2024年, 第53卷, 第1期　
刊出日期：2024-01-10

  

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研究综述
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  钛合金表面主?被动抑菌改性方法研究进展

  朱凯悦, 朱丽娜, 底月兰, 王海斗, 段天南

  表面技术. 2024, 53(1): 1-14. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.001

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  钛合金材料具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和生物相容性，被广泛用于医疗领域，特别是可植入器械。医疗器械的型号多样、结构复杂、局部尺寸较小，且在使用过程中会接触多种媒介，极易黏附污渍，导致微生物的聚集，引发器械感染，安全、可靠的医疗器械是提高救治效率的关键。从细菌生长机制出发，将现有金属材料表面抑菌改性方法归纳为两大类:依靠抗菌涂层主动杀菌的改性方式和控制表面润湿性的被动抑制细菌黏附的改性方式。采用主动改性方式，虽然能从根本上杀死细菌，但是在实际应用中这些杀菌剂存在耐药性、成本高、生物毒性等问题。被动改性方式无法直接杀死细菌，一旦表面被细菌定植，就会失去抑菌效果。为了实现医疗器械表面高效、长时、安全的清洁，研究者提出主–被动协同抑菌改性方法，将化学杀菌方法与抗黏附抑菌方法相结合，充分发挥2种方法的优势，这是未来研究的重点。
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  激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展

  竺俊杰, 王优强, 倪陈兵, 王雪兆, 刘德建, 房玉鑫, 李梦杰

  表面技术. 2024, 53(1): 15-32. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.002

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  激光选区熔化(SLM)技术与激光熔化沉积(LMD)技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力，但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题，影响了构件的力学性能，从而制约了其大规模的应用。针对这一现状，首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理，比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点，并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。其次，从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手，综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响，以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构，从而影响成形件的组织与力学性能。此外，综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响，可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异，同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。最后，探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响，通过合适的热处理能够降低成形构件应力，并调控组织相变和性能。
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  基于界面相互作用的黏附接触数学模型研究进展

  万小东, 孙其勋, 刘健犇, 王珊, 吴仲岿

  表面技术. 2024, 53(1): 33-47, 77. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.003

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  黏附接触现象在各个领域都有着很重要的作用和影响。若要分析物体间的黏附接触行为，则建立相应的数学模型是有效的方法之一。现有文献中的数学模型种类繁多，对于不同受力情况下的黏附现象所适用的理论也不尽相同。针对常见的黏附现象，按照其不同的受力形式分为弹性体接触、粗糙表面黏附及基材表面剥离等几大类，分别对以上几类接触行为采用的理论模型及其应用进行了归纳分析整理。综合叙述了基于计算机模拟技术的现代仿真模型的基本原理、应用和发展，重点介绍了适用于一般物体之间黏附行为分析的通用模型，以期为黏附接触领域的研究和建模提供指导和参考。对于弹性体接触的情况，重点介绍了经典力学接触理论的基本公式和适用类型，包括Hertz接触理论、JKR模型和DMT模型等，并依据Tabor数讨论了JKR模型与DMT模型的差异。对于粗糙表面的黏附接触，重点介绍了Greenwood和Williamson(GW模型)所提出的多凸起模型的基本理论和局限性。对于材料的表面剥离情况，重点介绍了剥离力学中应用最广泛的Kendall剥离模型的基本理论。对于现代仿真技术手段，重点介绍了分子动力学模型(MD模型)和有限元模型(FEM)的基本思想和优缺点。之后分别对以上各类模型的拓展完善、应用领域及研究进展进行了归纳总结，最后对黏附接触领域数学模型的发展方向进行了展望。
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  PBO纤维表面改性处理的研究进展

  杨超杰, 吴喜娜, 魏浩, 王国军

  表面技术. 2024, 53(1): 48-55. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.004

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  聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维因其比强度高、比模量高、耐热性好、阻燃性好以及优异的介电性能，现已在安全防护、建筑汽车等领域得到广泛应用。由于PBO纤维表面光滑、化学惰性，导致其与基体树脂界面结合差，进一步影响复合材料的整体性能，这大大限制了PBO纤维优异综合性能的发挥，所以对PBO纤维表面进行改性处理显得尤为重要。介绍了近年来国内外针对PBO纤维不同表面改性方法及对应复合材料性能改善程度的研究进展，从PBO纤维改性方法的分类入手，阐述了各种方法的基本原理。通过对这些处理方法的比较，阐述了国内PBO纤维表面改性的研究进展，指出了国内外在PBO纤维表面改性处理上的差距，为未来的发展方向提供了参考。PBO纤维表面改性方法包括化学刻蚀法、等离子体处理、表面涂层法、化学接枝法、紫外刻蚀法、上浆剂处理等。各种改性技术各有利弊，在选择改性方法时，理应考虑达到工艺快捷有效、经济环保和无损纤维性能等指标。未来，在PBO纤维表面改性的处理方法领域，将逐步向绿色环保的上浆剂处理方向发展。
摩擦磨损与润滑
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  MoS2/Ti3C2Tx对磷酸盐涂层宽温域摩擦学性能的影响

  方媛, 闫嘉琪, 赵顺强, 曾立军, 吴燕

  表面技术. 2024, 53(1): 56-64. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.005

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  目的 以MoS2/Ti3C2Tx为固体润滑剂，在25(室温)~400 ℃下制备具有优异摩擦学性能的MoS2/Ti3C2Tx磷酸盐涂层，并研究它在不同温度下的减摩抗磨机制。方法 以氢氟酸为MAX相(Ti3AlC2)粉体的蚀刻剂，制备具有“手风琴”形貌的Ti3C2Tx MXene。以硫脲、钼酸铵、MXene为原料，制备MoS2/Ti3C2Tx复合材料。以Al(H2PO4)3为黏结剂，以CuO为固化剂，分别以Ti3C2Tx和MoS2/Ti3C2Tx为固体润滑剂，制备Ti3C2Tx磷酸盐涂层和MoS2/Ti3C2Tx磷酸盐涂层。通过高温摩擦磨损试验机和光学数码显微镜测试涂层在25~400 ℃时的摩擦因数和磨损率，采用扫描电子显微镜和显微共焦激光拉曼光谱仪分析磨痕表面形貌、物相，进而探讨磨损机理。结果 当Ti3C2Tx与Al(H2PO4)3的质量比为2∶1时，Ti3C2Tx磷酸盐涂层在室温(25 ℃)下的摩擦因数和磨损率均最低，分别为0.38和2.75×10^?4 mm³/(N.m)。在Ti3C2Tx表面负载MoS2，将MoS2/Ti3C2Tx作为固体润滑剂，能够显著降低磷酸盐涂层在25~400 ℃下的摩擦因数，同时磨损率也有所降低。MoS2/Ti3C2Tx磷酸盐涂层在室温下的摩擦因数低至0.11，相较于Ti3C2Tx磷酸盐涂层降低了71.1%，其磨损率相较于Ti3C2Tx磷酸盐涂层降低了1个数量级。在25~400 ℃范围内，MoS2/Ti3C2Tx磷酸盐涂层的摩擦因数均低于0.21。随着温度的升高，摩擦因数呈先减小后增大的趋势，磨损率整体上呈增大趋势。结论 相较于Ti3C2Tx磷酸盐涂层，MoS2/Ti3C2Tx磷酸盐涂层在25~400 ℃下的摩擦学性能均得到显著提升。
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  退火热处理对Cr3C2-FeCrBSi涂层摩擦磨损性能的影响

  姜自滔, 杨康, 辛越, 易新林, 张世宏, 王硕煜, 倪振航

  表面技术. 2024, 53(1): 65-77. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.006

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  目的 针对冷轧辊表面的循环应力、摩擦磨损的特殊服役环境，设计空气燃料超音速火焰喷涂(HVAF)制备Cr3C2-FeCrBSi复合涂层来提高工件表面的硬度和耐磨性。方法 利用HVAF技术在冷轧辊用合金钢板表面制备不同尺寸陶瓷颗粒混合的Cr3C2-FeCrBSi的复合涂层，并在600、700、800 ℃进行退火处理后得到退火态涂层。利用XRD、SEM、显微硬度计、电子拉伸试验机、盘式摩擦磨损试验机和接触疲劳试验机，考察了不同陶瓷含量和不同退火温度下涂层的相组成、组织结构、机械性能、摩擦磨损性能和接触疲劳失效形式。结果 喷涂态涂层的显微硬度、结合强度随着Cr3C2含量的增加先上升后下降。当陶瓷相质量分数为10%时，复合涂层最佳，显微硬度、结合强度分别为459.6HV0.3、42.8 MPa。选取Cr3C2(质量分数10%)-FeCrBSi涂层经过退火处理后，涂层的硬度、断裂韧性、抗磨损性能均有提升，其中摩擦因数由原先的0.89降低至0.80~0.75。此外在700 ℃下退火3 h得到的涂层，显微硬度可达490.3HV0.3，断裂韧性由2.81 MPa?m^1/2提升至3.15 MPa?m^1/2，磨损率为6.80×10^?14 m³/(N.m)，与喷涂态涂层相比，磨损率降低了15%。喷涂态、退火态涂层的磨损机制均为磨粒磨损。接触疲劳试验结果表明，退火态复合涂层的接触疲劳失效形式主要有剥落和分层，同时剥落失效情况下涂层的接触疲劳寿命更长，可达2.07×10⁵转。结论 Cr3C2-FeCrBSi复合涂层良好的抗磨损和耐接触疲劳性能主要取决于Cr3C2硬质耐磨颗粒的加入。而退火热处理可以促进涂层向平衡态的转变、同时析出的二次碳化物(Cr, Fe)7C3起到沉淀强化的作用，使得退火态涂层具有更好的抗摩擦磨损性能。
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  扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响

  朱琪, 谢俊, 张威, 庹军波

  表面技术. 2024, 53(1): 78-86, 95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.007

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  目的 研究扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响，获得抑制钢轨波磨的有效措施。方法 建立小半径曲线DTVI2扣件的轮轨系统有限元模型，对扣件系统进行实体化建模，考虑轨下垫板之间的接触情况，同时模拟扣件系统中弹条预紧作用。采用复特征值分析和瞬时动态分析研究轮轨系统的摩擦自激振动特性，并将预测结果与现场测试结果对比，揭示该区段钢轨波磨产生的原因。最后开展轨下垫板材料属性以及扣件结构参数的影响分析，获得其对钢轨波磨的影响。结果 轮轨间饱和蠕滑力引起轮轨系统发生频率为500 Hz的不稳定振动，会导致波长为30 mm的钢轨波磨。轨下垫板杨氏模量在10~50 MPa区间，等效阻尼比先从?0.015 2减小到?0.016 9又增大到?0.014 2;阻尼系数在0~0.000 1区间内，等效阻尼比从?0.016 9增大到?0.010 2;轨下垫板泊松比的变化没有引起系统等效阻尼比发生明显的变化;扣件间距在575~675 mm区间内，等效阻尼比从?0.016 3降低到?0.019 0;等效阻尼比随着弹条预紧力的增大而增大。结论 选取合适的轨下垫板杨氏模量可以减轻由轮轨摩擦自激振动导致的钢轨波磨;提高阻尼系数对轮轨系统的自激振动具有较强的抑制作用;而轨下垫板的泊松比对钢轨波磨的影响较小;适当减小扣件间距可以略微降低钢轨波磨的产生趋势;增大弹簧预紧力可以抑制由轮轨系统摩擦自激振动导致的钢轨波磨。
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  阴极电流密度对6061铝合金在含Na2WO4电解液中微弧氧化膜结构和耐磨性能的影响

  邵明增, 武宏, 杨洪波, 杨蕾, 王强

  表面技术. 2024, 53(1): 87-95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.008

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  目的 研究恒流模式下阴极电流密度对6061铝合金在含Na2WO4的电解液中制备的微弧氧化膜厚度、形貌、相组成及耐磨性能的影响。方法 固定阳极电流密度为5.0 A/dm²，阴极电流密度分别为0、1.25、2.5、3.75、5.0 A/dm²，对6061铝合金进行微弧氧化40 min。用涡流测厚仪测量了氧化膜的厚度，用扫描电镜观察了微弧氧化膜的表面形貌和截面形貌，用能谱分析仪分析了氧化膜的表面成分，用X射线衍射分析仪分析了微弧氧化膜的相组成，用往复式摩擦磨损试验机测试了氧化膜的耐磨性能。结果 随着阴极电流密度的增加，氧化膜内的W含量逐渐减少，氧化膜颜色逐渐变浅，氧化膜厚度逐渐增加。微弧氧化膜的主要组成相为α-Al2O3和γ-Al2O3。当阴极电流密度从0 A/dm²增加到3.75 A/dm²时，氧化膜内孔洞的数量和尺寸逐渐减少，孔洞到氧化膜/基体界面的距离逐渐增加，氧化膜的耐磨性能逐渐提升。当阴极电流密度为3.75 A/dm²时，氧化膜的磨损率最低，仅为1.07×10^?4 mm³/(N.m)。但阴极电流密度增加到5.0 A/dm²时，氧化膜表层出现孔洞和剥落，耐磨性能下降。结论 阴极电流的加入有助于增加6061铝合金微弧氧化膜的厚度，提高氧化膜的致密性和耐磨性能，但过高的阴极电流会导致氧化膜表层出现孔洞，降低耐磨性能。
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  SiC表面水滴型微织构的水润滑特性研究

  龙威, 赵章行, 王鹏洋, 毛文元, 乔妍

  表面技术. 2024, 53(1): 96-104. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.009

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  目的 提高水润滑条件下SiC陶瓷的摩擦性能。方法 通过对剪切力矩和摩擦因数的测试和计算，结合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察试件表面的磨痕形貌及元素含量分布，分析转速、载荷和织构排布方式对变深度水滴型织构在SiC表面摩擦因数、磨损特征和摩擦化学反应的影响规律。结果 在变深度动压弹流润滑和摩擦化学反应的协同作用下，单侧水滴型织构试件在润滑介质从小端流向大端时可以实现更好的润滑性能，并且随着转速从200 r/min升至900 r/min，稳定摩擦因数从0.004增至0.068，远低于相同工况下斜槽型织构和无织构的光滑表面试件。对于水滴型织构，当润滑介质从大端流向小端时，其呈现的摩擦因数与无织构表面光滑试件的摩擦因数相近，维持在0.014~0.114。双侧水滴型织构在重载时具有更优异的润滑减摩效果，在200~900 r/min的转速范围内，能够提供稳定且较小的摩擦因数。结论 在SiC材料表面设计具有变深度特征的水滴型织构，可以有效提高系统的润滑减摩效果，特别是当润滑介质从织构较浅处流向较深处时，可以促进SiC试件表面的摩擦化学反应，生成的氧化物薄膜会覆盖在试件表面形成保护层，使SiC陶瓷的摩擦学行为得到改善。
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  两种硫代磷酸酯型极压抗磨剂对自动传动液抗颤性的影响

  张孟佳, 狄泽超, 李媛, 张雪涛, 黄东升

  表面技术. 2024, 53(1): 105-114. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.010

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  目的 探究2种硫代磷酸酯型商品化极压抗磨剂三苯基硫代磷酸酯衍生物(AW-1)和酸性硫代磷酸酯(AW-2)对自动传动液抗颤性能的影响。方法 参考JASO M349，采用能够高度模拟汽车离合器片工况的德国盘–盘型摩擦试验机(WAZAU)对含有上述2种硫代磷酸酯型极压抗磨剂的自动传动液的抗颤性进行对比测试，并采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对摩擦表面的形貌和元素进行深入分析。结果 虽然AW-1、AW-2是润滑油中常用的硫代磷酸酯型极压抗磨剂，但二者的分子结构存在差异，在摩擦副表面形成摩擦反应膜的形式也不尽相同。各含量AW-1形成的反应膜中均含有硫、磷、钙等元素，且随着油品中AW-1含量的增加，各元素的含量会发生不同程度的变化。低含量AW-2形成的反应膜中含有硫、磷、钙等元素，但高含量AW-2形成的反应膜基本不含硫、磷、钙元素。结论 通过扫描电子显微镜和EDS能谱对摩擦后的钢盘进行了分析，结果显示，AW-1和AW-2硫代磷酸酯型极压抗磨剂在摩擦副表面形成摩擦反应膜的机理不同。AW-1分子中的硫元素在摩擦副表面生成了S-Fe膜，磷元素与清净剂中的钙元素生成了抗颤性优良的Ca-P膜，因此含有AW-1的ATF的抗颤性优异。AW-2中的羧基与钢盘表面的铁元素发生反应，生成了硫代磷酸酯铁盐，并沉积在金属表面，这在一定程度上抑制了S-Fe反应膜和Ca-P反应膜的生成，因此相应油品的抗颤性能不佳。
激光表面改性技术
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  Cu箔集流体飞秒激光深刻蚀织构化及其对锂离子电池性能的影响

  王京博, 曹利, 李松原, 肖荣诗, 黄婷

  表面技术. 2024, 53(1): 115-122. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.011

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  目的 使用飞秒激光在Cu箔表面深刻蚀织构化，制备微纳沟槽结构，提高锂离子电池Si电极循环稳定性。方法 系统研究激光能量密度、单位点有效脉冲数对厚度为9 μm的Cu箔的表面形貌和微纳结构的影响规律，根据结果设计不同沟槽密度和沟槽深度的Cu箔，并组装成Si电极锂离子半电池，通过循环测试及循环后电极形貌揭示其稳定性提升的内在机理。结果 最佳的激光能量密度为3.18 J/cm²，此时改变单位点有效脉冲数和扫描间距可有效控制刻蚀沟槽的密度和深度。Si电极的循环稳定性随着Cu箔表面沟槽密度和沟槽深度的增加而逐渐提升，当沟槽密度为75%、沟槽深度为6 μm时，循环300圈后剩余的容量高达911 mA.h/g，保持率为89%，电极形貌相对最完整、稳定。结论 刻蚀表面纳米结构增加了电极层与集流体之间的黏结强度;微米沟槽结构进一步保护了电极层，缓解了体积膨胀效应。采用Cu箔集流体深刻蚀显著改善了Si电极的剥离和开裂现象，实现了其电化学性能的提升。
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  激光冲击金属黏结层高温热循环应力演化规律的有限元模拟

  王瑞涵, 花银群, 叶云霞, 蔡杰, 戴峰泽

  表面技术. 2024, 53(1): 123-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.012

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  目的 探索激光冲击(LSP)对高温热循环(反复升温、保温和降温)过程中热障涂层中的热生长氧化物(TGO)表面及TGO/黏结层(BC)界面应力分布的影响规律。方法 基于真实TGO形貌，建立有限元模型，从应力演化角度分析LSP改性(LSPed)与未改性(Non-LSPed)试样危险区域的失效形式;使用拉曼光谱法(RFS)对氧化后的金属黏结层进行残余应力测试。结果 TGO应力分布随着形貌的起伏呈现相应的起伏变化。TGO表面压应力最大值出现在波峰位置，经10次热循环后LSPed试样TGO表面S11(平行于涂层表面的正应力)压应力最大值大于Non-LSPed试样，经50次热循环后LSPed试样TGO表面压应力最大值远小于Non-LSPed试样;随着热循环次数的增加，2类试样TGO/BC界面S11应力的差别变小。LSPed试样TGO表面S22(垂直于涂层表面的应力)应力随着热循环次数的增加逐渐增大，但S22拉应力小于250 MPa，应力总体偏低。TGO/BC界面S22、S12(平行于涂层表面的剪切应力)应力随循环次数的变化规律基本一致，经10次热循环后，LSPed试样的S22、S12应力均大于Non-LSPed试样;经50次热循环后，2类试样界面的S22、S12应力相差不大。结论 文中构建的TGO应力有限元仿真模型，模拟结果与测试结果吻合。LSP通过调控TGO生长速度，可以有效缓解TGO生长过程中应力的剧烈变化，大幅降低TGO表面S11和S12应力最大值，进而降低TGO表面产生垂直于表面贯穿裂纹和剪切破坏的风险，LSP对TGO表面(TGO/BC界面)应力状态的影响较小。
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  Cr3C2/WC的添加对Stellite 12熔覆层耐磨耐蚀性的影响

  赵菲, 张亮, 吴志生, 温保安

  表面技术. 2024, 53(1): 135-142. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.013

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  目的 提高Stellite 12熔覆层的耐磨耐蚀性能。方法 将Stellite 12合金粉末与碳化物(Cr3C2、WC)混合，采用激光熔覆技术在H13钢板上制备复合熔覆层。通过超景深显微镜和XRD分析其显微组织和物相，通过显微硬度测试、摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验，分别评价熔覆层的硬度、耐磨性和耐蚀性，并通过超景深显微镜对磨痕形貌进行分析。结果 添加碳化物后，熔覆层的微观组织以柱状晶和树枝晶为主，物相主要由γ-Co固溶体和碳化物(M23C6、M7C3)组成;Cr3C2的添加使得熔覆层的硬度降低，由610HV0.2降至530HV0.2，但耐磨性得到提高，磨损量由0.45 mm³降至0.33 mm³，下降了28%，耐蚀性得到提高，腐蚀电位由?0.385 V增加到?0.264 V，腐蚀电流密度由9.269×10^?10 A/cm²降至1.496×10^?10 A/cm²，极化电阻由3.982×10⁷ Ω.cm²提升至2.424×10⁸ Ω.cm²，提高了1个数量级;WC的添加使其硬度由610HV0.2提高至750HV0.2，磨损深度变浅，磨损量由0.45 mm³降至0.19 mm³，下降了43%，但耐腐蚀性有所降低。3种熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。结论 WC的添加可以有效提高熔覆层的硬度和耐磨性，但耐腐蚀性有所降低;添加Cr3C2后，耐蚀性得到显著提高，耐磨性略微提升，但硬度降低。
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  激光熔覆Ni-Al2O3复合涂层的微观结构与耐腐蚀性能研究

  孙勇辉, 闫洪, 兰昊, 黄传兵, 于守泉, 孙小明, 张伟刚

  表面技术. 2024, 53(1): 143-152. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.014

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  目的 解决Cr-Ni系不锈钢在重腐蚀工业环境中本体耐腐蚀性能不足的问题。方法 采用激光熔覆技术制备Ni-Al2O3复合涂层，利用X射线衍射、扫描电镜、能谱仪(EDS)和显微硬度计、电化学工作站等技术研究所制备涂层的微观结构、相组成和元素分布，分析Al2O3含量对复合涂层形貌、显微硬度和耐腐蚀性能的影响规律。结果 复合涂层组织均匀、无明显缺陷，与基体之间存在明显的冶金结合区，沿着该复合涂层深度方向的微观结构依次呈现为胞状晶、定向生长的柱状晶及细小的等轴晶，物相则由均匀分布于复合涂层顶部的Al2O3颗粒和金属间化合物(Fe-Ni、Fe-Ni-Cr固溶体)构成。随着Al2O3含量的增大，复合涂层的显微硬度呈先增大后减小的趋势，腐蚀电位呈先增大后减小的趋势，而失重腐蚀速率和腐蚀电流密度呈先减小后增大的趋势，涂层的耐腐蚀性能呈先增强后减弱的趋势。在Ni-x%Al2O3(x为0、0.15、0.25、0.35，质量分数)复合涂层中，Ni-25%Al2O3复合涂层具有较高的显微硬度和良好的耐腐蚀性能，该涂层的显微硬度达到1 026.3HV，腐蚀失重速率为0.15 mg/(cm².h)，腐蚀电压和腐蚀电流密度分别为–326.6 mV和38.6 μA/cm²。当继续增加Al2O3的含量时，气孔和裂纹等缺陷开始增多，复合涂层的显微硬度和耐腐蚀性能均呈现下降趋势。研究表明，Ni-x%Al2O3(x≤25)复合涂层的显微硬度和耐腐蚀性能的变化由细晶强化、固溶强化和颗粒强化协同作用所致。结论 激光熔覆Ni-25%Al2O3复合涂层具有较高的硬度和良好的耐腐蚀性，可以有效防护Cr-Ni系不锈钢，提高重腐蚀工业环境下机械零件的耐蚀性和使役寿命。
表面强化技术
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  航空齿轮钢强化工艺与表面完整性关联规律研究

  吴吉展, 朱才朝, 魏沛堂, 刘怀举, 吴少杰

  表面技术. 2024, 53(1): 153-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.015

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  目的 探究不同加工工艺与表面完整性的关联规律。方法 对渗碳航空齿轮钢AISI9310 进行常规喷丸、二次喷丸、微粒喷丸、滚磨光整、喷丸光整等齿轮高表面完整性强化加工工艺处理，使用白光干涉仪、X射线衍射应力仪和显微硬度计对不同工艺状态下的试件进行表面形貌、表面粗糙度、残余应力和显微硬度等表面完整性表征。结果 喷丸能使得航空齿轮钢的表面粗糙度Sa值由磨削状态的0.68 μm增加到0.96 μm，而光整处理后，Sa下降到0.2 μm以下;微粒喷丸使表面残余压应力提升到–1 300 MPa，相比于常规喷丸和磨削状态，其幅值分别增加了450、800 MPa;滚磨光整使得表面残余压应力幅值进一步增加到1 400 MPa以上;二次喷丸及喷丸光整能显著提升表面硬度，相比磨削状态的645HV分别提升到718HV、721HV。 结论 二次喷丸、微粒喷丸、光整等工艺通过影响齿轮表面粗糙度、残余应力、硬度梯度等表面完整性参数，从而影响润滑状态、受力状态、应力集中、失效风险等，直接影响齿轮的服役性能。
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  双辉等离子渗铬界面层对类石墨碳基涂层力学及磨蚀性能的影响

  闫江山, 郭鹏, 林乃明, 张应鹏, 马冠水, 周小卉, 汪汝佳, 严凯, 李小凯, 汪爱英

  表面技术. 2024, 53(1): 169-181. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.016

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  目的 研究渗铬界面层对铬/类石墨碳(Cr/Graphite-Like Carbon，GLC)复合涂层力学性能、结合强度及磨蚀行为的影响，阐明Cr/GLC复合涂层的抗磨蚀机理。方法 以316L不锈钢(316L)为基体，先借助双辉等离子表面合金化(DGPSA)技术制备渗铬界面层，再采用直流磁控溅射(DCMS)技术制备顶层GLC涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、共聚焦显微拉曼光谱仪(Raman)和X射线衍射仪(XRD)表征涂层的微结构与成分，采用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损仪和电化学工作站测试复合涂层的力学性能、断裂韧性、结合强度和抗磨蚀性能。结果 渗铬界面层能够促进GLC涂层的石墨化转变，实现硬度分布的梯度变化(基体为3.65 GPa，渗铬界面层为8.97 GPa，表面为13.15 GPa)，有效阻碍了裂纹的扩展。与GLC涂层相比，Cr/GLC复合涂层具有较高的断裂韧性和结合强度(≥50 N)，在3.5% NaCl溶液中具有更低的摩擦系数(0.055)和更低的磨损率(3.22×10^–7 mm³/Nm)，其抗腐蚀性和化学稳定性也明显更优。结论 通过界面设计，实现了Cr/GLC复合涂层硬度分布的梯度过渡，提高了复合涂层的断裂韧性以及与316L的结合强度，赋予了复合涂层优异的抗磨蚀性能，为其在海洋苛刻环境下的磨蚀防护提供了有益借鉴。
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  超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

  夏天成, 杨晓峰, 邵照宇, 孙凯, 李晓, 王继, 刘怡心, 陈浩

  表面技术. 2024, 53(1): 182-191. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.017

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  目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性，提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(Ultrasonic Rolling Process，USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化，用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验，使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料，超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度，提高表面显微硬度，并在材料内部引入一定的残余应力，并提升疲劳寿命。经USRP处理后，不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为，表面硬度从465HV提高到679.2HV，表面粗糙度从0.703 μm降低至0.253 μm，表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为，应力水平为742.4 MPa时，疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6 MPa时，疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度，并在表面引入一定的残余应力，疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时，超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。
热喷涂与冷喷涂技术
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  不同加热环境下钛表面Ni/Al涂层制备与高温氧化性

  李光全, 李德元, 张楠楠, 范喜宁

  表面技术. 2024, 53(1): 192-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.018

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  目的 研究大气与真空加热处理后Ni/Al涂层的金属间化合物析出规律，以及扩散层的生长速度，从而确定涂层的抗氧化性能。方法 分别采用电弧喷涂技术和等离子喷涂技术在纯钛基体表面制备Ni/Al涂层。将样品分别在大气条件和真空条件下进行加热处理，使Ni/Al涂层原位反应生成Ni-Al金属间化合物，并进行涂层抗氧化性试验。结果 Ni/Al涂层在大气环境700 ℃加热处理后，形成以Al2O3、Ni2Al3和富Al相NiAl3相为主的扩散层;在真空环境700 ℃加热处理后，形成以Ni2Al3、NiAl3相为主的扩散层。通过扩散反应动力学分析发现，真空热处理比大气热处理后Ni和Al之间的反应扩散系数更高，扩散系数为89.731 μm²/h。氧化增重试验表明，真空处理后，Ni/Al涂层由于金属间化合物层较厚，且具有大量的高熔点的Ni2Al3相，并且经过800 ℃下氧化200 h后，涂层未发生失效。结论 真空环境下加热处理原位反应后，Ni/Al复合涂层的扩散速率更高，更容易形成Ni-Al金属间化合物，获得更厚的金属间化合物层。与大气热处理相比，经过真空热处理后的涂层有更良好的抗高温氧化能力。
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  喷砂对MCrAlY-单晶高温合金界面组织影响研究

  郭云珊, 王晶, 李琰琰, 鲍泽斌, 原慷, 刘建明

  表面技术. 2024, 53(1): 202-208. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.019

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  目的 研究在单晶表面喷砂预处理对MCrAlY-单晶高温合金界面的组织的影响。方法 对单晶基材进行不同载荷条件下的喷砂处理(包括无喷砂、轻喷砂及重喷砂)，然后采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在单晶试样上制备MCrAlY涂层，观察高温氧化后涂层-单晶界面组织的演变。真空热处理后，首先对基材和涂层的微观组织结构进行扫描电镜观察表征，然后对涂层进行1 050 ℃的高温氧化试验，保温287 h后，继续采用背散射电子模式观察TCP相的析出行为，测量并绘制互扩散区和二次反应区析出厚度柱状图。结果 高温氧化热暴露过程中，涂层和基体之间发生了明显的元素互扩散现象，喷砂处理对互扩散区大小，尤其是二次反应区的深度，有着显著影响。在该高温氧化试验条件下，轻喷砂和重喷砂对互扩散区厚度的影响不大(重喷砂17.5 μm，轻喷砂20 μm)，但显著促进了SRZ的析出厚度(重喷砂52.5 μm，轻喷砂40 μm)。结论 喷砂会导致单晶内产生塑性变形(形成GPDZ)，且重喷砂会析出更深的二次反应区，对于包覆型MCrAlY涂层在单晶热端部件的表面应用，应当对单晶表面实施轻喷砂或无喷砂处理。
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  悬浮液等离子喷涂高效制备TiO2涂层及其光催化性能

  崔赛楠, 范秀娟, 尹辉俊, 李双建, 张小峰, 何春艳, 宋琛, 邓春明, 毛杰

  表面技术. 2024, 53(1): 209-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.01.020

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  目的 解决TiO2粉末催化剂在污水净化过程中易沉降和难回收问题，同时提高TiO2在可见光条件下降解有机污染物的速率。方法 采用悬浮液等离子喷涂(SPS)技术，以H2为辅助气体制备TiO2涂层，借助H2将高温等离子体焰流中熔融态TiO2中的Ti⁴⁺还原成Ti³⁺。通过场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱光谱仪、紫外-可见光谱仪等对TiO2粉末以及所制备涂层的结构形貌、物相组成、元素价态、光学特性进行分析。以亚甲基蓝为目标污染物，使用光化学反应仪测试粉末和涂层的光催化性能。结果 TiO2涂层表面呈现由熔融和半熔融颗粒组成的“喀斯特”微观形貌，表面粗糙度为2.94 μm，孔隙率为10.2%。TiO2粉末物相为纯锐钛矿，涂层物相由锐钛矿、金红石相及TiO2－x相组成。TiO2涂层中Ti³⁺的存在使其带间隙减小0.6 eV。在紫外光条件下，TiO2粉末的催化速率为0.003 48，而涂层的催化速率为0.003 45。在可见光条件下，粉末的催化速率与亚甲基蓝的光解速率相近，涂层的催化速率是0.003 07。结论 通过SPS技术成功制备了TiO2光催化涂层，其在可见光条件下的催化性能较粉末有显著提升。