2023年, 第52卷, 第5期　
刊出日期：2023-05-20

  

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研究综述
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  海洋环境钛金属的应用现状及其防护技术研究

  李金龙, 赖思颖, 董敏鹏

  表面技术. 2023, 52(5): 1-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.001

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  钛金属具有优异的耐海水和海洋大气腐蚀性能，因此在海洋装备中有广泛应用。但是钛金属在严酷海洋环境中应用表现出一些不足之处，如耐磨蚀性能差、易生物污损和电偶腐蚀等问题，严重影响了钛金属结构件的长寿命和安全可靠服役。介绍了钛金属在海洋环境中的应用现状，揭示了存在上述不足问题的本质原因。如海洋环境磨损与腐蚀的交互作用导致耐磨性能差的钛金属磨蚀损耗加剧，钛金属良好的生物相容性使其产生严重的生物污损，钛金属相比于其他金属具有较高的正电位，在介质环境中与异种金属偶接时作为阴极被保护从而加速偶接合金的腐蚀。鉴于钛金属优异的海洋耐候性，其在海洋环境中的应用必将越来越广泛，但是合适的表面处理和涂层防护是必不可少的。综述了国内外钛金属在海洋环境应用相关防护技术的研究现状，并对海洋环境中钛金属表面防护技术的发展方向和趋势进行了展望:金属陶瓷涂层和可控纳米结构氧化物陶瓷涂层是海洋环境钛金属运动部件耐磨蚀保护有效的技术手段;防污剂释放型和纳米缓释涂层技术是实现钛金属长效防生物污损很有前途的技术方法;钛金属表面低导电表面改性层的设计和制备可降低与其接触异金属的电偶腐蚀速度。
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  机械镀合金镀层的研究进展

  赵庆虚, 张少波, 王志斌, 赵晓军, 王胜民

  表面技术. 2023, 52(5): 14-25, 60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.002

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  首先，概述了近年来国内外对机械镀合金层研究的发展历程，指出不同种类机械镀合金层在湿式与干式工艺中的研究难点，湿式机械镀研究主要集中于镀层形成机理、锌基复合镀层及表面活化剂等，干式机械镀主要集中于镀层的合金化及镀层合金材料的配制方面。其次，分析了2种不同工艺下合金镀层的形成机理及合金镀层的防腐机理，湿式镀层由金属粉依靠表面活性剂和沉积促进剂在先导金属的作用下稳定持续形成，从而在基体表面形成防腐屏障;干式镀层依靠合金包覆的丸粒高速喷射冲击基体而形成，合金层和其表面的氧化膜作为防护层。最后，基于合金镀层优良的耐蚀性能和机械镀工艺特点，给出了研究发展以合金粉为原料的湿式机械镀的倡议，并从活化与沉积稳定性、绿色与复合化、产业标准化等方向，提出了机械镀合金镀层在防腐材料领域的发展趋势及研究建议。
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  质子交换膜燃料电池双极板防护涂层研究进展

  孙贤伟, 李希超, 赵经香, 王敬豪, 刘飞, 赵培文, 戴作强, 郑莉莉

  表面技术. 2023, 52(5): 26-36. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.003

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  质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为第4代发电技术，具有结构紧凑、体积小、能量密度高、效率高、启动快、低温运行以及零排放的绝对优势，被认为是现阶段理想的清洁能源之一，是未来新能源汽车理想的供能部件，受到各国学者的广泛关注。双极板作为PEMFC重要的组成部件之一，不仅能够将单电池串联、并联或是混合联结形成电池堆，起到支撑作用，还能够隔绝阴极、阳极的反应气体，排出电池堆反应产生的热量和水，对PEMFC电池堆的性能至关重要。合适的双极板材料要具有优异的导电性和耐腐蚀性，已成为PEMFC研究领域的一个热点。简述了PEMFC的工作原理以及近年来石墨双极板、金属双极板以及复合双极板的研究情况，指出了PEMFC在工作条件下对金属双极板的性能要求及改性难题。着重对不锈钢双极板的表面涂层改性进行了研究，列举了碳基涂层、金属及其化合物涂层、导电高分子聚合物涂层、疏水涂层等一系列涂层的研究进展和性能，分析对比了它们在PEMFC双极板表面改性中的优缺点。分析结果表明，过渡金属碳、氮化物以及碳/陶瓷复合涂层具有良好的导电性和耐蚀性且成本较低，是当前以及未来的研究热点，同时如何增强涂层与基体的结合力，也是今后双极板表面改性的发展方向。
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  镁合金表面腐蚀防护技术研究进展

  夏先朝, 潘玥, 袁杏, 聂敬敬, 孙京丽, 袁勇, 董泽华

  表面技术. 2023, 52(5): 37-50, 70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.004

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  镁合金较差的耐腐蚀性能限制了其大规模应用。利用表面腐蚀防护技术可以有效改善镁合金的耐蚀性能，延长镁合金的服役寿命。因此，可靠的表面腐蚀防护技术是突破镁合金应用瓶颈的关键。从镁合金表面腐蚀防护技术的分类入手，阐述了各种防护技术的基本原理。在此基础上，综述了近年来镁合金腐蚀防护技术的研究进展，包括电化学方法、化学方法及其他表面腐蚀防护方法等，阐明了各种技术的优缺点及适用范围，并对镁合金表面防护技术的发展趋势进行了展望。经过多年的发展，镁合金表面防护技术的理论研究和应用日臻完善，现有的表面防护方法一定程度上都能为镁合金基体提供腐蚀防护作用。然而，随着镁合金应用范围的扩展，相关结构件常会面临恶劣的服役环境。因此，单一的表面腐蚀防护技术已经很难满足工业领域对镁合金材料的迫切需求，多种表面处理技术联合制备的复合涂层具有广阔的应用前景。镁合金表面防护技术当前正朝着功能化和智能化的复合涂层方向发展，同时对制备工艺的安全环保性也提出了更高要求。未来除了保证高耐蚀性外，开发多功能智能涂层对提升防护层的长效防护能力、拓宽镁合金的应用范围具有重大的现实和长远意义。
摩擦磨损与润滑
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  高速动车组车轮偏磨影响因素与限值研究

  祁亚运, 戴焕云, 干锋, 桑虎堂, 王瑞安

  表面技术. 2023, 52(5): 51-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.005

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  目的 高速动车组在运营过程中的轮轨磨耗严重威胁着运营安全和运营经济性，车轮偏磨对车辆的运行性能具有重要影响。探究高速动车组车轮发生偏磨的原因，从而提出对应的抑制措施。方法 通过实测数据，统计分析动车组偏磨问题和演化规律，并对不同车轮偏磨下的轮轨静态接触参数进行分析;建立高速动车组车辆模型和Jendel车轮磨耗模型，分析偏磨产生的机理和影响因素，主要从4个方面进行探究，包括左右轮表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形的不对称性;通过建立轮对刚柔耦合模型，对不同车速下的车轮偏磨限值进行研究。结果 磨耗里程为200 000 km，当硬度差为0、5H、10H时，右侧车轮的磨耗深度分别为0.954、0.966、0.973 mm。当右侧转臂节点刚度减小为5 MN时，右侧车轮的磨耗深度减小了5%。当左右钢轨廓形不对称时，左侧车轮的磨耗比右侧的磨耗增大了15.8%。当速度为300、350、400 km/h时，轮径差限值分别为2.4、2.1、1.7 mm。结论 左右车轮的表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形不对称性是引起车轮偏磨的主要诱因，在服役过程中需对影响车轮偏磨的车辆和线路参数进行有效监控，并根据运营状态及时进行检修。
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  铜基底/石墨烯涂层束缚减摩机制

  冉迪, 郑鹏, 苑泽伟, 王宁

  表面技术. 2023, 52(5): 61-70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.006

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  目的 探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响，揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法 基于AIREBO、EAM、Lennard–Jones混合势函数和Verlet算法，采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究，结合基底位错、承载直径、划切圆角、划切刃角的变化规律，分析石墨烯涂层对法向力和摩擦力的影响。结果 在纳米压痕中，石墨烯涂层使基底压入边缘处产生了划切圆角，当压入深度为3.0 nm时，基底承载直径由4.6 nm增至8.2 nm，法向承载力由62.63 nN提高至514.32 nN;在摩擦过程中，石墨烯涂层抑制了基底表面的犁沟效应，使位错密度由0.06 nm^–2提升至0.15 nm^–2;当压入深度相同时，石墨烯涂层使基底具有更小、更稳定的摩擦因数，最终使摩擦因数降低了61.43%~77.81%;当下压力为150 nN时，石墨烯涂层使划切刃角由90°降至32°，摩擦力由75.72 nN降至21.51 nN。当Cu/Gr基底上的划切刃角由32°降至17°时，摩擦力由21.51 nN降至9.08 nN。结论 石墨烯涂层的束缚机制增大了基底表面的承载直径，增大了基底内的位错密度，进而提高了法向承载能力。石墨烯涂层的束缚机制降低了划切刃角，降低了摩擦力，提升了基底的摩擦性能。
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  等离子活化烧结制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层及其磨损与腐蚀性能

  赵建国, 仵明杰, 卢尚智, 卫波辰, 郭亚杰

  表面技术. 2023, 52(5): 71-78, 89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.007

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  目的 利用高熵合金涂层耐磨性能和耐腐蚀性能俱佳的特点，在进一步提升304不锈钢耐腐蚀性能的基础上，改善304不锈钢基体的耐磨性。方法 在304奥氏体不锈钢基体表面利用等离子活化烧结技术快速制备出AlCoCrFeNi高熵合金涂层;利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等设备分析涂层的组织形貌、元素分布及物相结构;采用显微硬度计、摩擦磨损仪、电化学工作站等设备测试涂层与基体的硬度分布、磨损特性及电化学腐蚀特性。结果 在保温温度1 000 ℃、压力70 MPa、保温时间10 min的制备条件下，涂层与基体间界面冶金结合良好，结合处并未发现孔洞和裂纹等缺陷;随着烧结温度的升高，涂层内部气孔逐渐减少，涂层主要由网状的FCC相和分布于其间的BCC相+B2相组成;与304不锈钢基体相比，涂层的硬度显著增大，在相同载荷(20 N)下涂层的平均摩擦系数降低(0.138)，与基体磨损表面严重的黏着和剥落不同，涂层磨面无明显的黏着和剥落现象，仅有少量犁沟出现;点蚀是涂层和基体在质量分数为3.5%的 NaCl溶液和模拟海水中的主要腐蚀形式，相较于基体，涂层在质量分数为3.5%的 NaCl溶液和模拟海水中的自腐蚀电位Ecorr分别提高了约0.3、0.1 V，自腐蚀电流密度Jcorr分别下降了约2个和1个数量级。结论 等离子活化烧结技术能够同步、快速地实现涂层致密化和界面高质量结合，AlCoCrFeNi高熵合金涂层对304不锈钢基体耐磨与耐腐蚀性能的提升效果明显，上述结果证实了利用高熵合金来改善不锈钢基体的综合使用性能是可行途径。
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  纳米氧化铝掺杂酚醛/环氧聚合物基复合材料的制备及耐磨性能

  郭朋彦, 张瑞珠, 包仲保, 张志方, 冯家赫, 李炎炎

  表面技术. 2023, 52(5): 79-89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.008

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  目的 提高环氧树脂的耐磨性并改善其力学性能，探究纳米氧化铝掺杂酚醛/环氧复合材料的摩擦磨损行为并揭示其减摩耐磨机制。方法 以酚醛树脂(PF)改性环氧树脂(EP)为聚合物基体，将改性的纳米氧化铝(Nano-Al2O3)掺杂其中，制备不同配比的Nano-Al2O3掺杂PF/EP聚合物基复合材料。利用红外光谱仪(FTIR)对复合材料进行化学结构表征。通过泰伯磨损试验和硬度分析，对比不同含量Nano-Al2O3掺杂对PF/EP基复合材料耐磨性能的影响。借助扫描电镜(SEM)分析复合材料的断面形貌和磨损表面，探究复合材料的磨损机理和减摩耐磨机制。结果 FTIR测定证实了硅烷成功改性Nano-Al2O3，并参与到PF与EP的固化反应中。硬度分析及磨损试验表明，硅烷改性Nano-Al2O3和PF的加入都提高了复合材料的硬度和耐磨性。与纯EP相比，酚醛质量分数为30%，掺杂3% Nano-Al2O3的复合材料的泰伯磨损指数最低，硬度提高了86%，磨损量降低了38.7%。SEM显示Nano-Al2O3与PF/EP聚合物基体结合良好，断裂面产生的银条纹和分散均匀的Nano-Al2O3提高了复合材料的韧性和致密性。掺杂Nano-Al2O3后的复合材料，其磨损面更平整，磨损机理主要为黏着磨损。复合材料基体中的Nano-Al2O3和PF通过提高刚度和承载能力改善了磨损性能。另一方面，Nano-Al2O3形成的润滑膜和聚合物自润滑特性提高了复合材料的耐磨性能。结论 优异的摩擦学性能归因于较强的显微硬度和润滑膜的协同作用。
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  具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

  郭姿含, 张军, 黄金满, 李晖

  表面技术. 2023, 52(5): 90-100. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.009

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  目的 管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题，直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题，从仿生学角度，参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态，设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。方法 运用CFD–DPM方法，采用Finnie冲蚀模型，考虑颗粒与流体的双向耦合作用，对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟，并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。在数值模拟基础上，采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。结果 数值模拟结果表明，具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°~60°区域槽的底部。3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性，三角形槽的抗冲蚀特性最佳，提高了约38.33%，矩形槽次之，提高了约28%，等腰梯形槽最差，仅提高了约8.33%，且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化;正交试验结果表明，在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深，最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。结论 槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞，降低了碰撞速度，从而减小了冲蚀。抗冲蚀性能最优的表面仿生结构为三角形槽，矩形槽次之，等腰梯形槽最差。在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深。该研究可对弯管的抗冲蚀特性设计提供新的思路。
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  煤炭地下气化生产井井口装置冲蚀规律研究

  王辰龙, 王杰, 敬鑫, 乔磊, 何爱国, 刘奕杉, 唐洋

  表面技术. 2023, 52(5): 101-110, 130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.010

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  目的 研究煤炭地下气化生产井口装置采气过程中，携带煤灰、煤渣的粗煤气对井口装置采气流场区域冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法 基于气–固两相流理论，采用离散相模型(DPM)描述离散固相颗粒的运动学和运动轨迹，采用雷诺–平均–纳维–斯托克斯(RANS)方程计算连续相的流体动力学特性，通过数值分析得到主要冲蚀磨损位置，以及固体颗粒粒径、颗粒质量流量、粗煤气流速的变化对采气流场区域冲蚀率的影响，并通过实验进行验证。结果 主要冲蚀磨损区域在小四通和侧阀Ⅰ的内部壁面。固体颗粒粒径为20~200 μm，小四通内壁面处，颗粒粒径为40 μm时最大冲蚀率最大，为8.7×10^–7 kg/(m².s)，是粒径为180 μm时的11.9倍。固体颗粒质量流量为2.5×10^–4~12.5×10^–4 kg/s，小四通内壁面处，在质量流量为12.5×10^–4 kg/s时，最大冲蚀率最大，为7.3×10^–7 kg/(m².s)，是质量流量为2.5×10^–4 kg/s时的5.2倍。粗煤气流速从10~20 m/s，小四通内壁面处，在粗煤气流速为20 m/s时，最大冲蚀率最大，为6.7×10^–7 kg/(m².s)，是粗煤气流速为10 m/s时的2.7倍。通过实验验证了数值分析对主要冲蚀区域预测的正确性，并且验证了堆焊能有效减轻气固两相流对装置的冲蚀。结论 小四通和侧阀Ⅰ的内部壁面受到冲蚀磨损最严重。颗粒粒径、颗粒质量流量和粗煤气产量等因素对装置的冲蚀磨损率均有较大影响，且颗粒粒径影响最大。在井口装置加工的时候，应对主要冲蚀区域做堆焊处理，在生产井口装置工程应用中，应当对小四通和侧阀Ⅰ加强监测，及时更换，并且参考分析结果对工艺流程进行相应的合理优化，尽可能地减少对装置的磨损。
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  真空熔覆Ni基复合涂层的制备及性能研究

  伍康凯, 张子健, 李松泽, 王龙龙, 李明科, 衣雪梅

  表面技术. 2023, 52(5): 111-120, 130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.011

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  目的 提高65Mn钢的耐磨性和耐酸碱腐蚀性能。方法 通过真空熔覆技术在65Mn钢表面制备了Ni基?碳化钨(WC)复合涂层，并加入稀土氧化铈(CeO2)改善其微观缺陷。采用扫描电子显微镜(SEM)结合能谱仪(EDS)观察涂层微观结构和元素分布，X射线衍射仪(XRD)测定涂层物相成分，维氏显微硬度计测试涂层硬度。采用带有干涉镜头的摩擦磨损试验机测定涂层的摩擦因数，并通过三维形貌图获取磨痕宽度、深度和体积磨损量，通过磨痕扫描形貌分析摩擦磨损机理。采用电化学工作站分别测试涂层在酸性和碱性腐蚀介质中的电化学性能。结果 涂层以(Ni，Cr，Fe)固溶体、WC及含W增强相的Cr4Ni15W和Ni17W3作为主要的强化相组成。涂层随硬质相WC含量的增加而出现孔洞、裂纹等缺陷，在CeO2的改善作用下，质量分数为30%的WC硬质相涂层组织致密，无明显缺陷，平均显微硬度达900HV1~1 000HV1，是基体硬度的3~4倍;摩擦磨损性能较65Mn钢基体有明显提高，在不同试验条件下，其体积磨损率仅为65Mn钢基体的13.1%~17.4%，但摩擦因数略高于基体。磨痕分析表明，磨损机制主要以磨粒磨损为主，并伴随着选择性磨损和脱层磨损。电化学测试结果显示，涂层耐碱性腐蚀性能优于耐酸性，且均优于基体。结论 在以磨损为主、兼顾防腐的实际工况下，30%WC+2%CeO2(质量分数)组合的Ni基复合涂层性能最佳，此时熔覆涂层组织致密、无明显缺陷、与基体结合良好，具有优异的耐磨、耐酸碱腐蚀性能。
腐蚀与防护
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  Si/BDD电极在酸/碱电解条件下的电化学氧化性能变化

  白贺娜, 王润, 杨万林, 陈伟鹏, 邓泽军, 魏秋平, 李静, 马莉

  表面技术. 2023, 52(5): 121-130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.012

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  目的 探究Si/BDD电极在酸性、碱性2种电解条件下的性能变化特征，阐明BDD电极在酸、碱溶液中电化学氧化性能的变化与失效机理。方法 通过HFCVD技术制备Si/BDD电极，分别在1 mol/L H2SO4、1 mol/L NaOH溶液中进行加速寿命实验，以活性蓝19(RB?19)模拟染料废水，进行电化学氧化降解实验。使用扫描电子显微镜、拉曼光谱、接触角测试仪、紫外分光光度计及电化学工作站对电极的表面形貌、成分及电化学性能进行表征。结果 在1 mol/L NaOH溶液中，当电解时间为195 h时，电极表面部分区域发生了明显的脱落现象;在1 mol/L H2SO4溶液中，当电解时间达到600 h时，电极表面仍未出现明显的脱落现象，电极表面形貌由清晰转为模糊，晶粒尺寸细化，且在晶界处存在明显的腐蚀现象;在酸溶液中，BDD电极对RB?19的降解效果随着电解时间的延长而提高，而在碱溶液中，其降解效果与电解10 h的降解效果基本一致。结论 与酸溶液相比，Si/BDD电极更易在碱溶液中发生腐蚀。
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  Si–Yb2O3/Yb2Si2O7/Yb2SiO5 EBC涂层组织结构及熔盐腐蚀行为研究

  王达望, 李其连, 张乐, 李淑青, 杨伟华

  表面技术. 2023, 52(5): 131-139, 162. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.013

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  目的 研究Si–Yb2O3/Yb2Si2O7/Yb2SiO5 3层EBC涂层的抗熔盐腐蚀性能。方法 采用真空等离子喷涂工艺在试样表面单面制备Si–Yb2O3/Yb2Si2O7/Yb2SiO5 3层结构的EBC涂层，选用尺寸为Ф25 mm、厚度为 5 mm的SiCf/SiC复合材料基体试样，在900 ℃、NaCl(质量分数为50%)+Na2SO4(质量分数为50%)混合盐中进行连续100 h的熔盐腐蚀试验，采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等观察和测试3层EBC涂层熔盐腐蚀前后的形貌，分析其组织结构以及该EBC涂层在熔盐腐蚀过程中的化学反应机理。结果 经过连续100 h、900 ℃的熔盐腐蚀，基体SiCf/SiC复合材料被完全腐蚀掉;底层Si和Yb2O3出现了部分缺失、涂层不完整的现象;中间层Yb2Si2O7在熔盐腐蚀后形成了大量孔洞，但依然基本保持了其原有的涂层框架尺寸;面层Yb2SiO5在涂层厚度尺寸上与熔盐腐蚀之前的尺寸基本一致，熔盐腐蚀后结构致密，维持了自身的化学稳定性。结论 SiCf/SiC复合材料本身不具有抗熔盐腐蚀能力，底层Si和Yb2O3涂层的抗熔盐腐蚀性能较差，体系中Yb2Si2O7中间层具有一定的抗熔盐腐蚀性能，而Yb2SiO5面层具有良好的抗熔盐腐蚀性能，因此在Si–Yb2O3/Yb2Si2O7/Yb2SiO5 3层结构EBC涂层体系中，按抗熔盐腐蚀能力由低到高排序为:底层Si和Yb2O3<中间层Yb2Si2O7<面层Yb2SiO5，本体系中的EBC涂层具有良好的抗熔盐腐蚀性能。
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  Fe基非晶涂层厚度与其爆炸喷涂沉积特性及性能

  李旭强, 李文生, 翟海民1，马旭

  表面技术. 2023, 52(5): 140-148, 162. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.014

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  目的 评估沉积厚度对Fe基非晶涂层在殷瓦钢基体上服役性能的影响。方法 利用爆炸喷涂在殷瓦钢表面沉积了4种不同厚度（dAC1≈50 μm，dAC2≈150 μm，dAC3≈250 μm，dAC4≈500 μm）的Fe基非晶涂层，采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、维氏显微硬度计、纳米压痕仪、液压式万能试验机、电化学工作站等，研究了涂层的微观结构、物相组成、显微硬度、弹性模量、残余应力、结合强度和电化学腐蚀特性。结果 不同厚度Fe基非晶涂层均未出现明显的晶化现象，AC1涂层的孔隙率明显较高（2.8%~1.4%），在厚度增至AC3时涂层与基体界面出现了明显的裂纹，且裂纹随着厚度的增加继续恶化，至AC4时在截面形貌上仅观察到少量界面结合连接区域；随着涂层厚度的增加，涂层孔隙率、冷却残余拉应力和结合强度显著降低，显微硬度和弹性模量略有上升。AC1涂层因形成了电偶腐蚀，从而加剧了基体腐蚀，不具备耐腐蚀防护能力。当涂层厚度达到AC3后，涂层的腐蚀电流密度小于基体的腐蚀电流密度，其腐蚀电位和极化电阻均高于基体的，且腐蚀电流密度随着厚度的增加继续降低，AC3级及更厚的Fe基非晶涂层对基体形成了有效防护。结论 Fe基非晶涂层的结合性能和耐蚀性与涂层厚度变化趋势相反，涂层沉积厚度应根据涂层的服役工况而定。在耐蚀性工况下涂层应达到AC3级或更厚。
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  短切玄武岩纤维增强环氧树脂复合涂层的制备及性能研究

  张寒露, 曹京宜, 胡建海, 郑宏鹏, 王莹莹, 林冰, 张海龙, 曾树义, 唐鋆磊

  表面技术. 2023, 52(5): 149-162. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.015

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  目的 研究玄武岩纤维/树脂基体界面对涂层性能的影响，通过界面结构的调控提升复合涂层的综合性能。方法 采用酸刻蚀、活化和化学接枝等改性方法处理短切玄武岩纤维，制备短切玄武岩纤维增强环氧复合涂层。通过扫描电子显微镜、硬度测试、摩擦磨损测试、热重分析、电化学测试等方法研究短切玄武岩纤维不同表面改性方法(酸刻蚀、酸刻蚀+化学接枝、活化处理、活化+化学接枝)和添加量对涂层硬度、摩擦磨损性能及腐蚀防护性能的影响。结果 4种表面改性方法均对短切玄武岩纤维的表面活性有提升效果，改善了短切玄武岩纤维与环氧树脂的相容性。其中，活化+化学接枝协同改性的效果最为显著，经过该方法改性后，复合涂层的硬度、耐磨性、耐热性显著提高。与环氧涂层相比，复合涂层的摩擦因数降低了0.113，硬度提高了32.59%，相同温度(320 ℃)下的重量损失降低了5%。同时，复合涂层的耐蚀性也显著增强，浸泡133 d后的涂层阻抗值仍保持1×10⁸ Ω.cm²以上。结论 表面改性使短切玄武岩纤维与环氧树脂之间相容性增强，进而形成了强有力的相互作用与结合，使得环氧涂层的硬度、耐磨性能、耐热性能和腐蚀防护性能显著提升。
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  阴极气体O2对石墨烯/聚苯胺/不锈钢双极板耐蚀性的影响

  李宛静, 周婉秋, 辛士刚, 苏桂田, 康艳红, 孙秋菊

  表面技术. 2023, 52(5): 163-174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.016

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  目的 提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板的耐腐蚀性能。方法 采用循环伏安法(CV)在316L不锈钢(SS)基材上制备还原氧化石墨烯(rGO)/聚苯胺(PANI)层-层复合双极板。用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)进行形貌观察，用红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)确定官能团结构，用紫外可见光谱(UV-vis)确定分子共轭状态，用X射线光电子能谱(XPS)确定化学成分和键合状态。在模拟PEMFC阴极工作环境下研究rGO/PANI/316L SS层-层复合双极板的耐腐蚀性能，向体系中通入氧气(O2)，测量开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和极化曲线评价双极板的抗腐蚀性能。结果 在离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸甲酯中，通过电聚合能够获得厚度为53 μm的PANI膜层，在pH=4的0.03 mol/L K2SO4溶液中还原氧化石墨烯(GO)，在PANI上获得厚度为10 μm的rGO膜层。PANI呈中间氧化态，sp²杂化的rGO和PANI之间的相互作用使得共轭效应增强。连续致密的rGO覆盖在多孔的PANI上提高了双极板的耐蚀性。氧气对rGO/PANI/316L SS的耐蚀性有显著影响，不同氧含量条件下，腐蚀电流密度按照N2 > O2(DO) > O2依次降低。结论 氧气有助于在膜/基界面形成保护性的钝化膜，提升了rGO/PANI/316L SS双极板的耐蚀性。
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  石墨烯对激光熔覆镍基复合涂层耐腐蚀性能的影响

  单嘉禄, 乌日开西.艾依提, 郭钢

  表面技术. 2023, 52(5): 175-188. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.017

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  目的 研究石墨烯(Gr)含量对镍基复合涂层耐腐蚀性能的影响，通过分析Gr对复合涂层耐腐蚀性的影响规律从而确定Gr的最优添加量，同时研究不同Gr含量的镍基复合涂层在3种不同pH值溶液(酸性、中性、碱性)中的腐蚀行为。方法 采用预置粉激光法制备了5种不同Gr含量(质量分数分别为0%、0.3%、0.5%、0.8%、1%)的石墨烯/镍基(Gr/Ni60)复合涂层，并对复合涂层进行腐蚀前表面微观形貌分析、耐腐蚀性能测试、X射线光电子能谱分析、腐蚀后表面形貌分析。结果 在加入Gr的复合涂层中，C元素与Cr元素主要分布在枝晶间，枝晶内区域主要以Fe、Ni为主。随着复合涂层中Gr含量的升高，在酸性腐蚀条件下，自腐蚀电位随着Gr含量的增加而升高，从?0.466 V升高到?0.384 V，极化电阻也由纯Ni60涂层的87.71 Ω/cm²升高到153.53 Ω/cm²，但各涂层均没有明显的钝化区间，主要发生析氢腐蚀，枝晶内腐蚀严重。在中性腐蚀环境下，各涂层出现了明显的钝化区间，当Gr的质量分数为0.8%时，钝化区间最长达到0.285 V，此时相位角值及阻抗模值均达到最大值，且表面生成的氧化物提高了涂层的耐腐蚀性能。在碱性腐蚀条件下，5种不同Gr含量的复合涂层相比于中性腐蚀环境下的复合涂层均出现了较长的钝化区间，当Gr的质量分数为0.8%时，钝化区间长度达到了1.506 V，极化电阻值也达到最大值3 030.32 Ω/cm²，当Gr的质量分数为1%时，3种环境下的耐腐蚀性能较Gr质量分数为0.8%时的耐腐蚀性能均有一定程度的降低。结论 Gr的加入对Ni基复合涂层耐腐蚀性能的积极影响显著。Gr的添加量有最优值，Gr添加过多会使复合涂层耐腐蚀性能降低，碱性腐蚀条件下复合涂层的耐腐蚀性能要优于酸性和中性腐蚀条件下的耐腐蚀性能，当Gr的质量分数为0.8%时，复合涂层具有最优异的耐腐蚀性能。
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  漏磁场对鹰潭土壤模拟液中管线钢交流腐蚀行为的影响

  杨永, 冉文燊, 李林涛, 孙明, 贺小刚

  表面技术. 2023, 52(5): 189-196, 225. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.018

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  目的 探究管体磁化产生的磁场对油气管道交流杂散电流腐蚀行为的影响。方法 采用自行设计试验装置模拟管道真实漏磁场，以开路电位、高频电位测量、动电位极化、电化学阻抗谱、表面分析技术及失重法，研究了鹰潭土壤模拟液中磁化和未磁化的X52管线钢试样交流腐蚀行为的差异。结果 磁化管体的磁场使交流腐蚀电位先负移后正移，交流幅值电位增大，极化电流增加，反应界面电容减小，法拉第电阻增大，交流平均腐蚀速率增大，对腐蚀产物形貌有一定影响，但对腐蚀形貌基本无影响。磁场作用机理分析表明，磁场产生的洛伦磁力驱动反应界面附近腐蚀介质运动而增加反应粒子的扩散速率及减小界面扩散层厚度，从而增大交流腐蚀速率。磁场梯度力在一定程度上抑制了阳极反应，促进了阴极反应。结论 漏磁场使管线钢交流杂散电流腐蚀速率大幅提升，但是不改变其均匀腐蚀的形貌，应提高开展过漏磁内检测的油气管道交流杂散电流评价标准。
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  TiC0.91N0.09和TiC0.77N0.23涂层高温抗氧化性能的研究

  边媛媛, 朱丽慧, 司婷婷

  表面技术. 2023, 52(5): 197-207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.019

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  目的 研究2种不同碳含量的TiCN涂层的抗氧化性能，为改善TiCN涂层抗氧化性能提供理论依据。方法 在WC-Co硬质合金上化学气相沉积TiC0.91N0.09和TiC0.77N0.23涂层，采用热重法和静态氧化在900 ℃进行氧化试验。采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪和场发射扫描电镜分析氧化前后涂层的物相组成和微观形貌。比较TiC0.91N0.09和TiC0.77N0.23涂层的抗氧化性能，分析涂层氧化动力学和氧化机理。结果 TiC0.91N0.09涂层的氧化质量增量和氧化膜厚度都大于TiC0.77N0.23涂层。TiCN涂层900 ℃下的热重曲线分线性、抛物线2个阶段。TiC0.91N0.09和TiC0.77N0.23涂层分别于0.225、0.81 h进入抛物线阶段，拟合方程分别为ΔM2=37.23–137.84 t+131.20 t²和ΔM2=93.89–199.74 t+112.60 t²。相比于TiC0.77N0.23涂层，TiC0.91N0.09涂层进入扩散控制的抛物线阶段更早，抛物线阶段的氧化速率更快，氧化质量增量更大。TiC0.91N0.09涂层在氧化反应过程中的产气量更大，形成的金红石型TiO2氧化膜更疏松，孔隙、发状裂隙、裂纹等缺陷更多，更易形成连续的扩散通道，O、Ti、W、Co等元素在TiC0.91N0.09涂层氧化膜内的扩散更快，生成更多的基体氧化产物WO3和CoWO4，基体氧化物WOx的挥发又会导致涂层氧化更严重。结论 TiC0.77N0.23涂层的抗氧化性能优于TiC0.91N0.09涂层。抑制元素在氧化膜中的扩散可有效提高TiCN涂层的抗氧化性能。热重法能获得更丰富的氧化动力学信息，是涂层抗氧化性能和机理研究有效的试验方法。
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  镀锌热成形钢表面颜色及氧化物形成规律

  卢岳, 张彩东, 齐建军, 孙力, 马成, 刘艳丽, 熊自柳

  表面技术. 2023, 52(5): 208-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.020

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  目的 研究保温时间对热成形钢镀锌层颜色及氧化物组成的影响。方法 通过改变镀锌热成形22MnB5钢热处理保温时间，利用色差、辉光实验、X射线光电子能谱、粗糙度检测、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对镀层表面及截面进行观察，利用电子探针进行元素分析，研究保温前后镀层表面氧化物形貌及镀层元素分布规律。结果 随着保温时间的增加，色差值ΔE逐渐增大。当温度处在945 ℃时，镀层连续性受到破坏，逐渐脱落。880 ℃加热过程后，镀层表面由排列均匀连贯的圆球状氧化物组成，连续覆盖表面，且呈聚集存在趋势，镀层表面氧化物厚度出现明显差异。当热加工时间超过6 min后，氧化物明显增多，表面厚度起伏大，呈现出不均匀分布趋势，裂纹萌生，并逐渐加深扩散。随着加热时间的增加，整体Zn浓度有降低的趋势。结论 镀层表面主要由ZnO、FeO、Al2O3组成，ZnO连续铺满表面，并呈现连续分布的趋势，有效避免了在高温下镀层表面Zn的挥发。保持Zn含量在一定范围内，使得镀层具有阴极保护的作用。
精密与超精密加工
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  导体镶嵌型巨电流变抛光液及其对硅材料的抛光

  邱昭晖, 江波, 陆坤权, 沈容, 熊小敏

  表面技术. 2023, 52(5): 218-225. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.021

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  目的 解决现有电流变抛光液在电场下强度低和使用寿命短等问题。方法 分析现有电流变抛光液的缺点及其原因，提出将新型巨电流变液——导体镶嵌型电流变液应用于抛光领域，并研制出以二氧化硅为磨料，以镶嵌了纳米碳的二氧化钛为电介质颗粒的硅油基电流变抛光液。测定添加了不同粒径磨料抛光液的剪切强度与电场强度、温度、使用时间的关系。搭建简易的旋转式电流变抛光装置，对不同粒径磨料的电流变抛光液在硅片表面的抛光效果进行试验。结果 碳镶嵌二氧化钛基电流变抛光液具有高剪切强度(>30 kPa)、低漏电流(<1 μA)、高温度稳定性(25~125 ℃)、长使用寿命和对少量磨料不敏感等优点。抛光实验结果表明，在电压2.5 kV下，硅片经过添加了2 μm磨料的电流变抛光液持续抛光3 h后，其表面粗糙度从206 nm降至6.4 nm。之后再采用添加200 nm磨料和20 nm磨料的抛光液先后继续精抛后，其粗糙度降至0.46 nm和0.36 nm。结论 碳镶嵌二氧化钛基巨电流变抛光液能有效降低表面粗糙度，改善表面质量，很好地应用于精密抛光领域，展示出良好的应用前景。
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  弯管点云面型识别与磁粒研磨试验

  李鑫, 陈松, 李雨龙, 赵耀耀, 李昌龙, 解志文

  表面技术. 2023, 52(5): 226-234, 246. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.022

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  目的 解决空间异形弯管折弯处内壁研磨困难，普遍采用的弯管磁粒研磨工艺存在手动采点误差大、机械手坐标精度低及研磨间隙差异大等问题。方法 首先对弯管内壁的研磨原理进行分析，对管内流体和磁极排布进行仿真模拟，分析不同研磨间隙下的磁感应强度变化及管件压力和流速的变化，利用三维光学扫描仪扫描点云数据，对扫描的数据进行三维重建，截取折弯处，提取特征点，通过主成分分析法构建点云坐标系，最后将提取到的特征点进行坐标转换，利用处理后的点云数据进行磁粒研磨弯管内壁，与手动采点试验后的研磨效果进行对比，证明其可行性。结果 采用点云识别获取弯管中线轨迹更平滑，在相同条件下，经过手动采点研磨弯管使其表面粗糙度降至0.18 μm，点云面型特征识别弯管将表面粗糙度降至0.10 μm，同时其表面形貌效果最佳，表面凹坑、划痕完全被去除，研磨痕迹较浅。结论 点云面型的识别方法能够快速获取弯管研磨轨迹，并且经过点云数据处理，提高了中线采取的准确性，同时保证了研磨过程的稳定性，克服了因研磨间隙变化产生的研磨效果不均匀问题。
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  基于MQL的碳纤维复合材料制孔表面质量及切削力试验

  石文天, 王林, 李杰, 闫天明, 刘玉德

  表面技术. 2023, 52(5): 235-246. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.023

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  目的 减少碳纤维增强复合材料(CFRP)制孔表面毛刺及边缘凸起等缺陷。方法 对比研究在干切削和微量润滑(MQL)2种加工条件下碳纤维增强复合材料(CFRP)的制孔，在切削速度一定时，探究切削方式、进给速度对制孔尺寸精度、表面质量、切削力的影响。采用方差分析对各影响因素及其权重进行分析。结果 得出了切削方式和工艺参数对制孔尺寸精度、切削力、表面质量的影响规律。试验结果表明，在微量润滑条件下，由于润滑和降温的影响，表面毛刺得到有效去除，纤维断面平整，剪切作用明显，抑制了由温升所引起的边缘隆起膨胀现象，试样的表面质量得到显著提高，切削力整体降低。在干切削和微量润滑条件下对制孔尺寸精度影响最大的是切削方式。对于切削力，在干切削时受到切削方式的影响最大，在微量润滑条件下受到进给速度的影响最大，随着进给速度的增大而增大。结论 在现有试验条件下，微量润滑的加工质量总体上优于干切削的加工质量，其制孔尺寸的精度整体更高，其切削力最大降低了84.26%。
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  TC4铣削切屑形态与表面形貌特征

  赵仲林, 安立宝, 张好强, 董树亮, 郭毅

  表面技术. 2023, 52(5): 247-256. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.024

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  目的 对TC4铣削过程中锯齿状切屑的形成与对应产生的加工表面形貌特征进行研究，掌握钛合金TC4高速铣削加工切屑形态随铣削速度的变化规律，从而提高加工表面质量和效率。方法 基于有限元软件，建立钛合金TC4二维变厚度切削模型，通过仿真和铣削试验分析铣削速度对切屑形态的影响规律。利用超景深显微镜和PS50表面轮廓仪对TC4铣削过程中形成的切屑形态及工件加工表面形貌进行观测和分析，确定铣削加工TC4过程中铣削速度与切屑形态、工件表面形貌和表面粗糙度之间的关系。结果 铣削试验验证得出铣削力仿真值与试验值最大误差为9.86%，验证了二维变厚度切削模型的准确性。随着铣削速度从40 m/min增大到120 m/min，切屑形态由带状转变为锯齿状，且铣削力逐渐减小。同时，铣削速度由80 m/min增大到240 m/min时，切屑的锯齿化系数和剪切带内的剪切角均增大，而剪切带间距减小，TC4加工表面波纹加深、波纹间距变宽，并且伴随有大量韧窝出现，导致表面粗糙度值增大。结论 掌握锯齿状切屑几何特征与工件表面形貌随铣削速度的变化规律，以便在铣削加工TC4过程中对锯齿状切屑进行控制，对于提高工件加工表面质量和加工效率具有重要的指导意义。
表面功能化
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  基于贻贝灵感和点击化学构建的高效抗菌涂层

  钱继东, 郭远来, 王星浩, 牟小辉, 杨志禄, 熊开琴, 黄楠, 涂秋芬

  表面技术. 2023, 52(5): 257-267. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.025

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  目的 通过对材料表面进行改性，形成一层具有抗菌肽(ABP)分子的涂层，使得材料具有高效抗菌的功能。方法 利用多巴胺(DA)邻苯二酚结构的黏附能力以及己二胺(HD)的多胺化学结构，将DA与HD按照一定的配比混合，通过简单的一步分子自组装，在材料表面构建多巴胺-己二胺(DA/HD)基底涂层。通过DA/HD涂层表面丰富的氨基与叠氮化的NHS(NHS-N3)发生酰胺反应，从而在DA/HD涂层表面引入叠氮基团，得到N3涂层。再通过点击反应在N3涂层表面接枝ABP，得到ABP涂层。通过在多种不同材质表面制备DA/HD涂层与进行氨基量密度测定，对DA/HD涂层的广谱适用性进行分析。利用水接触角测量仪(WCA)、傅里叶变换红外仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、耗散型石英晶体微天平(QCM-D)以及椭圆偏振光谱仪等，对涂层亲疏水性、成分及结构等进行检测分析。通过细菌试验检测以及与多种已报道抗菌涂层的抗菌率进行综合比较来评价ABP涂层的抗菌性能。结果 在多种不同材质表面都能成功制备DA/HD涂层，且具有较高的氨基量密度，表明DA/HD涂层具有广谱的适用性。通过WCA、FTIR、XPS、QCM-D以及椭圆偏振光谱仪的检测结果，证实了基于DA/HD基底涂层的ABP涂层制备成功且接枝量高达352.7 ng/cm²。表面抗菌试验以及与多种抗菌涂层的抗菌率比较结果表明，ABP涂层对大肠杆菌和表皮葡萄球菌都具有高效的抗菌率，且抗菌率分别高达(89.0±9.9)%和(97.3±1.7)%。结论 DA/HD涂层具有广谱的适用性。对基底表面进行改性后，成功在其表面形成一层具有高效抗菌功能的ABP涂层。该涂层与细菌直接接触，能够破坏菌膜，对革兰氏阴性菌和阳性菌具有高效的抑制作用。
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  兼具抗疲劳和抗菌功能的双网络水凝胶的构筑及性能

  李世明, 李兴霖冒, 陈守刚, 苟江琳, 李文

  表面技术. 2023, 52(5): 268-277. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.026

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  目的 解决水凝胶力学强度过低问题，同时赋予水凝胶抑菌功能，满足应用需求。方法 以离子交联的海藻酸盐为第1层网络，以化学交联的聚丙烯酰胺(PAAm)为第2层网络，借助pH缓释调节剂D–(+)–葡萄糖酸δ–内酯(GDL)制备Cu²⁺交联的海藻酸盐–聚丙烯酰胺(TG–Cu)抑菌水凝胶。利用傅里叶红外光谱(FITR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段表征双网络水凝胶的物理和化学结构。通过拉伸、压缩、Mullins测试和循环拉伸试验，研究TG–Cu水凝胶材料的力学强度和抗疲劳性能，通过细菌培养、稀释涂布平板法和活死菌荧光染色手段评价水凝胶的抑菌性能，通过ICP探究Cu²⁺的释放。结果 Cu²⁺交联的TG–Cu水凝胶由离子交联和化学交联的两层网络构成，具有三维网络结构。当Cu盐的添加量为每组分0.187 5 mol时，其力学性能较好，弹性模量达到22.4 kPa，断裂韧性为659.5 kJ/m³，且具有预制缺口的凝胶样品在10 000次30%应变循环加载–卸载实验后，未观察到明显的裂纹扩展。抑菌试验结果证实，TG–Cu水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率最高可达99%。结论 Cu交联TG–Cu水凝胶材料在保证材料基体具有优异力学性能的同时又赋予其可观的功能性，实现了水凝胶结构设计与功能性的有机统一。
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  MPCVD高功率外延生长单晶金刚石均匀性研究

  李廷垟, 刘繁, 翁俊, 张青, 汪建华, 熊礼威, 赵洪阳

  表面技术. 2023, 52(5): 278-287, 305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.027

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  目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境，开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法 利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置，在15~37 kW的高功率微波馈入的条件下，研究了在高功率微波等离子体环境中CVD单晶金刚石的均匀生长条件，利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征，利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行了诊断。结果 在保持甲烷体积分数为5%时，当微波功率为15 kW时，等离子体球的尺寸较小，并不能完全覆盖直径150 mm的基片台;将微波功率从28 kW提高到37 kW，肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显，但等离子体的能量分布范围有一定的扩大，这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更均匀。在较高的微波功率下，分布于基片台不同区域的单晶金刚石片均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及基片温度的增加，分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强，提高了单晶金刚石的生长速率和质量。结论 在高功率等离子体环境中，通过大幅度的提高微波功率，可以有效地活化含碳基团，在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团。在微波功率为37 kW、甲烷体积分数为5%的情况下，将基片温度控制在950 ℃附近，可以有效地抑制多晶杂质的生成，实现了57片单晶金刚石的批量生长。
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  冷喷涂制备纯硅负极结合特性对电极性能的影响

  宋俊, 蒋明杰, 楚晓婉, 万驰, 李会洁, 张琦, 陈宇慧, 吴学红, 刘娟芳

  表面技术. 2023, 52(5): 288-297. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.028

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  目的 提高冷喷涂制备锂离子电池硅(Si)基负极的电化学性能，探究冷喷涂制备硅基负极结合特性对电极性能的影响。方法 通过涂覆和冷喷涂制备硅基负极，利用剥离强度试验测试活性材料与集流体的结合强度。通过扫描电镜表征充放电前后电极表面及断面形貌，分析2种电极的结构稳定性。通过观察单颗粒子沉积形貌，研究硅颗粒的沉积特性。采用恒流充放电、循环伏安法、交流阻抗法分别研究电极的循环性能和动力学特性。结果 在相同剥离条件下，Si–喷涂样品结合强度高，且剥离现象出现较晚，Si–喷涂样品的平均载荷为2.04 N，大于Si–涂覆样品的平均载荷(1.51 N)。Si–涂覆电极材料与集流体的贴合度较差，铜箔与涂层以及涂层材料内部均存在大量的孔隙结构，Si–喷涂电极活性材料均匀沉积于铜箔表面簇状的缝隙中，涂层较薄，未能覆盖簇状凸起。硅颗粒无法连续沉积形成较厚的涂层，仅以嵌入的方式沉积于铜箔表面。Si–涂覆电极循环200次后，容量仅剩51 mAh/g，而Si–喷涂电极循环200次后，容量高达240 mAh/g。Si–喷涂电极的Rct比Si–涂覆小，说明Si–喷涂电极的嵌入式结构利于电荷的转移。Si–涂覆电极的锂离子扩散系数在1~200次嵌锂后，始终比Si–喷涂电极高出1个数量级。结论 冷喷涂制备的硅基负极具有更高的结合强度。Si–喷涂电极活性材料均匀沉积于铜箔表面簇状凸起缝隙之中，有利于缓解体积效应，提高了结构的稳定性，显示出更好的循环性能和容量性能。相比于Si–涂覆电极，Si–喷涂电极具有较小的电荷转移阻抗和较大的离子扩散阻抗。
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  镁合金表面自清洁、耐高温复合膜层的制备与表征

  周漪, 胡淋, 赵兴旺, 邓杰文

  表面技术. 2023, 52(5): 298-305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.029

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  目的 在镁合金表面制备自清洁、耐高温复合膜层，拓展镁合金在严酷环境中的应用。方法 采用化学转化-沸水封闭-硬脂酸修饰三步处理，在AZ31镁合金表面制备含有耐高温锆化合物组分的低黏附、超疏水复合膜层。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征膜层形貌。利用X射线光电子能谱仪(XPS)表征膜层成分。利用接触角测量仪(CA)和高速摄像机(HSC)表征膜层润湿性和黏附性。以粉笔灰为模拟污染物测试膜层在空气和油相中的自清洁性能。通过高温暴露试验和循环沸水浸泡试验测试膜层的耐高温性能。结果 复合膜层主要由锆/镁的(氢)氧化物及硬质酸盐组成，呈被部分填充的纳米纤维组成的微米网络结构。水在膜层表面的静态接触角为160.4°、滚动角为1°，符合“Cassie-Baxter”模型，膜层具有超疏水、低黏附特性;复合膜层具有优异的自清洁性能和耐高温性能。结论 成功制备了含有耐高温锆化合物组分的低黏附、超疏水复合膜层，该膜层具有自清洁、耐高温性能。
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  氧化处理对电沉积吸液芯性能的影响研究

  黄文涛, 邵志松, 张国光, 周韦

  表面技术. 2023, 52(5): 306-312, 335. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.030

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  目的 通过研究自然氧化、过氧化氢氧化和130 ℃氧化处理对电沉积吸液芯润湿性和毛细性能的影响，探究吸液芯毛细性能在空气中衰减的原因。方法 通过电沉积在铜表面制备一层多孔铜吸液芯，分别对吸液芯进行自然氧化、过氧化氢浸泡和130 ℃烘烤处理，利用接触角测量和毛细上升法分析吸液芯表面的润湿性和毛细性能，通过扫描电镜(SEM)观察吸液芯微观形貌，采用X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱分析吸液芯表面成分。结果 3种氧化处理后，吸液芯的润湿性与毛细性能有明显差异。自然氧化处理和过氧化氢处理的吸液芯均表现为超亲水，接触角为0°，而130 ℃烘烤的吸液芯表现为超疏水，接触角高达150.49°。水在过氧化氢处理的吸液芯表面的运行速度比在自然氧化的表面更快。3种不同状态的吸液芯微观形貌都为树枝状结构，没有明显差异。XPS图显示，自然氧化处理的吸液芯表面部分氧化，存在76.4%(质量分数)Cu2O;130 ℃烘烤的试样表面全部氧化，为60.6%的Cu2O和39.4%的CuO;而过氧化氢浸泡的表面为100%的CuO2。结论 3种氧化处理不会改变吸液芯的微观结构，不同氧化处理的吸液芯呈现出不同的毛细性能和润湿性。130 ℃氧化处理1 h后，吸液芯完全丧失毛细性能，而过氧化氢氧化处理反而可以增强吸液芯的毛细性能，吸液芯表面形成氧化铜导致表面能大幅度降低是毛细性能在空气中衰减的主要原因。
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  雷达吸波涂层腐蚀失效对雷达隐身性能的影响

  李希, 张天才, 陈庆昌, 蒋和跃, 李忠盛, 王忠维, 魏文政

  表面技术. 2023, 52(5): 313-321. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.031

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  目的 研究腐蚀失效后的吸波涂层与雷达隐身性能的变化规律。方法 制备7块吸波涂层样品，分别进行0、24、48、96、240、480、840 h的中性盐雾试验。通过X射线能谱仪和扫描电子显微镜、电化学工作站分别对试验后的样品组成成分和微观形貌、电化学阻抗谱进行表征。利用矢量网络分析仪对盐雾试验后的样品在8~18 GHz频率范围内的雷达波反射率进行测试。结果 吸波涂层在试验96、240 h后出现局部小范围点蚀现象，480、840 h时出现大面积点蚀现象。同时，吸收剂形貌也发生改变，涂层氧含量增加，说明涂层中吸收剂被渗入的腐蚀介质腐蚀氧化。通过等效电路图拟合交流阻抗谱数据结果，认为样品腐蚀失效经历了3个阶段，840 h盐雾试验后，样品膜值较试验前原始样品(0 h)已下降69.7%，说明涂层防护性能得到极大破坏。0 h样品雷达波反射率均值为–4.27，4 dB带宽实现了70.07%，840 h样品反射率均值为–4.71，4 dB带宽达到了87.53%，整个试验过程反射率测试结果的均值相差不到0.5 dB，说明雷达隐身性能并没有下降。结论 在一定时间阶段内，雷达吸波涂层中吸收剂被氧化腐蚀，并不会导致雷达隐身性能下降。
激光表面改性技术
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  双线斑激光内送粉宽带熔覆温度场数值模拟与工艺研究

  刘广, 石拓, 傅戈雁, 吴捷, 杨强, 魏超, 李宽, 李建宾

  表面技术. 2023, 52(5): 322-335. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.032

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  目的 研究双线斑激光内送粉宽带熔覆温度场分布特性及其工艺参数对熔覆层形貌和几何特征的影响，为双线斑激光内送粉宽带熔覆在工件表面的强化、修复、改性以及宽带成形的应用提供试验与数据参考。方法 基于半椭球体热源模型，利用ANSYS软件对单道宽带熔覆过程中的熔池温度场进行数值模拟，并结合工艺试验分析离焦量、送粉速度、激光功率、扫描速度对熔覆层形貌和几何特征的影响。结果 利用半椭球体热源模型进行的数值模拟能够较为合理地反映出双线斑激光内送粉宽带熔覆过程的温度场分布，在离焦量为0 mm和负离焦量下，熔覆单道的温度分布云图均呈“带式彗星”状，熔覆层横截面上的高温区域呈现“平底形”分布，纵切面上的高温区域呈“V”形和不对称的“W”形，且两者随着深度的增加，均逐渐过渡到半椭圆形;离焦量、送粉速度、激光功率和扫描速度对熔覆层的宽度、厚度、稀释率及表面平整度都有很大的影响。结论 “带式彗星”状的熔覆单道温度分布，使得熔池前方温度梯度较大，后方温度梯度较小。横切面上“平底形”温度分布可以强化熔覆层与基体在宽度方向上的结合程度。在304不锈钢基板上熔覆KF-355金属粉末，选取离焦量为0 mm、送粉速度为45 g/min、激光功率为6 kW、扫描速度为3 mm/s的工艺参数进行熔覆试验，可以得到表面平整光滑，无明显缺陷，整体平均硬度达到645.6HV0.5的熔覆层。
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  激光同步辐照对电化学沉积铜组织结构及结合力的影响

  熊庭超, 符高琦, 吴国龙, 陈智君, 姚建华, 吴让大

  表面技术. 2023, 52(5): 336-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.033

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  目的 解决单一电化学沉积制备铜镀层沉积速度慢、沉积颗粒易团聚、晶粒生长不均匀及其与基体结合力差等问题。方法 采用沉积前激光处理、沉积过程激光同步辐照的方法，在316L不锈钢上制备铜涂层，通过光学显微镜、扫描电子显微镜、自动划痕仪分析了铜镀层表面形貌、截面厚度、涂层物相和结合力，探究了激光的增强作用和复合沉积技术下镀层的生长机制。结果 激光同步辐照促进了晶粒的高择优取向及沉积电位的正移。单一晶面的高择优取向利于提高镀层晶粒生长的均匀性，使镀层表面的凸起、孔洞明显减少，变得平整致密。同时，激光同步辐照使镀层表面粗糙度维持在一个较低的范围，使沉积质量不会随沉积时间的增加而降低，有利于电化学沉积的继续进行，实现镀层增厚。相同沉积时间(60 min)下，传统电化学沉积所得镀层的沉积厚度为62.62 mm，表面粗糙度为4.741 mm;而激光同步复合电化学沉积所得镀层的沉积厚度为138.39 mm，表面粗糙度为0.995 mm;且镀层表现出与基体更佳的结合力，与基体间的极限载荷可达98.2 N。结论 激光同步辐照提高了铜镀层的沉积效率、质量及其与基体间的结合力。
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  无保护层激光冲击强化的热效应研究

  窦杨, 周王凡, 吴永胜, 陈兰, 任旭东

  表面技术. 2023, 52(5): 347-355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.034

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  目的 深入理解无保护层激光冲击强化(LSPwC)的物理过程。方法 对轧制TA2纯钛板材进行LSPwC处理，通过激光扫描显微镜、X射线应力仪分析试样的表面形貌和残余应力分布，使用透射电子显微镜分析LSPwC后试样表层的微观组织特征。使用Abaqus软件建立LSPwC过程的热力耦合仿真模型，分析试样温度和应力演变规律。结果 当激光脉冲能量为30 mJ、光斑直径为0.4 mm时，经LSPwC处理后TA2试样表面形成了厚度约为50 μm的残余拉应力层，其最大残余压应力达到560 MPa，出现在距表面100 μm的次表层;经LSPwC处理后TA2试样表面产生了超细马氏体晶，距表面100 μm的微观组织表现为高密度位错缠结。随着激光脉冲能量和光斑直径的增大，激光热效应的持续时间增长、热影响深度增大，经LSPwC处理后TA2试样的残余压应力层深度增大。在LSPwC过程中，距表面10.2 μm以内深度层的冷却速度超过10⁶ ℃/s，但冷却速度随着脉冲能量和光斑直径的增大而减小。结论 在LSPwC过程中，激光热效应和激光诱导冲击波作用，导致试样表层迅速升温，并发生塑性变形，然后快速降温，形成了独特的残余应力分布和微观组织状态。
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  无涂层激光冲击强化对40CrNiMo结构钢摩擦磨损性能的影响

  陈春伦, 冯爱新, 危亚城, 王宇, 潘晓铭, 邱辉

  表面技术. 2023, 52(5): 356-363, 397. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.035

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  目的 采用无涂层激光冲击强化技术诱导残余压应力和细化晶粒，提高40CrNiMo结构钢的显微硬度及耐磨性。方法 采用高功率激光束对40CrNiMo结构钢表面进行激光冲击强化处理，通过显微组织观察、XRD检测、显微硬度测试、残余应力测试、摩擦磨损实验及磨损形貌观察，对比分析未处理试样、有涂层激光冲击强化处理试样和无涂层激光冲击强化处理试样的显微组织、显微硬度、残余应力和摩擦磨损性能。结果 在有/无铝箔涂层、去离子水约束层作用下分别对40CrNiMo结构钢试样进行有涂层/无涂层激光冲击强化处理，诱导产生残余压应力和晶粒细化，试样表面显微硬度分别提高至313.5HV 和336.9HV，提高了约13.5%和21.9%，表面最大残余压应力达到–405.3 MPa和–326.6 MPa;有涂层激光冲击强化处理试样的摩擦因数较稳定，降低了约14.1%，而无涂层激光冲击强化处理试样的摩擦因数出现较大波动，在摩擦磨损前期，摩擦因数降低了22.9%;在摩擦磨损中后期，摩擦因数降低了7.9%。未处理试样的磨损量为13 mg，有涂层激光冲击强化处理试样和无涂层激光冲击强化处理试样的磨损量分别为6 mg和8 mg，减少了约53.8%和38.5%。结论 与有涂层激光冲击强化相比，无涂层激光冲击强化对40CrNiMo结构钢耐磨性能的强化效果较差。由于无涂层激光冲击强化无需涂覆涂层就能够进行激光冲击强化处理，因此可以有效提高加工效率、节省涂层成本，同时在一定程度上也提高了40CrNiMo结构钢的显微硬度和耐磨性。
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  激光能量密度对Al2O3颗粒增强Ni60A激光熔覆涂层组织及性能的影响

  马保山, 姜芙林, 杨发展, 王玉玲, 梁鹏

  表面技术. 2023, 52(5): 364-377. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.036

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  目的 实现钛合金表面强化和正向改性，扩大钛合金应用范围。方法 采用预置粉末法在钛合金表面制备Ni60A-Al2O3激光熔覆层，通过改变激光功率，进而研究激光能量密度对Ni60A-Al2O3熔覆层横截面形貌、微观组织、元素分布、显微硬度以及耐磨性和耐腐蚀性的影响规律。结果 激光能量密度对熔覆层的平整性、成形性有着直接影响。不同激光能量密度下的熔覆层微观组织相似，但在125 J/mm²下，熔覆层形成的陶瓷增强相分布更均匀，且杂质相衍射峰面积较小，元素分布更均匀。此时，熔覆层的力学性能也最好，平均显微硬度值为1132.7HV0.2，较基体硬度提升约3.3倍，摩擦系数最小，且波动较平稳，磨损率也最低，具有较好的减摩性和耐磨性。125 J/mm²下熔覆层形成的陶瓷增强相TiC、TiB2既能作为不良导体降低电化学腐蚀速率，又由于分布均匀而避免应力集中引发裂纹，较其他激光能量密度下的熔覆层具有较好的耐腐蚀性。结论 利用控制变量法探究激光能量密度对Ni60A-Al2O3熔覆层组织和性能的影响规律，得出在125 J/mm²下的熔覆层具备优异的力学性能和一定的耐腐蚀性，为进一步扩大钛合金应用提供了帮助。
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  激光熔覆316L涂层晶粒生长取向与形貌对其耐蚀性能的影响

  周勇, 徐龙, 周爽, 董会, 郭鹏飞, 杨紫辰, 张三齐

  表面技术. 2023, 52(5): 378-387. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.037

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  目的 表征316L激光熔覆层的晶粒取向、形貌与其耐蚀性之间的关系，阐明晶粒形态对316L熔覆层耐蚀性能的影响原理。方法 在Q235钢板上激光熔覆制备搭接率为20%、35%、50%的316L不锈钢熔覆层，获得具有不同取向与含量柱状晶的熔覆层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、电化学工作站对熔覆层的显微组织、元素分布、物相组成及耐蚀性能进行表征。结果 熔覆层的晶粒形态和耐蚀性能受到搭接率影响。熔覆层因搭接发生部分重熔和回火，产生了横向柱状晶，随着搭接率从20%增大至50%，横向柱状晶含量从25%提升到41%。搭接率不影响熔覆层物相组成，熔覆层主要物相均为γ相。横向柱状晶含量在38%和41%时的熔覆层自腐蚀电流密度较25%含量的熔覆层下降1个数量级，分别为3.73、1.34 μA.cm^–2，熔覆层耐蚀性能随横向柱状晶含量的增加而提升。结论 熔覆层物相与搭接率无关，但搭接率会导致熔覆层晶粒生长取向与形貌发生变化:随着搭接率的增大，晶粒由等轴晶转变为横向柱状晶。横向柱状晶降低了腐蚀性介质的传输效率，导致熔覆层耐蚀性大幅度提升。
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  激光熔覆各向异性对Fe60合金磨损腐蚀性能的影响

  孙胃涛, 李明海, 赵昌德, 张炜, 王彬

  表面技术. 2023, 52(5): 388-397. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.038

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  目的 提高激光熔覆各向异性材料的抗磨损腐蚀性能。方法 以激光熔覆Fe60合金粉末为研究对象，选取与熔覆方向平行、倾斜45°以及垂直的3个工作表面进行磨损腐蚀测试，重点分析材料构筑方向对磨损腐蚀性能的影响机制。结果 通过对不同工作面摩擦系数、开路电位以及磨损体积的监测，发现与熔覆方向成45°的试样表面具有更好的摩擦稳定性、耐腐蚀性以及磨损抗性。原因在于，工作表面晶粒取向与晶界密度差异引起了试样表面变形抗力的不同。另外，与铸造试样进行对比得出，激光熔覆试样的磨损腐蚀抗性更加优越，主要与凝固过程中高冷却速率引起的组织细化有关。结论 对于激光熔覆各向异性材料，工作表面具有细化的微观组织结构、较高的晶界密度以及良好的变形抗力，有助于提高其磨损腐蚀抗性。
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  工艺参数对氮化铝陶瓷表面激光金属化层电阻的影响

  徐帅, 赵兴科, 赵增磊

  表面技术. 2023, 52(5): 398-404. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.039

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  目的 提高氮化铝陶瓷表面激光金属化层的导电性能。方法 采用正交试验设计方案，使用30 W纳秒光纤激光打标机制备了氮化铝陶瓷表面激光金属化试样，测量了金属层的电阻。通过极差分析和方差分析方法分析了激光工艺参数及其交互作用对氮化铝陶瓷表面激光金属化层电阻值的影响规律。结果 在本研究激光工艺参数及其取值范围内，激光功率对氮化铝表面激光金属化层电阻的影响最为显著，增大激光功率有利于降低氮化铝表面激光金属化层的电阻值。采用优化工艺参数(激光功率30 W、频率30 kHz、扫描速度100 mm/s)单次激光扫描制备激光金属化层的电阻为2.25 Ω/mm。随着重复扫描次数的增加，功率不同的激光表面金属层的电阻值向相反方向转变:小功率激光表面金属层电阻值随扫描次数增加而迅速减小，大功率激光表面金属层电阻值随扫描次数增加而增大。经10次重复扫描后，激光功率3 W(相应的激光能量密度约为15.3 J/cm²)激光金属化层的电阻值低于功率分别为30 W和18.75 W激光金属化层的电阻值。结论 采用30 W激光单次扫描，或者采用3 W激光多次扫描，有利于提高氮化铝表面激光金属化层的导电性。
热喷涂与冷喷涂技术
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  基体表面粗糙度对冷喷涂粒子沉积过程影响的物质点法数值分析

  谢桂兰, 肖芳昱, 龚曙光, 侯昆, 宋慕清, 左立来

  表面技术. 2023, 52(5): 405-412. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.040

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  目的 解决有限元法模拟冷喷涂粒子沉积过程时存在的网格畸变等问题，并探讨粒子和粗糙基板的结合方式。方法 基于物质点法建立冷喷涂粒子沉积的仿真模型。利用FORTRAN语言自编程序对铜粒子冷喷涂铜基板的过程进行仿真分析，并与其他研究中的试验结果进行对照，结果吻合较好，表明物质点法模拟冷喷涂粒子沉积问题是可行且有效的。此外，分析基体表面粗糙度对粒子沉积过程的影响规律，并探讨粒子在不同位置沉积的结合机理。结果 随着表面粗糙度的增大，粒子扁平化趋势增大，回弹动能减小。表面粗糙度足够大时，粒子射流可能和基板形成机械咬合结构;粒子在波谷处沉积时受两侧波峰作用难以扁平化，但是凹坑深度增大，回弹动能减小，粒子基板结合强度增大;粒子在左侧半腰处沉积时，其在切向速度分量作用下与右侧波峰形成二次接触，形成了较长的射流。结论 粒子与基板的结合强度随着表面粗糙度的增大而增大。粒子在波峰处可以形成机械咬合结构;在波谷处凹坑深度增大、回弹动能减小，起填充作用;在半腰处能够与右侧波峰产生二次接触，增大结合强度。研究结果可为冷喷涂工艺生产提供一定指导。
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  超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al2O3-10%B4C涂层的制备及抗氧化性能研究

  曹玉霞, 孙景卫, 周海静, 黄雁, 郝斌

  表面技术. 2023, 52(5): 413-419. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.041

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  目的 提高金属/陶瓷体系高温固体润滑耐磨涂层的抗氧化性能。方法 采用离心喷雾造粒、高压氢还原镀镍和固相合金化技术，制备包覆型NiCoCrAlY/Al2O3-10%B4C复合粉体，并采用超音速火焰喷涂技术在镍基高温合金上沉积复合涂层材料，通过SEM和XRD研究粉体和涂层的显微结构和物相组成，通过马弗炉研究涂层在高温下的氧化性能。结果 Al2O3-B4C颗粒表面均匀包覆着一层厚度为2~3 μm的NiCoCrAlY合金。超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al2O3-10%B4C复合涂层结构致密，孔隙率仅为0.45%±0.05%，涂层与基体结合良好。涂层和粉体的主晶相均为Ni的固溶体、α-Al2O3相和B4C相，涂层衍射峰强度比粉体有所降低。在850 ℃氧化96 h后，涂层表面生成了一层连续的灰色物质，其厚度为1~3 μm，经EDX分析，其主要元素组成为O、Ni、Al和Cr，说明主要成分为Ni、Al和Cr的金属氧化物。涂层在850 ℃的氧化动力学曲线分为2个阶段，氧化初期，涂层快速氧化，生成以NiO、Al2O3和Cr2O3为主的混合氧化物膜;氧化后期，涂层进入稳定氧化阶段，此时涂层的氧化过程主要由O在氧化膜中的扩散速度决定。结论 涂层在850 ℃的抗氧化性能良好，可在850 ℃的氧化环境下使用。