2023年, 第52卷, 第10期　
刊出日期：2023-10-20

  

• 全选
  |

研究综述
• Select
  碳量子点的摩擦学研究进展

  赵聪慧, 张传祥, 张晓琪, 凡玉方

  表面技术. 2023, 52(10): 1-19. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  机械设备的摩擦和磨损，造成了大量材料和能量消耗。碳量子点(Carbon Quantum Dots，CQDs)是一种新型零维纳米材料，具有独特的物化性质和良好的摩擦学性能，能够提高基础油的润滑性，延长机械设备的使用寿命，逐渐成为润滑领域中绿色、有前途的减摩抗磨材料。首先简要概述制备CQDs的至上而下和至下而上的两大类方法，然后着重介绍了CQDs作为润滑添加剂表面功能化、杂原子掺杂、纳米复合材料制备3种改善摩擦性能的策略，通过梳理CQDs基纳米材料作为减摩抗磨剂添加剂在摩擦学领域的应用实例，发现与其他纳米材料相比，CQDs具有超小的尺寸、表面官能团可调、分散性好、吸附稳定性好、毒性低、环境友好、易合成、成本低等优点，这些独特的性质造就了其优异的减摩抗磨性，证明了CQDs基纳米材料在摩擦学中拥有巨大的应用潜力。之后对CQDs作为润滑油添加剂的滚动轴承效应、形成润滑保护膜、填充修复效应和抛光效应4种润滑机制进行了总结和分析。最后概述了目前CQDs在摩擦学领域一些亟待解决的关键性问题，并展望了CQDs在未来摩擦学领域应用的发展趋势。CQDs在润滑领域的成功应用为具有更好减摩和抗磨性能的下一代碳纳米颗粒提供了参考和可能性，促进了碳纳米材料和纳米技术在节能和环保方面的重大发展。
• Select
  金属表面减摩方法研究综述

  国增磊, 李敏, 王淑峰, 迟静, 陈琳琳, 梁斌, 薛均贤, 杜中鹏, 郭智新

  表面技术. 2023, 52(10): 20-31. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  磨损失效是金属材料主要的失效形式之一，因此减少材料表面磨损一直是金属改性的研究重点。基于粘着理论、润滑相结构、润滑膜行为等不同角度，对如何提升金属材料的减摩性能进行解读，并根据理化性质的改变，综述2类表面减摩方向:化学减摩、物理减摩。化学减摩由自润滑涂层展开，阐述自润滑体系的分类，从粘着摩擦力探究润滑膜的减摩机制。介绍外部直接添加与原位合成的减摩方法。举例了4种自润滑涂层的制备工艺:喷涂、气相沉积、微弧氧化、高能束熔覆。物理减摩中的梯度纳米和表面织构是当前的研究热点。通过探究脆性摩擦层与应力应变的变化，研究梯度纳米结构的变形机制，介绍了机械研磨、激光冲击等制备技术。表面织构在不同摩擦状态下，拥有储油、集屑、流体动压润滑的功能，常见的制备方法有激光刻蚀、化学刻蚀等。最后对金属表面减摩的未来发展进行展望:从多尺度追溯起源，完善摩擦理论;利用原位合成、微观结构活动探究如何延长减摩时间;展开多元体系、工艺的优化，向经济实用的方向发展。
• Select
  阴极等离子电解沉积技术简介及其研究进展

  庄宁, 卢帅, 张博威, 赵梦雅, 黄康, 张展, 何业东, 吴俊升

  表面技术. 2023, 52(10): 32-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  阴极等离子电解沉积是一种将传统电解和等离子体相结合的表面处理与材料制备技术，与传统的表面处理技术相比，该技术在能量消耗、制备速率、沉积层表面致密度、与基体结合力等方面均有大幅度改善，因此备受关注。概述了阴极等离子电解沉积的基本机理，包括电压-电流的演变过程、气体鞘层的形成过程、等离子体的演变规律和金属离子的沉积现象等，在此基础上讲解了阴极等离子电解沉积的技术优势。针对阴极等离子电解沉积过程中复杂的影响因素，分析并探讨了电压、占空比、时间等电参数以及酸含量、添加剂、电解液浓度等溶液参数对阴极等离子电解沉积的影响规律。在此基础上，重点综述了近年来阴极等离子电解沉积在多个领域的研究进展，包括先进陶瓷涂层、金属涂层以及复合涂层的制备，纳米电催化剂、纳米微球、中空微球和石墨烯等功能材料的合成以及渗碳、渗氮等领域的应用等。最后总结并展望了阴极等离子电解沉积在涂层领域的发展方向以及催化剂、石墨烯等其他新型领域的研究前景。
• Select
  钼及钼合金表面高温防护涂层的研究进展

  张亚龙, 王茜, 李倩, 张亮, 张峻巍, 李继东, 金辉, 陈东旭

  表面技术. 2023, 52(10): 48-63, 74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.004

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  系统总结了国内外关于钼及钼合金表面高温防护涂层的最新研究成果，分析了钼在不同温度区间的氧化特征，并基于涂层组织结构稳定性、涂层缺陷、涂层与基体界面结合强度、界面物理和化学相容性、氧扩散等多方面，概述了钼及钼合金表面高温防护涂层的性能要求。归纳了现阶段应用于钼及钼合金表面的高温防护涂层体系，主要包括单一硅化物涂层、改性的硅化物涂层、硅化物基梯度复合涂层、铝化物涂层、耐热合金涂层和氧化物涂层，重点讨论了涂层的成分和结构对其抗高温氧化性能的影响。同时，对比介绍了钼及钼合金表面高温防护涂层常用的制备方法，主要包括料浆烧结法、包埋渗法、等离子喷涂法、熔盐法、化学气相沉积法、磁控溅射法等。最后，对钼及钼合金表面高温防护涂层现阶段存在的问题及未来发展方向进行了展望。
• Select
  天然活性物质在海洋防污中的研究进展

  刘俊, 郑恒, 高子涵, 胡丹妮, 张甜

  表面技术. 2023, 52(10): 64-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.005

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  天然活性物质在海洋防污领域表现出优越的性能，并且满足可持续发展要求，一般来自陆生植物和海洋真菌等。细菌、藻类等是主要的前期污损生物，对其进行有效防除是海洋防污必须解决的问题之一。主要对酚醇类、酯类、生物碱、萜类、肽类天然产物及其衍生物的防污性能进行了对比和总结，发现很多天然活性物质对前期污损生物显示出良好的杀灭活性。另外，将天然产物与一些官能团或特殊基团进行接枝可以大幅提升防污性能。许多活性物质的防污周期较短，无法满足实际需求，对此可以通过工艺手段改良喷涂技术，以延长活性物质的防污周期。目前，许多天然活性物质的获取及其衍生物的合成面临着效率低、周期长、缺乏实海防污数据等诸多问题，这是阻碍其应用的主要因素。提出通过合成生物学对结构-活性寻找目标活性物质的设想，发现了污损生物的黏附机制，例如沉降繁殖体如何感知化学信号，如何与表面相互作用，以及在黏附和完成附着前经历了何种形态和行为的变化。对一些天然活性物质的特点、作用方式及防污效果进行了归纳和总结，分析了各自的优缺点，并对未来天然活性物质防污的前景进行了展望，提出了可行性解决方案。
• Select
  氧化锆粉体的制备及其在热障涂层中的应用

  杨明辉, 孙金钊, 殷凤仕, 樊世冲, 李如庆, 侯良朋, 郭德林, 孙华键, 孙兆新

  表面技术. 2023, 52(10): 75-98. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.006

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  分别描述了纳米氧化锆粉体与空心球氧化锆粉体的制备工艺，分析了不同工艺影响氧化锆产物形态、结构、粒度等方面的因素，并将2种粉末制备的涂层分别与传统微结构涂层进行性能对比。在分析由不同氧化锆粉末制备而成的涂层性能时，除了工艺参数外，更多的是考虑初始氧化锆粉末对涂层性能所带来的影响。期待在未来的研究中，能够优化现有或者探索出更优异的制粉工艺，研究出性能更加优良的新型粉末，以期能够提高热障涂层的性能，满足高精尖领域在未来的使用需求。最后，针对不同制粉工艺及不同粉末制备涂层的发展方向进行了展望。
• Select
  荧光探针在涂层中的应用及机理研究进展

  杜娟, 魏士钧, 石玉超, 刘礼平, 汪鸿宇, 宋海鹏

  表面技术. 2023, 52(10): 99-114, 140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.007

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  随着现代科技的发展，对涂层性能提出了越来越高的要求，其应用环境也越来越苛刻，如腐蚀、高温和特殊识别等环境。在涂层中引入荧光探针是解决上述问题的重要途径。概括了荧光探针在涂层中的研究进展，并重点介绍了荧光探针在防腐涂层、热障涂层和防伪加密涂层中的应用和机理。将荧光探针用于防腐涂层，可赋予涂层特殊功能，可针对腐蚀起到自预警作用，重点介绍了pH响应型荧光探针、腐蚀离子响应型荧光探针、机械触发响应型荧光探针等在防腐涂层领域的作用机理;将荧光探针用于热障涂层，主要用于监测和分析高温环境，在紫外/可见光源激发下，通过测量磷光层发出的与温度相关的磷光信号来监测热障涂层的温度;将荧光探针用于防伪加密涂层，使得防伪加密涂层在特定条件下可以响应并发出荧光，可用于信息的加密存储、贵重物品的防伪识别等。重点介绍了热敏变色防伪涂层、光敏变色防伪涂层、湿敏变色防伪涂层、压敏变色防伪涂层的机理。指出了目前基于荧光探针的涂层仍存在的问题，并对未来的发展方向进行了展望。
• Select
  环境友好型达克罗处理技术的现状及研究进展

  李红玲

  表面技术. 2023, 52(10): 115-123, 140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  达克罗涂层的无氢脆、耐高温、强耐腐蚀性、附着力良好、高渗透性和强涂覆能力等特点使其近年来广泛用于汽车、家用电器、建筑、石油化工等领域。然而该涂层中的Cr⁶⁺由于具有较强的致癌、致畸、致突变作用而受到限制，且其硬度仅有1~2H，抗划伤能力差，耐磨性低，因此使用该图层的工件不适用于硬度和耐磨性要求高的场合。本文先介绍了达克罗涂液的主要组成成分(金属粉末、溶剂、铬酸盐钝化剂和特殊有机物)及铬酸盐在达克罗涂层中的作用(钝化作用、黏结作用和自愈作用);接着从环境友好型达克罗防腐涂层的成膜物质-铬酸盐替代物(无铬钝化剂-含氧酸盐及氧化物、稀土盐和有机黏结剂-硅烷偶联剂、硅烷偶联剂+缓蚀剂、树脂+缓蚀剂)的选取、无铬钝化液的配方优化、纳米微粒增强达克罗涂层三方面分别综述了国内外关于提高环境友好型达克罗涂层的硬度和耐蚀性，指出了各种成膜物质的不足并指出进一步的研究方向;最后简要介绍了稀土改性达克罗处理技术的防腐蚀机理，对环境友好型达克罗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。在总结与分析的基础上可知，随着环境保护要求的提高，开发由有机聚合物(硅烷或树脂)和稀土盐组成的具有钝化和自愈作用的复合成膜系统，以及纳米粒子将具有很大的发展潜力。
• Select
  螺纹丝锥表面处理研究进展

  陈汪林, 李喆, 黄勇浩, 邓阳, 李聪, 孟显娜, 李苏洋

  表面技术. 2023, 52(10): 124-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.009

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  丝锥是内螺纹加工的一种专用刀具，与车刀、铣刀等传统刀具不同，其加工属于半封闭、多切削刃成形加工方式。丝锥加工通常是机加工中的最后一道工序，丝锥质量的好坏直接影响了内螺纹的加工质量和加工效率。概述了市场上典型丝锥的类型、加工主要失效方式与失效机理，并查明丝锥刃口机加工缺陷及严重的黏结磨损和磨粒磨损是诱导丝锥切削性能与寿命显著降低的主因。因此，对丝锥进行表面处理也是行业的研究热点。在表面处理技术方面，重点分析了丝锥刃口钝化技术对丝锥刃口几何特征形态和加工性能的影响规律;同时也探讨了PVD技术类型及特点;在丝锥涂层方面，重点分析了氮化物涂层、含碳膜涂层和特征润滑膜涂层;在丝锥基体预处理方面，重点介绍了激光微织构图案对涂层结合力及刀具摩擦特性的影响规律;在涂层设计方法，重点介绍了常规氮化物、碳化物涂层和高熵合金氮化涂层的力学、物理和化学性质，以及涂层类型与丝锥切削性能和加工质量之间的关联性。最后，总结了单一表面处理技术在丝锥性能提升方面存在的问题，并提出了丝锥钝化+基体激光微织构+PVD自润滑涂层的复合技术方案。
摩擦磨损与润滑
• Select
  纳米磁性流体与表面织构对钛合金的协同减摩作用机制

  王优强, 赵涛, 莫君, 刘新福, 何彦

  表面技术. 2023, 52(10): 141-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.010

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高钛合金表面的摩擦学性能。方法 采用纳秒激光器在钛合金表面构造沟槽型微织构图案，并以水基纳米磁流体和去离子水为润滑剂，利用UMT-3摩擦磨损试验机探究了织构与纳米磁流体的协同减摩作用机制。结果 分析了不同润滑条件下，沟槽型织构的分布间距对钛合金表面摩擦磨损性能的影响，在织构与纳米磁流体的协同作用下，钛合金表面的摩擦学性能得到改善，织构间距为250 μm时的摩擦学性能最好，摩擦因数最大降低约51.5%，磨损率最大降低77.6%。当织构间距过小，织构化表面承载区减少，导致织构磨损较快，而织构间距过大会弱化织构效果。其次，以最优织构间距为基础，进一步探究了不同表面织构形貌和深度对钛合金表面摩擦学性能的影响。最后，研究了最优织构参数下，滑动速度和加载载荷对钛合金减摩性能的影响。结论 在润滑条件下，织构的表面形貌和深度影响钛合金表面的摩擦学性能，织构深度太浅或太深时，其流体动压效应都会减弱，从而导致摩擦因数和磨损量增大;当产生足够大的动压效应时，织构边缘的凸起结构能够对织构起到保护作用，延缓织构磨损。
• Select
  TA15钛合金高温摩擦磨损性能研究

  刘彬, 李晟, 毛玉刚, 李鹏飞, 李亮亮, 孟宪凯, 王赛兰, 吴嘉诚

  表面技术. 2023, 52(10): 151-159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.011

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 为探究TA15钛合金高温耐磨性能的潜力，研究了TA15钛合金在室温~800 ℃下的摩擦磨损性能。方法 利用Rtec摩擦磨损试验机(Rtec，San Jose，USA)进行TA15钛合金的摩擦磨损性能测试，通过激光共聚焦显微镜、JSM-7800F扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段，分析了TA15钛合金在不同温度下的磨痕形貌、成分变化以及磨损机理。结果 在不同试验温度下，微观组织没有出现明显变化，主要为等轴α相和β相;不同温度下的摩擦因数波动不大，从室温的0.279下降到600 ℃的0.224，而在800 ℃时，表面严重氧化导致摩擦因数增大到0.309;在室温~400 ℃时，试样表面磨痕不断变窄变浅，犁沟和磨屑不断减少，而到400 ℃以上时磨痕逐渐变宽，比磨损率也大幅增大，且在600 ℃时的磨损量最大;在600 ℃时，以氧化磨损为主，并伴随着磨粒磨损和黏着磨损，且表面磨痕形貌和宽度比较均匀;在800 ℃时磨损表面以黏着磨损和氧化磨损为主，并伴随着高温焊接的发生。结论 TA15合金表面的O元素含量随温度的升高而逐渐升高，并且氧化反应主要发生在β相内。随着试验温度的升高，TA15钛合金磨损表面的氧化磨损现象也更加明显。
• Select
  大气等离子喷涂FeCoCrNiAl高熵合金涂层的高温摩擦磨损性能

  王跃明, 李晨龙, 韩旭航, 黄杰, 朱建勇, 解路, 刘秀波

  表面技术. 2023, 52(10): 160-170, 180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.012

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究环境温度对FeCoCrNiAl高熵合金涂层摩擦磨损性能的影响，探讨将其应用于高温及富氧环境中的可行性。方法 采用大气等离子喷涂制备FeCoCrNiAl高熵合金涂层，考察喷涂功率对涂层微观组织的影响;测试涂层的纳米力学性能，分析其对涂层摩擦磨损性能的影响;基于涂层及对偶磨球磨损表面形貌、元素分布及含量、物相组成，讨论涂层在室温及高温环境中的摩擦磨损特性与机制。结果 涂层中形成了白色、浅灰色、深灰色及黑色4种区域，区域颜色随O元素含量增加而加深，涂层纳米力学性能逐渐增加，进而将对其摩擦磨损性能造成影响。20 kW喷涂功率制备涂层的室温摩擦因数、磨损率及磨痕深度均达最佳值，分别为(0.70±0.02)、(9.22±0.01)×10^?5 mm³/(N?m)及(130±10) μm。室温环境下，磨粒磨损、疲劳磨损及塑性变形为涂层的主要磨损机制。20 kW功率制备涂层的摩擦因数、磨损率、磨痕深度等均随摩擦环境温度的升高先增加而后降低，经600 ℃摩擦试验后分别低至(0.58±0.01)、(6.14±0.01)×10^?5 mm³/(N?m)及(104±8) μm;涂层磨损表面的氧化程度随环境温度的升高而加剧，经600 ℃摩擦试验后氧含量高达31.62%(质量分数)。当摩擦环境温度≥400 ℃时，涂层以氧化磨损为主，以磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损为辅。结论 由于磨损表面形成连续氧化膜的保护和固体润滑作用，高熵合金涂层在高温环境中的耐磨性明显提高，可广泛应用于高温及富氧环境中。
• Select
  TA1钛合金的表面复合强化与磨损行为研究

  刘港, 刘静, 代燕, 杨峰, 陈丽

  表面技术. 2023, 52(10): 171-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.013

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 针对钛合金硬度低、耐磨性差的问题，利用机械球磨技术在TA1钛合金表面获得复合强化层，研究强化层的组织结构对合金磨损行为的影响。方法 采用行星式机械球磨装置，以WC粉末为增强介质，在0.05 MPa氮气气氛、转速为350 r/min、时间为8 h的条件下，对TA1钛合金进行表面机械变形+固相涂层复合强化处理，利用光学3D轮廓仪、XRD、SEM-EDS、往复式磨损机等对复合强化层的组织结构和耐磨性能进行测试。结果 当表层机械复合强化后，TA1钛合金表面的复合强化层由WC涂层+形变细晶区组成，硬化区厚度为20~40 μm，形变细晶区厚度约为30 μm。涂层区硬度达到1 100HV0.25，为基材硬度的5倍。在5 N载荷下，摩擦因数为0.2~0.3，并可保持近4 000 s，在10 N载荷下，摩擦因数接近0.2并可保持1 200 s。可将磨损过程分为低摩擦因数区、过渡区和高摩擦因数区3个阶段，且每阶段的磨痕深度、磨损量与摩擦因数具有正相关性。结论 表层机械复合强化可大幅提升TA1钛合金表层的硬度和耐磨性，WC颗粒增强涂层具有较强的减摩效果，其磨损机制主要是磨粒磨损与氧化磨损。这种一步法表面强化技术具有工艺简单、能耗少、涂层选材灵活的优势。
腐蚀与防护
• Select
  7B04铝合金及其螺接件的微观腐蚀机制及耐久性研究

  汪凤琴, 苏艳, 钟勇, 左鹏程, 庄宁, 吴俊升, 张博威

  表面技术. 2023, 52(10): 181-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 以飞机结构用7B04高强铝合金及其螺接件为实验对象，通过室内加速腐蚀试验模拟试样在南海海洋大气环境中的环境损伤，并深入分析其微观腐蚀机制与疲劳性能的内在联系。方法 通过数码相机、3D共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等手段，研究模拟南海海洋大气环境下7B04铝合金及其螺接件的宏观/微观腐蚀特征，并借助疲劳测试分析经不同腐蚀周期后铝合金试样及螺接件的疲劳寿命。结果 铝合金及其螺接件经室内加速腐蚀试验后发生的腐蚀行为出现了明显差异，7B04铝合金试样表面发生的腐蚀行为以点蚀为主，而螺接件的腐蚀行为更加复杂。其中，远离螺接区域的暴露区的腐蚀情况与铝合金试样一致，在螺接区域发生了明显的缝隙腐蚀。此外，铝合金试样及螺接件随腐蚀周期变化的劣化规律也有所不同，腐蚀使得试样的疲劳性能均不同程度地下降。7B04铝合金疲劳寿命的递减趋势相对平缓，而螺接件在腐蚀进行到第2周期时其疲劳寿命就已降至原始寿命的一半，在腐蚀进行到第4周期时，螺接件的力学性能基本丧失。结论 经腐蚀后，铝合金试样出现了点蚀，且随着时间的延长出现了均匀腐蚀的趋势，疲劳寿命的递减趋势相对平缓。尽管螺接件的过渡区发生了严重腐蚀，但缝隙区诱发的局部腐蚀导致螺接件的受力面积减小，这是造成其疲劳寿命急剧衰减的首要因素。
• Select
  超声滚压对6061铝合金晶间腐蚀行为的影响

  胡钟遥, 石维, 向嵩

  表面技术. 2023, 52(10): 194-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.015

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究不同静压力条件下形变诱导梯度变形层对6061铝合金晶间腐蚀行为的影响。方法 使用超声滚压技术(USRP，Ultrasonic surface rolling processing)强化6061铝合金表层，采用激光共聚焦、X射线衍射等方法研究酸化NaCl溶液体系下3种静压力条件对6061铝合金晶间腐蚀行为的影响。结果 随着静压力的增大，6061铝合金表层组织呈梯度变化，且形变层深度可延伸至近300 μm。在酸化NaCl溶液腐蚀加速条件下，在相同时间内滚压后试样沿晶腐蚀的路径大幅缩短，向下扩展的深度降低了50%，使得6061铝合金的抗晶间腐蚀性能显著提高。表征结果表明，晶间腐蚀扩展路径与表面粗糙度无相关性，它主要与第二相(AlFeSi相)在形变层中的弥散分布有关。未经USRP处理的6061铝合金在沿晶界连续分布的AlFeSi相促进下发生了明显的沿晶腐蚀。相比之下，经USRP处理后，AlFeSi相会因晶粒形变而呈断续分布，减弱了它在晶界区域对铝合金基体的电偶腐蚀作用，降低了腐蚀通道的连通性，从而阻碍了腐蚀路径的扩展。结论 USRP可提高6061铝合金的抗晶间腐蚀性能，其表面粗糙度并非是提高晶间腐蚀抗性的主要因素，经USRP细化和分散后的AlFeSi相是阻断沿晶腐蚀路径的关键因素。
• Select
  高Cl–环空保护液中超级13Cr油管点腐蚀行为研究

  霍宏博, 宋闯, 刘婉颖, 刘东东, 张羽臣, 何世明

  表面技术. 2023, 52(10): 206-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.016

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究超级13Cr管材在油气井服役环境中的点腐蚀失效机制，分析超级13Cr马氏体不锈钢在高温、高Cl^?环空保护液、超临界H2S/CO2环境中的点腐蚀失效行为，明确其适用性，并提出相应的腐蚀控制措施。方法 通过分析失效油管的宏观形貌、显微组织、腐蚀形貌及腐蚀产物，判断超级13Cr油管现场失效的原因，结合高温高压反应釜模拟井下腐蚀环境，从平均腐蚀速率、点腐蚀速率等方面揭示超级13Cr油管的点腐蚀失效机理。结果 该超级13Cr材质管柱在受到H2S/CO2污染的环空保护液环境下会发生点腐蚀穿孔失效;通过观察现场失效油管发现，在受到腐蚀性气体污染的高Cl^?环空保护液环境中，油管外壁发生了明显的局部腐蚀，油管腐蚀由外壁向内壁扩展，发生了严重的点腐蚀穿孔，并具有一定的H2S应力腐蚀开裂(SCC)特征;在环空保护液环境下，失效油管表面有Cr、O、Cl、S离子聚集，腐蚀受到CO2-H2S共同影响;模拟腐蚀实验结果显示，超级13Cr油管在腐蚀性气体污染的海水基环空保护液环境下具有点腐蚀敏感性，蚀坑深度为80.346 μm，点腐蚀速率达到10.34 mm/a。结论 超级13Cr油管在环空保护液中具有优异的抗均匀腐蚀能力，但在受到H2S/CO2污染的高Cl^?环空保护液环境中具有明显点腐蚀倾向，建议环空保护液用淡水配制，并进行除氧处理。
• Select
  高强铝合金在海洋大气环境与拉伸疲劳载荷协同作用下的腐蚀损伤行为对比研究

  吴护林, 罗来正, 刘春苗, 赵方超, 王彬, 王键坤, 刘溅洪, 符朝旭

  表面技术. 2023, 52(10): 220-228. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.017

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 对比研究2024和7A52高强铝合金在海洋大气环境与拉伸疲劳载荷协同作用下的腐蚀损伤特性，并揭示其失效机理。方法 以实际海洋大气环境作为高强铝合金的薄液膜腐蚀环境，同时采用自主研发的疲劳载荷试验装置对暴露在海洋大气环境中的试样施加拉伸疲劳载荷，从电化学性能、腐蚀形貌、疲劳性能及断口形貌等方面对比分析协同效应下2种高强铝合金的腐蚀损伤规律。结果 在协同效应下，2024铝合金的腐蚀速率随着暴露时间的延长不断减小，腐蚀类型为剥蚀，最大腐蚀深度为236.4 μm。7A52铝合金的腐蚀速率随着暴露时间的延长呈现波动趋势，腐蚀类型为点蚀和晶间腐蚀，最大腐蚀深度为20.5 μm。2024铝合金相较于7A52铝合金更早出现腐蚀疲劳断裂，且2种合金的断口均呈现疲劳断裂特征，裂纹始于合金表面，在Cl^?等腐蚀介质及拉伸疲劳载荷的协同作用下，裂纹不断向合金基体内部扩展，最终发生腐蚀疲劳断裂。结论 在协同效应下，2024铝合金的腐蚀速率及腐蚀损伤程度显著大于7A52铝合金，导致前者的抗疲劳性能弱于后者。
• Select
  含席夫碱结构碳点缓蚀剂的简易可扩展制备及性能研究

  李雪琪, 何闯, 于坷坷, 罗启灵, 龙武剑

  表面技术. 2023, 52(10): 229-240, 258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.018

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 克服目前制备碳点(Carbon dots, CDs)缓蚀剂存在的耗时、耗能等缺点，在室温下一步制备含席夫碱结构的CDs缓蚀剂，并研究其对Q235碳钢的缓蚀性能。方法 设计了一种简易、可扩展的制备方法，以邻苯二胺和对苯醌为前驱体，无需高温加热便可在室温下反应2 h，从而获得含席夫碱结构的CDs。利用TEM等方法对其结构进行表征，并采用UV和PL光谱评估其在HCl溶液中的长期分散稳定性。通过失重法、电化学测试方法研究了不同浓度CDs对Q235碳钢在1 mol/L HCl溶中的缓蚀性能。通过SEM和三维轮廓测量仪分析腐蚀后碳钢表面形貌及化学组成，提出CDs的缓蚀机理。结果 CDs含C=N键，具有多种含氧、含氮基团，有利于其在钢表面的吸附。CDs在HCl溶液中具有长期分散稳定性。当添加浓度为200 mg/L时，其对碳钢在1 mol/L HCl溶液中的缓蚀效率可达到95.05%。CDs为混合型缓蚀剂，能够同时抑制阴极和阳极反应。CDs在碳钢表面的吸附方式遵循Langmuir等温吸附模型，其缓蚀机理为通过物理和化学吸附方式在碳钢表面形成一层保护膜，从而抑制碳钢的腐蚀。结论 成功为CDs缓蚀剂的合成提供了一种简易、可扩展、高效、省时的方法，而且证明了具有席夫碱结构的CDs对碳钢在1 mol/L HCl溶液中的腐蚀具有显著的抑制能力。
• Select
  Na2WO4含量对镁合金微弧氧化膜层颜色和耐蚀性的影响

  祝海涛, 孙金峰, 孟永强, 王立伟, 彭珍珍, 汪殿龙

  表面技术. 2023, 52(10): 241-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.019

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究电解液中的Na2WO4含量对AZ31B镁合金微弧氧化膜层的形成过程、颜色、微观结构、耐蚀性能的影响。方法 通过添加不同含量的NH4VO3和Na2WO4的碱性铝酸盐电解液体系，在AZ31B镁合金表面制备黑色的微弧氧化膜层。采用SEM、EDS分析加入不同含量的Na2WO4后膜层表面的微观形貌及元素组成，采用XRD分析物相组成，通过电化学实验表征膜层的耐腐蚀性能。结果 随着Na2WO4含量的增加，微弧氧化过程中的起弧电压下降，膜层的致密性提高，厚度呈先增加后减小的趋势。当Na2WO4的质量浓度为0.5 g/L时，膜层的厚度最大，且此时膜层表面微孔分布均匀，色度最低，耐蚀性最好，自腐蚀电位为?0.138 V，自腐蚀电流密度为2.36×10^?7 A/cm²，相较于基体降低了3个数量级。结论 增加Na2WO4含量会使微弧氧化成膜过程中的电弧发生变化，适当增加Na2WO4会提高膜层的厚度，降低膜层的CIE色度，使陶瓷膜层表面的微孔分布得更加均匀致密，从而提高膜层的耐蚀性能。当Na2WO4含量过高时，会使膜层的离子浓度升高，电阻增大，介电击穿电压上升，导致膜层表面被烧蚀，耐腐蚀性能降低。
• Select
  钢表面电火花沉积合成W-Mo高熔点复合涂层

  李忠盛, 吴护林, 陈海涛, 丛大龙, 张敏, 何庆兵, 彭冬

  表面技术. 2023, 52(10): 250-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.020

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 采用ZY-10型电火花堆焊/涂层沉积设备，分别以钼和钨棒料为电极，以超纯氩气为保护气体，在PCrNi3MoVA钢基体表面沉积合成W-Mo高熔点复合涂层。方法 在PCrNi3MoVA钢基体表面先沉积出一定厚度的钼涂层作为打底层，在此基础上，采用更高的电参数沉积硬度和熔点都较高的钨涂层。作为同族元素的钼和钨，在高温电弧作用下能较好地合成W-Mo高熔点复合涂层。通过对复合涂层的成分、微观形貌等进行观察和分析，用等离子烧蚀实验检测复合涂层的抗烧蚀性能，并计算复合涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率。结果 采用电火花沉积工艺在PCrNi3MoVA钢基体表面成功制备了W-Mo高熔点复合涂层，其厚度达到100 μm以上，该复合涂层主要由W、Mo、Fe等成分组成，且越靠近涂层表面，W和Mo元素的含量越高，复合涂层主要有Mo、MoC、Fe2Mo3、Fe2W等物相，复合涂层的耐烧蚀性能较好，在前10 s内其线烧蚀率仅为0.090~0.267 mm/s。结论 W-Mo高熔点复合涂层的厚度随着沉积次数和沉积电压的增加而增加;复合涂层与基体相互熔融，具有较好的冶金结合特征;复合涂层能够承受等离子火焰的短时高温冲击与冲刷，增加复合涂层的厚度可以有效抑制涂层试样烧蚀率的增加。
• Select
  脱脂对镀锌汽车板涂装性能影响

  龙袁, 郝玉林, 蔡宁, 周纪名, 姚士聪, 曹建平, 刘华赛, 李学涛, 杨建炜

  表面技术. 2023, 52(10): 259-266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.021

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究脱脂影响镀锌钢板磷化反应的机理及电泳漆膜性能。方法 使用扫描电镜、电化学工作站、X射线光电子能谱分析仪、成形试验机和循环式腐蚀试验机等设备研究了磷化膜形貌、表面元素、电化学性能以及电泳漆膜性能。结果 脱脂不良时磷化膜在镀锌钢板表面生长异常，导致磷化膜呈现为明暗相间的花斑状;表面元素和材料在磷化液中的电化学性能说明磷化膜生长异常的原因是残存油膜阻碍磷化反应进行，同时异常磷化膜相对于正常磷化膜在3.5% NaCl溶液中开路电位负、阻抗小、自腐蚀电流大，说明异常磷化膜耐蚀性能差，易腐蚀;电泳漆膜性能表明，脱脂不良对漆膜的划格附着力影响小，评级为0级，但对电泳漆膜的杯突性能影响明显，杯突高度为6 mm时，漆膜发生破裂;电泳耐蚀性能下降明显，电泳漆膜扩蚀宽度从2.4 mm增加到3.9 mm。结论 脱脂不良会导致镀锌板表面磷化膜质量异常，进而影响电泳耐蚀性能，在实际生产过程中，需要对脱脂工序有效管控，结合车身材料用油种类及油量及时调控参数，避免脱脂不良问题出现。
表面功能化
• Select
  液态镓合金与铜电极间接触电阻特性与可靠性提升

  纪越, 张彦鹏, 李醒飞, 张志佳

  表面技术. 2023, 52(10): 267-277. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.022

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 针对使用液态金属的电气设备中源极输出电阻波动的抑制问题，分析接触电阻随接触面间接触应力的变化规律，探索电极材料镀膜方法减小膜层电阻变化进而提高接触可靠性。方法 理论推导建立了镓合金与铜电极的固液接触电阻理论模型，并据此使用COMSOL Multipyhsics软件仿真了随着接触应力的变化接触电阻的变化情况。使用化学气相沉积法在铜基底上生长碳纳米薄膜来减小膜层电阻对铜电极的影响，并对生长了石墨烯薄膜的电极与镓合金的接触电阻进行了稳定性实验。结果 仿真结果表明接触电阻随着接触应力的增加而减小，接触应力较小时的接触电阻变化较大，随着接触应力的不断增加，接触电阻变化也逐渐缓慢，并进行了实验验证;通过调整化学气相沉积法中碳源的通入量来生长更符合电极使用条件的石墨烯薄膜，在6 mL/min乙炔流量下生长的石墨烯薄膜接触电阻由未生长石墨烯薄膜的246 μΩ减小到165 μΩ，减小了镓合金与铜电极间的固液接触电阻，并且自身电阻值增加较小。长期稳定性实验也表明石墨烯薄膜可以有效防护铜电极，并通过相关的接触角实验进一步分析了生长碳纳米薄膜后电极表面润湿性变化。结论 铜电极表面生长石墨烯薄膜可以有效防护电极，提高铜基底电极与液态镓合金形成固液接触电阻的稳定性，同时控制接触面的接触应力，可以量化控制接触电阻的数量级。
• Select
  掺杂Bi的β-Cu2Se薄膜的微观结构与热电性能

  周政旭, 陈雨, 宋贵宏, 胡方, 吴玉胜, 尤俊华

  表面技术. 2023, 52(10): 278-286, 312. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.023

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究在β-Cu2Se薄膜中掺杂元素Bi对其组织结构及其热电性能的影响，探求Bi元素对载流子传输过程和热电性能的影响规律，为将来该类热电薄膜的研究和应用提供宝贵的经验。方法 使用粉末烧结制得Cu-Bi-Se合金靶材，使用磁控溅射的方法在含有SiO2层的单晶Si衬底上制备了不同Bi含量的β-Cu2?xBixSe热电薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪分别研究了沉积薄膜的XRD谱、表面与截面形貌以及元素含量与分布。利用LSR-3电阻率/塞贝克系统测量了沉积薄膜的Seebeck系数与电导率。利用霍尔试验测量了沉积薄膜的室温载流子浓度和迁移率。结果 沉积薄膜主要由单一的β-Cu2Se相构成，在Bi掺杂量最大为1.07%(原子数分数)的薄膜还含有非常少量的α-Cu2Se相;在β-Cu2Se相薄膜中Bi的掺杂没有生成单质相而是替换点阵中的Cu而形成替位式固溶体。在沉积的β-Cu2?xBixSe薄膜中，([Bi]+[Cu])/[Se]＞2.0且具有p型导电特征。随着温度的增加，电导率降低而Seebeck系数增加，彰显沉积薄膜的简并或半简并半导体的导电特性。当温度低于225 ℃时，沉积薄膜功率因子随Bi掺杂量的增加而增大;当温度高于225 ℃时，掺杂量为0.29%(原子数分数)的薄膜具有最大的功率因子，进一步增加Bi掺杂量，沉积薄膜的功率因子却逐渐减小。结论 使用磁控溅射的方法可制备β-Cu2Se薄膜，掺杂适量的Bi可显著提高薄膜的功率因子。
• Select
  二氧化硅层对氧化石墨烯表面生长碳纳米管的影响

  朱静泊, 邹杨君, 唐小天, 闫兵, 岳建岭, 刘愚, 黄小忠

  表面技术. 2023, 52(10): 287-294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.024

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 通过在氧化石墨烯表面沉积二氧化硅过渡层，实现碳纳米管在其表面的可控生长。方法 在氧化石墨烯(GO)的分散液中，滴入四乙氧基硅烷(TEOS)，通过调节分散液的pH，使得TEOS水解，并在氧化石墨烯表面沉积二氧化硅层(SiO2)，获得二氧化硅包覆的氧化石墨烯(GO@SiO2);然后，采用浮动催化剂化学气相沉积(CVD)方法，在GO@SiO2表面生长碳纳米管，通过调节沉积时间，获得二氧化硅包覆的氧化石墨烯–碳纳米管杂化材料(GO@SiO2-CNTs);将未沉积二氧化硅层的氧化石墨烯在同样条件下通过CVD得到氧化石墨烯–碳纳米管杂化材料(GO-CNTs);结合SEM、STEM、EDS分析，对比有无二氧化硅层的氧化石墨烯基底对生长碳纳米管的影响。结果 在GO表面直接生长的CNTs不能实现全面均匀的包覆，相比之下，在SiO2包覆的GO表面生长的碳纳米管阵列均匀且致密，呈现典型的“刷”状结构，通过调节反应时间，可以控制碳纳米管的生长密度和长度。结论 二氧化硅层可以有效地促进碳纳米管在氧化石墨烯基底的生长，实现碳纳米管形貌的可控调节。
• Select
  梯度润湿性图案化表面的制备及其输运性能研究

  刘前凯, 张杰, 孙鹏程, 王建平, 赵威, 杨吟飞, 赵国龙, 陈妮, 李亮, 何宁, 郝秀清

  表面技术. 2023, 52(10): 295-303. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.025

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 针对液体输运距离短、速度慢等问题，提出一种基于梯度疏水基底的箭形图案化表面，该表面能有效改善液滴的输运性能。方法 对铝合金表面依次进行预处理、激光加工基底、低表面能改性处理和激光加工箭形亲水图案，得到具有良好输运性能的图案化表面。深入研究激光扫描速度对铝合金表面形貌和润湿性的影响。结果 随着激光扫描速度的提高，表面微结构由“微纳分层结构”逐渐变为“亚微米结构”，铝合金表面的粗糙度逐渐变小，导致表面静态接触角由150°左右降至107°左右，动态接触状态由滚动状态变为钉扎状态。另外，随着扫描速度的增加，基底表面O的质量分数从11.2%降至7.7%，F的质量分数从17.6%降至10.6%，表明表面氧化物减少，导致表面对含F有机物的吸附能力减弱，进而导致表面疏水性降低。液滴在基于梯度疏水基底的箭形图案化表面上的输运距离可达到61 mm，相较于均匀疏水基底，提高了34%。结论 采用梯度激光扫描速度和低表面能处理可简单、快速地获得梯度疏水基底，相较于基于均匀疏水基底的图案化表面，液滴在基于梯度疏水基底的图案化表面上的输运性能得到显著提高，液滴自发、定向和高性能的输运在水收集装置、传热设备等方面具有广阔的应用前景。
• Select
  微液滴/注液表面黏附行为的主被动控制及机理

  张学仁, 张亚锋, 顾兴士, 余家欣

  表面技术. 2023, 52(10): 304-312. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.026

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提出一种微液滴/注液表面黏附行为主/被动控制方法，探究在电压和流体黏度耦合作用下微液滴/注液表面黏附行为动态可调机理。方法 在P型硅片表面制备超疏水层，注入黏度分别为10、50、100 mm²/s的聚二甲基硅油制得注液表面，使用固液界面行为测试仪探究不同黏度和外加电压下微液滴/注液表面的黏附行为。结果 当聚二甲基硅油黏度从10 mm²/s增加到100 mm²/s，微液滴/注液界面润湿力从194 μN减小到123 μN，最大相互作用力从129 μN减小到94 μN，分离力从101 μN减小到82 μN;当电压从0 V增加到240 V时，润湿力从156 μN增加到322 μN左右，最大相互作用力从120 μN增加到178 μN左右，分离力从85 μN减小到53 μN左右，实现了黏附力的动态调节。结论 高黏度聚二甲基硅油内部具有较强的剪切力，但是长链会增强微液滴/注液表面氢键作用，在2种作用形式的耦合下，润湿力、最大相互作用力以及分离力随黏度的增加而减小。在电压作用下，微液滴在注液表面产生电润湿行为，有效界面能随电压发生非线性响应，实现了固液界面黏附力的实时调节。微液滴/注液表面可以通过改变电压与润滑油的黏度实现黏附行为的主/被动的调节。
• Select
  受猪笼草启发的多孔微腔低冰黏附防除冰表面

  向科峰, 尹欢, 宋岳干, 杨益, 李国强, 赖林

  表面技术. 2023, 52(10): 313-320. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.027

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高光滑液体注入表面(SLIPS)的防/除冰耐用性。方法 将镍箔完全浸没在无水乙醇中，使用飞秒激光照射无水乙醇环境中的镍箔表面诱导出立体多孔纳米微腔阵列结构，并使用氟硅烷改性增加表面对硅油的亲和力，最后用50 cSt的硅油旋涂在改性后的表面上。通过扫描电镜和光学显微镜对立体多孔纳米微腔结构进行形貌分析，并通过延缓结冰试验、冰黏附强度测试和高温蒸发试验，分别评价该SLIPS的延缓结冰性能、冰黏附强度和防除冰耐用性。结果 在立体多孔纳米微腔结构的毛细作用下，具有亲油憎水性的立体多孔纳米微腔表面上的蒸馏水滴也会被钉扎。相比非结构化表面，该SLIPS将延缓结冰时间提升了2.8倍，同时，在低温高湿度环境中，实现了冷凝水的自去除。在80 ℃高温环境下的蒸发10 min后进行结冰/除冰操作，10个周期后，该SLIPS的接触角(θCA)为110°，滑动角(θSA)为8.5°，以及冰黏附强度参数(τice)为3.6 kPa。结论 利用飞秒激光加工无水乙醇环境中的镍箔表面生成的立体纳米多孔微腔阵列结构能够减少SLIPS表面的润滑剂损失，可有效提高防除冰SLIPS的耐用性。
热喷涂与冷喷涂技术
• Select
  超音速火焰喷涂镍基涂层颗粒沉积特性的数值模拟

  许耀飞, 刘思思, 杨正航, 姜胜强, 刘金刚

  表面技术. 2023, 52(10): 321-334, 359. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.028

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 考虑后续不同粒径颗粒随机冲击的影响，探索热喷涂涂层颗粒的沉积特性。方法 利用ABAQUS建立颗粒与基底冲击模型，通过颗粒冲击的凹坑深度和应力分布进行网格收敛性研究。通过实验验证模型的可行性。随后，应用验证模型研究颗粒以不同入射角和速度冲击基底时的沉积特性，以及4个颗粒重叠冲击基底及多颗粒随机冲击基底表面时的沉积特性。结果 在颗粒入射角从15°增至60°时，颗粒更好地附着于基底表面;当颗粒速度从350 m/s增至500 m/s时发生了溅射现象，可能造成绝热剪切失稳现象，形成有效结合;在4个颗粒冲击基底时，第2个颗粒对第1个颗粒及基底的影响都最明显;当多颗粒随机冲击基底时，在后续颗粒的冲击和沉积作用下，填充颗粒的形状不规则，同时第1层颗粒可能与基底形成机械咬合。结论 在超音速火焰喷涂时应当倾斜一定角度，同时提升颗粒速度，这对制备涂层更有利;在颗粒重叠冲击时，后续颗粒增大了第1个颗粒的压缩效果，且更深入地嵌入不锈钢基底，这有利于颗粒与颗粒之间的后续黏结;当多颗粒随机冲击基底时，在第1层沉积颗粒与基底之间，以及涂层内相邻颗粒之间均观察到高塑性应变，表明涂层出现黏结，同时后期沉积的颗粒未完整压缩变形。
• Select
  预热温度对机匣等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层应力场影响的数值模拟

  苏宇航, 温祯洪, 罗军明, 崔世宇

  表面技术. 2023, 52(10): 335-349. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.029

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 为确定机匣等离子喷涂铝硅涂层最佳预热温度，揭示不同预热温度对涂层残余应力的影响，优化基体预热温度，降低由于过大的残余应力导致涂层剥落和失效的可能性，为实际生产提供指导。方法 基于热弹塑性有限元理论，使用ANSYSWORKBENCH中稳态热和结构应力模块，建立双层等离子喷涂有限元模型。采用间接热力耦合方法对不同预热温度下的机匣等离子喷涂温度场和应力场进行模拟，分析不同预热温度对面层/黏结层/基体系统温度和应力分布的影响，重点研究了预热温度为30、50、80、120、150、180、200 ℃时涂层的温度场和应力场分布。结果 随着基体预热温度的升高，基体和涂层的温度梯度逐渐减小，面层等效应力逐渐减小，最大等效应力先减小后增大;y轴环向应力和z轴轴向应力分布及变化趋势基本相同;与y轴环向应力和z轴轴向应力相比，基体预热温度的变化对x轴径向拉应力、径向压应力的影响更大。结论 根据涂层的残余应力的分布和变化规律，等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层时，基体预热温度应控制在150 ℃。
• Select
  TaSi2改性ZrB2/SiC复合粉末制备及涂层抗氧化性能研究

  刘昌鹏, 雷伟, 冉旭东, 张菲玥

  表面技术. 2023, 52(10): 350-359. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.030

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高ZrB2/SiC涂层的致密性及抗氧化烧蚀能力。方法 设计向ZrB2/SiC涂层中掺杂TaSi2，以提升ZrB2/SiC涂层的致密度和抗氧化性能。首先通过喷雾造粒法制备了4种不同成分配比的复合团聚粉，然后采用大气等离子喷涂(APS)在C/C基体表面制备了4种团聚粉复合涂层，最后使用氧-乙炔火焰法对所制备的涂层进行了烧蚀考核。结果 通过涂层致密度对比发现，随着TaSi2的增加，涂层共晶区会有所增加，涂层致密度得到了明显改善。通过烧蚀考核发现，TaSi2的加入能够增加SiO2的含量，并产生热稳定性好的TaZr2.75O8。此外致密TaZr2.75O8的产生还能够有效改善涂层的抗氧化烧蚀性能。结论 最终得出的ZrB2/SiC涂层硅化物掺杂改性方案为30%TaSi2/42%ZrB2/28%SiC(体积分数)大气等离子喷涂制备的抗氧化烧蚀涂层，其在1 600 ℃烧蚀5 min后的质量损失率为?1.70×10^?4 g/s。
表面强化技术
• Select
  B和Si掺杂对CrAlN涂层结构和切削钛合金寿命的影响

  王羽中, 史耀耀, 张国飞, 贺云鹏

  表面技术. 2023, 52(10): 360-366, 393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.031

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 CrAlN涂层以其优异的抗氧化性能被广泛应用于切削刀具涂层领域，针对CrAlN涂层热稳定性较低，在超过900 ℃后会发生热分解，导致其力学性能显著下降的问题，通过B、Si共掺杂方法改善CrAlN涂层的性能。方法 采用阴极弧蒸发方法制备Cr0.42Al0.58N、Cr0.35Al0.59B0.06N、Cr0.37Al0.54Si0.09N涂层，借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪，通过划痕和切削实验研究B和Si掺杂对CrAlN涂层晶体结构、硬度、结合力、热性能和切削寿命的影响。结果 Cr0.42Al0.58N和Cr0.35Al0.59B0.06N涂层为单相立方结构，Cr0.37Al0.54Si0.09N涂层为立方和六方的两相结构;Cr0.42Al0.58N、Cr0.35Al0.59B0.06N、Cr0.37Al0.54Si0.09N涂层的硬度分别为(29.8±1.5)、(36.9±1.4)、(33.8±1.6)GPa，与基体的结合力分别为116.2、58.3、58.0 N;通过B和Si掺杂抑制了CrAlN涂层的热分解过程，Cr-N键的断裂起始温度由Cr0.42Al0.58N的1 000 ^oC提高到Cr0.35Al0.59B0.06N的1 200 ℃和Cr0.37Al0.54Si0.09N的1 100 ℃;在1 100 ℃下氧化15 h后，Cr0.42Al0.58N、Cr0.35Al0.59B0.06N、Cr0.37Al0.54Si0.09N涂层的氧化层厚度分别为2.38、1.80、0.53 μm。结论 通过B和Si掺杂提高了CrAlN涂层的力学性能、热稳定性和抗氧化性，其中CrAlBN涂层呈现出最优异的热稳定性和切削性能，CrAlSiN涂层的抗氧化性最佳。
• Select
  非平衡磁控溅射CrTiAlN涂层的制备及空蚀性能研究

  刘铭悦, 黄志全, 张习羽, Ann Zammit, Joseph Buhagiar, Glenn Cassar, 王建明, 陈坚

  表面技术. 2023, 52(10): 367-375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.032

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 为缓解动力系统金属表面发生的空泡失效问题，提高水下装备推进系统在复杂多变环境中的综合服役性能，将涂层技术用于金属材料的表面防护。方法 基于正交实验设计，采用非平衡磁控溅射技术在AISI 316不锈钢基体上制备CrTiAlN涂层。采用XRD、SEM、EDS和AFM等测试手段对涂层的物相、形貌、成分和表面粗糙度进行表征;采用维氏硬度计、划痕仪和洛氏硬度计对涂层的显微硬度和膜基结合力进行测试与评估;通过球–盘磨损实验、电化学测试和空蚀实验，分别评价涂层的耐干摩擦磨损、耐腐蚀和抗空蚀性能。结果 实验结果表明，利用正交试验设计调控Cr、Ti和Al靶电流，基于涂层硬度得到最佳靶电流分别为4、8、8 A，此时涂层显微硬度达到1 242HV0.01，纳米硬度为(17.00±0.99) GPa，远高于316不锈钢;涂层的摩擦因数和磨损率远低于316不锈钢;在质量分数为3.5%的NaCl溶液中，涂层的腐蚀电位较高，腐蚀电流较小，具有较好的耐腐蚀性能，采用涂层保护后316不锈钢的寿命得到显著提高;在空蚀实验后，316不锈钢的粗糙度从4.5 nm增至112.0 nm，并出现空蚀坑，而CrTiAlN涂层只出现了褶皱，其粗糙度从4.8 nm增至10.0 nm，仅在涂层缺陷处发生了零星剥落现象。可见，CrTiAlN涂层有效缓解了空蚀的冲击作用，提高了316不锈钢的抗空蚀性能。结论 可将CrTiAlN涂层作为防护涂层，并应用于水利工程装备关键部件。
• Select
  偏压梯度TiAlN涂层对TC4钛合金振动与拉伸疲劳性能的影响与机理

  曹鑫, 王静静, 李聪健, 何卫锋, 汪路路, 何磊

  表面技术. 2023, 52(10): 376-383. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.033

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究偏压梯度TiAlN涂层对基体疲劳性能的影响规律和疲劳损伤机理。方法 利用磁过滤阴极真空弧技术和连续改变偏压的沉积工艺，在TC4钛合金表面沉积了偏压梯度TiAlN涂层，并采用扫描电镜、轮廓仪、纳米压痕和划痕仪表征测试了TiAlN涂层的微观结构和内应力、表面硬度、膜基结合力等基本力学性能。对TiAlN涂层试件的振动和拉伸疲劳性能分别进行了考核，通过观察试件疲劳断口形貌，探究了偏压梯度TiAlN涂层/基体的疲劳损伤机理。结果 TiAlN涂层中Al元素含量沿深度方向一直在降低，偏压工艺成功制备出梯度结构涂层。偏压梯度TiAlN涂层的内应力为压缩状态，数值为(2.66±0.23) GPa，显著低于对应恒压涂层(?200 V)。偏压梯度TiAlN涂层试件平均振动强度和拉伸疲劳强度分别为370.90、377.90 MPa，前者相对于TC4基体提高了47.7%，后者几乎保持不变。结论 TiAlN涂层内部存在残余压应力，具有一定抗裂纹萌生能力，TC4钛合金表面制备偏压梯度TiAlN涂层后，两种受载类型下的疲劳裂纹源均位于涂层与基体界面处。振动受载时，涂层中梯度结构抑制了裂纹的扩展，疲劳强度提高;拉伸受载时，TiAlN涂层部分发生破碎，抑制裂纹萌生与促进裂纹扩展两种机制同时存在，疲劳强度几乎不变。
• Select
  等离子熔覆TiC/Fe基熔覆层显微组织及碳化物演变机理分析

  尹燕, 何明明, 李辉, 赵奎安, 刘颖波, 张瑞华

  表面技术. 2023, 52(10): 384-393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.034

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 为了提高3Cr13马氏体不锈钢的硬度和耐磨性，在其表面制备TiC/Fe基熔覆层，分析熔覆层组织的均匀性及碳化物类型，探究碳化物演变机理和对熔覆层硬度的影响规律。方法 采用等离子同步送粉熔覆，在3Cr13不锈钢基材上熔覆球形TiC/Fe基熔覆层。利用扫描电子显微镜、X射线衍射、能谱仪分析熔覆层微观形貌特征、相组成以及析出相的元素分布规律，利用显微硬度计测量熔覆层的硬度。结果 随着TiC添加量的增加，熔覆层中的Ti和C元素含量也增加，说明有部分TiC熔解。未添加TiC的熔覆层组织主要是Fe-Cr固溶体和(Fe、Cr)7C3，TiC/Fe基熔覆层的为Fe-Cr固溶体和TiC、(Fe、Cr)3C2、(Fe、Cr)7C3。两种熔覆层中的析出相主要以(Fe、Cr)7C3为主，但在TiC/Fe基熔覆层中还存在其熔解后重新析出的TiC及过渡相(Fe、Cr)3C2。TiC添加量增加，熔覆层显微硬度也增加。结论 TiC/Fe基熔覆层中的第二相除(Fe、Cr)7C3，还有原始TiC、析出的TiC和(Fe、Cr)3C2。在研究范围内，随着TiC添加量增加，熔覆层中熔解的TiC量也增加。析出的TiC可以作为(Fe3Cr4)C3的有效形核质点，促进(Fe3Cr4)C3的形成，形成过程是(Fe、Cr)3C2以析出的TiC为形核核心形核长大，随后相变为更加稳定的(Fe、Cr)7C3，在快速冷却过程中有未转变完的(Fe、Cr)3C2保留下来。熔覆层中的原始TiC、析出的TiC、生成的(Fe、Cr)7C3和(Fe、Cr)3C2作为硬质相提高了熔覆层的硬度。
• Select
  氧化石墨烯对纳米金属陶瓷复合镀层组织性能影响

  李智, 刘崇宇, 葛毓立, 宋万彤, 胡德枫

  表面技术. 2023, 52(10): 394-402, 421. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.035

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高纳米金属陶瓷复合镀层硬度、耐磨性，以及耐蚀性。方法 在镀液中添加了氧化石墨烯(GO)，在合金的基体上制备了Ni-TiN-GO的复合镀层，并对镀层组织结构、成分、显微硬度、耐磨性和耐蚀性进行表征及分析，探究GO的添加量对其组织性能的影响，确定最适宜的GO添加量。结果 最适宜GO含量为0.3 g/L，所得镀层表面平整致密，与基体结合良好，厚度为8.64 μm。晶面表现为双择优取向，晶粒尺寸最小，显微硬度最大，分别为22.8 nm和1 529.1HV。摩擦磨损测试表明摩擦因数为0.8，主要以磨粒磨损为主，具有良好耐磨性能。Ni-TiN-0.3g/LGO复合镀层自腐蚀电流密度较基体和Ni-TiN镀层下降1个数量级，在经过96 h的盐雾试验后，镀层未见开裂，只附着少量腐蚀产物，表现出良好的耐蚀性。结论 当GO的添加量为0.3 g/L时镀层表面最为致密，缺陷减少，并且通过其较大的比表面积可阻碍腐蚀离子通过，进而提高镀层耐蚀性。GO通过在镀液中与Ni²⁺结合形成复合物共沉积到孔隙缺陷处，同时GO弥散分布于镀层，提供了大量的形核位点，镀层晶粒尺寸下降，因此镀层硬度提高，并且由于GO具有一定自润滑能力，镀层的耐磨性提高。
• Select
  Fe-Zn相图不同相区温度合金化锌镀层生长过程模拟

  刘诗文, 孟宪陆, 赵彦, 吴广新, 张捷宇

  表面技术. 2023, 52(10): 403-410, 429. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.036

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 优化GA镀层的成形性能，建立GA镀层物相生长模型，调控镀层物相组成，得出最佳合金化镀层物相组成对应的工艺参数，以指导生产。方法 依据最新的Fe-Zn相图，构建镀层合金化模型，模拟镀层物相η、ζ、δ和Γ生长过程及物相沿镀层截面分布、镀层合金化过程Fe含量变化。结果 成功模拟了Fe-Zn相图不同相区物相的生长过程，模拟530 ℃以下温度物相转变为η→ζ→δ→Γ，530 ℃以上温度物相转变为η→δ→Γ。模拟得到最佳镀层物相组成对应的合金化工艺为，510 ℃保温9.7 s，540 ℃保温6.8 s。研究得到了合金化过程中镀层Fe含量的变化规律，在合金化前期，Fe含量增加的速率较快，随着合金化程度的提高，镀层中Fe含量的增加速率减慢。结论 建立的GA镀层物相生长模型可以模拟得到不同合金化温度下最佳的工艺参数，为合金化热处理生产GA镀层提供了工艺参考。
• Select
  激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析

  王淑娜, 伏培林, 李嘉伟, 张旭, 阚前华

  表面技术. 2023, 52(10): 411-421. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.037

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 获取TC4钛合金激光冲击强化层的弹塑性本构模型参数，结合纳米压痕试验和有限元模拟技术，进行激光冲击强化TC4钛合金的材料参数反演计算。方法 首先，在TC4钛合金试样侧面沿强化层深度方向进行纳米压痕测试，获得距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线。进而，基于幂律应变硬化模型，通过无量纲方程和有限元模拟反演得到激光冲击强化TC4钛合金梯度强化层的弹塑性参数。最后，将反演获得的弹塑性本构模型材料参数用于有限元模拟，将模拟结果与试验结果进行对比，验证参数反演结果的合理性。结果 强化层表面的弹性模量和纳米硬度较母材分别提高了11%和30%，强化层内的应变硬化指数和屈服强度沿深度方向分别递增和递减。模拟的载荷-压入深度曲线与试验曲线吻合较好，最大压入载荷、弹性模量和纳米硬度的模拟误差分别小于1%、7%和3%，证实了参数反演结果的合理性。结论 通过无量纲方程反演算法得到的强化层本构参数有较强的可信度。激光冲击强化可有效提升TC4钛合金的表面力学性能，强化层的本构参数呈梯度分布，表面的抗塑性变形能力大幅提升。
• Select
  钛催渗低温离子渗氮对304不锈钢组织性能的影响

  李润涛, 孙斐, 汪丹丹, 魏坤霞, 杨卫民, 胡静

  表面技术. 2023, 52(10): 422-429. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.038

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在保障304奥氏体不锈钢良好耐蚀性前提下，研发显著改善表层硬度及耐磨性的低温高效离子渗氮技术。方法 低温离子渗氮时，在试样周围均匀放置微量海绵钛，研发304奥氏体不锈钢创新钛催渗低温离子渗氮技术。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线粉末衍射仪、显微维氏硬度计、摩擦磨损测试仪，以及电化学工作站等设备分别对试样截面显微组织、物相及成分、截面显微硬度、渗层耐磨性能、耐蚀性能等渗层组织性能进行测试与分析。结果 304奥氏体不锈钢在420 ℃/4 h钛催渗离子渗氮处理后，不仅保持了良好耐蚀性，且渗层耐蚀性比常规低温离子渗氮略有提升，同时，表面硬度与耐磨性大幅提高，表面硬度由常规离子渗氮的978HV0.025提升至1350HV0.025。磨损率由20.9 μg/(N.m)降低至7.4 μg/(N.m)，下降了约2/3。特别有价值的是，钛催渗低温离子渗氮效率比传统离子渗氮显著提升，渗氮层厚度由常规离子渗氮的11.37 μm增厚到48.32 μm，即渗氮效率提高到常规离子渗氮的4倍以上。结论 本研究研发的钛催渗低温离子渗氮技术在保障304奥氏体不锈钢优良耐蚀性的同时，能够大幅度提升不锈钢表面硬度及耐磨性能，且具有显著的催渗效果。
• Select
  GCr15SiMn贝氏体轴承钢超声滚压表层组织与性能

  安容升, 程志, 潘金芝, 陈春焕, 刘鹏涛, 任瑞铭

  表面技术. 2023, 52(10): 430-438. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.039

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究超声滚压加工对贝氏体轴承钢的影响，并分析超声滚压工艺参数对贝氏体轴承钢试样表层组织及性能的影响规律，为提升贝氏体轴承表面性能提供理论及试验依据。方法 通过超声滚压加工前后试样对比分析，确定超声滚压处理技术对贝氏体轴承钢组织性能的提升;通过单因素试验法，研究超声滚压工艺试样组织、性能的影响规律;通过表面与截面组织相结合的方法，分析贝氏体轴承钢组织的类别特征。结果 根据试样表面状态可将原始试样分为3类:细晶层存在表面微裂纹的截面组织、细晶层无裂纹的截面组织及无细晶层截面组织。超声滚压后，3类截面组织均产生塑性变形层，无细晶层截面组织形成的塑性变形层最厚。超声滚压处理后，存在于原始试样表面的机加工纹理变细，犁沟变浅;试样表面粗糙度降幅可达75%，试样表面硬度增幅为4%，且试样表面产生了约90 μm硬化层。结论 相同静压力下，随电流增加，试样表面粗糙度显著降低，塑性变形层显著增加，硬度、硬化层深度增加但增幅较小;相同电流下，随静压力增加，试样表面硬度、塑性变形层深度、硬化层深度及表面硬度增加，粗糙度变化不大。
• Select
  基于分布位错法研究多条微裂纹对偏折主裂纹的影响

  王强胜, 张启洞, 蒋哲亮, 李乐毅, 江晓禹

  表面技术. 2023, 52(10): 439-447. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.040

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 采用理论方法求解多条微裂纹对偏折主裂纹的影响，重点分析偏折主裂纹尖端的力学行为及微裂纹对主裂纹扩展角度和闭合区域的影响等问题，为实际的工程应用提供理论依据。方法 运用叠加原理将主问题分解成2个子问题，通过材料力学方法求解子问题一;基于分布位错方法求解子问题二。进一步建立关于位错密度的奇异积分方程，利用Gauss-Chebyshev数值求积分法解决位错密度方程的奇异性问题，并通过计算机编写程序，最终得到相关力学参量的数值解。结果 得到了偏折主裂纹附近的应力场以及微裂纹长度、微裂纹个数对偏折主裂纹尖端应力强度因子的影响等相关力学参量。分析了主裂纹不同偏折角度时的闭合区域，以及微裂纹的方位角、微裂纹个数等对偏折主裂纹扩展角度的影响。结论 裂纹面对拉应力有屏蔽作用，导致拉应力在裂纹面附近应力松弛，而裂纹尖端对拉应力有放大作用，随着应力增加将导致裂纹的扩展。一条微裂纹位于主裂纹尖端约–30°<θ<50°时，将使主裂纹尖端应力强度因子增加，促进主裂纹的扩展，而微裂纹位于50°<θ<90°或–90°<θ<–30°时，将使主裂纹尖端应力强度因子减小，抑制主裂纹的扩展。主裂纹尖端应力强度因子随微裂纹长度的增加而变大，随微裂纹与主裂纹间距离的增加而减小。