2024年, 第53卷, 第10期　
刊出日期：2024-05-25

  

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研究综述
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  电弧喷涂Zn-Al伪合金涂层耐腐蚀性能研究进展

  张敏, 丁玉萍, 王淞, 刘施峰

  表面技术. 2024, 53(10): 1-15. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.001

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  通过在钢基体表面制备涂层可以很好地延长钢铁材料的服役时间，减少因腐蚀造成的重大事故和人员伤亡。相较于传统的纯Zn涂层、纯Al涂层以及Zn-Al合金涂层，Zn-Al伪合金涂层能够为基体材料提供长久有效的腐蚀防护，在钢铁材料的腐蚀防护中具有巨大的应用潜力。简述了Zn-Al伪合金涂层电弧喷涂制备工艺的特点;介绍了Zn、Al、Zn-Al合金及Zn-Al伪合金涂层在模拟海洋环境下的腐蚀防护原理;在此基础上从组分、喷涂工艺参数(喷涂距离、喷涂电流和喷涂电压)、元素掺杂(Mg、Si及Re)及后处理工艺(封孔、激光重熔)等角度，论述了其对Zn-Al伪合金涂层耐蚀性的影响;讨论了Zn-Al伪合金涂层防腐体系在桥梁、海洋钢结构件、地下运输管道中的应用现状;最后总结了目前研究工作中存在的挑战，提出了电弧喷涂Zn-Al伪合金涂层尚需深入研究的重点问题，为提高钢铁材料使用寿命提供了参考。
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  锆合金包壳Cr涂层界面元素扩散行为研究进展

  吴金龙, 栾佰峰, 周虹伶, 杨晓玲, 黄伟九, 孙超

  表面技术. 2024, 53(10): 16-27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.002

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  随着核反应堆向高燃耗和更长服役寿命方向发展，对包壳材料的安全可靠性提出了更高的要求。锆合金表面Cr涂层由于其优异的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能以及与基体良好的兼容性，被认为是最有前景的耐事故涂层包壳材料。综述了近年来涂层Cr与基体Zr界面元素扩散行为的研究成果，重点介绍了Cr涂层不同状态下的界面结构及演变规律，包括沉积、退火、辐照、氧化等状态。总结了Cr的扩散、分布和金属间化合物Zr-Cr-(Fe)层的生长动力学模型，归纳了界面扩散对涂层结构及性能的不利影响。扩散阻挡层是一种抑制涂层与基体互扩散的有效结构，介绍了阻挡层设计制备原则以及现有的和潜在的金属或陶瓷阻挡层材料，分析了2类典型阻挡层的优缺点。金属阻挡层能抑制Cr的扩散并延迟Cr-Zr共晶反应，但需要考虑中子经济性;虽然陶瓷阻挡层阻隔元素扩散的性能优异，但由于其与锆合金力学性能和热膨胀系数的差异明显，易产生微裂纹，需要考虑其抗裂性。最后提出了采用实验与分子动力学等相结合的多尺度研究方法开展界面研究，同时指出了目前研究工作中亟待解决的关键问题，这为后续的锆合金表面耐事故涂层研究与开发提供了重要参考。
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  冷喷涂硬质合金耐磨涂层研究进展

  王明远, 李文亚, 徐雅欣, 雒晓涛

  表面技术. 2024, 53(10): 28-40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.003

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  硬质合金涂层具有高耐磨性与高耐腐蚀性等优势，因此广泛应用于冶金等领域的耐磨、耐蚀防护中。采用传统热喷涂技术制备硬质合金涂层，其高温会导致涂层材料产生相变、氧化、脱碳等问题，从而损害涂层的服役性能。冷喷涂技术作为一种新兴的涂层制备技术，具有低温的特点，可避免传统热喷涂方法所带来的涂层质量问题，成为硬质合金涂层制备的潜在技术。在简述冷喷涂技术原理及其沉积机理的基础上，综述了冷喷涂制备硬质合金耐磨涂层(如WC-Co、WC-Ni、Cr3C2-NiCr等)，以及影响涂层硬度、耐磨性等力学性能的主要因素，包括硬质相、黏结相的种类、含量和尺寸等。综合比较了冷喷涂与超音速火焰喷涂制备的硬质合金涂层的耐磨性能，分析了后处理(喷后热处理、搅拌摩擦处理)对冷喷涂硬质合金涂层耐磨性的影响。最后，提出了冷喷涂技术在硬质合金耐磨涂层制备方面的局限性，并对未来发展进行了展望。
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  超声滚压表面复合强化研究综述

  梁浩, 潘永智, 孙玉涵, 张艺嘉, 潘延安, 付秀丽

  表面技术. 2024, 53(10): 41-55, 109. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.004

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  超声滚压技术通过位错的湮灭和产生将晶粒细化至纳米级，提高了材料硬度和耐磨损等性能。探讨了如何进一步提升材料的使役性能，通过将超声滚压与其他处理技术相结合形成复合加工工艺，克服单一超声滚压处理工艺的局限性，如超过塑性变形的极限或过度强化带来的起皱、开裂和压溃等。超声滚压表面复合强化技术作为特种复合加工工艺，在零件高性能表面制造中具有明显优势。根据超声滚压在复合工艺中的位置顺序，分别介绍了超声滚压前端强化、同步强化和后续强化3种加工类型。超声滚压前端复合加工技术主要包括超声滚压复合物理气相沉积技术和超声滚压复合离子注入技术等。在超声滚压同步强化方面，讨论了声电耦合和温度场辅助超声滚压对变形层厚度和摩擦磨损性能的影响。在超声滚压后续强化方面，介绍了涂层复合超声滚压技术，讨论了它对涂层裂纹、孔隙以及表面粗糙度的影响。此外，分析了超声滚压对复合强化过程中材料微观组织演化和塑性变形的作用机制，总结了这些技术在改善表面强化效果和满足复杂服役要求方面的研究现状。最后，展望了超声滚压复合强化技术的应用前景和发展方向，强调了它在提高材料使役性能方面的研究价值和目标。
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  钛酸铋钠基压电材料制备技术研究进展

  欧阳雨舟, 陈爽, 黄艳斐, 邢志国, 郭伟玲

  表面技术. 2024, 53(10): 56-70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.005

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  钛酸铋钠(BNT)基压电材料因具有较好的电学性能以及高居里温度等优点，成为了压电材料领域的研究热点之一。如何制备出性能优异的钛酸铋钠基压电材料，是满足各个领域应用要求的重要环节。重点综述了近年来钛酸铋钠基压电材料制备技术的研究进展，从固相烧结、放电等离子烧结以及微波烧结等角度对其烧结技术进行论述;从溶胶-凝胶、脉冲激光沉积和射频磁控溅射等角度对其薄膜制备技术进行综述;对热喷涂制备压电涂层的机理和工艺进行总结。结果表明，烧结温度是影响块体材料结构和性能的关键因素，其中放电等离子烧结与微波烧结相较于传统的固相烧结能够有效控制材料的烧结温度;在钛酸铋钠薄膜的制备中对沉积温度、氧气压力以及退火温度的控制可以有效提高薄膜电学性能;热喷涂制备的钛酸铋钠涂层通过热处理工艺能够改善涂层的电学性能，并且热喷涂能够在复杂零件表面实现压电涂层的可控制备，其中钛酸铋钠压电陶瓷薄膜和涂层的制备扩展了其应用范围。最后，展望了压电陶瓷材料技术的未来发展趋势，为压电材料制备技术的研究提供了一定的参考。
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  激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

  宋宝强, 门秀花, 张国昌, 潘永智, 李艳, 蒋振峰, 付秀丽

  表面技术. 2024, 53(10): 71-91. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.006

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  激光熔覆是一种高能束增材修复技术，具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势，目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术，包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程，其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征，其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态，是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发，论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上，分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征，总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时，针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性，概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后，总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题，并对其发展趋势进行了展望。
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  响应型润滑表面的智能调控研究进展

  张明瑞, 梁鑫, 罗星, 仲星屹, 华程, 罗长鹏

  表面技术. 2024, 53(10): 92-109. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.007

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  智能润滑材料和表面具有随需应变和仿生功能的特点，是近年来润滑技术的一个研究重点。功能成分的触发和反馈行为赋予了智能材料可控的润滑能力，能对环境变化做出响应，进而可以实现摩擦界面润滑状态的主动调控，为智能设备的设计和运用提供新的研究思路。结合智能润滑的研究现状，对材料类型、构筑方式以及应用领域等研究进展进行介绍。根据材料能够响应的刺激类型把智能润滑表面分为9种类型，并分别总结了每种类型材料的设计理念、刺激响应机理以及性能特点。此外，从高分子复合材料、功能化润滑纳米添加剂和环境敏感水凝胶3个方面对智能润滑表面的摩擦学领域的应用情况以及未来可能发展的方向进行了讨论。未来研究方向包括但不限于以下几个方面:一是开发新型响应型润滑表面，例如基于自愈性润滑表面、电磁响应性润滑表面等;二是探索更加智能的响应机制，例如基于人工智能的自适应控制;三是进一步研究响应型润滑表面的机理，从微观和宏观层面深入探索响应机制;四是拓展响应型润滑表面的应用领域，例如在纳米技术、生物医学、机器人等领域的应用。
腐蚀与防护
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  P110钢冲刷腐蚀预测模型的构建及其机理研究

  马文祺, 王勤英, 宋宇辉, 符昌友, 张兴寿, 罗晓芳, 西宇辰, 董立谨, 张华礼, 张智

  表面技术. 2024, 53(10): 110-123. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.008

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  目的 探究高温高压环境下P110钢在不同冲刷速度和角度下的腐蚀行为规律，揭示其冲刷腐蚀机理，建立腐蚀预测模型，以期指导油气田材料腐蚀防护与腐蚀预测。方法 采用电化学工作站和高温高压反应釜，开展高温高压冲刷腐蚀实验。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对冲刷腐蚀前后材料的微观组织结构、化学成分及物相进行表征。此外，通过调研文献数据，基于随机森林(Random Forest，RF)算法构建了P110钢的冲刷腐蚀预测模型，并开展了预测准确性研究。结果 在3 m/s的冲刷速度下，随着冲刷角度的增加，自腐蚀电流密度由30°的2.19×10^?4 A/cm²降低到90°的1.449×10^?4 A/cm²。在30°的冲刷角下，随着冲刷速度的增加，自腐蚀电流密度由0 m/s的6.30×10^?5 A/cm²增加到3 m/s的2.19×10^?4 A/cm²。腐蚀产物具有双层膜结构，外层主要由FeCO3组成，内层主要为Fe2O3。腐蚀预测模型分析结果表明:温度对P110钢的腐蚀速率影响程度最大，其次是CO2和冲刷速度。结论 在高温高压环境下，P110钢能够产生Fe2O3和FeCO3的双层腐蚀产物膜，随着冲刷速度的增加和角度的降低，腐蚀产物膜完整性破坏，腐蚀加剧。腐蚀预测模型具有良好的性能，能够有效预测腐蚀速率。
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  注多元热流体环境下流速对N80钢腐蚀行为的影响研究

  陈宇凡, 林学强, 孙建波, 孙冲, 徐学旭, 逄波, 陈慧

  表面技术. 2024, 53(10): 124-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.009

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  目的 研究不同流速条件下N80钢在注多元热流体环境中的腐蚀特征，探究流速变化对N80钢腐蚀行为的影响规律及机理。方法 利用自制高温高压多相流冲刷腐蚀环路装置模拟不同流速(0、0.5、1.0、2.0 m/s)的注多元热流体环境，采用失重法计算不同流速下N80钢的平均腐蚀速率，并同时进行原位电化学测试。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对不同流速条件下N80钢腐蚀后的腐蚀产物物相组成和表面微观形貌进行分析。结果 N80钢在注多元热流体环境中的平均腐蚀速率随着流速增加而增大。流速增加影响O2的扩散传质过程、近表面离子分布和壁面剪切力的大小，使腐蚀产物膜特征发生变化。0 m/s时，腐蚀产物主要由FeCO3和少量Fe2O3组成，为单层膜结构，腐蚀形态为均匀腐蚀。0.5~2.0 m/s范围内，腐蚀产物种类增加，主要由FeCO3、Fe2O3和少量FeO(OH)组成，呈双层膜结构，同时N80钢表面腐蚀产物膜出现鼓泡，且随流速增加鼓泡数量增加，去除腐蚀产物膜后发现鼓泡下方存在局部腐蚀。原位电化学测试结果表明:随着流速增加，塔菲尔极化曲线的阳极斜率增大，阴极斜率减小。电化学阻抗谱测试结果表明，N80钢表面外层腐蚀产物膜电阻Rf1、电荷转移电阻Rct和扩散电阻W随流速增加而减小。结论 流速增大加快了O2的扩散传质过程，使得腐蚀电化学控制步骤由阴极氧扩散过程转变为阳极溶解过程，且试样表面保护性FeCO3膜厚度减小，导致产物膜保护性降低。另外，Fe²⁺更容易被氧化形成Fe³⁺，局部FeCO3被氧化成为Fe2O3，破坏了内层膜的完整性，导致局部腐蚀发生。
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  深冷处理对7075-T6铝合金高速切削亚表层微细观演变及腐蚀机理的影响研究

  岳修杰, 张平, 高业然, 孙亚杰, 王优强

  表面技术. 2024, 53(10): 134-143. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.010

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  目的 探究切削速度对经深冷处理和未经深冷处理的7075-T6铝合金微观组织演变机理和耐腐性的影响。方法 选取经深冷处理(T6-C)和未经深冷处理(T6)的7075-T6铝合金进行切削加工，并在3.5%(质量分数)NaCl溶液中进行电化学腐蚀实验。通过透射电镜(TEM)、HRTEM、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学分析，对微观组织演变、表面形貌和耐腐蚀性能进行研究。结果 在相同的切削参数下，相较于T6铝合金，T6-C铝合金表现出更小的晶粒尺寸，铝基体中存在更多的析出相——η相MgZn2，且位错密度以及析出相密度更大，无析出晶界带为断续分布。深冷处理和增大切削速度都显著提高了7075-T6铝合金的耐腐蚀性能，且腐蚀形貌存在显著的龟裂现象。通过电化学分析得知，当切削速度为1 500 m/min时，与未深冷处理相比，深冷处理后的7075-T6铝合金的电流密度减小了3.24×10^?6 A/cm²，极化电阻增大了1.68×10⁵ Ω.cm²，在该参数下表现出较好的耐腐蚀性能。与此同时，随着切削速度的增大，容抗弧半径呈增大的变化趋势，且相较于T6铝合金，T6-C铝合金具有更大的容抗弧半径。结论 深冷处理可以有效细化7075-T6铝合金的晶粒结构，进而强化位错密度，从而显著提升该合金的耐腐蚀性能。
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  稀土Y对铜线材抗氧化行为的影响机理研究

  葛晨阳, 国秀花, 李韶林, 宋克兴, 周延军, 刘海涛, 张朝民, 曹军, 曹飞, 高岩

  表面技术. 2024, 53(10): 144-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.011

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  目的 针对纯铜线材的抗氧化性能不足问题，通过稀土微合金化制备了含微量Y元素的铜线材，研究稀土Y含量对铜线材抗氧化性能的影响。方法 采用扫描电子显微镜(SEM)、EDS能谱仪和X射线衍射仪等表征手段，分析了氧化膜脱落后基体表面形貌以及稀土Y元素在氧化过程中的存在形式与氧化膜的生长过程，揭示了添加稀土元素Y提高纯铜抗氧化性能的作用机理。结果 稀土Y的引入提高了纯铜线材的抗氧化性能，在600 ℃、10 h条件下，Cu-0.03Y线材相对于Cu线材氧化增重率由0.55%降低至0.2%，降幅达63%。稀土元素Y的添加使铜线材的(100)晶面占比减少，(111)晶面占比增多，基体表面易被活化的(100)原子面占比降低，铜线材的抗氧化性能提高。在Cu-0.1Y线材中稀土元素浓度较高时发生偏聚，稀土元素与氧的亲和力大于铜与氧的亲和力，偏聚处形成不连续的稀土氧化物，使氧离子与铜离子的接触反应面积增大，相比Cu-0.03Y线材抗氧化性能降低。结论 氧化过程中稀土离子的扩散速率慢、半径大，对铜离子的向外扩散起到阻碍作用，降低了铜离子的扩散速度，提高了铜线材的抗氧化性能。
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  TC4表面TiN/Ti涂层的热腐蚀行为研究及第一性原理计算

  孙志平, 郭红星, 唐昌伟, 何光宇, 李玉琴, 陈永刚

  表面技术. 2024, 53(10): 156-166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.012

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  目的 综合评估涂层性能、延长压气机叶片的使用寿命，进行TiN/Ti涂层及冲蚀后TiN/Ti涂层的热腐蚀行为机制研究。方法 进行了完整TiN/Ti涂层及冲蚀后TiN/Ti涂层300 ℃/120 h的热腐蚀实验，腐蚀介质为95%(质量分数)Na2SO4+5%(质量分数)NaCl。冲蚀实验采用形状不规则的SiO2颗粒，冲蚀角为45°，冲蚀速度为130 m/s，供砂速率为6.4 g/min。建立了完整TiN涂层、表面具有孔洞的TiN涂层及表面具有Ti液滴的TiN涂层3种第一性原理腐蚀计算模型。结果 TiN/Ti涂层热腐蚀后，液滴处发生氧化并且变得疏松;样品切割边缘产生腐蚀锈迹，最终出现鼓包和裂纹;冲蚀后，涂层表面的完整性受到破坏，相较于未冲蚀区域，冲蚀坑周围更容易出现腐蚀。在热腐蚀过程中，SO4^2?中的O和完整TiN涂层中的Ti以及液滴中的Ti电子云团接触，存在电荷转移及成键倾向，具体为Ti失电子、O得电子，腐蚀主要发生在SO4^2?中的O与Ti之间。结论 第一性原理计算结果与热腐蚀的实验结果相一致，第一性原理计算结果可以从微观上反映液滴和孔洞等缺陷对涂层热腐蚀行为的影响，能够为分析涂层的热腐蚀机制提供理论依据。
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  γ-TiAl基合金用Al2O3-SiC-AlPO4复合涂层抗高温氧化性能研究

  杨天南, 牛合全, 孔令艳

  表面技术. 2024, 53(10): 167-172, 206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.013

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  目的 通过表面涂层提高γ-TiAl基合金的抗高温氧化性能。方法 采用常规喷涂涂料法在γ-TiAl合金基体上制备Al2O3-SiC-AlPO4磷酸盐复合抗高温氧化涂层。研究γ-TiAl合金和涂层样品在900 ℃、静态空气条件下的准等温氧化动力学行为。用XRD和SEM/EDS分别对涂层样品氧化前后的物相组成、组织形貌和微区成分进行表征分析;用电子探针(EPMA)分析涂层样品的元素分布情况。结果 900 ℃恒温氧化动力学研究结果表明，γ-TiAl基合金初期氧化速率常数为32.501×10^?2 mg/(cm².h^1/2)，与后期氧化速率常数28.113× 10^?2 mg/(cm².h^1/2)基本接近，呈直线规律，不具有抗氧化性能;而Al2O3-SiC-AlPO4磷酸盐复合涂层样品氧化后期氧化速率常数为5.967×10^?2 mg/(cm².h^1/2)，与氧化初期8 h内氧化速率常数23.941×10^?2 mg/(cm².h^1/2)相比，明显降低，遵循典型抛物线规律，具有抗氧化性能。微观分析结果表明，原始涂层与γ-TiAl合金基体结合紧密，涂层主要相组成为Al2O3、SiC、SiO2;AlPO4以无定形状态构成涂层连续相。氧化后，AlPO4演变成晶态，形成涂层致密的网络结构;部分基体钛元素扩散进入涂层中疏松部位，氧化后形成TiO2弥散分布在涂层中，填补了涂层疏松部位，使涂层更加致密;在涂层与基体界面2 μm区域内形成连续致密Al2O3膜，阻挡了空气中的氧进一步扩散进入基体。结论 Al2O3-SiC-AlPO4复合涂层有效降低了γ-TiAl基合金氧化速率，有助于形成保护性Al2O3膜，明显改善了900 ℃ γ-TiAl基合金抗高温氧化性能。
精密与超精密加工
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  基于MOGWO的45#钢表面激光抛光工艺参数多目标优化

  梁强, 徐永航, 李永亮, 王敬, 杜彦斌

  表面技术. 2024, 53(10): 173-182. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.014

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  目的 提高45^#钢表面激光抛光后的成形质量，提出一种激光抛光工艺参数多目标优化方法。方法 构建基于功率、扫描速度、搭接距离的三因素三水平激光抛光试验，并分别应用粗糙度测量仪、显微硬度计和超景深三维显微镜测试抛光层的粗糙度、显微硬度和抛光层深度。基于试验数据，分别应用指数模型和二阶响应面模型构建抛光工艺参数与表面粗糙度、显微硬度、抛光深度的回归预测模型，并对2种模型的预测精度进行对比分析。采用多目标灰狼优化算法(MOGWO)结合优劣解距离法(TOPSIS)-CRITIC综合评价决策体系对抛光工艺参数进行寻优和多属性决策。结果 二阶响应面模型具有更高的预测精度，能够更好地反映激光抛光工艺参数与各响应目标之间的映射关系。当功率为113 W、扫描速度为3 m/min、搭接距离为0.13 mm时，粗糙度值Ra从11.563 μm降至5.713 μm，降幅为50.59%，显微硬度从185.9HV0.5升至364.7HV0.5，升幅为96.18%，此时的抛光深度为0.051 mm，最大相对误差为7.84%。结论 此方法可以为其他金属材料表面激光抛光质量预测模型的构建及工艺参数寻优提供借鉴。
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  微量润滑工况下纳米粒子协同微织构对刀具切削性能的影响

  刘朝伟, 杨发展, 姜芙林, 黄珂, 杨宇, 赵烁, 隋潇斌

  表面技术. 2024, 53(10): 183-195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.015

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  目的 探究微量润滑工况下纳米粒子与织构协同作用对刀具切削性能的影响及其变化规律。方法 通过有限元数值模拟软件ABAQUS对不同工况下刀具的等效塑性应变、等效应力以及切削力的变化进行仿真和预测评估。同时，通过切削试验进行验证分析，并结合刀具前刀面的磨损状态、前刀面磨损区主要元素含量、切屑形貌及其变化以及已加工表面质量对刀具的切削性能进行综合评价，以探究纳米粒子与织构刀具的协同作用对刀具切削性能的影响机制。结果 仿真结果表明，N-O-M切屑的等效塑性应变较小，切屑层较薄，与N-O-T相比，最大等效应力值降低了26.4%，平均切削力为232 N，刀具减摩效果最为明显;不同工况下平均切削力误差均控制在10%以内，试验值与仿真值高度一致;N-O-M磨损面积仅为1.95×10^?2 mm²，刀具表面无明显的黏结物和崩刃现象，磨损面积仅为N-O-T的39.8%;N-O-M切屑卷曲半径最小，已加工工件表面脊线较长，工件表面质量较优。结论 微量润滑工况下纳米粒子与表面织构的协同作用对提高刀具切削加工性能具有重要意义。微液滴在一定的压力下能渗入刀-屑界面接触区形成液膜，织构沟槽中的纳米粒子随着液膜中润滑介质的流动能够周期性释放到摩擦副的接触表面，持续作用于切削区域改变原有的摩擦接触状态和润滑方式，促进摩擦副间摩擦形式由滑动摩擦向滚动摩擦状态转变，实现减摩降磨的目标。
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  基于异步旋转磁极的TC4薄板双面磁粒研磨工艺研究

  刘杰, 焦安源, 张家龙, 苗永鑫, 韩冰

  表面技术. 2024, 53(10): 196-206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.016

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  目的 为提升传统磁粒研磨TC4薄板的加工效率，改善表面形貌，设计了相对磁极产生相对转速差的双面磁粒研磨装置。方法 基于两侧相对磁极的异步旋转，使两侧磁极产生相对转速差，进行磁性磨粒的受力和运动分析，对材料去除量进行计算分析。利用Maxwell软件，对不同的相对转速差进行磁场的模拟仿真，进而使用设计的双面磁粒研磨加工装置，对TC4薄板的双面进行研磨。最后，使用粗糙度仪和超景深3D电子显微镜，对研磨前后的工件表面进行观察分析。结果 对于磁极的同步旋转，即当两侧磁极转速为500 r/min时，正面表面粗糙度Ra的平均值从0.47 μm下降至0.2 μm，下降幅度为57%，反面表面粗糙度Ra的平均值从0.46 μm下降至0.21 μm，下降幅度为54%。对于磁极异步旋转，即磁极Ⅰ转速为500 r/min、磁极Ⅱ转速为600 r/min时，正面表面粗糙度Ra的平均值从0.47 μm下降至0.1 μm，下降幅度为78%，反面表面粗糙度Ra的平均值从0.48 μm下降至0.1 μm，下降幅度为79%，正面最大高度差的平均值从62.5 μm下降至10.4 μm，下降幅度为83%，反面最大高度差的平均值从63.2 μm下降至10.3 μm，下降幅度为84%，材料去除效率最高，表面质量得到有效改善。结论 采用异步旋转双面磁粒研磨的方式，可以有效促进磁性磨粒的翻滚运动，加速切削刃的更新。该装置加工时能够产生相对较高的磁感应强度，磁场梯度变化适中，有利于提升表面质量，修复工件表面的缺陷，大幅度提升了研磨的效率。
表面功能化
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  齿槽表面多级微织构构筑及其润湿机理

  李旭航, 王海斗, 朱丽娜, 底月兰, 朱凯悦

  表面技术. 2024, 53(10): 207-215, 242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.017

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  目的 使外科手术器械表面具有超疏水功能，有效防止感染，解决医疗器械的清洁问题，降低设备维护成本。方法 通过电火花线切割(WEDM)复合纳秒激光烧蚀在3Cr13不锈钢表面制备了亚毫米/微米多级复合织构表面，随后在表面上制备了1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液(PFDS)自组装超疏水涂层。利用台式扫描电镜和激光共聚焦显微镜观察复合织构表面形貌特征，使用接触角测量仪对水滴与复合织构表面的接触状态进行观察，并测量水滴的接触角与滚动角。利用表界面张力仪对多级织构表面黏附力进行表征。结果 微米沟槽在亚毫米齿槽斜面上均布且不同高度的沟槽形状一致，方向与齿槽平行。水滴与齿槽阵列表面为Wenzel模型接触，水滴与多级结构表面为Cassie-Baxter模型接触。齿槽阵列试样最大黏附力为164.1 μN，最小黏附力为123.5 μN，多级织构试样的黏附力分别为77.2、47、24.1 μN。结论 微米沟槽的存在改变了水滴接触状态，在亚毫米尺度上水滴与表面的接触状态由Wenzel状态转为Cassie-Baxter状态，有效改善了水滴的接触性能与滚动性能。多级织构试样齿槽顶角的减小，有效减小了固液接触面积，水滴接触角最大为163.2°。
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  激光-热处理复合工艺制备油水分离表面及性能研究

  刘超, 余忠杰, 王泰源, 冶孟琦, 王青华

  表面技术. 2024, 53(10): 216-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.018

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  目的 研发一种高效、低成本的激光-热处理复合工艺，制备具有油水分离性能的泡沫铜表面，为石油污染的净化提供一种有效的参考方法。方法 首先利用纳秒激光在泡沫铜表面上诱导出多级微纳米结构，然后将泡沫铜放入低温烘箱中加热处理，通过调控激光参数和热处理相互作用制备出了超疏水超亲油泡沫铜表面，并使用扫描电子显微镜、光电子能谱仪和接触角测量仪，对激光加工前后泡沫铜表面的微纳结构、表面化学元素组成和油水在表面的润湿性进行了表征。结果 泡沫铜表面经纳秒激光加工后诱导生成的多级微纳结构受到包括激光扫描速率、激光加工功率和扫描间距等激光加工参数的显著影响。同时，配合低温热处理工艺，激光制备泡沫铜表面的化学成分快速转变，表面能显著降低，使得泡沫铜表面获得了超疏水超亲油的润湿特性。本工作制备的泡沫铜表面在空气中的最大水接触角为158.5°，油接触角为0°。并利用油水分离试验装置验证了激光-热处理复合工艺制备的超疏水超亲油泡沫铜表面可以使油和水选择性通过，分离效率超过90%。结论 激光-热处理复合工艺制备的具有多级微纳结构的泡沫铜表面具备优异的超疏水超亲油特性，展现出了良好的油水分离性能，有望实现海洋生态中石油污染的净化。
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  高性能凹凸棒土-聚四氟乙烯分离膜的制备工艺及其研究

  吕震北, 彭文海, 潘文涛, 薛伟, 彭德连, 王春笋

  表面技术. 2024, 53(10): 230-242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.019

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  目的 由于工业含油废水的日益增多和溢油事故的频发，高性能分离膜的制备研究受到了极大的关注。有特殊表面润湿性的膜由于其分离效果好，在油水分离的实际应用中被广泛应用。然而，实际要获得有特殊表面润湿性的膜不仅制备过程复杂，而且成本高昂。制备有特殊润湿性表面的方法通常为2步，先构造分级粗糙表面，然后用低表面能材料对表面进行化学修饰。方法 提出了一种简单、低成本、高效的方法，通过皮秒激光在聚四氟乙烯上打孔，然后喷涂凹凸棒土来制备高性能的凹凸棒土-聚四氟乙烯油水分离膜。结果 制得凹凸棒土-聚四氟乙烯分离膜，由于聚四氟乙烯本身就具有疏水性，再经过打孔、喷涂工艺的叠加，其表面形成了独特且粗糙的微纳结构，测试的样品中接触角均在150°以上，具有超疏水特性。在油水分离过程中，薄膜的微孔直径小于200 μm时，其油水分离效率均在98.0%以上。更重要的是，所制备的膜的分离效率在严重磨损或40次分离循环后没有明显变化，其分离效率仍在96.0%以上，并且在强酸强碱等腐蚀介质中浸泡24 h后，依然具有良好的润湿性能和油水分离性能，表明该膜具有良好的耐用性和稳定性，为快速制备高性能分离膜提供了新的途径。结论 制备的超疏水凹凸棒土-聚四氟乙烯膜具有优异的性能，可在实际过程中广泛应用。
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  溶胶-凝胶法制备SiO2减反射薄膜及其耐久性

  王军, 胡瑾瑜, 向军淮, 李由, 张淑娟, 胡敏

  表面技术. 2024, 53(10): 243-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.10.020

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  目的 增加太阳光在太阳能电池玻璃盖板的透过率，以期提高太阳能电池的转换效率。方法 以正硅酸乙酯为原料、乙醇为溶剂、氨水为催化剂，采用碱催化溶胶-凝胶浸渍提拉法，在玻璃表面制备了SiO2减反射薄膜，研究了溶胶中正硅酸乙酯与乙醇物质的量比和提拉镀膜速度对SiO2薄膜光学性质的影响，分析了减反射薄膜的耐久性。结果 碱性溶胶制备的SiO2为非晶相，采用浸渍提拉法在玻璃表面制备的薄膜结构疏松，且存在微裂纹。采用正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶20、提拉速度为500 μm/s及正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶30、提拉速度为1 000 μm/s制备的SiO2薄膜，折射率分别为1.35和1.33，厚度分别为101.11、102.63 nm，最大透过率分别高于未镀膜玻璃6.57%和6.94%，在400~1 100 nm波长范围内的平均透过率分别高于未镀膜玻璃5.01%和5.34%，表明该薄膜具有优异的减反射性能。玻璃表面制备SiO2薄膜后，水接触角约为5°，具有超亲水性。将未镀膜玻璃及镀膜样品在实验室放置5个月后，采用正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶20、提拉速度为500 μm/s及正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶30、提拉速度为1 000 μm/s的制备SiO2薄膜的最大透过率分别高于未镀膜玻璃7.50%和6.71%，在400~1 100 nm波长范围内的平均透过率分别高于未镀膜玻璃5.94%和5.59%，表明SiO2薄膜的减反射性能具有较好的耐久性。结论 采用碱催化溶胶-凝胶法在玻璃上制备的SiO2减反射薄膜具有超亲水性及优异的减反射耐久性，在太阳能电池玻璃盖板上具有潜在的应用价值。