片

  张炜, 刘涛, 何家乐, 张家发, 张宇梁, 龙江游, 谢小柱

  表面技术. 2023, 52(1): 306-313. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.031

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 为实现超薄碳化硅基片全划切，需在加工出窄线宽(小于25 μm)的切割槽的同时保证基片的强度。方法 使用波长为1 030 nm的红外飞秒激光对碳化硅基片进行全划切加工，通过扫描电子显微镜和光学显微镜分析脉冲重复频率、脉冲能量、切割速度和扫描次数对切口宽度、深度以及断面形貌的影响，采用能谱仪对不同脉冲能量下的划切断面进行微区元素分析，采用激光共聚焦显微镜测量划切断面粗糙度，以及采用电子万能实验机测试划切样品的抗弯强度。结果 划切断面的元素主要有Si、C、O 3种，O元素富集在断面的上下边缘位置。SiO2颗粒喷溅重沉积影响断面微纳结构。断面的粗糙度随脉冲能量的增强而上升，基片强度反而下降。在激光脉冲能量为3.08 μJ、脉冲重复频率为610 kHz、切割速度为4 mm/s、切割12次的条件下，可以加工出宽度为15 μm、深度高于100 μm的良好切割槽，断面粗糙度为296 nm，基片抗弯强度为364 MPa。结论 切割槽宽度和深度与脉冲重复频率、脉冲能量、切割速度和扫描次数有关。O元素的分布说明存在SiO2堆积在断面上下边缘部分的现象。使用小脉冲能量激光进行划切，可以减少SiO2颗粒喷溅重沉积，从而使断面出现大量熔块状结构，得到粗糙度较低的断面形貌。断面粗糙度降低，意味着划切断面存在的微裂纹等缺陷减少，从而使强度上升。本试验最终采用较优激光划切工艺参数，实现了飞秒激光全划切超薄SiC基片，槽宽仅为15 μm。由于短脉宽小脉冲能量高重复频率激光的作用以及激光辐射下SiC材料的相分离机制，基片划切断面烧蚀形貌良好，且抗弯强度较好。
• Select
  ER8车轮钢激光熔覆涂层在酸雨环境下的磨损与腐蚀性能分析研究

  杨文斌, 夏金龙, 肖乾, 陈道云, 刘新龙

  表面技术. 2023, 52(1): 314-324. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.032

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高ER8高速车轮钢的耐磨和耐腐蚀性能，增强车轮使用寿命。方法 在ER8车轮钢表面制备出Fe基合金粉末和Co基合金粉末2种涂层。借助SEM、XRD、纳米压痕仪等表征设备分析涂层的金相组织形貌、物相种类和纳米硬度。利用MFT-EC4000往复电化学摩擦磨损试验仪将试样置于酸雨溶液进行摩擦磨损试验及电化学腐蚀试验。结果 涂层表面组织致密均匀，形成了良好的冶金结合，Fe基与Co基合金涂层分别呈现出“胞状”与“蜂窝状”，无明显孔洞、裂纹等缺陷。基体在低频(1 Hz)下发生轻微的磨粒磨损，中高频(2、4 Hz)下出现了严重的剥落、点蚀现象，其磨损机理主要为粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损，涂层磨损区域则无明显腐蚀与剥落现象。在高频下，Fe基涂层和Co基涂层的磨损率分别比基体减少46.10×10^–5 mm³/(N.m)和39.85×10^–5 mm³/(N.m)。同时，涂层的阻抗值显著提高，极化曲线测试结果显示，Fe基涂层、Co基涂层和基材的自腐蚀电位分别为–0.522、–0.381、–0.603 V，腐蚀密度分别为3.916、0.312、5.483 μA/cm²。结论 修复后的车轮钢样品的耐磨损性能与耐腐蚀能力得到不同程度提高，相比之下，耐磨损方面Fe基合金涂层表现得更为优异;耐蚀性方面，Co基合金涂层略强于Fe基涂层。
• Select
  激光功率与扫描速度对选区激光熔化钴铬合金组织性能的影响

  邓煜华, 黎振华, 姚碧波, 滕宝仁, 李颢

  表面技术. 2023, 52(1): 325-335. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.033

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 明确选区激光熔化钴铬合金中激光线能量密度、激光功率和激光扫描速度对成形件组织、性能的影响，探究优化工艺参数的方法。方法 基于ANSYS有限元软件模拟选区激光熔化过程中熔池尺寸的基础上，通过金相显微镜分析了熔池尺寸和显微组织，电子背散射衍射分析了晶粒尺寸，使用力学试验机和洛氏硬度计研究了试样的力学性能。结果 随着线能量密度降低，成形件的熔池尺寸、晶粒大小、冷却速度和力学性能降低。但在激光线线能量密度为0.242 J/mm的条件下，扫描速度为1 200 mm/s时成形试样的致密度为98.7%，抗拉强度为867 MPa，延伸率为6.5%，其力学性能均高于扫描速度为950 mm/s时成形的试样，与线能量密度更高的0.263 J/mm成形条件下250 W+950 mm/s的成形试样力学性能相近。结论 激光线能量密度是影响选区激光熔化钴铬合金熔池尺寸和组织性能的关键因素，但熔池尺寸与激光线能量密度没有线性关系。相同的线能量密度下，增加激光扫描速度，有利于获得大的熔池尺寸和冷却速度，提高成形件的致密度和降低晶粒尺寸，最终使成形件力学性能提高。
• Select
  超高速线光斑激光熔覆不锈钢涂层显微结构及性能研究

  张鑫, 刘伊, 娄丽艳, 刘康诚, 李成新, 李长久

  表面技术. 2023, 52(1): 336-345. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.034

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 设计超高速线光斑激光熔覆送粉喷嘴，在极高的熔覆效率和极低的搭接率下制备不锈钢熔覆涂层，对比研究圆光斑及线光斑下的熔覆涂层的微观组织结构及性能。方法 基于送粉喷嘴流场及粉末粒子运动轨迹的模拟研究，设计超高速线光斑激光熔覆专用送粉喷嘴。在此基础上，以27SiMn为基体，采用1 mm′ 10 mm线光斑，在10%搭接率、熔覆效率4.5 m²/h下，采用超高速线光斑激光熔覆FeCr合金薄涂层;作为对比，采用超高速圆形光斑(2 mm)激光在0.2 m²/h熔覆效率下熔覆FeCr合金涂层。采用SEM、XRD对比分析线光斑/圆光斑涂层微观组织结构与涂层显微硬度。结果 通收束角度为25°~27°的单流道送粉喷嘴可得到分布均匀、飞行速度适中的粉末束流。对比研究超高速线光斑及圆光斑激光熔覆涂层可知，相同扫描速度下2种光斑制备的涂层均较为致密，无裂纹与气孔，由熔覆层底部到熔覆层表面均呈现出平面晶—柱状晶—等轴晶的变化趋势，线光斑和圆光斑涂层硬度在700~800HV，线光斑下的熔覆层硬度分布更加均匀，表面粗糙度Ra可低至<4 μm，搭接率可低至10%，熔覆效率可达 4.5 m²/h，远高于圆光斑激光下的熔覆效率。结论 2种光斑模式下的涂层微观组织、相组成及硬度相当，但超高速线光斑激光熔覆层表面光洁度更高，表面粗糙度更低，熔覆效率可达圆光斑的20倍。
• Select
  激光功率对TC4熔覆涂层组织及性能的影响

  杨广峰, 郜峰, 崔静

  表面技术. 2023, 52(1): 346-353. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.035

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究超快激光功率对TC4钛合金表面熔覆TC4粉末复合涂层组织及其性能的影响。方法 用超快激光器在TC4基体上制备TC4合金熔覆层。进行了1 000、1 500、2 000 W 3组功率参数的试验，利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、EDS能谱仪、电化学工作站、显微硬度计、摩擦磨损仪，对熔覆层的显微组织、物相结构、耐腐蚀及力学性能进行分析测试。结果 试件的熔覆质量受功率参数的影响，功率较低会导致熔覆层较浅，而功率过高又会导致基体因过烧损坏。3组功率参数下组织分别以细小颗粒胞状晶、细针状树枝晶、粗大树枝晶为主，随着功率的增大，组织开展方向越发规律，同时组织数量和密度都呈下降趋势。激光功率对熔覆层的元素变化影响很小，形成了TiN、Ti2N等硬质相，涂层硬度和抗磨损性能显著增强，硬度最高可达840.5HV。功率为1 000~2 000 W时，磨损性能先增加后降低，功率为1 500 W时抗磨损性能最佳，功率为2 000 W时因功率过高导致抗磨损性能反而比基体更低。同时功率为1 500 W时也具有最高的腐蚀电位和最低的腐蚀电流密度，涂层的耐腐性能最强。结论 合适的扫描功率参数具有最好的熔覆层质量、最佳的硬度和耐蚀耐磨性能。激光功率为1 000~2 000 W时，功率参数P=1 500 W时，熔覆层的综合性能最好。
• Select
  不同类型激光器对激光多层沉积Ti-35V-15Cr合金显微组织及性能的影响

  杨森, 黄开虎, 李静, 王猛, 叶梓萌, 赵可馨, 邓雨林, 张凤英

  表面技术. 2023, 52(1): 354-363. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.036

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探讨半导体激光器与CO2激光器对激光多层沉积合金显微组织及性能的影响机理。方法 以充分混合的Ti、V、Cr粉末为原料，于预先打磨后的Ti-6Al-4V基板上使用CO2和半导体两种激光器进行激光多层沉积Ti-35V-15Cr，通过光学显微镜和扫描电镜、激光点火法、显微硬度测试和Jmat-Pro软件计算分别评价不同激光器下沉积试样的显微组织特点、抗阻燃性能对比和组织形成机理分析。结果 半导体激光器与CO2激光器沉积的试样显微组织存在很大差别，前者为全等轴组织，等轴晶平均尺寸为100 μm，晶粒大小与形状基本一致，沉积区与基材之间的过渡区域存在平均宽度为200 μm、长度为526 μm、长宽比为2.6的类等轴晶，通过扫描电镜观察发现在部分等轴晶内部存在亚晶结构;后者主要为平均尺寸120~200 μm的柱状晶组织，沉积试样顶部为平均直径为52 μm的细小等轴晶，通过扫描电镜观察发现枝晶偏析组织，枝晶间的距离为5~10 μm。抗阻燃性方面，半导体激光器制备的Ti-35V-15Cr试样的抗阻燃性能略优于CO2激光器制备的Ti-35V-15Cr试样，平均显微硬度前者为375HV，后者为363HV。结论 由于激光多层沉积Ti-35V-15Cr对半导体激光器与CO2激光器产生的激光吸收率不同而使二者形成完全不同的显微组织，由半导体激光器制备的Ti-35V-15Cr试样显微硬度更高、抗阻燃性能更好。
• Select
  NiTi合金激光熔凝处理及其生物腐蚀性能研究

  仇安, 陈慧, 宋婕, 程学进, 丁红燕, 周广宏

  表面技术. 2023, 52(1): 364-371, 420. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.037

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 通过对NiTi合金表面进行激光熔凝处理，从而提高NiTi合金的耐腐蚀性能。方法 利用紫外激光器对NiTi合金进行表面熔凝处理，借助扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)和X射线衍射仪(XRD)等技术手段，研究了激光熔凝处理前后NiTi合金的表面显微组织、成分和相结构。测试了激光熔凝处理前后NiTi合金表面与模拟体液(SBF)的接触角、熔凝层的显微硬度等表面性能。通过全浸腐蚀试验和电化学测试，研究了熔凝层在SBF溶液中的生物腐蚀性能，并分析了腐蚀机理。结果 NiTi合金经过激光熔凝处理后，在合金的表层形成了厚度为90~150 μm的熔凝层，熔凝层主要由TiO2、β相以及少量的TiO相组成。合金表面的平均显微硬度提高了153~279HV，合金的表面接触角增大，由亲水性转为疏水性。相较于未处理的样品，熔凝处理后的样品在SBF溶液中的腐蚀电位分别正移了435 mV和413 mV，腐蚀电流密度分别下降了83%、62%左右。熔凝处理后的样品在SBF溶液浸泡168 h后，SBF溶液中的Ni²⁺浓度下降了约1/3。结论 以适当的激光加工参数对NiTi合金进行激光熔凝处理，可在NiTi合金表面形成致密的氧化膜，这层氧化膜和熔凝层可以有效地抑制NiTi合金在SBF溶液中的点腐蚀行为。
• Select
  清洗工艺对GH4099蜂窝夹层结构钎焊性能的影响

  马平义, 陈旭, 韩兴, 刘海建, 石文展, 彭赫力

  表面技术. 2023, 52(1): 372-380, 393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.038

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究激光清洗和离子轰击对GH4099蜂窝夹层结构钎焊性能的影响，优化GH4099蜂窝夹层结构焊前清洗工艺。方法 分别用400#砂纸、不同激光功率(60~200 W)、不同离子轰击时间(1~2 h)对GH4099带材表面进行了砂纸打磨、激光清洗和离子轰击试验，分析了激光清洗和离子轰击对GH4099表面形貌、O元素含量、BNi2钎料润湿性的影响，测试了不同清洗工艺下蜂窝夹层结构钎焊接头的拉伸性能。结果 随激光功率从60 W增加到100 W，GH4099表面O含量逐渐降低，表面粗糙度逐渐增大，钎料润湿面积百分比增加到83.5%，润湿性增加。当激光功率大于100 W时，表面残留网状分布的氧化物，导致钎料润湿性降低。当激光功率进一步增加到200 W时，氧化物网状分布现象减轻，润湿性随之增加，粗糙度也有所降低;随离子轰击时间从1 h增加到2 h时，带材表面氧化皮逐渐去除干净，钎料润湿性随之增加，钎料对离子轰击2 h的表面的润湿面积百分比达到91.2%，与400#砂纸打磨的相当。经离子轰击2 h、1 020 ℃-15 min钎焊获得的夹层结构等效抗拉强度为11.9 MPa。结论 与激光清洗相比，离子轰击可以同时去除蜂窝型面及附近侧壁部分的氧化皮，能更有效地改善钎料对蜂窝基体的润湿性。
表面强化技术
• Select
  喷丸强化对2024铝合金/钛合金铆接件微动疲劳性能的影响

  孙一帆, 胡国杰, 刘梦金, 盖鹏涛, 周文龙, 陈国清, 李志强, 付雪松

  表面技术. 2023, 52(1): 381-393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.039

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究机械喷丸强化对2024铝合金铆接件(螺栓为钛合金)微动磨损及疲劳寿命的影响。方法 利用X射线衍射仪、维氏硬度计、激光共聚焦显微镜和扫描电镜等设备，分析机械喷丸前后试样的表面完整性、磨痕表面形貌、磨痕轮廓和磨损体积。结果 采用机械喷丸强化处理能够显著提升铆接件的平均疲劳寿命，相较于原始试样，最高提升了约36.3倍。经断口失效分析发现，喷丸强化后试样的疲劳裂纹源位置发生了转移，原始件裂纹源位于铆接孔棱角的表面(板面与孔交界位置)，板面喷丸后(只对铆接板表面进行喷丸处理)试样的裂纹源转向铆接孔壁的表面，板面+孔面+石墨润滑喷丸后试样的裂纹源转向铆接孔次表面(强化效果最好)。机械喷丸强化对铝合金微动耐磨性能的影响随着喷丸工艺参数的变化而波动。在线/面微动摩擦测试中，原始样品的磨痕深度为41.5 μm;采用0.2A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.2A?200%)的喷丸参数时，磨痕深度降至34.6 μm，耐磨性得到提高;在0.3A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.3A?200%)的喷丸参数时，磨痕深度升至58.9 μm，耐磨性降低。经喷丸强化后铝合金的微动磨损机制由黏着磨损向脱层磨损转变。通过电子背散射衍射研究发现，喷丸处理使得样品表层小角度晶界所占比例增多，表层晶粒细化。结论 铆接件微动疲劳性能的强化效果得益于喷丸在材料表面引入的残余压应力场和加工硬化层的共同作用。
• Select
  离子氮铝共渗方法及对42CrMo钢组织性能的影响

  康前飞, 杨卫民, 魏坤霞, 汪丹丹, 刘细良, 胡静

  表面技术. 2023, 52(1): 394-400. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.040

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研发离子氮铝共渗试验方法，达到不影响42CrMo钢基体组织性能前提下，显著提高试样表面硬度和耐磨性效果。方法 采用电解法在42CrMo钢表面沉积氢氧化铝膜，再在520 ℃/4 h工艺下进行离子氮铝共渗处理，并在相同工艺参数条件与传统离子渗氮进行对比。用光学显微镜、维氏显微硬度计、摩擦磨损测试机、X射线衍射仪及SEM对截面显微组织、截面硬度、耐磨性及物相等进行了测试和分析。结果 获得了离子氮铝共渗试验方法，在520 ℃/4 h相同工艺参数下，离子氮铝共渗形成的化合物层和有效硬化层厚度比常规离子渗氮显著增加，其中，化合物层厚度由17.24 μm增加到52.13 μm，有效扩散层从175 μm增加到1 050 μm，相当于等离子处理效率提升6倍;同时，渗层形成了AlN及FexAl强化相，大幅度提高了渗层的硬度及耐磨性能。表面硬度由750HV0.025提高到1 250HV0.025，摩擦因数由常规离子渗氮0.52下降到0.29，磨损率由常规离子渗氮3.22×10^?5 g/(m.N)下降到1.21×10^?5 g/(m.N)，磨痕明显减轻。结论 采用电解硝酸铝生成氢氧化铝沉淀附着在工件表面作为预处理，获得了离子氮铝共渗试验方法，与常规离子渗氮相比，离子氮铝共渗形成了多层次渗层结构，大幅度提高常规离子处理效率、表面硬度及耐磨性。
• Select
  硫酸铜浓度及电流密度的变化对游离微珠辅助磨电铸铜的影响

  王兆新, 任建华, 姚传慧, 尹冠华

  表面技术. 2023, 52(1): 401-409, 420. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.041

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究硫酸铜浓度及电流密度的变化对游离微珠辅助磨电铸铜电流效率和沉积层表面形貌、显微硬度的影响。方法 使用立式阴极回转电铸设备进行单因素电铸试验，在硫酸铜质量浓度分别为40、80、120 g/L的条件下，将电流密度由1 A/dm²增至4 A/dm²进行试验。使用库仑计测量记录流经试验回路的电荷量，使用精密电子天平称取铜沉积层的质量，使用扫描电子显微镜观察铜沉积层的表面微观形貌，使用显微硬度计测量铜沉积层的显微硬度。结果 硫酸铜质量浓度为40 g/L，电流密度由1 A/dm²提高到4 A/dm²时，沉积层的表面形貌逐渐趋于光滑平整，电流效率随着电流密度的增加先提高、后降低，在电流密度为2 A/dm²时增至最高95.4%，在电流密度为4 A/dm²时下降至最低92.7%。电流密度由1 A/dm²提高到3 A/dm²时，显微硬度由120.3HV增至最高139.8HV。电流密度为4 A/dm²时，沉积层的表面粗糙度Ra最低，为0.19 μm。硫酸铜质量浓度为80 g/L条件下，电流密度为4 A/dm²时的沉积层表面最为平整，沉积层的表面粗糙度较低，为0.62 μm。电流密度由1 A/dm²提高到4 A/dm²时，电流效率由94.1%增至最高97.2%，显微硬度由119.4HV增至最高146.3HV。硫酸铜质量浓度为120 g/L条件下，电流密度由1 A/dm²提高到4 A/dm²时，沉积层表面的毛刺逐渐变小，且数量也逐渐减少，电流效率由93.9%增至最高97.6%，显微硬度由117.3HV增至最高136.4HV。结论 在一定条件下提高电流密度或降低硫酸铜浓度，均可改善沉积层的表面形貌，提高沉积层的显微硬度。游离微珠的运动磨削既可以改善沉积层的表面形貌，也可以改善沉积层内部的晶粒组织结构，提高沉积层的显微硬度，但微珠的运动会磨削掉沉积层表面微量的铜，降低电铸铜的电流效率。
• Select
  基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸仿真分析

  任旭东, 汪舟, 卢伟, 罗素晖, 王晓丽, 邓小云, 刘浩均, 郑世祺, 张旭

  表面技术. 2023, 52(1): 410-420. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.042

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 建立有限元–离散元耦合的喷丸模型，研究喷丸参数对空心稳定杆内壁残余应力场的影响规律。方法 基于ABAQUS有限元分析软件和“先整体后局部”的建模方法，建立26MnB5钢空心稳定杆全段和局部FEM–DEM喷丸模型，并对模型进行残余应力验证。通过局部喷丸模型研究弹丸撞击角度、速度、表面覆盖率和喷丸流量对稳定杆第4弯折处内壁残余应力场分布的影响规律。结果 残余应力场分布的实验值与仿真值的误差在7%以内，验证了模型的准确性。随着弹丸撞击角度的增大，最大残余应力和残余压应力层深也会随之增大，并在60°后达到饱和;当弹丸速度为80 m/s和100 m/s且弹丸数量为1∶1时，表面残余应力和最大残余应力分别约为?926 MPa和?1 309 MPa;随着弹丸覆盖率的增大，表面残余应力和最大残余应力均增大，但增幅变缓，在覆盖率为200%后基本达到饱和;随着喷丸流量的增大，表面残余应力和最大残余应力先增大后减小，在1.2 kg/min时达到最大值，分别约为?649 MPa和?1 049 MPa。结论 基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸模型能够很好地预测残余应力场的分布，该研究为空心稳定杆内壁喷丸工艺的数值模拟提供了研究思路和理论支持。
• Select
  AISI 300系列奥氏体不锈钢渗氮层组织和性能研究

  孙璐, 曹驰, 杜金涛, 李元东, 陈志林

  表面技术. 2023, 52(1): 421-431. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.043

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在AISI 300系列奥氏体不锈钢表面制备单一S相渗氮层，提高该系列不锈钢渗氮层的硬度、抗磨损性能，对比揭示渗氮前后不锈钢的磨损机制。方法 采用低温辉光等离子渗氮技术(LTPNT)在AISI 300系列奥氏体不锈钢表面制备渗氮层。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)分析渗氮层的截面形貌、元素分布和物相组成;通过比磨损率和磨痕形貌分析渗氮层的摩擦学性能;利用电化学实验考察渗氮前后3种不锈钢的耐蚀性。结果 AISI 300系列奥氏体不锈钢经380 ℃、12 h处理后，其表面获得了厚度为15 μm左右、与基体致密结合、组织成分均匀的渗氮层;渗氮层的相结构主要为S相，无CrN相析出;经渗氮后，该系列不锈钢表面硬度均为1 100HV左右，较基体硬度提高了5倍左右;不锈钢基体的磨损机理为黏着和磨粒磨损，经渗氮后转变为氧化磨损和微切削;渗氮层的比磨损率约为不锈钢基体的1/20，抗磨损的能力得到显著提升;在25 ℃环境温度下渗氮后，304L、316L和321的自腐蚀电位下降，腐蚀电流密度增加，腐蚀速率加快，耐腐蚀性能稍有降低。通过对比腐蚀形貌发现，渗氮层仍具有一定的耐蚀性能。结论 通过LTPNT可以获得高硬度、组织均匀致密、结合强度高的渗氮层，渗氮层中S相的存在可以显著提高AISI 300系列奥氏体不锈钢的表面硬度、抗磨损能力，降低其摩擦因数和比磨损率，对延长不锈钢的服役寿命有着积极的作用。