2023年, 第52卷, 第2期　
刊出日期：2023-02-20

  

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专题——航空构件高服役表面加工技术
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  钛合金表面缓进给砂带磨削变参数优化方法及其试验研究

  张友栋, 肖贵坚, 柴东升, 高慧, 黄云

  表面技术. 2023, 52(2): 1-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.001

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  目的 改善钛合金砂带全生命周期中磨削的表面质量。方法 提出了钛合金缓进给砂带磨削变参数优化方法。首先，采集磨削过程中的加工参数、砂带磨损、表面粗糙度等数据。其次，采用SVM算法构建以磨削参数和磨损数据为输入、以表面粗糙度为输出的粗糙度预测模型，并且以预测的粗糙度和砂带磨损为约束应用NSGA-Ⅱ算法，针对缓进给砂带磨削过程中的全生命周期的加工参数进行优化。最后，通过对比分析变参数和固定参数磨削方法下的砂带磨损特点和钛合金表面粗糙度、形貌特征、微观特征、表面氧化的特点，对砂带全生命周期变参数磨削方法进行验证。结果 SVM预测的精度可达0.95以上，MAE低至0.064。采用NSGA-Ⅱ算法优化后的加工参数能够有效地改善表面质量，优化前的全生命周期中的粗糙度从0.787 μm逐渐降低至0.509 μm，优化后的粗糙度从0.934 μm降低至0.457 μm;并且优化后的钛合金形貌要优于传统的加工方式，变参数磨削的钛合金表面氧化程度明显小于固定参数磨削方法。此外，提出的变参数优化方法能够有效地改善砂带的磨损，降低缓进给磨削所带来的砂带快速磨损现象。结论 本文所提出的SVM-NSGA-Ⅱ磨削参数优化算法能够搜索到满意的解值，得到优化后的加工参数。磨削对比试验表明，本文提出的变参数砂带磨削方式相对于固定参数磨削，能够有效地提高磨削的表面质量，减缓砂带的磨损，延长砂带的使用寿命。
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  服役工况及喷丸强化对航空齿轮钢接触疲劳性能的影响

  李嘉玮, 赵新浩, 李炎军, 吴吉展, 魏沛堂, 刘怀举

  表面技术. 2023, 52(2): 14-24, 54. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.002

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  目的 针对不同服役工况和表面处理下航空齿轮钢接触疲劳性能不明确的问题，探究不同工况参数及喷丸强化对AISI 9310航空齿轮钢接触疲劳性能的影响。方法 基于双圆盘滚动接触疲劳试验台，对AISI 9310航空齿轮钢圆盘滚子试件在2种接触应力、3种滑差率的服役工况，以及渗碳磨削、喷丸强化2种工艺下开展滚动接触疲劳性能研究。使用白光干涉仪、X射线衍射应力仪和显微硬度仪对喷丸强化前后的表面形貌、残余应力和显微硬度进行表征，探究喷丸处理后的表面完整性与滚动接触疲劳性能之间的规律。结果 当接触应力由2.5 GPa增至3.0 GPa时，AISI 9310试件的滚动接触疲劳寿命降低了64.7%;当滑差率由10%增至20%、30%时，试件的滚动接触疲劳寿命分别下降了18.9%和42.8%，同时寿命分散性有所降低。此外，研究发现喷丸强化使试件表面残余压应力提升了104.3%，并形成了残余压应力层，表面显微硬度提升了4.8%，同时使试件的沟壑状刀痕转变为凹凸不平的弹坑，表面性状宽高比提升至0.931 0，更有利于润滑油的储存，从而使得试件的滚动接触疲劳寿命提升了87.8%。结论 获取了不同接触应力、滑差率和表面强化处理对AISI 9310航空齿轮钢滚动接触疲劳性能的影响规律，为我国航空齿轮抗疲劳设计制造提供了评价方法和基础数据。
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  碳纤维增强热塑性复合材料螺旋铣磨制孔损伤研究

  张红哲, 郑植, 殷国运, 陈晨, 邓成林, 鲍永杰

  表面技术. 2023, 52(2): 25-34. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.003

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  目的 研究碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)螺旋铣磨制孔的切削温度和切削力的变化趋势，以及典型制孔损伤的特点，并分析切削温度的下降对制孔损伤的影响。方法 采用螺旋铣磨的方法开展CFRTP的制孔试验研究，通过改变工艺参数研究切削温度、切削力的变化趋势，分析各类典型制孔损伤的特点、形成原因及随工艺参数的变化情况，并研究添加冷却辅助降低切削温度对抑制制孔损伤的效果。结果 随着刀具自转转速、公转转速和螺距的升高，切削温度分别升高了约46.43%、12.06%和95.97%;切削力随着自转转速的升高而降低，随着公转转速和螺距的升高而增大。当螺距达到0.45 mm时，轴向力会有所下降。入口损伤和出口损伤主要以毛刺为主，损伤会随着各工艺参数的升高而加剧，孔壁损伤主要表现为涂覆、变形、裂纹等3种形式。添加冷却辅助后，制孔质量得到显著提高，高温下的刀具涂覆问题基本解决。结论 切削温度是影响CFRTP制孔质量的主要因素，切削温度的升高导致树脂基体软化，使得切屑形貌从粉末状转变为连续薄片状，进而对切削力产生影响，树脂软化对制孔损伤有着明显的影响。冷却辅助能够明显地降低切削温度，从而起到抑制损伤的作用。
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  车削和铣削加工表面塑性变形对TC4试件疲劳性能的影响

  张鸿滨, 赵文硕, 郭致远, 勾睿杰, 李勋

  表面技术. 2023, 52(2): 35-42, 66. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.004

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  目的 探究车削和铣削加工表面塑性变形层中纤维组织方向对钛合金TC4试件抗疲劳性能的影响规律和机理，完善表面完整性研究体系，为实际航空结构件的抗疲劳制造提供参考。方法 基于钛合金TC4进行车削和铣削加工的表面完整性试验和试件疲劳性能测试试验，通过合理地选用加工参数以控制试件的表面完整性指标，从而更加直观地分析塑性变形层中纤维组织方向与试件疲劳寿命之间的关系。结果 实验中车削疲劳试件的表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力3个指标均优于铣削试件，两者的表面形貌也十分类似，但后者的抗疲劳性能达到前者的12~48倍，塑性变形层中纤维组织方向的不同是铣削试件抗疲劳性能远大于车削试件的主要因素。结论 不同加工方式形成的加工表面机制不同，表层纤维组织的塑性变形方向和变形程度也存在较大差异。车削疲劳试件的纤维组织沿试件的周向，铣削疲劳试件的纤维组织沿试件的轴向，在承受轴向的交变载荷时，沿着轴向的纤维组织可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，大幅提升钛合金TC4试件的抗疲劳性能。
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  基于弹性基体磨具的3D打印高温合金叶片磨抛试验

  郭磊, 王家庆, 明子航, 郭万金, 马臻, 靳淇超

  表面技术. 2023, 52(2): 43-54. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.005

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  目的 验证弹性基体磨具自适应磨削抛光加工增材制造镍基高温合金叶片的工艺可行性。方法 以硅橡胶基体磨具弹性磨抛技术为基础，建立弹性磨具与叶片接触的有限元模型，分析磨具与工件接触区域内应力和材料去除分布。以有限元分析结果为指导，研究磨具接触变形和材料去除对轨迹规划的影响，确定合理的轨迹步长和间距，并通过控制工件位姿角的变化，保证在磨抛过程中磨具与工件的接触状态不变。以GH4169镍基合金叶片为加工对象，采用硅橡胶弹性固结磨料磨具在小型四轴加工平台上进行磨抛试验。结果 仿真结果表明，弹性磨具与曲面工件之间的接触区域为椭圆形，应力和材料去除分布都由椭圆心到周围逐渐减小;当弹性磨具的压缩量为3 mm时，基于弹性接触有限元分析结果确定的最优轨迹间距为9 mm。试验结果表明，采用自适应磨抛轨迹抛光后，叶片表面无明显划痕和抛光纹理，表面粗糙度Ra由开始的1.846 μm降至0.182 μm，标准差由0.108 μm降至0.026 μm，材料去除率为3.432×10⁹ μm³/min。结论 硅橡胶弹性固结磨料磨具可用于GH4169镍基合金叶片的超精密磨抛，基于弹性磨具接触区域应力分布及工件位姿变换提出的自适应轨迹规划能够保证叶片磨抛区域表面质量的一致性。
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  纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤及其试验研究

  闫艳燕, 马千里, 张亚飞, 秦飞跃, 赵波

  表面技术. 2023, 52(2): 55-66. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.006

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  目的 探究纵扭超声辅助磨削工艺参数对氮化硅陶瓷亚表面损伤的影响规律。方法 首先，建立纵扭超声振动下单颗磨粒的切削轨迹及其切削弧长模型，分析纵扭超声辅助磨削独特的加工机理。其次，考虑砂轮表面磨粒的随机分布特性，并基于硬脆材料脆塑转变特性及其临界转角界定，给出纵扭超声辅助磨削单颗磨粒未变形切屑厚度的概率学模型，进而建立纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的平均法向磨削力模型。最后，建立纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤深度模型，并进行试验验证。结果 纵扭超声振动的引入增大了纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的切削弧长，减小了单颗磨粒平均未变形切屑厚度，降低了单颗磨粒的法向磨削力，最终降低了氮化硅陶瓷亚表面损伤的深度，获得了较好的氮化硅陶瓷表面加工质量。氮化硅亚表面损伤深度随着超声振幅的增大而降低，当超声振幅为6 μm时，亚表面损伤深度为5.65 μm，相较于普通磨削亚表面损伤深度降低了33.6%。理论模型预测结果与试验结果趋势一致，预测结果与试验结果的最大误差为13.38%，平均误差为8.34%，因此该模型能够为氮化硅实际加工中亚表面损伤深度的预测提供一定参考。结论 纵扭超声辅助磨削能够有效降低氮化硅陶瓷加工表面的亚表面损伤深度，进而提高氮化硅陶瓷工件的使用性能。
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  磁力研磨工艺提高叶片表面质量的试验研究

  夏楠, 马小刚, 吴传宗, 张亮, 杨诗瑞, 陈燕

  表面技术. 2023, 52(2): 67-77. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.007

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  目的 提高航空发动机涡轮叶片的服役年限。方法 应用磁力研磨工艺提高涡轮叶片表面质量，包括降低叶片表面粗糙度、去除飞秒激光制孔过程中产生的棱边毛刺以及降低叶片表面残余应力，建立神经网络模型确定最佳工艺参数，在最佳工艺参数下对叶片进行研磨加工。使用JB-8E触针式表面粗糙度测量仪、超景深显微镜和X‘Pert Powder残余应力测试分析系统，分别对叶片表面粗糙度、孔口形貌以及叶片表面残余应力进行分析。结果 叶片在最佳工艺参数下完成研磨加工，叶片表面粗糙度从3.08 μm下降到0.19 μm，叶片气膜孔棱边毛刺基本去除，且存在倒圆迹象，研磨后叶片晶格更加致密，受力状态从残余拉应力(324.7 MPa)转变为残余压应力(132.8 MPa)。结论 应用磁力研磨工艺可以有效降低叶片表面粗糙度，去除叶片气膜孔的棱边毛刺，对气膜孔的棱边进行倒圆加工，提高飞秒激光制气膜孔的表面质量，同时还可以将叶片的残余拉应力转化为残余压应力，使得叶片晶格排布更加紧密，在提高叶片强度和耐磨性的同时不会引入新的缺陷，增加叶片的服役寿命。
研究综述
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  石墨烯减摩抗磨涂层技术研究现状

  刘梓屹, 马国政, 肖逸锋, 汪笑鹤, 于天阳, 王慧鹏, 王海斗

  表面技术. 2023, 52(2): 78-87, 121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.008

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  石墨烯特殊的晶体结构决定了其优异的物理、化学性能，在机械零件减摩抗磨领域具有非常重要的应用前景。首先简要介绍了石墨烯的结构特征、物理性能及分散改性方法，指出目前的分散改性方法以物理分散法和化学分散法为主，但分别存在分散效率低和可能引入缺陷的局限性。然后，概述了石墨烯的微观和宏观减摩机理，分别为面外褶皱机理和类石墨的层间滑移机理。此外石墨烯优良的耐蚀性也有助于提升其在腐蚀工况下的减摩抗磨性能。在此基础上，重点对各类石墨烯减摩抗磨涂层制备方法进行了详细介绍，主要有分散滴涂法、化学气相沉积法、电沉积法等，分析讨论了不同制备方法的优缺点，由于电沉积法工艺简单且可控性好，是极具发展潜力的石墨烯涂层制备方法。最后，针对石墨烯减摩抗磨涂层制备和应用中的问题，对石墨烯减摩抗磨涂层设计-制备-应用方向进行了展望，提出了应重点从提升石墨烯分散稳定性、经济适用性、生产标准化、严苛工况适应性四个方面着手大力开展研究。
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  黑磷的力学及摩擦学性能研究进展

  王均帅, 武帅, 郑婕, 杨波, 魏强, 胡宁

  表面技术. 2023, 52(2): 88-106. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.009

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  归纳了黑磷在力学和摩擦学方面的理论计算和实验研究进展，重点总结了黑磷因其独特的褶皱结构而导致的负泊松比及力学性质的各向异性，关注了厚度、缺陷、预应变以及环境降解等因素对其力学性能的影响。黑磷优异的力学性能为运动传感器、柔性器件、安全装备以及微机电系统等的设计与开发提供了新的选择。应变以及缺陷对其力学性能的调控可以为黑磷的应用推广提供新的思路。大气环境条件下，黑磷的表面降解是阻碍其应用的一大瓶颈，但其化学活性可以在摩擦学领域中加以利用，实现超润滑。同时重点概述了近年来对黑磷的微观摩擦学研究，主要集中在黑磷摩擦性能的各向异性、厚度和载荷的影响，以及表面降解对润滑的贡献。黑磷纳米片、黑磷量子点等纳米材料在油基润滑、水基润滑以及聚合物复合材料方面的摩擦学研究表明，高载下黑磷的润滑性能优异，有望推动工程领域超润滑的实现。最后，对二维纳米材料黑磷未来的研究与发展做了进一步的展望。
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  轮轨材料/硬度匹配研究进展与展望

  胡月, 谭德强, 丁昊昊, 周韶博, 刘佳朋, 王文健, 张银花, 刘启跃

  表面技术. 2023, 52(2): 107-121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.010

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  车轮与钢轨硬度是影响轮轨磨损的主要因素之一，合理的轮轨材料与硬度匹配对于减轻轮轨磨损、延长服役寿命具有十分关键的作用。当前我国铁路运营过程中存在2种硬度钢轨匹配4种硬度车轮的现象，材料匹配行为复杂。针对铁路轮轨材料和硬度的选用与匹配，至今尚无统一合理的规定与标准。从轮轨材料硬度出发，首先分析了国内外轮轨材料发展与硬度匹配的使用现状，发现不同国家和地区轮轨材料硬度的选用存在较大差异。具体表现为:日本新干线使用的车轮硬度远高于钢轨(HR/HW<1)，欧洲高速铁路上HR/HW值接近1，而中国高速铁路系统中，轮轨种类多，硬度区间大。其次，总结了轮轨硬度匹配研究进展，明确材料硬度和轨轮硬度比(HR/HW)对磨损与滚动接触疲劳损伤都具有显著影响，但并没有形成统一的结论，且以往的材料选用经验并不完全适用于当前的铁路系统。然后，针对现阶段轮轨材料与硬度匹配研究，探讨了材料加工硬化、合金钢微观组织、表面热处理工艺、复杂服役环境与车轮运行参数等因素的潜在影响。最后，提出了以建立统一合理的实验标准与评价体系为前提，开展复杂服役工况下高速和重载轮轨材料损伤行为与失效机制研究，轮轨材料硬度/韧性最佳匹配行为与选配原则研究，以及轮轨磨损规律与服役寿命预测方法研究等未来研究趋势的展望。
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  超声表面滚压技术及其组合工艺现状

  陶冠羽, 骆小双, 孙清云, 段海涛

  表面技术. 2023, 52(2): 122-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.011

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  概述了USRP在磨损、疲劳以及腐蚀领域的防护现状，并对其防护机理进行了讨论。同时归纳了USRP技术存在的问题，比如当表面强化层的塑性变形程度达到一定的极限时，不仅很难进一步提高材料性能，继续加工更会导致起皱、开裂等表面缺陷的产生，最终致使材料性能恶化。在此基础上，重点综述了组合USRP工艺的研究进展，并按照组合工艺中USRP技术的时间顺序，分为前端组合(超声滚压–等离子渗技术、超声滚压–物理气相沉积技术、超声滚压–微弧氧化技术等)、后端组合(热处理–超声滚压技术、激光冲击–超声滚压技术、激光熔覆–超声滚压技术、激光选区熔化–超声滚压技术等)以及同步复合工艺(电脉冲辅助超声滚压技术、温度场辅助超声滚压技术等)。最后，就USRP技术及其组合工艺进一步的研究和发展方向进行了展望，为USRP后续研究及应用提供技术参考。
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  铝合金电偶腐蚀研究方法综述

  祝慧鑫, 黄智勇, 金国锋, 刘德俊, 赵建铄

  表面技术. 2023, 52(2): 135-147, 195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.012

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  概述了铝合金电偶腐蚀的常用研究方法，包括表面形貌观测法、质量损失法、腐蚀产物分析法、传统电化学测量等，说明了其在观测腐蚀总体形貌、表征整体腐蚀参数等方面的应用。由于常用研究方法对于深层腐蚀信息的挖掘和腐蚀机理的探究存在一定的局限性，因此重点综述了以微区电化学测量和数字模拟仿真为代表的新型研究技术。其中，微区电化学测量主要包括SKPFM技术、WBE技术、SIET、SVET、LEIS技术等，可以对微观组织的形貌细节、离子活性、电化学参数等进行精确测量，在观测尺度、检测项目上具有显著优势。数字模拟仿真则主要涉及以第一性原理为主的原子分子模拟(包括DFT和MD等)和基于FEM和XFEM的计算模型，这两者交叉了多门学科，对铝合金腐蚀机理的推理、腐蚀进程的构建、腐蚀毁伤的预测提供了良好的模拟途径。简要概述了铝合金电偶腐蚀的衍生领域研究情况，论述了缓蚀领域和三金属耦合领域不同于双金属的研究方法。最后展望了铝合金电偶腐蚀研究方法进一步发展的特点。
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  碳钢在CO2环境中无机垢下腐蚀研究进展

  贺三, 罗斯琪, 赵浩童, 薛培强

  表面技术. 2023, 52(2): 148-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.013

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  垢下腐蚀(UDC)是油气管道失效的重要原因之一。垢层下腐蚀环境区别于无垢层覆盖区域，可能产生严重的局部腐蚀，甚至引起管道穿孔。针对CO2环境下的无机物垢层，对油气管道中碳钢的垢下腐蚀研究进展进行了综述，简述了垢下腐蚀的作用机理、影响因素和控制方法。由于化学成分和环境的多样性，垢下腐蚀的作用机制并不唯一，发现在CO2环境下电偶腐蚀机理被普遍讨论，根据阴阳极的分布情况，从3个方面对电偶腐蚀机理进行了概括。垢下腐蚀速率主要与垢层性质和介质环境有关，总结了无机物垢层性质、pH值和不同工况条件对碳钢垢下腐蚀的影响。概述了垢下腐蚀的主要控制方法，着重介绍了缓蚀剂的作用机理，发现缓蚀剂的效果很大程度上受到垢层性质的影响。最后，对垢下腐蚀未来的研究方向及发展趋势进行了展望，为进一步揭示无机盐与CO2腐蚀产物混合层的保护性，有必要从半导体电子微观的角度进行分析。同时，在高浓度CO2环境下探讨垢下腐蚀的作用机制与影响规律，也是未来的研究方向之一。
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  垃圾焚烧电厂过热器腐蚀影响因素及防护涂层研究进展

  吴多利, 郑家银, 刘苏, 曹攀, 魏新龙, 张超

  表面技术. 2023, 52(2): 158-171, 195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.0014

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  垃圾焚烧电厂过热器管道的高温腐蚀一直是制约电厂焚烧温度的关键问题，因此研究开发耐高温、耐腐蚀、长寿命的关键服役材料是保证垃圾焚烧炉正常有序运转及安全生产的关键。对近年来垃圾焚烧电厂腐蚀问题的研究现状进行了梳理，对近期垃圾焚烧电厂过热器腐蚀与防护的研究成果进行了综述。首先，从过热器腐蚀影响因素的角度，归纳了焚烧环境中存在氯、硫、温度、水蒸气等诸多因素影响下的腐蚀特点，对各个影响因素下的腐蚀机理进行了概述，氯作为影响腐蚀的关键因素，重点对氯导致腐蚀的活性氧化机理和电化学机理进行了阐述。其次，讨论了应用在过热器表面的涂层制备技术的发展，包括热喷涂、热扩散、堆焊、激光熔覆等，探讨了制备方法，以及应用技术的优缺点。分析了材料成分(Ni、Mo、Cr、Al、Si、Pt等元素)的添加与涂层耐腐蚀性能之间的关系。再次，从焚烧垃圾预处理的角度，进一步讨论前期可通过对垃圾脱水、添加共燃剂等方法，达到脱硫、脱氯的目的，以此降低烟气中硫、氯的含量，减小其对腐蚀的影响。最后，对垃圾焚烧电厂过热器管道材料和涂层的选择进行了总结和展望。
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  超浸润油水分离膜及其研究进展

  景境, 刘战剑, 张曦光, 任丽娜, 汪怀远

  表面技术. 2023, 52(2): 172-182, 224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.015

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  受到自然界中动植物表面超疏水/超亲水特性的启发，仿生超浸润膜材料作为一种新兴的油水分离材料引起了科研人员的广泛关注。首先通过对影响膜材料表面润湿性的基础模型进行分析，包括Young方程、Wenzel模型和Cassie模型，总结了制备超浸润膜材料需要调控的2个关键因素——表面张力和纳微多级结构。其次，对比分析了不同类型超浸润膜的油水分离过程，概述了超浸润油水分离膜的技术优势，包括油水选择性好、分离效率高、操作简单、能耗低等。揭示了常见超浸润膜对稳定油水乳液的分离机理，即基于膜孔径小于乳液尺寸的筛分效应;通过膜材料对油水截然相反的浸润性实现界面破乳和选择性分离。在此基础上，重点综述了近年来常见超浸润油水分离膜的研究进展，其中包括超疏水/超亲油膜、超亲水/水下超疏油膜、Janus膜、智能响应膜，并对不同类型的超浸润膜材料在分离过程中存在的技术优势和问题进行了分析。最后，提出了该领域研究存在的问题和面临的挑战，并对未来超浸润膜材料的发展方向和应用前景进行了展望。
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  液体辅助激光微孔加工研究进展

  成健, 孔维畅, 杨震, 廖建飞, 刘顿

  表面技术. 2023, 52(2): 183-195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.016

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  随着微孔加工技术的逐渐成熟，激光微孔加工的应用越来越广泛，但依靠单一激光束进行微孔加工仍存在一些问题，尤其是在深孔加工方面，出现了以激光束为主、多能量场辅助的复合打孔技术，并逐渐成为了热点。针对液体辅助激光微孔加工研究领域，总结了水基辅助激光打孔、水基超声振动辅助激光打孔、水基超声?磁场辅助激光打孔和电解液/水射流辅助激光打孔等方法。在水基的基础上，加入了超声、磁场和温度场，使得辅助场变得多元化，在多层面上进行复合加工。介绍了不同辅助加工方法的去除材料机理及加工后材料特性的变化，水起到冷却的作用，但在水层下会形成空化气泡，超声振动可以击溃气泡，磁场和温度场为材料残渣提供了能量，具体表现在热效应、材料去除速率、打孔深度、重铸层及裂纹等方面。影响微孔质量的因素有微孔锥度、深径比、孔的圆度、重铸层厚度、热影响区、微裂纹和粗糙度等，主要对微孔锥度、深径比及其他指标进行了分析，总结了加工方法对微孔质量的影响。
摩擦磨损与润滑
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  离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

  黄明吉, 刘圣艳, 乔小溪, 陈平, 刘中海, 张晓昊

  表面技术. 2023, 52(2): 196-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.017

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  目的 通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻，并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法 研究利用仿真模拟的方法，采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征，考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律，通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果 在3种微结构形态中，流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中，矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化，而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果，且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论 叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻，其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀，且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度，减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低摩擦阻力。
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  酚醛改性环氧树脂交联结构对涂层摩擦磨损性能的影响

  严兴兴, 陈磊, 徐海燕, 崔海霞, 雷自强, 张岳

  表面技术. 2023, 52(2): 206-214. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.018

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  目的 从应力的角度探究树脂交联结构与所制备涂层摩擦磨损性能之间的关系。方法 以不同环氧树脂/硼酚醛树脂(EP/BPF)的配比制备了不同交联密度的固化物试样。通过热力学性能测试，获取储能模量和玻璃化转变温度，计算得到树脂交联结构参数。通过往复式摩擦试验机和三维轮廓仪测试，确定树脂涂层的摩擦磨损性能。通过力学性能测试，获取树脂材料的应力应变测试曲线，进一步计算出了树脂材料的弹性模量和抗张强度。通过有限元数值模拟计算，获取了树脂涂层的应力大小和分布。结果 随着硼酚醛改性环氧树脂交联密度的增大，树脂材料的弹性模量、抗张强度先增大后减小，其中弹性模量最大值为1 572 MPa，但树脂涂层的磨损率呈现相反趋势。有限元模拟计算结果显示，随交联密度的增大，涂层的应力变化不明显(33.7~47 MPa)，但是应力裕度先增大后减小(0.04~1.07)。结论 改性环氧树脂涂层的应力裕度和磨损率成负相关，通过调控树脂交联密度可有效调节涂层的应力裕度，从而控制涂层的摩擦磨损性能。文中硼酚醛改性环氧树脂的交联密度为936 mol/m³时，涂层的应力裕度最大，抗磨损性能最佳。
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  CaCO3对复合粉粒和实心焊丝明弧堆焊高铬合金组织及耐磨性的影响

  龚建勋, 刘超, 黄洪江, 艾孝文, 刘书同

  表面技术. 2023, 52(2): 215-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.019

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  目的 将活性剂引入复合粉粒，旨在改变电弧对其的作用属性，以提高堆焊金属的合金化元素量，从而改善其耐磨性。方法 以复合粉粒和实心焊丝作为填充材料，采用自保护明弧焊法制备系列高铬合金。借助X射线衍射仪、扫描电镜及附属电子能谱仪等手段，研究复合粉粒添加CaCO3含量对其堆焊高铬合金的组织及耐磨性的影响。结果 随着CaCO3添加量增大，焊缝的碗形熔深随之消除，堆焊合金的粉粒填充量由43.7%提高到47.5%，熔合比由0.281降低至0.140。这使堆焊合金组织由亚共晶变为过共晶结构，初生M7C3相的体积分数随之明显增加，堆焊合金硬度从55.4HRC提高至62.3HRC，磨损质量损失从54.9 mg降低至16.7 mg，耐磨性净增加2.3倍，合金磨损方式包括微观切削和显微剥落。高速摄影仪所拍电弧影像和电流电压数据显示，复合粉粒添加CaCO3粉，使其堆焊电弧形态从圆锥形转变变为扁平钟罩形，电弧覆盖面积扩展约2倍。结论 复合粉粒引入CaCO3粉，促使电弧扩展，这不仅提高了复合粉粒的熔化量，而且显著降低了母材的稀释作用，以微小成本而显著改善了合金组织及耐磨性。
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  橡胶表面粗糙度对DLC薄膜摩擦学性能的影响

  徐研, 王立国, 张广安, 陈体军, 贾均红

  表面技术. 2023, 52(2): 225-232. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.020

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  目的 探究三元乙丙橡胶(EPDM)表面粗糙度对DLC薄膜和Cr/DLC的微观结构、附着力、摩擦学性能的影响，并阐明Cr中间层对橡胶表面DLC薄膜的作用。方法 使用砂纸打磨EPDM橡胶得到不同的表面粗糙度。采用非平衡磁控溅射技术在不同粗糙度的橡胶基体表面沉积无中间层的类金刚石碳基薄膜(DLC)及有Cr中间层的类金刚石碳基薄膜(Cr/DLC)。使用二维轮廓仪获得基体及薄膜的表面粗糙度，通过扫描电子显微镜以及拉曼光谱对薄膜的表面形貌和结构成分进行分析，并采用X切割试验和摩擦磨损试验分别评估DLC薄膜的附着力和摩擦学性能。结果 基体表面粗糙度对薄膜的微观结构没有显著影响，但却对薄膜附着力以及摩擦学性能有较大的影响。薄膜附着力随着基体粗糙度的增加呈现先增大后减小的趋势，当基体表面粗糙度为1 100 nm时，DLC薄膜具有最强的附着力和最佳的摩擦学性能。此外，Cr中间层的引入对提高薄膜附着力和承载能力起到了积极的作用。结论 适当增加基体表面粗糙度可以增强DLC薄膜的附着力，改善薄膜的摩擦学性能。Cr中间层可以提高薄膜的承载能力，从而提高薄膜的耐磨性。
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  纳米Fe3O4颗粒对离子液体润滑减摩及电控增摩性能的影响

  李重阳, 王高琦, 韩庆国, 冯国玉, 王立虎, 王守仁

  表面技术. 2023, 52(2): 233-244, 281. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.021

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  目的 提高离子液体在常态环境下的润滑减摩能力及电场条件下的电控增摩响应特性。方法 将合成油酸改性后的Fe3O4纳米颗粒分散添加到离子液体中，制备了不同浓度的离子液体基铁磁流体，通过利用自制载流摩擦磨损试验机，分别模拟测试了常态环境与电场环境下纯离子液体与离子液体基铁磁流体摩擦因数的变化，同时利用白光干涉仪、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对比分析了磨损形貌。结果 在常态环境下，Fe3O4纳米颗粒的“滚珠减摩效应”显著提高了离子液体在常态环境中的润滑效果。随着纳米Fe3O4颗粒质量分数的增加，磨痕逐渐变得光滑平整，剥落和磨粒聚集现象也逐渐消失，尤其是当质量分数为30%时，试样磨痕内部仅有较浅的犁沟和轻微的划痕，此时的摩擦因数也展现出了极低的水平，约为0.04，远低于纯离子液体润滑时的0.085。同时纳米颗粒的“电致沉积效应”增强了离子液体在电场环境中的电控增摩响应能力，当电流强度达到20 A时，对于质量分数为30%的离子液体基铁磁流体，摩擦因数瞬时提高了近1倍，增幅达到了0.039，是相同条件下纯离子液体摩擦因数增长幅度的4倍。结论 将合成改性后的Fe3O4纳米颗粒分散添加到离子液体中，成功制备了离子液体基铁磁流体，并且通过调控纳米颗粒含量，显著提高了离子液体的润滑性能和电控增摩响应能力。
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  镀铜石墨含量对Fe-25Cu基摩擦材料组织结构及摩擦性能的影响

  付传起, 李省君, 黄亚忠, 林永威

  表面技术. 2023, 52(2): 245-253. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.022

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  目的 为改善石墨与铜铁基摩擦材料的结合方式，探究不同含量的镀铜石墨对铜铁基摩擦材料组织结构的影响，并研究加入不同含量的镀铜石墨时，摩擦材料的摩擦性能和摩擦机理。方法 采用热压烧结法制备Fe-25Cu基摩擦材料，利用扫描电镜、X射线衍射等表征手段进行表征，并利用摩擦磨损试验机测试摩擦材料的摩擦性能，分析摩擦因数。摩擦试验后的材料利用扫描电镜进行表面观测，分析摩擦磨损机理。计算材料摩擦后的磨损量，以此分析镀铜石墨含量对摩擦材料的影响。结果 相同转速下随着镀铜石墨含量的增加，平均摩擦因数降低，当镀铜石墨的质量分数为9%时，摩擦因数曲线最平稳;随着镀铜石墨含量的增加，摩擦因数逐渐降低，磨损率先减少后增加。当加入9%的镀铜石墨时，该材料的摩擦性能最好，此时材料的摩擦因数为0.436，磨损率最低为0.023 mm;黏着磨损和磨粒磨损是添加镀铜石墨的摩擦材料的主要摩擦机理。结论 在Fe-25Cu基摩擦材料中镀铜石墨与基体的结合情况优于石墨与基体的结合，同时加入镀铜石墨Fe-25Cu基摩擦材料的摩擦因数高，磨损量小。
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  38CrMoAl/QT600-3摩擦副摩擦磨损行为研究

  孙日文, 赵泽翔, 刘志兰, 张伟, 高龙飞, 赵阳, 赵伟

  表面技术. 2023, 52(2): 254-262. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.023

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  目的 研究实际工况下氮化处理的38CrMoAl/QT600-3摩擦副的磨损机理，为提高摩擦副的服役寿命提供指导。方法 模拟实际工况，采用往复式摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，结合显微维氏硬度计、金相显微镜、XRD分析摩擦副氮化处理后的硬度和组织，借助LSCM、SEM分析其磨损形貌，使用EDS分析其磨损表面化学成分。结果 氮化处理后，38CrMoAl白亮层厚度为26 μm，主要由ε相、γ′相组成，表面硬度平均为1 112.8HV0.3，扩散层主要是α相，硬度呈梯度下降，即使白亮层磨损，扩散层依然具有较高的硬度;QT600-3白亮层厚度为16 μm，主要由ε相、γ′相和石墨组成，表面硬度平均为960.4HV0.3，扩散层由α相和石墨组成，白亮层磨损后，扩散层硬度急剧下降，接近基体硬度。本试验条件下，38CrMoAl/QT600-3摩擦副磨损过程分3个阶段，即38CrMoAl白亮层对磨QT600-3白亮层、38CrMoAl白亮层对磨QT600-3扩散层、38CrMoAl扩散层对磨QT600-3扩散层，前2个阶段摩擦因数曲线稳定，摩擦因数介于0.5~0.6之间，磨损机理主要以磨粒磨损和疲劳磨损为主，其中第2阶段发生了氧化磨损，第3个阶段以黏着磨损和氧化磨损为主，此阶段摩擦副出现严重的擦伤、胶合，导致摩擦因数曲线噪音较大。结论 提高白亮层的硬度、韧性以及厚度，可以增加摩擦副的服役寿命。
腐蚀与防护
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  CoNiCrAlY黏结层结构设计及其对热障涂层结合强度和抗热震性能的影响

  王博, 刘洋, 栾胜家, 彭新, 程玉贤

  表面技术. 2023, 52(2): 263-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.024

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  目的 设计热障涂层黏结层结构，改善涂层结合强度和抗热震性能。方法 制备了5种结构的CoNiCrAlY黏结层，即超音速火焰喷涂(HVOF)底层＋等离子喷涂(APS)上层的双层结构黏结层试样，对其进行1 050 ℃真空热处理3 h后的试样，APS黏结层试样，HVOF黏结层试样及其真空热处理试样。再在以上5种试样表面制备Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)陶瓷层，研究黏结层的表面粗糙度、相组成、微观组织结构及其对涂层试样结合强度、热震性能的影响。结果 制备态的黏结层由g/g￠和β-NiAl两相组成，真空热处理后β相含量增多，表面粗糙度下降。在所有涂层试样中，双黏结层的涂层试样的结合强度最低，为28.43 MPa;对其真空热处理后得到的涂层试样的结合强度最高，达到39.42 MPa，主要原因在于热处理促进了两黏结层之间的扩散，提高了界面强度。双黏结层的涂层试样的抗热震性能最好，200次热震后涂层无明显剥落，而APS黏结层的涂层试样的抗热震性能最差，涂层抗热震性能的差异在于黏结层微观结构的不同。结论 双黏结层的结构设计综合了APS、HVOF两种黏结层制备方法的优点，能显著提高热障涂层的抗热震寿命。
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  退火温度对激光增材制造CoCrFeMnNi高熵合金耐点蚀性能的影响

  贾玺泉, 徐震霖, 周生璇, 何宜柱, 杜晓洁

  表面技术. 2023, 52(2): 272-281. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.025

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  目的 研究激光增材制造CoCrFeMnNi高熵合金经不同温度退火后，微观组织演变对其在NaCl溶液中的耐点蚀性能的影响规律。方法 采用激光选区熔化(SLM)技术制备CoCrFeMnNi高熵合金，通过X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)研究其退火后的微观结构。利用动电位极化和电化学阻抗谱(EIS)测试研究SLM成形高熵合金的耐点蚀性能，并通过X射线光电子能谱(XPS)分析钝化膜成分。结果 经过不同温度退火后，高熵合金相组成并未改变，均为单一的面心立方结构固溶体。然而高熵合金的微观组织发生了明显转变，退火前微观组织由熔池、柱状晶及胞状亚晶所组成。随着退火温度的升高，熔池边界与亚晶结构逐渐消失，晶粒逐渐长大。SLM成形高熵合金在3.5% NaCl溶液中的腐蚀类型主要为点蚀。随着退火温度从700 ℃提高至1 100 ℃，高熵合金的腐蚀电流密度先减小、后增加，700 ℃退火试样相较于打印态试样，腐蚀电流密度下降了97%。打印态和700 ℃退火试样的钝化膜中Co+Cr+Ni与Mn+Fe阳离子含量的比值分别为1.38和1.61，钝化膜中Cr本征氧化层厚度分别为5.43 nm和5.75 nm。结论 高熵合金耐点蚀性能随退火温度的升高，先提升、后降低。胞状亚晶有利于阻碍点蚀坑的扩展，并促使形成稳定的钝化膜。高熵合金经700 ℃退火，在消除部分熔池边界的同时，保留了胞状亚晶，因此表现出最佳的耐点蚀性能。
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  苯甲酸钠浓度对乙二醇-水溶液中3A21铝合金电化学行为的影响

  李宇, 刘相, 田科, 周抗寒, 张俊峰

  表面技术. 2023, 52(2): 282-288. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.026

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  目的 研究乙二醇-水溶液中苯甲酸钠(SB)含量对3A21 铝合金腐蚀的影响，为预测长期服役且含苯甲酸钠的乙二醇-水溶液体系的腐蚀变化规律提供数据支撑。方法 以乙二醇质量分数为36%的乙二醇-水溶液为基础体系，通过SEM表征3A21铝合金腐蚀前后的微观组织结构，利用开路电位(OCP)、交流阻抗谱(EIS)和动电位极化技术，研究3A21铝合金在苯甲酸钠质量分数为0~1.80%的溶液中的电化学腐蚀行为。结果 当苯甲酸钠质量分数为0~1.80%时，随体系中苯甲酸钠含量的增加，3A21铝合金的自腐蚀电流密度逐渐减小，当苯甲酸钠质量分数大于1.40%后，自腐蚀电流密度不再显著降低。当苯甲酸钠质量分数为0~1.40%时，自腐蚀电流密度由0 时的409.89 nA/cm²减小至1.40%时的220.92 nA/cm²;电荷转移电阻逐渐增大，由0时的112.45 kΩ/cm²增加至1.40%时的204.82 kΩ/cm²。对3A21铝合金表面形貌SEM测试，苯甲酸钠的加入能有效抑制3A21铝合金的腐蚀，苯甲酸钠质量分数为1.40%时，对3A21铝合金的腐蚀抑制效果较好。结论 苯甲酸钠的引入能够降低3A21铝合金在乙二醇-水溶液中的腐蚀速率，在0~1.40%范围内，随着乙二醇-水溶液中苯甲酸钠浓度的增大，其对3A21铝合金的腐蚀抑制效果呈现增强的趋势。
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  CH3SiCl3-H2前驱体化学气相沉积法制备SiC涂层

  孙佳庆, 李江涛, 张东生, 赵红亮, 魏庆渤, 杨红霞

  表面技术. 2023, 52(2): 289-296, 306. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.027

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  目的 在石墨基座表面制备碳化硅(SiC)涂层，提高其抗氧化性和耐蚀性。方法 采用化学气相沉积(CVD)法在高纯石墨基体表面制备SiC涂层，结合热力学分析、SEM、XRD等分析测试方法，分析了SiC沉积过程中气相平衡组成在不同H2/MTS物质的量比时随温度变化的关系，研究了工艺参数对涂层沉积速率和组织形貌的影响，探讨了SiC涂层择优取向的形成机制。结果 随着沉积温度升高，SiC沉积过程中主要含碳和含硅中间产物发生转变(CH4→C2H2，SiHCl3、SiCl4→SiCl2)。涂层沉积速率随温度升高而快速增大，受表面化学反应控制，此时β-SiC易沿着(111)晶面生长，从而形成<111>择优取向。随着沉积温度升高，涂层平均晶粒尺寸增大，同时晶粒尺寸的差异性增强，导致涂层表面粗糙度增大。当H2/MTS物质的量比较大时，单位体积内的MTS浓度降低，进而导致涂层沉积速率下降;随着H2/MTS物质的量比增大，涂层平均晶粒尺寸减小，同时晶粒尺寸的差异性降低，导致涂层表面粗糙度减小;H2/MTS物质的量比较小时，由于H2含量不足，基体表面C活性位点增多，易使涂层富碳。SEM图显示涂层表面致密，呈由砂砾状晶粒组成的菜花状形貌。结论 沉积温度为1 150 ℃、H2/MTS物质的量比为15时，能够制备出高纯致密、表面粗糙度较小、沉积速率较快的CVD-SiC涂层。
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  石墨表面TaC涂层的熔盐法制备及表征

  董天下, 孟凡桂, 陈红梅, 张九阳, 高超, 王宗玉

  表面技术. 2023, 52(2): 297-306. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.028

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  目的 以K2TaF7和Ta粉为主要原料，在石墨材料表面制备TaC涂层。方法 反应物在1 200 ℃的熔盐体系中保温3 h，反应生成碳化物，经后续2 300 ℃真空保温1 h后，得到TaC涂层材料。采用XRD和SEM对涂层的组成结构进行表征，采用拉开法对涂层的和石墨基体的结合强度进行测量，采用纳米压痕对涂层的硬度和弹性模量进表征，最后对TaC涂层的抗腐蚀性能进行模拟测试评估和实际的SiC长晶测试。结果 熔盐法制备的TaC涂层连续地覆盖在石墨表面，保持了原始石墨的形貌，其物相组成为TaC，呈现出亮黄色，厚度为20~40 μm，涂层的晶粒无择优取向生长，呈现出无序堆积的状态。TaC涂层与石墨基体的结合强度为9.49 MPa，硬度和弹性模量分别为14.42 GPa和123.32 GPa。TaC涂层样品于2 300 ℃的SiC腐蚀气氛环境下保温3 h，质量损失率仅为0.01 g/(m².h)，远低于同测试条件下无涂层石墨样品的质量损失率4.67 g/(m².h)。在2 300 ℃氩气气氛下保温3 h的SiC粉包埋TaC涂层的接触腐蚀试验中，SiC和TaC涂层的界面清晰，没有发生相互的扩散。TaC涂层部件应用于2 000 ℃以上保温150 h以上的SiC单晶的生长制备后，涂层部件总体形貌保持完整，部件边缘棱角区域出现了脱落，但其他部位的TaC涂层仍和基体结合良好，涂层在长晶过程中的质量损失率约为0.41 g/(m².h)，表现出良好的抗腐蚀性能。结论 熔盐法制备石墨表面TaC涂层的工艺简单、成本低、效率高，可制备曲面等不规则的构件。制备的TaC涂层晶粒堆积紧密，没有发生择优取向，与石墨基体的结合强度高，在侵蚀性的环境中，能减弱侵蚀性气体对石墨基体的侵蚀，有望在第三代半导体的制备中得到应用。本研究不仅提供了一种在石墨基体上制备TaC抗腐蚀涂层的方法，也提供了一种在其他碳材料上制备TaC涂层的方法。
精密与超精密加工
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  低温CO2辅助PCD刀具硬车削轴承套圈的装置及试验研究

  赵香港, 郝秀清, 章梓航, 安庆龙, 孙贺龙, 李亮, 陈明, 何宁

  表面技术. 2023, 52(2): 307-316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.029

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  目的 降低PCD刀具硬车削轴承套圈时的刀具磨损。方法 采用低温二氧化碳内冷辅助PCD刀具切削来抑制刀具磨损。搭建低温二氧化碳冷却装置，开展液态二氧化碳的冷却试验，分析二氧化碳的冷却规律;开展低温切削试验，通过人工热电偶测温法对参考切削温度进行测量，并且研究不同入口压强参数下轴承套圈的表面粗糙度和刀具磨损变化情况，验证低温二氧化碳冷却辅助PCD切削轴承套圈的有效性。结果 二氧化碳在恒定压力(1.2 MPa)下的冷却规律可以分成起始、稳定、失效3个阶段，稳定阶段的流量大小为1 000 g/min，冷却温度可以保持在?59 ℃不变。二氧化碳在不同入口压力(0.8~1.4 MPa)下冷却时，入口压力越小，冷却温度越低。在不同入口压力(0.8~1.4 MPa)下进行低温切削，0.8、1、1.2、1.4 MPa时的最大参考切削温度分别为?41、?28、?30、?28 ℃，加工表面的粗糙度值分别为0.071、0.074、0.109、0.129 μm，后刀面最大磨损量分别为176.58、171.67、270.26、261.17 μm。结论 入口压力为0.8 MPa和1 MPa时，二氧化碳冷却效果较好，无论是参考切削温度，还是加工表面的粗糙度值和刀具磨损都处于较低水平，低温冷却辅助PCD刀具硬车削轴承套圈时可有效降低刀具磨损。
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  NdFeB薄片的超声辅助水基切割的材料去除机理研究

  徐志红, 冯俊元, 张振宇, 周淳琛, 吕春哲, 王明, 张天宇, 吴斌, 万省作, 王泽云

  表面技术. 2023, 52(2): 317-327. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.030

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  目的 通常采用金刚线切割工艺批量生产NdFeB薄片，其表面粗糙度及表面线痕问题十分严重，提出超声水基切割液的金刚线切割新方法，以消除NdFeB薄片切割中的线痕，降低其表面粗糙度，并对超声辅助条件下的材料去除机理进行研究。方法 通过白光干涉仪和光学显微镜对样品表面形貌进行观察，通过激光位移传感器检测并分析了金刚线在各处的横向位移，分析其对切割表面线痕形成的影响因素。通过线激光测量方法量取超声辅助和纯水切2种条件下的线弓偏移，并分析线弓的形成机理，研究材料去除形式、排屑润滑之间的关系。综合分析线弓形成机制、线痕形成机制及表面形貌形成机制，揭示材料的去除机理。结果 实验结果表明，在进给速度0.2 mm/min下，可将水切的表面粗糙度Ra控制在0.4 μm以下，仅为油切的一半，而在超声辅助下的峰谷值(PV)仅为油切下的二分之一。在相同进给速度下超声辅助切割的线弓变形与水切的差值先增大后减小，在进给速度0.2 mm/min下达到0.5 mm。结论 水基切削液比油基切削液具有更好的排屑性能，能够有效降低切割表面的粗糙度，而在超声辅助下使金刚线在NdFeB表面进行微磨削，有效地消除了样品表面的线痕，超声辅助水基切割对NdFeB切割的表面质量具有很大的改善作用。
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  基于梯度提升决策树的硬车表面白层预测方法

  朱欢欢, 葛爱丽, 迟玉伦, 张梦梦, 李厚佳

  表面技术. 2023, 52(2): 328-342. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.031

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  目的 实现硬态车削过程中每个产品零件白层现象的实时在线检测，提高产品生产加工效率和加工质量，提出一种基于梯度提升决策树的硬态车削加工工件表面白层预测方法。方法 首先，利用功率传感器、声发射传感器和振动传感器采集硬态车削过程中的动态切削信号数据，并对上述各种传感器信号数据进行特征提取;然后，结合特征重要性分析和梯度提升决策树建立硬态车削加工表面白层预测模型;最后，基于混淆矩阵提出一套评估梯度提升决策树模型预测性能的评价方法。结果 与功率、振动信号等特征相比，声发射信号特征能够进一步提升模型的白层预测性能。实验结果表明，该方法的预测准确率达到90%，F1为92%，Auc为89%，与SVM、XGBoost分类方法所得结果相比，该方法能更准确有效地实现硬态车削加工工件表面白层现象的在线预测。结论 该方法基于智能传感技术和梯度决策树模型对硬车过程中产生的白层现象进行了有效预测识别，对实现硬车过程白层现象的在线智能预测具有重要意义。
表面功能化
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  钛表面PAMAM-BVLD/TPS修饰层构建及TPS浓度对生物相容性的影响

  郝港桐, 陈俊英, 李莉, 张鼎, 翁亚军

  表面技术. 2023, 52(2): 343-351. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.032

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  目的 在钛表面构建BVLD/TPS修饰层，并研究TPS浓度对其表面生物相容性的影响，从而筛选出最优TPS浓度。方法 将树枝状分子(PAMAM)接到钛表面，借助其端部氨基基团，将抗凝分子BVLD、促内皮功能分子TPSLEQRTVYAK肽(TPS)引入，构建出PAMAM-BVLD/TPS修饰层，重点研究TPS浓度对构建层生物相容性的影响。采用扫描电镜(SEM)、免疫荧光染色、傅里叶变换红外吸收光谱仪(FT-IR)、水接触角测量等对修饰层形貌、结构、表面亲疏水性等进行表征;使用酸性橙、Micro-BCA对Ti表面修饰层的活性基团进行测试。采用血小板粘附与激活试验、活化部分凝血活酶时间(APTT)评价血液组分与修饰层之间的相互作用。采用半体内循环试验评价修饰层与全血的相互作用。结果 成功构建修饰层，修饰层表面血小板粘附数量和激活程度均明显降低，其中TPS浓度为3 mol/L时，激活程度较低。APTT时间显著延长，其中修饰层APTT为37 s左右，相比对照组延长10 s左右。细胞相容性评价结果表明，与Ti表面相比，修饰层表面ECs粘附数量和增殖活性均增加，其中TPS浓度为3、5 mol/L时，内皮细胞生长情况最好，半体内循环试验结果表明，修饰层能够显著抑制血栓的形成。结论 在钛表面成功构建了BVLD/TPS修饰层，并初步探索出TPS的最优浓度，即当TPS浓度为3 mol/L时，其血液相容性以及细胞学评价良好，可以用于钛表面生物修饰层的研发与应用。
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  铝硅熔体与镀覆Q235钢的润湿行为

  刘汉麟, 徐前刚, 林浩

  表面技术. 2023, 52(2): 352-359, 368. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.033

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  目的 探究锡锌合金镀层对铝硅熔体与Q235钢润湿行为的影响。方法 通过磁控溅射法和热浸镀法在Q235钢基底表面镀覆不同厚度(190~5 500 nm)的锡锌合金镀层。采用改良座滴法测试700 ℃下铝硅熔体与不同表面处理的Q235钢基底的润湿行为。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)对凝固润湿试样截面和表面组织及成分进行表征分析。结果 700 ℃时铝硅熔体与未镀覆基底为部分润湿，初始接触角和终态接触角分别为88°和66°。施加190 nm锡锌合金镀层后，初始铺展速率明显增大，终态接触角约为13°，并在铺展前沿形成前驱膜;随着镀层厚度的增加，终态接触角减小，熔体铺展速率及前驱膜宽度增大，1 680 nm时趋于完全润湿(终态接触角约为2°)。铝硅熔体与未镀覆钢基底界面反应产物为Fe2Al5相和Al8Fe2Si相，反应层垂直界面向熔体侧快速生长而隔离熔体铺展前沿与基底的接触。施加镀层会促进反应层(Fe2Al5相和Al8Fe2Si相)沿铺展前沿快速生长，前驱膜表层主要为Al8Fe2Si相。镀层过厚(5 500 nm)的凝固润湿试样界面附近存在分离的低熔点锡相。结论 锡锌合金镀层主要通过改变界面反应层生长及润湿三相线组态而影响铝硅熔体与Q235钢的润湿行为。锡锌合金镀层能有效改善铝硅熔体与Q235钢的润湿性，有助于铺展前沿前驱膜的形成。随着镀层厚度的增加，熔体铺展速率增大，终态接触角减小。趋于完全润湿(1 680 nm镀层)后继续增大镀层厚度对润湿行为无明显影响，但过厚的镀层会促进低熔点锡相在凝固界面附近形成，这会弱化界面结合。
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  金属锌与PTFE改性建筑陶瓷表面的润湿性能研究

  萧礼标, 姚蔚, 刘一军, 汪庆刚, 李凯凯, 吴洋, 陆龙生

  表面技术. 2023, 52(2): 360-368. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.034

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  目的 结合金属锌和聚四氟乙烯(PTFE)改性技术，制备具有微纳复合结构表面的超疏水、防污染、自清洁建筑陶瓷。方法 基于现有工业陶瓷生产方法，在陶瓷釉料中掺入质量分数为60%的金属锌粉，通过高温烧结在陶瓷表面构建微纳复合结构，随后在其表面喷涂PTFE涂料进行低表面能处理，从而制得超疏水性建筑陶瓷。利用扫描电镜和光学轮廓仪，观察陶瓷表面微纳形貌。通过X射线能谱仪，对陶瓷表面的化学元素组成进行分析。使用光学测量系统，测量水滴在陶瓷表面的静态接触角和滚动角。根据测试结果分析5种烧结温度对陶瓷表面微纳结构和润湿性能的影响。结果 随着烧结温度的升高，陶瓷表面的均方根粗糙度(Sq)先增大后减小，对应的疏水性能先增强后减弱。在1 000 ℃(保温10 min)烧结温度下，Sq达到最大值，为(17.52±2.54) μm，表现出最优的超疏水性能，其静态接触角和滚动角分别为165.6°和8.2°，并且该表面展示出良好的防污能力和耐磨性。结论 液滴与陶瓷表面接触时，由金属锌粉烧结形成的微纳复合结构和低表面能的PTFE起耦合协同作用，陶瓷表面与液滴形成固-液-气三相复合接触的Cassie-Baxter状态，即阻隔的空气垫阻碍液体浸入微纳复合结构之中。随着陶瓷表面粗糙度的增加，气-液接触面积增加，从而使得疏水性能得到提升。
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  Cu2+掺杂调控NiZn铁氧体的P波段吸波性能

  王殿杰, 鲜聪, 罗建成, 唐敏, 黄小忠, 孔伟, 张远

  表面技术. 2023, 52(2): 369-376. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.035

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  目的 研究离子掺杂对NiZn铁氧体电磁特性的影响，提高NiZn铁氧体的P波段吸波性能。方法 以NiO、ZnO、Fe2O3、CuO等为原料，采用高温固相反应法，通过球磨、预烧、造粒以及烧结等工艺，制备Cu²⁺掺杂的Ni0.22Zn0.66CuxMn0.04Co0.08–xFe2O4(x=0.04、0.05、0.06、0.07)铁氧体样品。通过XRD、VSM和SEM分别表征样品的晶格特征、磁学特性和微观形貌，利用阻抗分析仪对样品的电磁特性进行测量。结果 Cu²⁺掺杂量的增加引起NiZn铁氧体的A-B超交换作用减弱和磁晶各向异性降低，样品的Ms、Hc和Mr都呈现出减小的趋势。样品的复磁导率与其磁特性关系密切，随着Cu²⁺的增加，实部μ?减小，而虚部μ?增大。此外，Cu²⁺掺杂量的增加对Fe²⁺与Fe³⁺之间的电子迁移率产生影响，使得复介电常数实部ε?增大，而ε?增大的主要原因是Cu²⁺掺杂量的增加导致铁氧体内部产生了晶格缺陷。Cu²⁺的掺杂量对样品的P波段吸波性能影响显著，随着Cu²⁺掺杂量的增加，NiZn铁氧体的阻抗匹配特性明显改善，电磁衰减能力显著提高，这进一步降低了样品的最佳吸波匹配厚度。掺杂量x=0.07的NiZn铁氧体样品，在厚度为6.6 mm时，实现了有效吸波带宽完全覆盖P波段。结论 通过调节Cu²⁺的掺杂量可以调控NiZn铁氧体的P波段吸波性能，增加Cu²⁺掺杂量对于降低样品的P波段吸波匹配厚度有积极作用。
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  化学镀钯拖缸现象的电化学研究

  郑沛峰, 胡光辉, 崔子雅, 潘湛昌, 郝志峰

  表面技术. 2023, 52(2): 377-384, 403. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.036

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  目的 用电化学的方法探究化学镀钯出现拖缸现象的原因 方法 通过开路电位方法探测化学镀钯的引发过程，利用线性扫描伏安法测量极化曲线。在测量阳极极化曲线时不加入钯盐;在测量阴极极化曲线时，不加入次亚磷酸钠。分别求得次亚磷酸钠的起始氧化的电位(EO)、钯离子的起始还原电位(ER)随温度变化的关系曲线，以及甘氨酸浓度对EO和ER的影响，并且采用化学镀实验，研究钯层厚度变化与甘氨酸浓度的关系。结果 发现第1次使用和多次使用的化学镀钯液对引发钯沉积的快慢存在差异，即存在拖缸现象。在镀钯过程中，温度越高，镀液活性越强，越不容易出现拖缸现象，同时稳定性也会下降。在电化学实验中发现，EO随着温度的升高而负移，ER随着温度的升高而正移，二者的差值|ΔE|总体上随着温度的升高而减小。ΔE可以反映镀液的稳定性和衡量化学镀钯引发的难易程度。ΔE<0意味着镀液稳定，化学镀钯需要在催化剂表面引发。当|ΔE|≤0.73 V时，化学镀钯可以正常引发。当|ΔE| >0.73 V时，引发过程存在拖缸现象。甘氨酸的浓度可以影响ΔE。当甘氨酸的质量浓度接近10 g/L时，拖缸现象不明显，无甘氨酸或者其质量浓度大于20 g/L时，容易出现拖缸现象。结论 ΔE的值与化学镀钯液的稳定性和拖缸现象是否发生有关。
热喷涂与冷喷涂技术
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  等离子喷涂热障陶瓷涂层冷却累计残余应力的有限元模拟与验证

  李建坤, 罗军明, 苏宇航, 高玉魁, 陈同彩, 崔世宇

  表面技术. 2023, 52(2): 385-394. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.037

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  目的 为有效预测等离子喷涂热障涂层冷却过程中累积的残余应力，降低残余应力对涂层稳定性的影响，需寻求可靠的热障涂层应力检测方法。方法 利用有限元分析软件，采用生死单元法建立了等离子喷涂ZrO2涂层的有限元模型，高斯热源模拟等离子喷涂热源工况，研究涂层冷却至室温的残余应力及其分布。使用X射线衍射法、拉曼光谱法对等离子喷涂制备的ZrO2涂层进行残余应力检测。结果 通过有限元模拟结果可以看出，喷涂涂层冷却到室温后其中心区域的残余应力与边缘位置相比较大，主要集中在热流中心区域;每层涂层结合界面处会产生较大应力，致使应力沿涂层厚度方向变化明显。涂层的等效应力为160~ 220 MPa。采用X射线衍射法检测涂层存在180~185 MPa残余应力。标定ZrO2涂层的拉曼-应力因子为8.33 (cm.GPa)^?1，计算得到涂层存在残余应力为174~180 MPa。对喷涂试样进行拉伸试验后，其残余应力有一定程度的释放。结论 使用有限元能有效模拟等离子喷涂至室温时涂层内部残余应力，与XRD、拉曼光谱检测结果具有良好的匹配性，涂层冷却至室温存在180 MPa左右的残余应力，严重影响涂层的稳定性。
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  团聚粉末粒度对PS-PVD制备GYbZ热障涂层的性能影响

  杨朔, 毛杰, 邓子谦, 胡方, 邓春明, 邓畅光

  表面技术. 2023, 52(2): 395-403. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.038

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  目的 探究不同粒度的微米级团聚粉末对等离子喷涂–物理气相沉(PS-PVD)制备GYbZ热障涂层性能的影响。方法 以微米团聚的(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7(GYbZ)粉末为原料，通过PS-PVD工艺在镍基高温合金表面用3种不同粒径团聚粉末制备GYbZ热障涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析GYbZ热障涂层的微观结构及相组成，采用电子万能试验机测试涂层的结合强度，采用自动水淬机对涂层的抗热震性能进行测试。结果 随着团聚粉末粒度的减小，团聚粉末的球形度会变低，且粉末的孔隙率逐渐变大，团聚粉末粒度越小，喷涂的气化率越高，涂层中未熔粒子越少，涂层羽–柱状结构越明显。D50= 13 μm的团聚粉末在喷涂时，因粉末粒度过小，以及流动性较差，送粉过程中部分粉末未能顺利地通过喷嘴到达等离子焰流的中心，涂层的沉积率会略微降低。GYbZ团聚粉末衍射图呈现出Gd2Zr2O7与Yb2O3这2种相的堆叠，而GYbZ涂层衍射图呈现单一的缺陷萤石结构。同时随着团聚粉末粒度的减小，制备出相应涂层的力学性能和抗热震性能有着明显的提高。结论 采用D50=13 μm的团聚粉末制备的涂层具有完整的羽毛–柱状结构，且拥有最高的结合强度及最好的抗热震性能。
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  不锈钢表面冷喷涂铜涂层制备及性能研究

  张龙龙, 黄继波, 李德元, 邓春明, 黄仁忠, 张楠楠, 谢迎春

  表面技术. 2023, 52(2): 404-411, 429. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.039

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  目的 通过工艺的匹配优化，采用冷喷涂技术在不锈钢表面制备高结合强度铜涂层，并研究热处理工艺对不锈钢表面冷喷涂铜涂层组织及性能的影响规律。方法 分别以高纯氮气和氦气作为加速气体，通过冷喷涂技术，在1 mm厚的304不锈钢基体表面制备铜涂层。采用光学显微镜(OM)对涂层的孔隙率及微观组织结构进行表征。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对涂层拉伸断面结构进行分析。借助维氏显微硬度仪、万能拉伸试验机和涡流导电仪测试分析退火热处理工艺对不锈钢基体表面冷喷涂铜涂层硬度、结合强度和电导率的影响规律。结果 利用氮气作为加速气体，在薄304不锈钢基体上获得铜涂层困难，涂层形成后，易发生整体剥落。使用氦气作为加速气体，可在薄304不锈钢板表面成功制备结合强度高于81.7 MPa、硬度为99.6HV0.1、孔隙率小于0.1%的高致密铜涂层。退火热处理引起涂层组织再结晶，可显著消除冷喷涂过程中的加工硬化影响。随着热处理温度从300 ℃上升到500 ℃，涂层硬度由99.6HV0.1下降至63.7HV0.1。退火温度为400 ℃时，涂层导电率最优(93.94% IACS)。当热处理温度升高到500 ℃，涂层导电率异常下降(89.02% IACS)，分析认为过高的热处理温度会造成涂层内部氧扩散偏聚，缺陷增加，导致涂层电导率下降。结论 相较于氮气作为加速气体，采用氦气作为加速气体进行冷喷涂，可在薄不锈钢基体上制备的涂层具有高致密度、高结合强度的铜涂层。退火热处理对铜涂层硬度和导电性能的影响较大，涂层经过退火热处理后，电导率可以达到和铸态铜电导率相当的水平。
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  超音速火焰喷涂制备Cr涂层及其高温氧化性能

  申晓凤, 黄娇, 李志康, 王全伟, 樊立峰, 马文, 张鹏省

  表面技术. 2023, 52(2): 412-421. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.040

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  目的 探索一种高效制备核电用包壳材料锆合金表面涂层的方法，以应对反应堆失水事故，提高核电安全性。方法 采用超音速火焰喷涂技术在Zr-4合金表面制备Cr涂层，高温氧化试验在1 200 ℃空气中进行，氧化时间30 min。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)研究Cr涂层氧化前后的结构和显微组织。采用划痕法测试涂层与基体结合力。采用金相显微镜(OM)观察划痕形貌。结果 采用HVOF技术可以在锆合金基体上制备的涂层主要为体心立方结构的金属Cr同时含有约21.9%密排六方结构(HCP)的Cr2O3。抛光可以减少Cr2O3至约10.1%。涂层由层状结构、未熔颗粒和少量孔隙组成。Cr2O3主要分布在层状结构中，未熔颗粒形成的不规则块状结构基本不含氧，主要为金属Cr。涂层与基体的结合力为77~94 N。喷涂工艺参数为煤油流量23 L/h、氧气流量880 L/h、喷涂距离330 mm的涂层样品结合力最高，为94 N。在1 200 ℃空气中氧化30 min后，涂层靠近基体界面处形成11~14 μm厚的连续致密层，而靠近界面处的基体衬度变暗，能谱信息显示含有Cr，因此判断该区域为Zr-Cr过渡层，厚度约为5 μm，说明存在基体与涂层的互扩散层，且Zr向涂层的扩散速率明显大于Cr向基体的扩散速度。有Cr涂层的Zr基体没有发生氧化，涂层内部也基本没有氧化，而没有涂层覆盖的基体氧化层厚度在120 μm以上。结论 采用HVOF可以在锆合金表面制备出结构致密、与基体结合紧密且抗高温氧化性能优良的金属Cr涂层。
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  热处理工艺对超音速火焰喷涂Al-Cu-Fe准晶涂层性能影响

  万鹏, 曹达华, 周瑜杰, 杨玲, 辛先峰, 董闯

  表面技术. 2023, 52(2): 422-429. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.041

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  目的 使用超音速火焰喷涂(HVOF)方法制备Al-Cu-Fe准晶涂层，研究热处理温度对涂层中准晶相含量和性能的影响以及封孔处理对涂层耐蚀性的改善。方法 以304不锈钢为基体和真空雾化Al-Cu-Fe准晶粉末为热喷涂材料，采用超音速火焰喷涂方法制备准晶涂层，并进行550~700 ℃热处理。利用透射电镜、扫描电镜、光学显微镜、能谱分析仪和X射线衍射仪分析准晶粉末和涂层的衍射花样、微观形貌、成分和相结构。分别使用显微硬度仪和电化学工作站对比测量304不锈钢和准晶涂层的硬度和耐蚀性能。结果 粉末中二十面体准晶相(I相)为主相，并伴生准晶类似相(β相)。经过超音速火焰喷涂后，涂层中I相和β相的含量分别为78.7%和21.3%，相组成与原始粉末接近。550 ℃和600 ℃热处理1 h后，涂层中β相消失，I相占比进一步上升，并伴随Al2Cu(θ相)产生。随着热处理温度继续升高至650 ℃，β相开始重新析出;当热处理温度升至700 ℃，β相占比增至13.5%。热处理后准晶涂层的最高硬度为674HV，为304不锈钢硬度(182HV)的3.7倍。准晶涂层经过热处理和表面封孔后，其在3.5%NaCl溶液中腐蚀的速率低于304不锈钢。结论 合适的热处理温度是制备高纯准晶涂层的关键因素，准晶含量的提升有利于提高准晶涂层的硬度和耐蚀性。