2023年, 第52卷, 第3期　
刊出日期：2023-03-20

  

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研究综述
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  高温合金磨削热力耦合及其对表面完整性的影响研究现状

  刘颖, 徐佳玉, 肖贵坚, 周坤, 李少川, 黄云

  表面技术. 2023, 52(3): 1-18, 34. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.001

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  高温合金具有耐热性、耐腐蚀性等优良性能，被广泛应用于航空发动机的精密制造与修复。磨削能够提高部件的加工精度和表面完整性，是加工高温合金材料的重要方法。在磨削过程中，高温合金因材料的高强韧性，使得磨具磨损严重，并且磨削时冷却液难以进入磨削弧区，导致高温合金的磨削力和磨削温度较高。在多刃磨削加工下，复杂的热?力耦合过程对高温合金表面完整性有着重要影响，表面完整性直接影响服役性能。从产生机理、表征方法及控制等方面阐述了磨削热和磨削力的研究现状，首先介绍了高温合金磨削热及磨削力产生的机理及原因，进而从刚性磨削和柔性磨削的角度综述了磨削温度和磨削力的预测模型及方法，从冷却润滑、工艺参数优化及砂轮结构改进等方面调研了磨削温度和磨削力的控制策略。从间接耦合法的角度介绍了磨削热?力耦合建模过程。最后，在概述磨削热力耦合的基础上，总结了在磨削热力耦合作用下高温合金的表面粗糙度、表面形貌、组织结构及残余应力等方面的研究成果，并对高温合金磨削热力耦合作用的研究方向进行了展望。
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  单晶金属衬底上多层石墨烯的可控生长进展

  郭颜瑞, 潘孟春, 张琦, 胡佳飞, 吴瑞楠, 彭俊平, 邱伟成

  表面技术. 2023, 52(3): 19-34. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.002

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  石墨烯作为一种理想的二维材料，具有机械性能好、电阻率低、热导率高等优点，受到人们的广泛关注。特别地，通过调控石墨烯层数可以改变石墨烯的电学性质，如带隙可调、半导体性质、特殊量子行为等，拓展石墨烯在柔性透明电极、高温超导、高性能传感等领域的应用。目前，人们已对金属衬底上高质量单层石墨烯的制备做了很多研究，发现当单层石墨烯覆盖金属衬底时，衬底将失去催化活性，使得高质量多层石墨烯的可控生长变得非常困难。为了制备多层石墨烯，研究人员已经探索了多种生长方法。总结了单晶金属衬底上多层石墨烯两种常见的生长模式，即表面成核控制的层层往上生长和偏析成核控制的层层往下生长，表面成核控制生长包括气源分子束外延、等离子体化学气相沉积等，偏析成核控制生长包括合金衬底偏析、单质金属衬底偏析等。针对多层石墨烯的各种生长方法，分别从成核密度、晶畴尺寸、层厚均匀性等方面进行了分析总结。最后，对该领域的发展趋势进行了展望，有助于为多层石墨烯的可控生长提供新的解决方案，促进多层石墨烯的发展与应用。
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  铝合金激光增材制造材料体系研究现状

  俞亮, 刘永业, 赵阳

  表面技术. 2023, 52(3): 35-51. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.003

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  首先概述了3种激光增材制造的成形技术原理，对其成形件的主要性能进行了比较。其次重点论述了近年来铝硅系、铝铜系和铝锌系铝合金以及颗粒增强铝基复合材料4种铝合金粉末材料体系的研究发展情况。在此基础上，探讨了铝基粉末在激光增材制造应用中存在的一些难点，包括粉末流动性差、反射率和导热率高、极易氧化以及成形件产生微裂纹，介绍了解决或改善这些问题的方法和作用机制。最后归纳总结了现有铝合金在激光增材制造中仍需解决的问题，对今后的研究工作进行了展望，提出未来可以进行更多元素体系的陶瓷增强颗粒研究，并开发增强颗粒/铝基粉末智能匹配系统的展望，即能够科学选择出与激光增材制造所用铝基粉末高度匹配的增强颗粒，以及研发铝合金激光复合增材技术，以期为铝合金激光增材制造材料体系的发展研究提供有价值的参考。
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  金属增减材制造本构模型获取方法研究进展

  王丰, 刘蒙, 李国和, 王大春, 闫冬, 范建勋

  表面技术. 2023, 52(3): 52-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.004

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  总结了金属增材制造材料本构模型的获取方法，从准静态试验、热压缩试验、动态试验、硬度等效及微观组织模拟5个方面归纳了金属增材制造材料本构模型获取的研究成果。在此基础上，分析了目前存在的问题，并对未来的发展方向进行了展望。结果表明，通过准静态力学试验、热压缩试验及动态力学试验获取的本构模型可以反映材料宏观的力学性能，但无法反映材料的非均质特性;硬度等效本构模型可以体现一定的非均质性，但准确性无法得到保证;基于微观组织的本构模型对材料的性能表征较为全面，但目前仍处在探索阶段。随着计算机技术和增减材复合制造技术的发展，开发具有一定物理意义、考虑增材成形材料微观组织分布的本构模型获取方法将是未来主要的发展方向。
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  铁基非晶涂层的研究进展与应用

  高鹏飞, 陈永君, 王增睿, 解志文, 丛洁, 刘鹏, 赵岭, 熊云龙

  表面技术. 2023, 52(3): 64-74, 110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.005

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  铁基非晶涂层可突破尺寸及室温脆性限制，其优异的力学性能可改善基体材料表面性能，有效拓展铁基非晶合金应用范围。针对非晶合金成分设计准则进行了较为系统的总结，归纳了铁基非晶涂层材料体系，介绍了铁基非晶涂层常用的制备技术，分析了热喷涂和激光熔覆技术对非晶涂层力学性能的影响。综述了铁基非晶涂层耐磨性和耐蚀性的研究现状。影响涂层性能的原因是多方面的，其制备工艺、元素组成、非晶含量、孔隙率、表面粗糙度、硬度及对涂层的后续处理等因素均会对涂层性能产生影响，并分别针对涂层的耐磨性和耐蚀性进行详细阐述。在此基础上，提出高摩擦因数是保证工作人员在甲板正常工作的前提，针对国内研究现状，开发制备出更多可同时兼具高耐磨性和高耐蚀性的铁基非晶涂层体系是突破技术封锁的关键问题。讨论了铁基非晶涂层在军事、航天、海洋防护、核工业、储燃及其他工程设备上应用的前景，介绍了铁基非晶涂层的应用现状及目前存在的问题，并在最后展望了铁基非晶涂层的发展方向。
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  橡胶/类金刚石复合材料界面结合及摩擦性能研究进展

  崔丽, 孙丽丽, 郭鹏, 李昊, 周靖远, 汪爱英

  表面技术. 2023, 52(3): 75-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.006

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  综述了橡胶表面沉积DLC薄膜的主要制备技术，包括磁控溅射法和等离子体化学气相沉积法。概括了橡胶/DLC复合材料的表面形貌特性，尤其是温差对表面斑块结构的影响机制。重点介绍了X切割法、划痕法及拉伸法为主的橡胶/DLC复合材料界面结合力的评估方法，分析了基体表面等离子体处理、添加过渡层及异质元素掺杂DLC薄膜对提升橡胶与DLC薄膜结合力的影响。此外，以刚性球为摩擦配副，阐述了橡胶/DLC复合材料的摩擦性能测试方法。基于橡胶的黏弹特性，探讨了橡胶/DLC复合材料的摩擦行为，并归纳了Maxwell模型、Voigt模型、双Voigt模型和SLS模型的特点和局限性。最后，围绕目前橡胶表面DLC薄膜耐磨改性工作中存在的问题和挑战，探讨和展望了未来的研究方向。
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  储气库管柱冲蚀理论及预测研究进展

  王志远, 杨贺民, 张洋洋, 刘晓

  表面技术. 2023, 52(3): 91-110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.007

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  储气库的管柱冲蚀规律较复杂，且冲蚀预测难度较大，开展循环注采工况下的储气库管柱冲蚀理论、冲蚀预测方法研究具有必要性及迫切性。目前，针对储气库强采强注工况下的管柱冲蚀报道极少。综述了塑性材料及气主导体系管柱冲蚀机理、冲蚀预测方法，对保障储气库管柱注采安全具有一定借鉴意义。以塑性材料冲蚀机理为出发点，详细介绍了适用于管柱塑性材料的微切削、变形切削、挤压-薄片、局部变形、二次冲蚀及靶面热熔等六大典型冲蚀理论，并汇总其优缺点。指出适用于储气库管柱的冲蚀准则(材料的临界冲蚀流量、临界冲蚀流速、表面延展性、质量损失、体积损失、强度衰减)及冲蚀表征指标(冲蚀比、临界塑性应变、冲蚀损失率、材料剩余最小安全系数)，针对这些指标介绍了目前国内外典型的旋转式、射流式、管流式、单颗粒冲蚀式实验系统，以及基于实验数据的冲蚀预测经验模型，如使用频率最高的E/CRC模型和Oka模型等。描述了基于CFD预测冲蚀的普遍流程及不足，分析了基于人工智能预测管柱冲蚀的可行性，这对保障储气库安全高效注采具有一定的理论指导及现实意义。
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  聚醚醚酮骨植入体生物改性研究进展

  马欢欢, 仇文豪, 黄浩, 乔阳

  表面技术. 2023, 52(3): 111-121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.008

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  聚醚醚酮是一种热塑性材料，凭其良好的生物相容性和X射线可透射性，被广泛用于生物医学领域。而PEEK骨植入体与人体骨骼强度存在一定差距，与人体骨组织结合能力较差和抗菌性能等不足，使其在生物领域的应用受到了限制。为了使PEEK更好地应用于人体骨植入领域，获得优异生物性能的PEEK骨植入体已成为研究的重点。概述了PEEK的加工技术、力学性能、骨整合性能和抗菌性能的研究。在此基础上，重点综述了近年来提高PEEK骨植入体力学性能与生物性能的各种改性方法的研究进展。在力学性能方面，对PEEK常用的填充材料碳纤维进行了概述，由于PEEK与碳纤维界面结合强度影响其整体力学性能，重点介绍了提高其结合强度的改性方法。在骨整合性能方面，对钛、二氧化钛和羟基磷灰石涂层材料及喷涂方法进行了概述，以及对等离子喷涂、喷砂、激光蚀刻和浓硫酸刻蚀表面处理方法的优缺点进行了分析。在抗菌性能方面，银离子释放浓度过高时会导致细胞毒性，重点阐述了如何控制银离子释放速度的研究。最后展望了PEEK骨植入体加工和改性的未来发展方向。
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  镁合金微弧氧化膜层性能优化研究进展

  张祥, 周亮, 贾宏耀, 冯宴荣, 赵李斌, 房大庆

  表面技术. 2023, 52(3): 122-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.009

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  镁合金是一类重要的工程材料，具有许多优良的物理、化学性能，在航空航天、交通运输、电子通信、生物医学和能源等领域具有广阔的应用前景。镁合金的应用受到其高化学活性的限制，需要进行表面处理，以避免腐蚀。在众多表面处理技术中，微弧氧化技术极大地改善了镁合金的综合性能。其中，工艺参数对膜层性能有着重要的影响。在分析微弧氧化膜层厚度、微观结构和相组成成因的基础上，结合国内外研究现状重点阐述了电解质、颗粒添加物、电参数(电流模式、电压、电流密度、占空比、频率和氧化时间)对膜层耐蚀性、耐磨性及生物学性能的影响，并由此引出调控导向性、陶瓷膜增韧、性能匹配优化及能源利用率等关键问题。此外，还探讨了研究者针对上述问题采取的解决方案，并分析了方案的合理性。最后，结合镁合金微弧氧化目前存在的问题对其未来发展进行了展望。
摩擦磨损与润滑
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  铜表面纳尺度沟槽织构的摩擦学性能

  汪国庆, 曹鑫鑫, 赵盖, 宋敬伏, 丁庆军

  表面技术. 2023, 52(3): 134-142, 216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.010

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  目的 通过分子动力学(MD)模拟，揭示了纳尺度沟槽织构对单晶铜摩擦磨损的影响机理，为设计高耐磨超声电机(USM)定子材料提供理论指导 方法 建立了金刚石-铜摩擦配副模型，首先研究了金刚石下压深度对铜基体摩擦学性能的影响，随后重点研究了铜表面沟槽织构的角度、深度、宽度对摩擦学性能的影响。通过提取摩擦过程中的摩擦因数、磨损原子数目、摩擦界面温度、体系能量、界面间相互作用力以及观察摩擦前后界面形貌变化，从原子尺度揭示沟槽织构对铜的减摩机理。结果 对于无织构铜表面，摩擦因数和磨损率等性能参数随着下压深度的增加而增加;有沟槽织构的铜表面，摩擦因数和磨损率相较于无沟槽织构有显著下降。在沟槽织构与摩擦方向成90°时，效果最佳，摩擦因数下降25%左右，磨损率下降50%。同时，摩擦因数和磨损率还随沟槽深度和宽度的增大而减小。其主要原因是:沟槽织构的引入，使得在金刚石和铜基体的摩擦过程中相互作用的原子数量明显减少，相互犁削和接触原子的数量也减少，从而导致摩擦因数、磨损率下降。结论 在铜表面进行沟槽织构化处理能够减少摩擦过程中的磨损，提高铜基体的耐磨性能。
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  FHG97/WS2自润滑复合材料力学性能和摩擦学性能的研究

  于成涛, 陈明辉, 王福会

  表面技术. 2023, 52(3): 143-150, 227. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.011

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  目的 探究FHG97/WS2复合材料力学和摩擦学性能。方法 采用放电等离子烧结技术制备不同WS2含量的复合材料，通过硬度仪和万能试验机评估材料的力学性能。采用往复式摩擦试验机和白光干涉仪测试25~600 ℃的摩擦学性能。利用XRD、SEM、EDS和Raman分析材料的物相、显微组织和磨损表面的形貌及元素成分。结果 在复合材料制备烧结过程中，WS2与FHG97发生了固相原位反应，生成了CrxSy和M6C相。新生相提高了复合材料的微观硬度和抗压强度，降低了抗弯强度。摩擦磨损测试结果表明，复合材料的摩擦系数在25~600 ℃都随温度的升高而降低，添加WS2对摩擦系数降低有积极的作用。磨损率在25~400 ℃先降低，600 ℃有所上升。CrxSy和M6C协同作用使复合材料在25~200 ℃改善了摩擦磨损性能。400 ℃时，磨损表面形成的NiO、Cr2O3和Ni2CrO4等氧化物，以及CrxSy的协同作用使得FW1的磨损率下降1个数量级。600 ℃时，CrxSy软化降低了氧化膜的粘附力，使FW1的磨损率略有上升。FW2表面未形成氧化膜，M6C脱落对表面形成磨粒磨损，加剧了表面磨损。结论 制备的FHG97/WS2复合材料具有优异的力学性能，FW1在25~600 ℃内具有最优的摩擦学性能。FHG97/WS2体系材料中WS2的添加量应考虑原位反应对基体中Cr的消耗，避免在高温下无法形成保护性的氧化膜。
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  二维纳米石墨烯作为传动油添加剂的齿轮承载性能研究

  孔宁, 李东山, 张清东, 曹学乾, 鲁志斌, 万晓娜, 林博

  表面技术. 2023, 52(3): 151-160. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.012

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  目的 二维纳米石墨烯作为添加剂提高传动油的耐磨性能和承载性能，满足重载高速工况下传动油在传递运动形式和能量过程中承载和耐磨性能需求。方法 二维纳米石墨烯作为传动油添加剂，以丁二酰亚胺为分散剂制备了石墨烯传动油，采用FZG齿轮试验机标准方法(NB/SH/T 0306—2013)评价了传动油和石墨烯传动油的耐磨性能和承载性能，通过SEM、Raman、EDS和XPS检测手段分析试验齿轮耐磨及承载机理。结果 二维纳米石墨烯作为添加剂将传动油的承载能力从8级提升至10级。试验齿轮在传动油中表现为黏着磨损和磨粒磨损，齿轮磨损表面有严重的犁沟现象;试验齿轮在石墨烯传动油中磨损表面表现为抛光式的磨损，磨损表面变得光滑。通过Raman、元素面分布和XPS测试结果分析，重载高速运转条件下试验齿轮磨损表面在石墨烯传动油中形成了不连续的多元杂化润滑膜，该润滑膜是由低剪切强度相(石墨烯、硫化物)、硬度和屈服强度比较高的磨损微粒(铁氧化物)和弹性模量较低的无定形聚磷酸盐等组成。润滑膜防止了齿轮材料在高载运转过程直接接触，减小接触面间的剪切强度，提高了耐磨性能和承载能力。 结论 二维纳米石墨烯作为一种传动油添加剂，可以有效提高齿轮传动系统的承载能力，弥补齿轮材料力学性能不足的问题，延长传动齿轮的使用寿命。
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  核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能

  王立闻, 陈旭东, 王俊, 冯铄, 汤瑞, 莫堃, 官雪梅, 张强升, 蔡振兵

  表面技术. 2023, 52(3): 161-171. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.013

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  目的 研究核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能。方法 采用自制的切向微动磨损试验设备，在4种环境(温室RT/大气、RT/水、450 ℃/大气和450 ℃/液态钠)下对2.25Cr-1Mo钢进行了切向微动磨损试验。试验参数为:法向载荷20 N，运动频率5 Hz，位移幅值50 μm，循环次数10⁵和2×10⁵。试验前，采用维氏硬度仪测量了2.25Cr-1Mo钢在室温和450 ℃高温下的硬度。试验后，采用Bruker白光干涉显微镜测量了磨痕的三维形貌并获得了截面轮廓和磨损量。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析磨痕表面和横截面的微观形貌以及摩擦化学反应。结果 2.25Cr-1Mo钢在不同环境下表现出不同的磨损性能。450 ℃液态钠环境下的磨损量最大，大于450 ℃和室温大气环境下的磨损量;室温水环境下的磨损最小。经过10⁵微动循环后，2.25Cr-1Mo钢在450 ℃液态钠和室温水环境下表现出最大和最小的磨损率，分别为4.17×10^?6 mm³/(N.m)和0.32×10^?6 mm³/(N.m)。结论 2.25Cr-1Mo钢在室温大气环境下的磨损机制为分层、剥落和氧化磨损;随着温度升高到450 ℃，大气环境下的氧化磨损加剧，伴随着剥层和“锻造流线”;室温水环境下的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;450 ℃液态钠环境下的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和“锻造流线”，同时钠的腐蚀协同作用也加速了材料的失效。
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  冷喷涂制备CuZn35涂层结构及耐摩擦磨损性能

  张龙龙, 黄继波, 刁鹏源, 李德元, 黄仁忠, 张楠楠, 谢迎春

  表面技术. 2023, 52(3): 172-180, 216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.014

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  目的 采用高压冷喷涂技术制备低氧化、致密、耐摩擦磨损的CuZn35涂层，并探究加速气体温度对CuZn35涂层性能的影响。方法 利用高压冷喷涂技术在铝板上沉积CuZn35涂层，探究加速气体温度对冷喷涂CuZn35涂层微观结构及耐摩擦磨损性能的影响。在载荷为2 N时，在旋转式摩擦磨损试验仪上进行试验，对比铸态CuZn35材料的耐磨性能，评估在压力为5 MPa，加速气体温度为400、600、800 ℃条件下冷喷涂制备的CuZn35涂层的耐磨性能。通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、三维轮廓仪(3D Profiler )对涂层的微观结构和磨损表面形貌进行分析。结果 当冷喷涂加速气体温度从400 ℃升至800 ℃时，CuZn35涂层内部颗粒的变形量不断增大，颗粒之间形成了较好的结合，孔隙率从2.67%降至0.5%以下，硬度从200HV0.3升至242HV0.3，涂层磨损率从3.67 mm³/(N.mm)降至1.80 mm³/(N.mm)。在温度为800 ℃条件下制备的CuZn35涂层表现出最优的耐摩擦磨损性能，在磨损过程中涂层材料未发生明显的块状脱落现象，仅其表面有轻微磨痕，涂层的磨损率较低，与铸态CuZn35材料相近。结论 高压冷喷涂技术可获得与铸态CuZn35材料耐磨性能相近的CuZn35涂层。随着冷喷涂加速气体温度的升高，CuZn35涂层的孔隙、微裂纹等缺陷显著减少，涂层颗粒间的结合性增强，涂层的硬度逐渐增大。在摩擦磨损实验中，涂层的耐磨性能随着制备过程中加速气体温度的升高显著增强。
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  基底偏压对电弧离子镀制备AlCrVN涂层微结构及力学性能的影响

  田灿鑫, 邹长伟, 王泽松, 项燕雄, 谢伟, 李助军, 刘怡飞

  表面技术. 2023, 52(3): 181-188. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.015

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  目的 研究基底偏压对AlCrVN涂层微结构及力学性能的影响。方法 采用电弧离子镀技术，使用合金靶AlCrV，纯N2作为引弧介质和氮源，在不同的基底偏压下制备AlCrVN涂层，对AlCrVN涂层的物相结构、微观形貌、硬度、摩擦因数及磨损率进行测试分析，作为对比制备了AlCrN涂层。结果 AlCrVN涂层为柱状晶结构，由面心立方CrN为基础的(CrV)N置换固溶体相和Cr2N六方相2种晶相组成，随着基底偏压的增大，涂层衍射峰强度及位置变化不明显;涂层表面的大颗粒数量减少，凹坑增多;涂层硬度由50 V时的22 GPa增大到150 V时的24.2 GPa，200 V时硬度值减小到22 GPa;摩擦因数由0.42增大到0.71;磨损率由6.4×10^?7 mm³/(N.m)逐渐增大到13.2×10^?7 mm³/(N.m)。结论 基底偏压对AlCrVN涂层性能影响较大，低偏压(50 V)时，涂层的摩擦因数、磨损率最低，耐磨性能最好。含V元素的AlCrVN涂层的力学和摩擦学性能都优于AlCrN涂层。
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  WC颗粒熔解析出对Ni60熔覆层性能的影响

  芦海俊, 水剑虹, 王锴, 尚勇, 姜海峰, 魏金

  表面技术. 2023, 52(3): 189-196. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.016

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  目的 确定含WC微粒镍基熔覆层中不同共晶相对熔覆层性能的影响规律。方法 通过等离子工艺制备含WC(质量分数10%)的Ni60熔覆层，并调整电流，以控制WC的熔解析出。通过维氏硬度计、剪切试验、磨粒磨损试验研究不同电流下熔覆层硬度、抗剪强度和耐磨性的变化情况，并通过扫描电镜和X射线衍射仪分析不同熔覆层的磨损形貌、组织和物相组成。结果 在不同电流下制备的熔覆层物相均主要为γ?(Fe,Ni)、M23C6、M7C3、WC、W2C、FeNi3、FeW2B2等。熔覆电流由110 A增至200 A时，熔覆层的硬度由846.7HV降至665.8HV，抗剪强度由174.9 MPa增至373.2 MPa。当电流低于140 A时，W、Cr、C等合金元素生成了块状先共晶相，可有效减轻磨粒磨损程度，提高耐磨性;当电流进一步增大时，W、Cr、C等合金元素以鱼骨状过共晶相析出，在磨粒磨损过程中易断裂、脱落，导致耐磨性下降。结论 熔覆电流的变化会影响含WC微粒Ni60熔覆层的共晶碳化物成分、形态和数量，在熔覆电流较小时有利于块状先共晶相的生成，可提高其耐磨性。在熔覆电流为140 A时，Ni60+WC(10%)熔覆层的综合性能最优。
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  爆炸喷涂Al-Cu-Fe准晶涂层性能分析

  王仲勋, 张恕爱, 邢勤, 于仁萍, 宫晓峰, 肖凤艳, 王浩

  表面技术. 2023, 52(3): 197-206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.017

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  目的 提高准晶涂层内部准晶相含量，进而研究Al-Cu-Fe准晶涂层的各项性能。方法 采用爆炸喷涂的方式在2A12铝合金基底上制备了Al-Cu-Fe准晶涂层。借助SEM、XRD等手段对Al-Cu-Fe准晶粉体的组织形貌、物相形成进行研究。采用显微硬度计、拉力试验机测试涂层的力学性能。采用比热容测试仪、激光热导仪检测涂层的热性能。使用摩擦磨损试验仪研究了涂层的摩擦磨损性能。结果 水雾化法制成的Al-Cu-Fe准晶粉体主要包含准晶相和少量的β-Al42.54Cu34.65Fe22.81相，准晶含量为73%。882 ℃为准晶相的熔点，粉体在800 ℃的退火温度下准晶含量能达到98.7%。涂层在700 ℃下比热容为0.749 J/(g.K)，热导率为5.913 W/(m.K)。涂层的显微硬度为569.4HV0.3，经退火处理最高硬度可达658.33HV0.3。涂层的结合强度为33.25 MPa，退火处理后结合强度为58.75 MPa。涂层在不同载荷和温度下，摩擦因数为0.768~0.512(均低于基体)，在15 N和20 N的载荷下磨损率较基体提升明显(磨损率仅为基体的7.31%)，高温环境下同载荷较室温环境下涂层的磨损率提升明显(高温磨损率为低温的3.00%)。结论 准晶涂层可以对基体起到良好的热防护，对基体的减摩耐磨具有积极的作用。对涂层进行退火处理后，能有效提高涂层的硬度、结合强度等性能。
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  高速高温条件下刷式封严环涂层与刷丝摩擦副磨损行为

  郭会明, 杨丽琪, 张航, 王恩庆, 刘砚飞, 田伟, 钟燕, 薛伟海

  表面技术. 2023, 52(3): 207-216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.018

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  目的 研究高速高温刮削条件下NiCr-Cr2C3涂层和SG37合金刷丝组成的摩擦副的磨损行为。方法 利用自制的高速高温刮擦试验机，在不同进给速度和过盈量条件下进行封严环涂层与刷丝摩擦副的高速高温刮削试验。用轮廓测量仪测量刷式封严环表面涂层的磨痕深度。用超景深显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察涂层及刷丝样品的原始形貌和磨痕形貌，并利用配备的EDS能谱仪分析磨痕表面元素成分，同时分析了摩擦过程中的磨损机理。结果 NiCr-Cr2C3涂层与SG37A合金刷丝在高速高温刮擦过程中发生了磨粒磨损、黏着磨损和刷丝材料向涂层的转移。刷丝之间也存在摩擦变形和磨损，这主要是由于刷丝与刷丝在磨损过程中发生了高温变形和挤压，由于“拖尾”现象的存在，使刷丝尖端的变形和挤压更加明显，高温下金属流动性的增加进一步促进了菱形的形成。通过分析不同过盈量和进给速度对磨痕深度的影响，发现过盈量和进给速度均对涂层磨痕深度存在影响，随过盈量和进给速度的增加，涂层磨痕深度增大。结论 高速高温的苛刻工况下，刷丝在磨损过程中具有显著的变形，并且过盈量对封严环涂层和刷丝样品磨损的影响更大。
腐蚀与防护
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  液压阻尼器活塞杆激光熔覆WC/Co06涂层耐磨耐腐蚀性能

  肖居鹏, 杨学锋, 李万洋, 侯启敏

  表面技术. 2023, 52(3): 217-227. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.019

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  目的 研究WC添加量对WC/Co06复合涂层耐磨耐腐蚀性能影响，以期应用到液压阻尼器活塞杆表面，增强活塞杆耐磨耐腐蚀性能。方法 采用同轴送粉式激光熔覆设备在液压阻尼器活塞杆用42CrMo钢表面制备不同WC含量(质量分数为5%、10%、15%、20%)的WC/Co06涂层，用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪及维氏硬度显微计，对4组不同WC含量的涂层进行质量检测。用滑动摩擦磨损试验机对涂层进行磨损性能测试。用盐雾腐蚀试验箱对涂层进行耐腐蚀测试。结果 熔覆层表面质量良好，稀释率为5%左右。熔覆层显微组织随WC含量的升高越来越致密，WC/Co06涂层生成多种硬质相，如Cr23C6、Cr7C3、WC及Fe3W3C等分布在g-Co固溶体周围增强其硬度以及耐磨耐腐蚀能力。4组熔覆层中，20%WC含量的熔覆层硬度最高(810HV)，是基体的(275HV)2.95倍。摩擦磨损及盐雾腐蚀试验后，熔覆涂层磨损量及腐蚀失重均明显降低，其中20%WC熔覆层的磨损量及腐蚀失重最低，分别为基体的54.7%和21%。结论 WC可提高熔覆层硬度，改善熔覆层的耐磨耐腐蚀性能，且WC含量越高，强化效果越明显。通过试验可得20%WC含量的WC/Co06涂层具有更优良的耐磨耐腐蚀性能。
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  化学镀Pt对多弧离子镀NiCoCrAlY涂层高温氧化行为的影响

  闫吕英, 董志宏, 鲍泽斌

  表面技术. 2023, 52(3): 228-236. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.020

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  目的 改善多弧离子镀NiCoCrAlY涂层的抗高温氧化性能，探究化学镀Pt对NiCoCrAlY涂层高温氧化行为的影响。方法 采用多弧离子镀(M-AIP)技术在第二代镍基单晶高温合金上沉积NiCoCrAlY涂层，然后通过化学镀技术在其表面制备厚度约0.5 μm的Pt镀层，经真空退火处理后获得Pt改性的NiCoCrAlY涂层。通过1 050 ℃恒温氧化和循环氧化试验测试涂层的高温氧化性能，并利用扫描电子显微镜、X射线衍射以及电子探针等手段对涂层物相及元素分布进行分析。结果 经化学镀Pt改性后，NiCoCrAlY涂层恒温氧化20 h的氧化增重由0.78 mg/cm²减小至0.47 mg/cm²，氧化速率常数由6.32×10^?12 g²/(cm⁴.s)降低为2.16×10^?12 g²/(cm⁴.s);而循环氧化300次的氧化增重由1.52 mg/cm²减小至1.05 mg/cm²，氧化速率常数由1.93×10^?12 g²/(cm⁴.s)降低为9.86×10^?13 g²/(cm⁴.s)。2种涂层在本试验氧化条件下生成的氧化膜均为α-Al2O3，但NiCoCrAlY涂层生成的氧化膜更厚且起伏明显，同时在局部区域向涂层内生长，特别是循环氧化后期氧化膜还发生了局部剥落。化学镀Pt改性后，NiCoCrAlY涂层表面生成的氧化膜明显变薄，且致密、平坦，无开裂和剥落现象，同时氧化膜向涂层内的生长得到了有效抑制。结论 化学镀Pt改性可进一步提高多弧离子镀NiCoCrAlY涂层的抗高温氧化性能。
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  水对低共熔溶剂中电沉积Zn–Fe合金镀层性能的影响

  周国庆, 向倩, 秦水平, 吴敏娴, 光崎尚利, 王文昌, 陈智栋

  表面技术. 2023, 52(3): 237-245, 265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.021

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  目的 在氯化胆碱–乙二醇(ChCl–2EG)低共熔溶剂(DESs)中，以水为添加剂，采用电沉积制备Zn–Fe合金镀层，改善镀层的表面形貌，优化晶型结构，提高镀层的耐蚀性能。方法 采用电导率仪、黏度计、循环伏安曲线(CV)研究水含量对低共熔溶剂黏度、电导率、电化学窗口的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)，研究水含量对镀层表面形貌和成分的影响。采用X射线衍射仪(XRD)，分析水含量对镀层结构特征的影响。采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)，分析水含量对镀层耐蚀性能的影响。结果 随着水含量的增加，DESs的黏度降低，电导率升高，镀速增大，镀层中Zn含量提高，平均晶粒尺寸减小。当水的质量分数小于8%时，水会促进Zn和Fe的沉积。当水的质量分数大于8%时，水会抑制Zn和Fe的沉积。此外，当水的质量分数为4%时，DESs能够保持原有的电化学窗口(2.47 V)，制备的Zn–Fe合金镀层平整致密，镀层极化电阻达到最大值(1 469 Ω/cm²)，电荷转移电阻达到最大值(612 Ω/cm²)，耐蚀性最佳。结论 水的含量会影响DESs溶剂的黏度、电导率及电化学窗口，会影响Zn–Fe合金镀层的表面形貌、晶粒尺寸及耐蚀性。当加入质量分数4%的水时，不仅能够促进Zn和Fe还原，而且还能改善Zn–Fe合金镀层的表面形貌，提高镀层的耐蚀性能。
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  激光功率对低碳钢表面激光熔覆钛合金涂层组织和性能的影响

  高炜, 俞宏英, 蒋旭洲, 斯佳佳, 孙冬柏

  表面技术. 2023, 52(3): 246-254, 265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.022

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  目的 利用激光熔覆简便、高效的特点，在低碳钢表面开发低成本、短流程的耐蚀钛合金涂层，拓宽钛合金在海洋工程装备上的应用。方法 选择球形纯钛粉末，采用同步送粉式激光熔覆技术在低碳钢表面制备一层薄的钛合金涂层。通过单色红外测温仪对熔池的温度变化进行监测。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等表征涂层的宏观形貌、微观形貌和相组成。借助万能试验机和维氏硬度计测试涂层的结合强度、剪切强度和硬度。使用电化学工作站在NaCl(质量分数3.5%)溶液中测试涂层的极化曲线和阻抗(EIS)，以评价涂层的耐蚀性能。结果 采用激光熔覆技术在低碳钢表面成功制备了一层薄的耐蚀钛合金涂层。激光功率的选择对在低碳钢表面制备性能良好的钛合金涂层至关重要。一方面，激光功率会影响熔池的温度演变，随着功率的降低，熔池的最高温度降低，熔池寿命缩短。通过引入粉末沉积密度(ρPDD)和单位面积有效能量输入(Eeff)进一步描述工艺参数与涂层质量之间的关系。结果表明，在ρPDD(0.009 g/mm²)不变的情况下，要获得表面质量良好的涂层，需要将Eeff控制在一定范围(45~54 J/mm²)内。另一方面，激光功率会影响铁元素的热扩散，功率的增大会导致涂层表面的铁元素增多。由于铁元素在熔覆过程中的剧烈扩散，涂层的平均硬度皆大于400HV，预期对涂层的耐磨性能有正面影响。受到粉末束流对熔池的搅动作用，界面处形成了TiFe和Fe2Ti的混合区域，此时涂层的结合强度降低。通过调控功率来减少涂层表面的铁元素含量，有利于提高涂层的耐蚀性能，P10涂层表面铁元素的含量最少，其自腐蚀电位最正(?0.298 V)，自腐蚀电流密度(1.117×10^–7 A/cm²)最低，EIS结果也进一步证实P10涂层具有良好的耐蚀性。结论 选择合适的激光功率可以在保证良好结合性能的同时，使熔覆层获得优异的耐蚀性。文中以激光熔覆方式在低碳钢表面制备了高性能的钛合金涂层，为钛合金在海洋工程装备上实现低成本、大面积应用奠定了基础。
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  成膜时间对AZ31B镁合金镨盐转化膜形貌和耐蚀性的影响

  刘坤, 邹忠利, 马琳梦, 张旭, 王北平

  表面技术. 2023, 52(3): 255-265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.023

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  目的 探究新型稀土盐镨盐转化膜的腐蚀防护特性。方法 采用化学转化法，在镁合金基体进行表面改性，制备出一层致密镨盐转化膜。试验重点探讨不同成膜时间制备转化膜的表面性能，在模拟海水(3.5%NaCl溶液)条件下，通过电化学测试(Tafel极化曲线和电化学阻抗谱)、浸泡试验、点滴试验分别评价膜层的耐腐蚀特征，通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线能谱分析(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)对微观形貌、结构成分进行测试分析，通过显微硬度计和摩擦磨损试验机，从力学角度分析膜层的耐磨性和表面硬度。结果 进行对比试验后发现，成膜时间过短或过长都不利于膜层的形成。Tafel曲线显示，成膜时间为30 min时，自腐蚀电流密度为1.740×10^?9 A/cm²，相比裸镁试样下降了4个数量级;自腐蚀电位为?0.681 V，相比裸镁试样正移了900 mV;电化学交流阻抗谱显示，成膜30 min时，膜层的容抗弧曲率半径最大，EIS拟合后电荷转移电阻也最大，为45 650 Ω.cm²。浸泡试验和点滴试验结果表明，成膜30 min时，膜层具有较少的点蚀区域和裂纹缺陷，点滴时间为82.14 s，膜厚可达26.2 μm，膜层较为牢固，试验结果与电化学测试参数具有一致性。组成分析则说明转化膜主要含有C、H、O、Mg、Pr等元素，膜层主要物质为镨的氢氧化物和镨的部分氧化物。稀土金属镨的加入一定程度提高了膜层的力学性能，提高了膜层的耐磨性和硬度。结论 由组成分析结果可推测镁合金表面镨盐转化膜的成膜机理，符合阴极成膜机制，Pr(NO3)3.6H2O作为成膜主盐可以有效改善AZ31B镁合金的表面性能，当成膜30 min时，镁合金镨盐转化膜可以有效阻止腐蚀介质的入侵，其耐蚀性和稳定性最佳。
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  Al2O3-13%TiO2绝缘防护复合涂层组织及电偶腐蚀性能

  吴护林, 张智峰, 彭冬, 杨钊, 宋凯强, 丛大龙, 李毅, 谢杨, 陈爽, 黄安畏, 李忠盛

  表面技术. 2023, 52(3): 266-275, 286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.024

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  目的 研究等离子喷涂的Al2O3-13%TiO2涂层和封孔处理后的Al2O3-13%TiO2复合涂层对TC4-H70异种金属电偶对的腐蚀防护效果。方法 采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪对涂层的物相组成、组织形貌、元素分布进行表征分析，使用电化学工作站和电偶腐蚀测量仪对涂层及对比试样的耐蚀性能进行分析研究。结果 等离子喷涂的Al2O3-13%TiO2涂层由α-Al2O3和γ-Al2O3两相组成，以γ-Al2O3相为主。Al2O3-13%TiO2涂层中存在微孔与微裂纹等缺陷，腐蚀介质易渗入，因此Al2O3-13%TiO2涂层的耐蚀性较差。经过封孔处理后的Al2O3-13%TiO2涂层，表层缺陷被充分填充，同时在陶瓷表层形成厚度为20~40 μm的致密阻挡层，有效阻隔了NaCl腐蚀介质的渗入，涂层腐蚀电流密度相比于H70基体和Al2O3-13%TiO2涂层试样减小了4个数量级，基底与涂层间的界面电荷转移电阻值相较于H70基体和Al2O3-13%TiO2涂层提高了5个数量级，涂层耐蚀性和绝缘性显著提升。TC4-H70电偶对经15 d电偶腐蚀试验后，H70表面发生腐蚀，封孔处理后的Al2O3-13%TiO2涂层可有效降低TC4-H70电偶对间的电偶腐蚀作用，经15 d电偶腐蚀试验后，试样未腐蚀，且涂层完整。结论 封孔处理后的Al2O3-13%TiO2涂层优异的电偶腐蚀防护效果主要得益于其高电阻和表层的高致密性，几乎阻隔了异种金属间的电子传输，使得异种金属间的电偶电池作用极其微弱，可有效延长异种金属海水管路的使用寿命，在电偶腐蚀防护领域具有巨大的应用前景。
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  Q235焊缝表面镍基合金熔覆层在NaCl溶液中的腐蚀行为

  柴廷玺, 晏丽琴, 徐宏彤, 蒋锴, 刘鹏

  表面技术. 2023, 52(3): 276-286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.025

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  目的 采用激光、等离子熔覆技术在低碳钢焊缝表面制备镍基耐腐蚀涂层，提高钢管焊缝表面的耐蚀性能。方法 通过浸泡腐蚀、动电位极化法、交流阻抗法，研究不同试样在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的腐蚀行为。利用OM、SEM、EDS和XPS分析腐蚀试样表面、截面的微观组织和腐蚀产物成分。结果 采用激光、等离子熔覆技术均可制得成形良好、表面光滑、无宏观裂纹的涂层，且表现出良好的抗点蚀能力;等离子熔覆层晶粒相较于激光熔覆层晶粒更均匀、细小，析出的碳化物(Cr23C6、Cr7C3)、硼化物(CrB)等硬质点提高了涂层的硬度，对于抗蚀性有着积极的作用。试样的耐蚀性排序为等离子熔覆层>激光熔覆层>基体。浸泡失重腐蚀实验表明，基体、激光熔覆层、等离子熔覆层的腐蚀速率分别为0.182 9、0.125 6、0.102 7 g/(m².h)。从极化曲线看出，激光熔覆层(?0.503 4 V)、等离子熔覆层(?0.546 6 V)的自腐蚀电位相较于基体(?0.858 4 V)发生了正移。基体、激光熔覆层、等离子熔覆层的自腐蚀电流密度分别为0.074 9、0.035 8、0.003 3 A/m²。从电化学阻抗谱看出，等离子熔覆层的容抗弧半径最大，激光熔覆层的次之，基体的最小。涂层在腐蚀初期以金属阳极溶解为主，Cl^?破坏了涂层表面的钝化膜，导致表面出现点蚀坑，点蚀进一步加剧，腐蚀产物膜层中的结合水与Ni²⁺、Cr³⁺反应，生成了Cr(OH)3、Ni(OH)2，Cr(OH)3、Ni(OH)2，进一步脱水后，分解成Cr2O3、CrO3、NiO，形成由氧化物、氢氧化物组成的腐蚀产物膜，阻碍了溶液Cl^?穿过腐蚀产物渗透到涂层表面，提高了涂层的耐蚀性。结论 涂层具有优良耐蚀性的本质原因是腐蚀产物膜对腐蚀介质起到了物理阻隔作用。
精密与超精密加工
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  叶轮零件磨粒流抛光机理与数值模拟的研究

  索文华, 王毅, 闻家成, 梁翔宇, 刘壮壮, 王善飞, 索红莉

  表面技术. 2023, 52(3): 287-298. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.026

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  目的 解决增材制造TC4钛合金(Ti6Al4V)叶轮零件表面粗糙度过大的问题。方法 采用磨粒流抛光技术对增材制造TC4钛合金叶轮零件进行抛光，研究磨粒粒径、工作压力与抛光时间等因素对叶轮零件表面粗糙度和形貌的影响规律。同时利用Fluent软件对磨粒流抛光过程进行仿真，建立三维叶轮模型，以实际加工条件为仿真参数，探究磨粒对近壁面静压、动压、湍动能、湍流强度的作用机理。结果 当磨粒流抛光的磨粒粒径为0.425 mm、加工压力为9 MPa、抛光时间为20 min时，获得了表面粗糙度Ra<2.5 μm的增材制造叶轮零件。磨粒流抛光后表面摩擦系数从0.428 1降低为0.385 3，磨损机制由粘着磨损和剥落磨损变为磨粒磨损。仿真结果表明，随着磨粒流体自上而下运动，叶片间距逐渐增大，叶轮表面所受动压、湍流强度及湍动能逐渐减弱，因与约束装置的作用，底部的动压、湍流强度和湍动能又增大，因此叶轮叶片上端抛光较好，中间部位抛光效果一般，下端抛光效果也较明显。结论 磨粒流抛光过程中，试样表面因塑性变形产生了加工硬化，晶粒得以细化，从而有效提高了其耐磨性能。通过数值模拟与试验分析验证了复杂曲面磨粒流抛光技术的有效性，为磨粒流抛光技术提供理论基础。
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  丝锥刀具旋转磨粒流去毛刺和钝化抛光技术

  高航, 郭天博, 彭灿, 王宣平, 李伟秋, 林海生

  表面技术. 2023, 52(3): 299-307. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.027

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  目的 高效、低成本地消除丝锥、铰刀、钻头、铣刀等金属加工刀具磨削后产生的表面毛刺、亚表面烧伤等加工缺陷，实现刀具的高效钝化抛光。方法 基于磨粒流加工(AFM)技术，提出一种刀具旋转磨粒流抛光(R–AFM)原理和方法。通过模拟仿真方法获得优化的刀具运动轨迹，进一步研发可装夹40把刀具的多工位旋转磨粒流高效抛光专用设备;以高速钢丝锥为研究对象，选用新研制的GC磨料介质作为钝化抛光介质，采用正交实验设计法, 通过极差分析和方差分析，探究工件转速、加工时间、磨粒粒径及磨粒质量分数等工艺参数对刃口钝圆半径的影响规律;再选用正交试验获得的工艺参数组合，采用自主研制的WS和GC磨料介质，分别对丝锥刀具进行钝化抛光试验，分析2种新型磨料介质的钝化抛光特性;最后，基于前面的实验结果和理论分析，优选刀具钝化抛光复合加工的工艺参数，并验证刀具的钝化抛光效果。结果 各工艺参数对刀具刃口钝圆半径的影响程度依次为刀具回转速度、钝化抛光时间、磨粒质量分数和粒度。高硬度的GC磨料介质具有材料去除率高、对刃口的钝化能力较强等特点。在保持切削刃锋利度的前提下，采用低硬度的WS磨料介质，其毛刺去除效果更好。采用优化的工艺参数和自主研制的WS、GC磨料介质，对新加工的丝锥分别进行了1.5 min和1 min的组合抛光，加工后丝锥表面的毛刺得以完全去除，表面磨削烧伤痕迹显著消减，表面粗糙度Sa可从0.73 μm降至0.26 μm，刃口圆角半径可控制在企业要求的5 μm以内，刃口得到了有效修整，且避免了刀具刃口的“过顿”现象，抛光效率平均可达20支/min。结论 旋转磨粒流抛光技术与装备能高效去除刀具表面的毛刺，有效地改善了刃口加工缺陷，为复杂结构成型刀具等零件的高质、高效钝化抛光加工提供了一条新途径。
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  二维超声振动车削6061铝合金圆筒表面粗糙度研究

  刘自强, 童景琳, 卞平艳, 宰鹏辉, 张志鹏

  表面技术. 2023, 52(3): 308-317. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.028

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  目的 研究分析二维超声振动车削加工中切削参数和声学参数对6061铝合金圆筒表面粗糙度的影响。方法 结合二维超声振动特性，建立二维超声振动车削表面粗糙度理论模型，采用四因素四水平正交试验，获得二维超声振动车削6061铝合金圆筒过程中切削参数和声学参数对工件表面粗糙度的影响规律，选取其中4组进行二维超声振动车削与普通车削对比实验，并通过白光干涉仪和超景深显微镜对加工后的工件表面进行观测。结果 正交试验结果表明，切深对加工表面粗糙度的影响不明显，超声振幅、转速、进给量对加工表面粗糙度的影响程度分别为84.35%、11.36%、4.29%。超声和无超声对比实验表明，二维超声振动车削相较于普通车削能显著降低车削表面的粗糙度，最大下降率为47.65%，最小下降率为11.27%;相比于普通车削加工，二维超声振动车削表面具有均匀分布的鱼鳞状微织构。结论 加工参数对表面粗糙度影响的显著从高到低为超声振幅>转速>进给量>切深，最优加工参数为fr=0.15 mm/r、n=400 r/min、A=2 μm、ap=0.2 mm。采用二维超声振动车削的加工方法，可以显著降低6061铝合金圆筒表面的粗糙度值，并且加工表面有均匀分布的鱼鳞状微织构。
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  基于数值模拟的电镀3D打印厚度均匀性研究

  汤家港, 葛大丽

  表面技术. 2023, 52(3): 318-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.029

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  目的 优化电镀3D打印工艺，提高单层电沉积厚度的均匀性。方法 建立耦合电解液流动、物质传递、电极反应的多物理场模型，并数值求解，研究反应离子浓度和电解液电势的分布云图，以及沉积层截面形貌随时间的演化规律，分析影响沉积层厚度均匀性的直接因素。最后讨论抑制剂本体浓度CS、对流流速u0、电解液电导率κ及阴极电位φc等因素对沉积层厚度均匀性的影响规律。结果 随着沉积时间的增长，沉积层的形貌越发不平整，反应离子浓度和电解液电势的分布云图随沉积层截面形貌的变化而变化。加入40 μmol/L抑制剂后，沉积层表面的反应离子浓度和过电势的分布更加均匀。抑制剂本体浓度越高，沉积层截面形貌越平整，沉积层厚度均匀性越好，但存在一个饱和抑制剂浓度40 μmol/L。沉积层厚度均匀性随对流流速或电解液电导率的增大先增后减，随阴极电位增大单调递增。结论 阴极表面反应离子浓度和过电势的不均匀分布是导致沉积层厚度不均匀性的直接因素。添加抑制剂可有效改善沉积层厚度的均匀性，过大或过小的流速或电导率都会降低沉积层的厚度均匀性，适当提高阴极电位可提高沉积层厚度均匀性。
表面功能化
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  儿茶酚–(胺)表面化学介导的一氧化氮催化释放涂层研究

  刘苗, 谢鑫, 周吴一凡, 缪婉, 涂秋芬, 熊开琴

  表面技术. 2023, 52(3): 327-337. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.030

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  目的 在316L不锈钢(SS)表面构建原位一氧化氮(NO)催化释放涂层，使其能特异选择性地抗凝血、抑制平滑肌细胞(SMCs)增生，从而促进内皮细胞(ECs)生长。方法 在弱碱性水溶液中，选用多巴胺(DA)和己二胺(HD)为前驱体，利用多巴胺邻二苯酚结构自聚合沉膜的能力、多巴胺与己二胺的酚–(胺)表面化学，通过简单的一锅法在316L SS表面构建富氨基粘附涂层DA/HD。再通过碳二亚胺化学交联反应，共价接枝螯合Cu²⁺的1, 4, 7, 10–四氮杂环十二烷–1, 4, 7, 10–四羧酸(DOTA)，最后获得均匀且稳定的NO催化释放涂层(命名为Cu-DOTA@DA/HD)。结果 DA/HD涂层表面的氨基密度高达22 nmol/cm²，实现了Cu-DOTA的有效固定，其NO催化释放速率可达5.2×10^–10 mol/(cm².min)。Cu-DOTA@DA/HD涂层显著地抑制了血小板的粘附和激活，也能有效抑制血栓的形成，其表面血栓总质量由316L SS的(40.3±10.3) mg降低至(3.0±0.4) mg。Cu-DOTA@DA/HD涂层催化释放的NO赋予了316L SS选择性地抑制SMCs粘附和增殖，从而促进了ECs生长的功能。结论 基于儿茶酚–(胺)表面化学构建的NO催化涂层，成功地实现了316L SS表面持续、稳定的NO催化释放，赋予了其抗凝血、选择性抑制SMCs增殖和促进EC生长等多重生物学功能，在血液接触类器械(如体外循环导管和血管支架表面)应用方面具有潜在价值。
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  磁控溅射铱薄膜的表面形态与取向演变的控制优化

  夏天, 黄珂, 郑宇亭, 陈良贤, 刘金龙, 魏俊俊, 李成明

  表面技术. 2023, 52(3): 338-344, 369. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.031

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  目的 研究磁控溅射制备金属Ir膜的过程中溅射参数对Ir膜表面微结构和晶体质量的影响，制备高质量(100)取向的外延Ir膜，为单晶金刚石的异质外延生长奠定重要基础。方法 通过磁控溅射技术在单一改变参数(溅射功率、溅射厚度)的条件下制备金属Ir膜，通过分析原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、电子背散射衍射等测试结果，研究了各条件对所制备Ir膜粗糙度、表面形貌、晶体结构和取向的影响，并通过摇摆曲线衡量真空退火对薄膜晶体质量的优化效果。结果 在(100)MgO衬底上外延生长的Ir膜具有均匀的微结构，该结构由规则且紧密的矩形颗粒排列而成。薄膜表面微结构特征尺寸随溅射功率升高而逐渐减小;当功率为45 W时，Ir(200)X射线衍射峰强度最大、半高宽最宽;而随着厚度的增大，Ir(200)X射线衍射峰的半高宽及强度均增大。经优化的Ir膜表面光滑(Ra<0.5 nm)、薄膜晶体质量高(θFWHM<0.5°)。结论 功率、厚度和退火处理都会影响薄膜晶体质量和表面微结构尺寸，合适的功率和厚度结合退火处理能获得具有特定表面微结构的高质量Ir膜。
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  透明耐磨疏水有机硅改性丙烯酸树脂的制备及性能

  陈思安, 朱本峰, 张沐萱, 卢晓怡, 杨雨萌, 卫国英

  表面技术. 2023, 52(3): 345-351. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.032

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  目的 研究不同丙烯酸类单体以及硅烷偶联剂配比对所制得的树脂涂层自清洁性能与机械性能的影响。方法 以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、丙烯酸丁酯(BA)3种丙烯酸类单体与硅烷偶联剂(KH570)为原材料，采用自由基聚合法制备了具有透明耐磨性质的疏水有机硅改性丙烯酸树脂，加入羟基硅油使其交联固化，增强机械性能。重点研究了树脂涂层的接触角、附着力、硬度、透光率及耐摩擦等性能。结果 有机硅单体成功与丙烯酸类单体发生共聚，单因素优化后的树脂涂层的接触角为106.7°，与基体结合力为0级，硬度为H，在可见光波段内，涂覆在玻璃基底上的树脂最高透光率为92.08％，同时涂层具有良好的致密性。结论 将硅烷偶联剂(KH570)与丙烯酸类单体进行共聚，硅烷偶联剂的长链明显提升了共聚物的疏水性与稳定性，经交联固化后涂层表现出良好的机械性能与稳定性，并且由于所加单体的折射率都＜1.5，因而涂层表现出一定的增透效果。
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  激光图案化铝合金表面的润湿性和各向异性研究

  郭永刚, 吕志, 朱亚超

  表面技术. 2023, 52(3): 352-359, 369. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.033

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  目的 研究水滴在超亲/超疏水图案化铝合金表面润湿性、滚动阻力各向异性和定向运输特性。方法 采用激光刻蚀和氟硅烷修饰的方法，加工出具有微网格图案的超疏水6061铝合金表面。在超疏水铝合金表面再次激光刻蚀加工出长方形、平行四边形和圆形的超亲水微流体通道。研究了亲水沟槽宽度和深度对超亲/超疏水表面各向异性润湿和各向异性滚动的影响，分析了重力作用下水滴沿微流体通道的运动情况。利用SEM、三维轮廓仪观察铝合金表面形貌。利用接触角测量仪观测水滴与表面的接触角与滚动角大小。利用高速摄像机观察水滴的运动情况。结果 水滴在超亲/超疏水铝合金表面表现出明显的润湿性各向异性和滚动阻力各向异性。10 μL水滴在0.1 mm宽度的直线型沟槽上铺展，平行接触角θcp仅为93.9°;而垂直于线型沟槽方向，垂直接触角θcv却为152.6°。平行滚动角θrp为21.5°，而垂直滚动角θrv大于90°，水滴无法滚落。基于超亲/超疏水表面滚动阻力各向异性的特性，制备了依靠重力驱动实现微流体定向运输的铝合金表面。结论 亲水沟槽宽度对水滴在超亲/超疏水表面润湿性和滚动阻力各向异性的影响显著。激光刻蚀能够调控加工区域微结构、宏观形状和尺寸，可用于加工超亲/超疏水表面。超亲/超疏水表面可以依靠重力驱动实现微流体定向运输。
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  微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

  赵欣, 黄成超, 李梦, 杨华荣, 赵皓东

  表面技术. 2023, 52(3): 360-369. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.034

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  目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构，然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中，在超声水浴状态下进行电化学去合金，获得微纳米复合结构。经表面改性后，得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列，以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后，该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性，其接触角可达162.5°，滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明，该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性，1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明，接触角与扫描间距呈负相关，与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能，通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角，为后续研究提供了一定参考。
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  DP980表面氧化物对胶接性能的影响

  邵蓉, 刘永壮, 董妮妮, 李润昌, 刘新华, 刘洋, 黎敏, 李学涛, 曹建平

  表面技术. 2023, 52(3): 370-378. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.035

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  目的 明确高强钢DP980表面氧化物的组成及含量对胶接性能的影响规律，从而改善双相高强钢的胶接性能。方法 通过采用1%(质量分数)的醋酸溶液对双相高强钢DP980表面进行不同时间的酸蚀处理，结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对高强钢表面氧化物的微观形貌进行观察，通过电子探针(EPMA)表征酸洗前后高强钢表面元素分布变化，采用辉光放电发射光谱仪(GDS)对不同酸洗时间处理的高强钢表面元素的含量随深度变化进行分析，同时通过对Si、Mn元素的高分辨X射线光电子能谱(XPS)分峰拟合，表征高强钢表面不同氧化物成分。通过接触角测试分析酸洗处理对高强钢表面润湿性的影响。最后对不同酸洗时间处理的高强钢进行了胶接试验，探究高强钢表面氧化物含量、形貌及种类对胶接性能的影响规律。结果 DP980表面存在Si、Mn、O元素的富集，其中氧化物以SiOx、Mn2SiO4、MnSiO3、MnO等形式存在。随着酸洗时间的延长，DP980表面氧化物尤其是SiOx含量显著降低，颗粒尺寸明显减小，同时表面纳米尺度的结构起伏增加，表面接触角减小。经过酸洗处理的高强钢胶接性能得到了明显提升，酸洗400 s后，样品的内聚破坏比例由初始85%提升至100%，平均剪切强度由0.54 MPa提升至0.66 MPa，最大剪切力由168.1 N提升至206.4 N。结论 DP980表面氧化物的减少，可以有效提高高强钢表面的润湿性，增强胶黏剂与DP980基体的界面结合力，进而提升材料胶接性能。因此可以通过合金成分设计、退火工艺控制等方法改变表面氧化物类型以及含量，从而提升汽车板的胶接性能。
激光表面改性技术
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  316L水平悬垂结构初始层选区激光熔化成形形貌研究

  李梓杉, 杨高林, 董刚, 姚建华

  表面技术. 2023, 52(3): 379-387, 437. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.036

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  目的 针对选区激光熔化成形带较薄水平悬垂结构零件时表面形貌较差的问题，研究支撑间隔、支撑形式以及能量输入的大小对支撑上方悬垂结构初始层形貌的影响。方法 利用选区熔化技术制备带支撑的316L水平悬垂结构初始层成形试样，通过截面金相分析和表面形貌数据分析，探究初始层熔融金属在冷却凝固前形貌的影响因素，以及变化过程机制。结果 随着支撑间隔从2.5 mm减小至0.714 mm，激光能量输入由0.083 W.s/mm增加至0.25 W.s/mm，悬垂结构初始层的孔隙逐渐减少，最低孔隙率为6.549%。表面凸起球化最大高度由523.454 μm降低至最小267.951 μm，成形表面更为平整。相同排布方式下，线形连续支撑成形试样的孔隙更少。结论 支撑间隔影响相邻支撑间受激光扫描熔融形成的熔融金属量，激光能量输入的大小将影响相同散热速率下熔融金属所需的凝固时间。受到扰动而破裂的熔融金属薄膜在表面张力作用下，将不断向与支撑结构连接处汇聚球化，初始层形貌不断偏离初始的平整薄层状态。使用十字交叉排布方式支撑间隔在1 mm以下的线形连续支撑，可以有效减少SLM成形水平悬垂结构初始层的孔隙数量，并提高初始层形貌的平整程度。
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  热处理对激光熔化沉积18Ni300马氏体时效钢微观组织和力学性能的影响

  郑步云, 陈鑫, 雷剑波, 王天琪

  表面技术. 2023, 52(3): 388-398. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.037

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  目的 提高18Ni300马氏体时效钢在工业应用中的力学性能，研究不同热处理对激光熔覆制备18Ni300合金的影响。方法 采用固溶处理(840 ℃/1 h)和固溶处理(840 ℃/1 h)+时效处理(490 ℃/ 6 h)2种热处理方法，利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和拉伸试验机对激光熔化沉积(LMD)制备18Ni300合金的微观组织、力学性能进行研究，根据不同处理方法下的拉伸断口形貌、性能表征及元素偏析行为，分析热处理对力学性能的影响。结果 经固溶处理后，熔池边界消失，在高温保温过程中杂质相与合金元素充分溶解在奥氏体中，冷却后形成了均匀的马氏体组织，与沉积态相比，抗拉强度由662.1 MPa变为611.5 MPa，降低了约7.64%，伸长率由12.328%变为13.832%，提升了约12.20%;经固溶+时效处理后枝晶形貌基本消失，各元素分布均匀，并在基体中弥散分布着Ni3Mo、Ni3Ti型第二相沉淀，抗拉强度达到1 404.6 MPa，提升了约112.14%，伸长率为7.80%，降低了约36.72%，在断口中观察到亚微米级第二相沉淀呈球状或颗粒状，并大量分布于枝晶间。结论 沉积态18Ni300合金主要由马氏体和少量奥氏体组成，致密度良好，拉伸性能表现为强度较低但塑性良好;经固溶处理后，物相均由马氏体组成，元素分布均匀，抗拉强度略微下降，塑性提升;固溶+时效处理对合金起到了弥散强化的作用，抗拉强度大幅提升，塑性显著减弱。在热处理前后试样的断裂机制均属于韧性断裂，第二相弥散强化为热处理后合金力学性能提升的主要原因。
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  基于分形曲线的分区扫描策略对激光熔化沉积基板变形的影响

  姚少科, 孙辉磊, 李正阳, 蒋华臻

  表面技术. 2023, 52(3): 399-407. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.038

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  目的 研究新型扫描策略，减小激光熔化沉积过程中基材的变形。方法 首先，采用分形曲线作为全域扫描策略，通过激光熔化沉积试验研究了1种传统扫描策略与3种分形扫描策略的基板变形。其次，提出将分形扫描策略和分区扫描策略相结合，按照分形曲线的走向扫描各个分区，形成基于分形曲线的分区扫描策略，通过激光熔化沉积试验研究了1种传统分区扫描策略与3种基于分形曲线的分区扫描策略的基板变形。结果 无论是全域扫描还是分区扫描，基板的4条边均发生了竖直向上的翘曲变形。在扫描路径的终点附近，基板的变形量最大。全域扫描策略下，基板的最大变形量分别为:光栅式扫描7.5 mm，Peano曲线3.3 mm，Sierpinski曲线2.5 mm，Lebesgue曲线3.8 mm。分区扫描策略下，基板的最大变形量分别为:光栅式顺序7.5 mm，Hilbert曲线顺序3.5 mm，Sierpinski曲线顺序3.2 mm，Lebesgue曲线顺序5.4 mm。结论 基于分形曲线的分区扫描策略可以显著减小基板变形，还可以灵活地调节扫描线段的方向和数量，在综合考虑扫描线设计的灵活性和变形量的情况下，基于Sierpinski曲线的分区扫描策略为最优策略。
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  激光功率对DH36船用钢力学性能及强化机制的影响

  柳睿, 于佳成, 杨琪帆, 吴志杰, 席明哲, 高士友

  表面技术. 2023, 52(3): 408-417. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.039

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  目的 提高DH36船用钢表面力学性能及研究其强化机制。方法 采用不同激光功率对DH36船用钢表面进行激光重熔。随后使用OM、SEM、TEM、万能力学试验机和维氏硬度计研究了激光功率对DH36船用钢组织转变、析出相和力学性能的影响。利用Rosenthal模型计算出了熔池内的温度梯度、冷却速率和凝固速度。分析讨论了不同激光功率下重熔层内显微组织的转变过程。比较了不同激光功率作用后DH36船用钢的拉伸性能和显微硬度。结果 激光功率为1 500 W时，最大的屈服强度和抗拉强度分别为495.7 MPa和615.5 MPa。重熔层内显微硬度沿z方向呈逐渐下降趋势，激光功率为1 000 W时，具有最大的硬度值448HV。随着激光重熔功率(P)的增加，熔池内的温度梯度的最大值(Gmax)单调增加，而凝固速度的最大值(Rmax)则与P无关。当v =10 mm/s时，激光重熔DH36钢的熔池内有Rmax = 0.098 3 m/s。在P = 2 500 W时，熔池内有Gmax = 107 700 K/m。功率为1 000 W时，晶粒内弥散着纳米渗碳体，强化机制为第二相强化;功率为2 500 W时，晶粒内和晶界处出现尺寸较大的析出相，强化机制为固溶强化。不考虑P =1 000 W，激光功率越大，重熔层硬度的提升效果越明显。结论 激光重熔工艺可有效地提高DH36船用钢表面力学性能。不同激光功率下，船用钢重熔层内的强化机制不同。
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  激光熔覆CoCrCu0.4FeNi高熵合金涂层的微观组织和性能

  徐洪洋, 卢金斌, 彭漩, 马明星

  表面技术. 2023, 52(3): 418-428, 437. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.040

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  目的 提高零部件的硬度和耐磨性。方法 采用Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si自熔合金以及Cu粉在Q235钢基体上激光熔覆CoCrCuFeNi高熵合金涂层，激光功率为2.2、2.4 kW，扫描速度为9、12 mm/s，利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析涂层的微观组织，并测试了涂层的显微硬度。结果 Cu含量较高的涂层与基体形成了良好的冶金结合，但在涂层中存在严重的Cu偏析现象;Cu含量较低的涂层与基体结合处附近存在少量孔洞缺陷，局部区域具有调幅分解，涂层微观组织主要由树枝晶和枝晶间组成，树枝晶为FCC1，富Cu贫Cr，枝晶间为FCC2，富Cr贫Cu，还存在少量的纳米相，形成了具有C和B间隙固溶的CoCrCu0.4FeNi高熵合金涂层。熔覆的涂层厚度为2.19~2.58 mm，涂层枝晶厚度为2.2~ 7.3 μm，且枝晶越小，硬度越高。涂层的显微硬度为280~300HV0.2，基体的硬度为110~130HV0.2，约为基体的2.5倍。结论 采用Ni-Cr-B-Si、Co-Cr-B-Si自熔合金和Cu粉激光熔覆了CoCrCuFeNi高熵合金涂层可提高Q235钢基体的硬度。激光功率越低，扫描速度越大，树枝晶越细小，细晶强化的作用越强，涂层的硬度越高。
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  激光熔覆CoCrFeNiWx高熵合金涂层的组织及性能

  马世忠, 孙荣禄, 牛伟, 谷米, 左润燕, 张连旺

  表面技术. 2023, 52(3): 429-437. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.041

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  目的 研究W含量对激光熔覆CoCrFeNi高熵合金涂层组织及性能的影响。方法 采用RFL-C1000光纤激光器在45^#钢表面制备CoCrFeNiWx(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8)高熵合金涂层，利用光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计、摩擦磨损试验机等，对熔覆层的宏观形貌、微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能进行分析和测试。结果 熔覆层与基材之间的润湿性较好。随着W元素含量的增加，涂层由单一的FCC相转变为FCC相+μ相(Fe7W6、Co7W6)，微观组织由胞状晶转变为树枝晶，晶粒尺寸减小，且在x=0.8时出现了明显的共晶组织和大量μ相沉淀。熔覆层的显微硬度随着W含量的增加而增大，x=0.8时，熔覆层具有最高的显微硬度，达到432.02HV0.3，约为基材硬度的2.1倍，为CoCrFeNi熔覆层硬度的2.2倍。x=0.6时，涂层磨损量最小，仅为CoCrFeNi涂层磨损量的30.85%，平均摩擦因数最低，约为0.311。随着W元素含量的增加，涂层磨损机制由黏着磨损和磨粒磨损转变为磨粒磨损。结论 W元素的加入促进了μ相的生成，大幅提高涂层硬度，改善涂层的耐磨性能，强化机制为固溶强化、细晶强化和第二相强化。