2024年, 第53卷, 第11期　
刊出日期：2024-06-10

  

• 全选
  |

专题—磨蚀行为及其防护技术
• Select
  微动磨蚀及表面防护技术回顾

  岳照凡, 樊小强, 朱旻昊

  表面技术. 2024, 53(11): 1-20. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  系统讨论了微动磨损及其与腐蚀耦合的失效机理和表面防护技术，为提高机械零部件的可靠性和延长使用寿命提供理论支持和实践指导。重点分析了固体自润滑涂层、液体润滑膜、树脂基涂层等低摩擦表面技术在减轻微动磨损方面的应用效果及其作用机理，并且对比了一系列微动磨损与腐蚀防护技术的利与弊，揭示了防护手段对腐蚀磨损性能的优化机理。此外，还讨论了低摩擦表面腐蚀防护设计的策略，包括基于表面工程的正向设计和基于失效分析的逆向推演，并对耐磨蚀涂层设计进行了深入探讨。最后，总结了微动磨蚀防护技术的研究进展，并对其未来的发展方向进行了展望。通过以上综合性的研究和分析，为提高机械零部件在复杂工况下的耐磨性和抗腐蚀能力提供了重要的理论依据和技术参考。
• Select
  高熵金属材料在氢环境中的脆性行为研究进展

  李泽君, 骆鸿, 宋洁, 徐桂芝, 郝文魁

  表面技术. 2024, 53(11): 21-34, 58. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  氢脆广泛发生于各种金属及合金材料中，氢脆存在隐蔽性和时间滞后性，一旦发生往往带来灾难性事故，制约了金属材料在极端工况环境下的应用。研究发现，一些高熵合金(HEA)或多主元合金在力学性能、耐蚀性、抗氢脆性能等方面表现出超越传统合金材料(如钢、镍基合金、铝合金等)的性能特点，有望成为极端恶劣工况环境下装备用材料。在此基础上，对氢脆的机理和抗氢脆多主元合金领域的研究进展进行了综述。首先介绍了氢脆的概念，并梳理了几种金属氢脆机理，包括氢压理论、氢致局部塑性变形、氢增强解离、氢增强应变诱导空位、纳米空位聚合、氢促进位错发射等。随后，结合慢应变速率拉伸实验结果，梳理了影响多主元合金(尤其是高熵合金)抗氢脆性能的因素，包括氢含量、合金元素、微观结构、制备工艺、热处理工艺和实验条件等。最后，结合影响多主元合金抗氢脆性能的因素，提出通过优化制备工艺、改善热处理工艺和调整元素含量来提高CoCrFeMnNi高熵合金的抗氢脆性能，以及采用机器学习辅助开发新的抗氢脆多主元合金的观点，可为抗氢脆材料的研发提供参考。
• Select
  元素掺杂DLC薄膜在模拟油气田溶液中的耐蚀与耐磨性

  刘政宇, 丛浩宇, 牟成龙, 曹学乾, 张广安, 薛群基

  表面技术. 2024, 53(11): 35-44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 沉积出在含有泥沙的模拟油气田溶液中具有优异耐蚀性与耐磨性的类金刚石碳基(DLC)薄膜来对油气开采时的管道进行保护。方法 通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在SS304方形试样表面沉积H-DLC、F-HDLC、N-HDLC及Si-HDLC，通过电化学测试表征了其在模拟油气田CO2/H2S/Cl^?溶液中的耐蚀性。采用CSM往复式摩擦机测试了其在含有泥沙的模拟溶液中的耐蚀性，结合拉曼光谱、扫描电镜(SEM)等技术分析了摩擦测试后的磨斑与磨痕形貌。结果 DLC薄膜的沉积显著提高了SS304基底的耐蚀性，Si掺杂的DLC薄膜具有最高的孔隙电阻与最低的腐蚀电流密度，沉积薄膜后的腐蚀电流密度与SS304基底相比降低了2个数量级。沉积DLC薄膜后SS304基底的耐磨性大幅提高，转移膜的形成降低了摩擦因数与磨损率，薄膜的沉积使磨损率降低了约2个数量级，在与模拟沙粒的SiO2对偶球进行摩擦时转移膜仍能稳定形成。通过向腐蚀溶液中添加SiO2粉末模拟了SS304基底与DLC薄膜在含有大量泥沙的油气采出水中的磨损，摩擦测试后SS304基底表面发生严重的磨粒磨损，不同元素掺杂的DLC薄膜表面均存在不同程度的剥落，但与基底相比极大地缓解了基底磨损。结论 DLC薄膜的沉积可以极大地提高SS304基底的耐蚀性与耐磨性，Si-HDLC薄膜在模拟油气田溶液中具有最优越的耐蚀性与稳定性，进而使其在腐蚀溶液中具有优异的耐磨性。
• Select
  Ni含量对CrN涂层抗磨蚀性能的影响研究

  周升浩, 周小卉, 王振玉, 汪汝佳, 马冠水, 汪爱英, 柯培玲

  表面技术. 2024, 53(11): 45-58. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.004

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究在模拟海洋环境下，Ni的掺入对CrN涂层耐磨性能的影响，研究不同Ni含量的CrNiN涂层的磨蚀行为。方法 采用磁控溅射方法对CrNiN涂层中的Ni含量进行调控，制备CrN涂层、Ni掺杂含量分别为15.85%(原子数分数)和39.06%的CrNiN涂层。通过干摩擦试验和模拟海水磨蚀试验，对3种涂层的力学性能和磨蚀行为进行研究对比，并分析其摩擦损伤机理。结果 在干摩擦试验条件下，CrNiN涂层的摩擦学性能主要由涂层的力学性能决定，Ni原子数分数为15.85%的CrNiN涂层兼具高硬度和良好韧性，磨痕最浅，其磨损率在3种涂层中最低，为9.1×10^–7 mm³/(N.m)，而在模拟海洋磨蚀的开路电位(OCP)下，Ni原子数分数为15.85%的CrNiN涂层的磨损率大于CrN涂层，CrN涂层具有最低的摩擦因数以及最低的磨损率。3种涂层在正电位(+0.6 V)时的磨损率显著大于开路电位(OCP)下的磨损率，说明腐蚀降低了涂层的耐磨性。通过对腐蚀产物进行分析，表明CrN的腐蚀产物主要是CrO2以及Cr2O3，具有一定的润滑作用，而含Ni的CrNiN涂层在腐蚀过程中产生了NiO，对涂层的耐磨性产生了不利影响。结论 在干摩擦试验条件下，CrNiN涂层的摩擦学性能主要由涂层的力学性能决定，Ni原子数分数为15.85%的CrNiN涂层兼具高硬度和良好韧性，从而更耐磨。在模拟海洋磨蚀试验条件下，CrNiN涂层的腐蚀产物严重影响其磨蚀性能。
• Select
  不同温度下柔性刷丝HVOF涂层摩擦磨损及氧化行为研究

  周琰, 李志鹏, 梁忠伟, 牛少鹏, 邓畅光, 周亮, 朱旻昊

  表面技术. 2024, 53(11): 59-66. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.005

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究不同温度下柔性刷丝HVOF涂层接触界面的摩擦磨损行为。方法 在销盘摩擦磨损试验机上采用法向载荷2 N，转速900 r/min，对L605刷丝材料与HVOF涂层配副进行不同温度下的摩擦磨损试验，分别利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦试验后不同温度(200~ 600 ℃)下的刷丝端面进行观察，并对其表面化学成分的价态进行分析。结果 柔性刷丝界面的摩擦因数在0.5~0.9之间，且摩擦因数随着温度的升高而降低，摩擦因数曲线的波动程度则随温度的升高而加剧。随温度的升高，柔性刷丝界面的摩擦磨损状态由三体磨损逐渐转向二体磨损。摩擦界面EDX分析表明，接触界面的氧含量分布存在差异，随温度升高，刷丝表面氧含量增加，且XPS结果表明，不同温度工况下摩擦磨损界面氧元素的结合能并不相同。结论 柔性刷丝接触界面的磨损机制以氧化磨损为主，在400 ℃以下，柔性刷丝界面的磨损机制主要表现为氧化磨损和磨粒磨损，再转变为氧化磨损与黏着磨损共同作用。此外，柔性刷丝界面形成不同的磨损氧化产物，当温度高于400 ℃时，氧元素的结合能呈现双峰。
• Select
  表面微结构的宽深比与占空比对马氏体不锈钢空化和空蚀的影响

  任倩楠, 胡红祥, 郑玉贵

  表面技术. 2024, 53(11): 67-79. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.006

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究表面微结构尺寸变化对空蚀过程的影响以及作用机制。方法 根据点阵型表面微结构的截面形状，改变其宽深比和占空比，用Gambit对其建立二维平面模型。使用Fluent软件对不同尺寸下微结构模型的空蚀过程进行模拟计算，得到绝对压力、含汽率以及气泡运动速度等参数。最后根据模拟计算的结果，在样品表面加工出不同占空比的微结构，使用磁致超声振动空化设备，在与数值模拟相同环境条件下进行空蚀试验，采用失重法对模拟结果进行验证。结果 数值模拟分析显示，微结构的宽深比和占空比对空蚀过程均有影响。当宽深比小于2.5时，微结构底面的含汽率降至0.1以下，沟槽内形成一层“液垫”，减缓了空蚀。相较于其他占空比，当占空比为0.91时，含汽率最小，保持在0.4以下，样品表面同样形成“液垫”，缓冲了气泡溃灭时作用在材料表面的冲击力。此外，随着占空比的增大，微结构表面的绝对压力与液体的饱和蒸汽压差距增大，降低了空化程度，同样起到了减缓空蚀的作用。不同占空比下的微结构样品和光滑样品的空蚀试验结果表明，微结构样品的空蚀质量损失均小于光滑样品的空蚀质量损失，且当占空比为0.91时，空蚀质量损失最小，为5.95 mg，远小于占空比为0.71和0.38时，微结构样品。同样证明了表面微结构占空比越大，材料的耐空蚀性能越好。结论 微结构宽深比主要影响微结构底面的含汽率，而占空比影响样品表面的绝对压力和微结构顶面的含汽率。相较于光滑表面，微结构样品可以有效减缓马氏体不锈钢的空蚀损伤。当宽深比较小、占空比较大时，材料表面的含汽率保持在较低的水平，有利于减缓空蚀损伤。
• Select
  MoS2/Ti-WC纳米多层薄膜结构设计及其宽温域摩擦性能研究

  高臻荣, 候果源, 任思明

  表面技术. 2024, 53(11): 80-89, 170. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.007

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  ^{目的 探究环境温度对MoS2/Ti-WC纳米多层薄膜摩擦磨损性能的影响，探讨并揭示薄膜在高温环境下的损伤机理。方法 采用非平衡磁控溅射技术制备MoS2/Ti-WC纳米多层薄膜，评价Ti、WC双功能组元以及纳米多层结构设计对薄膜表面形貌和微观结构的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)等表征手段对薄膜的晶体结构、表截面形貌以及表面粗糙度进行分析，利用原位纳米压痕仪对薄膜的力学性能进行评估，利用高温摩擦磨损试验机评价薄膜在不同温度环境(25~300 ℃)下的摩擦磨损性能，进一步通过激光共聚焦对磨痕和磨斑进行光学形貌分析，并利用能谱仪(EDS)和共聚焦显微拉曼光谱(Micro-Raman)对钢配副表面的摩擦转移膜进行成分分析。最终揭示MoS2/Ti-WC纳米多层薄膜在不同温度下的磨损机理。结果 MoS2/Ti-WC纳米多层的结构设计可以诱导MoS2 (002)晶面的择优生长，获得表面平整光滑、结构致密的薄膜。相比于MoS2/Ti薄膜，WC纳米层的引入，赋予薄膜更高的硬度和硬/弹比。MoS2/Ti-WC纳米多层薄膜在潮湿空气中的平均摩擦因数为0.07，平均磨损率为}6.14×10^–7 mm³/(N.m)^{。结论 MoS2/Ti-WC纳米多层薄膜在宽温域(100~300 ℃)内保持稳定的摩擦性能，这得益于薄膜纳米多层的结构设计、高的硬/弹比以及优异的抗氧化性能，同时在钢配副表面形成了连续且致密的转移膜。}
• Select
  MoS2/MAO耐磨减摩复合涂层的制备和摩擦学行为研究

  刘秀芳, 罗鑫, 齐玉明, 崔学军, 曾山山, 眭剑

  表面技术. 2024, 53(11): 90-99. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 采用两步法在铝合金表面制备MoS2/MAO耐磨减摩复合涂层，并考察其摩擦磨损行为特点。方法 通过微弧氧化(MAO)技术和原位水热法在7075铝合金表面构筑MoS2/MAO耐磨减摩复合涂层，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和Raman光谱对膜层的微观形貌和组成进行表征。利用摩擦试验机测试试样的摩擦性能，并通过三维轮廓仪分析磨痕形貌。结果 MAO膜层主要由Al2O3构成，含有少量SiO2，表面为典型的多孔结构，存在大量微孔，粗糙度较大。MoS2/MAO耐磨减摩复合涂层中的MoS2颗粒较均匀地填充在MAO微孔中，并覆盖在凹陷内，使得表面平整光滑而致密。摩擦测试结果表明，MAO涂层能够提高基体的承载能力，但其摩擦因数较大，波动较大。MoS2膜层为MAO提供了良好的润滑改性作用，使其摩擦因数减小。结论 MoS2/MAO耐磨减摩复合涂层能够显著提高基体的摩擦磨损性能。在低载荷下，MAO硬质涂层起着很好的承载作用，MoS2颗粒层起着润滑减磨作用，使摩擦因数始终较低且平稳;在高载荷下，MAO层表面的微凸体在应力作用下破碎，硬质磨粒和MoS2颗粒分布在磨损面，部分被挤出磨痕区，导致摩擦因数不断增大。
研究综述
• Select
  微纳结构表面防冰研究进展

  周嘉鑫, 李理, 张彤, 范思远, 孙阔, 王璐, 张景然, 王作斌

  表面技术. 2024, 53(11): 100-116. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.009

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  首先从冰的2种形成机理—均相成核和非均相成核进行了阐述，并介绍了液体在固体表面上的润湿现象。在此基础上，根据微纳结构防冰机理，分别综述了在固体表面结冰的前、中、后不同时期的最新防冰除冰策略。结冰前，借助液滴的脱落和自除预防固体表面结冰;结冰时，可通过延长冰的冻结时间，延缓冰在固体表面上的覆盖;结冰后，降低冰在固体表面的附着力，使之更易脱离固体表面，达到防冰除冰的需求。最后，对于如何提高微纳结构表面的耐久性进行了总结，对有关这些问题的最新研究成果进行了归纳和讨论，并对今后微纳结构表面防冰除冰的研究进行了展望。
• Select
  二氧化碳缓蚀剂的研究进展

  王欣彤, 杨江, 陈旭

  表面技术. 2024, 53(11): 117-126. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.010

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了有效应对全球气候变暖达到碳中和的目标，碳捕集、利用与封存(CCUS)技术被大力推广和应用。CCUS过程，油气开发和集输过程始终面临着严重的二氧化碳(CO2)腐蚀问题。CO2腐蚀会带来严重的经济损失、环境污染和人身安全等问题。相比于采用昂贵的合金材料防腐措施，在普通碳钢基础上添加缓蚀剂是应对CO2腐蚀较为简单、经济的防腐方法之一。总结了近几年不同类型CO2缓蚀剂的研究进展，包括传统的含有N、O、S、P等杂原子的有机缓蚀剂，含有杂环的有机缓蚀剂，具有两亲性的表面活性剂类缓蚀剂，新型无机纳米材料类缓蚀剂(如石墨烯、碳量子点、离子液体和金属配合物等)，以及植物提取物、氨基酸、天然油和生物聚合物等天然型绿色环保缓蚀剂。分析了这些不同缓蚀剂的优缺点和适用性，并讨论了这些缓蚀剂的研究现状。同时，总结了缓蚀剂构效关系和协同效应的研究热点及其存在的问题。最后针对这些不同缓蚀剂的特点和研究现状，对未来CO2缓蚀剂的研究方向进行了分析与展望。
摩擦磨损与润滑
• Select
  激光织构形状间距对单晶硅摩擦磨损特性的影响

  周意皓, 陈文刚, 程家豪, 郭思良, 魏北朝, 袁浩恩, Dongyang Li

  表面技术. 2024, 53(11): 127-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.011

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高单晶硅的减摩耐磨性能。方法 利用紫外激光在单晶硅试样表面刻蚀不同形状，间距为0.1、0.2、0.3 mm，宽度为0.2 mm的织构。基于MRTR-1摩擦磨损实验机，研究干摩擦条件下织构参数对单晶硅摩擦学性能的影响。利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察单晶硅表面织构的微观形貌和磨痕形貌，用电子天平称量实验前后试样的质量，并计算磨损率，通过Ansys有限元软件模拟仿真试样表面应力和摩擦生热的温度分布。结果 与无织构相比，刻蚀表面织构均能不同程度地降低试样的磨损率，磨损率从0.012 mm³/(N.m)降至0.008 mm³/(N.m);部分表面织构试样的摩擦因数下降，低于0.14;单晶硅试样的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。仿真结果表明，织构试样的平均等效应力均大于无织构试样，在单晶硅试样表面加工织构会影响其表面整体性，容易出现应力集中现象;织构试样表面高于环境温度的区域面积小于无织构试样，且试样表面的最高温度与摩擦因数呈正相关。结论 在单晶硅表面加工织构，可以有效提高试样的耐磨性能，合适的织构参数还能够降低摩擦因数。通过加工表面织构，一方面可以影响试样的整体性，另一方面能够改善试样的散热性能。
• Select
  TiB2含量对TiBx/Ti合金涂层组织及摩擦学性能的影响

  寇斐凡, 岳赟, 杜志浩, 杜三明, 陈德强, 张永振

  表面技术. 2024, 53(11): 140-149. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.012

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 在Ti-47Zr-5Al-3V(以下简称T47Z)表面制备TiBx/Ti合金复合涂层，以提高合金的摩擦学性能。方法 采用等离子弧熔覆技术在T47Z合金表面熔覆不同配比的(TiB2+Ti)粉末，制备TiBx陶瓷相增强钛合金复合涂层，使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度显微计和UMT-2摩擦磨损试验机对涂层微观组织、硬度及摩擦磨损性能进行测试研究。结果 涂层厚度约2 mm，无裂纹、气孔等缺陷，涂层的基体组织为α相，针状、棒状的TiB增强相和颗粒状的TiB2增强相均匀分布于α相中。随着TiB2含量的增加，涂层基体组织无明显变化，增强相的数量增加，尺寸逐渐变大。涂层的表面硬度最高可达893.4HV0.2，约为基体的2.07倍。涂层的耐磨性相较基体均获得不同程度的提升，当TiB2的质量分数为40%时，涂层的耐磨性提升最为显著，相较基体提高了53.7%。T47Z合金的磨损机理为严重的黏着磨损和磨粒磨损。TiB2的质量分数为10%的涂层，其磨损机理以黏着磨损为主，磨粒磨损为辅。随着TiB2含量的增加，涂层的磨损机制逐渐转向磨粒磨损。结论 通过控制粉体中TiB2的含量，能够利用等离子弧熔覆技术在钛合金表面制备TiBx/Ti合金复合涂层，尤其当TiB2的质量分数为40%时，涂层的硬度及耐磨性能均获得大幅度提升。因此，运用等离子熔覆技术制备陶瓷相增强金属基复合涂层可切实有效地提高钛合金的硬度及耐磨性能。
• Select
  载荷对D2车轮钢滑动磨损表层微观组织和性能影响

  刘春鹏, 张关震, 李传维, 顾剑锋, 索忠源, 任瑞铭

  表面技术. 2024, 53(11): 150-159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.013

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究滑动磨损条件下，载荷变化对D2车轮钢表层微观组织和磨损性能的影响。方法 利用MRH-30(环块)滑动摩擦磨损试验机进行滑动磨损试验。使用金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜 (SEM)、X射线衍射仪(XRD)和场发射透射电镜(TEM)等设备，分析滑动磨损后表层微观组织、表面磨损形貌和硬度变化。结果 不同载荷条件下，随着磨损时间的增加，轮轨试样磨损量逐渐增加。200 N载荷条件下，(环状)车轮试样的磨损量大于100 N车轮试样磨损量，但200 N钢轨(块状)试样的磨损量却低于100 N钢轨试样。滑动磨损后，在不同载荷条件下，车轮试样表面主要形成长条状白层和不连续的月牙状白层。在200 N载荷条件下，由于车轮试样的磨损量较高，其白层厚度和表面白层硬度都小于100 N载荷条件下的车轮试样。在200 N载荷条件下，车轮试样表面更易形成不连续的月牙状白层。由于轮轨试样表面存在微凸体，高载荷会加速车轮试样表面局部微凸体发生严重塑性变形，导致月牙状白层的形成。在白层内片状渗碳体发生明显溶解和铁素体晶粒显著细化。结论 车轮表面白层对磨损性能有明显影响。滑动磨损过程中，高载荷条件下，月牙状白层和周边微观组织界面易形成裂纹，裂纹会逐渐沿着界面向内部扩展，导致不连续月牙状白层发生剥落，降低车轮试样表面的硬度，加速车轮试样磨损。另一方面，高载荷会加速无白层区域塑性变形，导致其形成棘轮失效，从而加速磨损。
• Select
  储气库Y型井口携砂采气临界冲蚀模拟研究

  贺梦琦, 杨炎鑫, 檀德库, 王江宽, 段吉彬, 于晓聪, 阚长宾

  表面技术. 2024, 53(11): 160-170. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究储气库携砂采气过程中储气库生产通道冲蚀磨损的主要影响因素及规律。方法 在辽河油田双6储气库注采井管柱结构和生产工况条件下，开展室内冲蚀模拟实验和生产通道冲蚀数值模拟研究，通过数值分析，明确采气速度、生产压力、出砂速率、出砂粒径对管柱冲蚀速率的影响规律。结合临界冲蚀理论计算结果，设计适用于出砂工况条件下储气库生产通道临界冲蚀系数取值的图版。结果 出砂速度、采气速度、生产压力在管柱冲蚀中起着主要作用，实验数据与预测结果的一致性较高，管柱最大冲蚀速率与日产气量的二次幂、井筒内压力的负二次幂、出砂速率的一次幂成正比。此外，管柱变径部位的冲蚀速率随着服役时间的延长呈下降趋势，最终与管壁的冲蚀速率基本保持在相同数量级。根据构建的临界冲蚀系数取值图版，在当前储气库出砂工况条件下，为了保证储气库满足服役年限，将临界冲蚀系数(C)取值为180，进一步考虑到储气库的最大产能情况，推荐C介于175~200之间。结论 通过储气库管柱冲蚀的实验模拟和数值模拟研究，建立了储气库注采井管柱的冲蚀速率模型，构建了储气库注采管柱临界冲蚀系数设计图版，有利于工程技术人员准确判断实时生产工况条件下储气库注采管柱的生产工况负荷、服役安全工况条件等，可以提供关键的实时性、安全性基础数据。
• Select
  不同黏度合成油下CrN/TiN多层薄膜的摩擦学特性研究

  张全德, 陈庆春, 苏桐, 赵勤, 郭峰, 王晓波

  表面技术. 2024, 53(11): 171-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.015

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究在不同黏度合成酯润滑油的作用下，CrN/TiN多层薄膜的摩擦学性能及协同润滑机制。方法 选用聚α烯烃(PAO)与三羟甲基丙烷辛癸酸酯(TME)复配，得到不同黏度梯度的合成油。利用全自动黏度测定仪、倾点测试仪、开口闪点测定器和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别对合成油的运动黏度(40、100 ℃)、倾点、闪点和表面官能团进行表征。利用反应磁控溅射技术在316不锈钢和单晶硅片基底表面制备CrN/TiN多层薄膜。采用X射线衍射仪和FIB-TEM表征手段对薄膜的微观结构进行分析，并用纳米压痕仪和划痕仪测试了薄膜的力学性能。利用球–盘式摩擦试验机表征薄膜在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学性能，利用XPS对摩擦实验后的磨痕元素价态进行表征。结果 CrN/TiN薄膜具有典型的面心立方结构(FCC)、异质多层结构，且其硬度可达32.2 GPa。在干摩擦条件下，与裸316基体相比，经表面镀制CrN/TiN薄膜后平均摩擦因数由0.95降至0.71，磨损深度由25.0 μm降至16.8 μm。在合成油作用下，316不锈钢-GCr15钢球(钢–钢摩擦副)、CrN/TiN多层薄膜-GCr15钢球(CrN/TiN多层薄膜–钢摩擦副)2种摩擦配副的摩擦因数和磨损率随着合成油黏度的增加均呈现降低趋势，且在同一黏度条件下薄膜试样的磨损率更低。结论 CrN/TiN多层薄膜在PAO与TME复配获得的一系列不同黏度合成油的作用下，随着合成油黏度的增加，薄膜的磨损率和磨损深度逐渐下降，其减摩抗磨性能得到显著提升。通过磨痕表面的XPS分析可知，合成油中极性的酯基吸附在滑动界面，增强了油膜的承载性能，从而减缓了对偶间的摩擦阻力。
激光表面改性技术
• Select
  激光能量密度对65Mn钢表面Ni60A/WC复合涂层摩擦磨损性能的影响规律

  王超, 姜芙林, 杨发展, 梁鹏

  表面技术. 2024, 53(11): 181-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.016

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 改善旋耕刀65Mn钢的摩擦磨损性能，提高农机触土零部件的使用寿命。方法 采用激光熔覆技术在65Mn钢基体表面制备Ni60A/WC复合涂层。通过改变激光功率调节激光能量密度，在不同能量密度下制备Ni60A/WC复合涂层，观察并测试不同参数下复合涂层试样的宏观形貌、微观结构、物相组成、元素分布、显微硬度及摩擦磨损特性，研究激光能量密度对Ni60A/WC复合涂层组织演变及摩擦磨损性能的影响规律和机理。结果 Ni60A/WC复合熔覆层顶部主要有胞状晶和树枝晶，分布较紧密，熔覆层中部主要有树枝状晶，熔覆层底部主要为胞状晶和垂直交界面生长的枝晶，且分布均匀致密。随着激光能量密度的升高，熔覆层的熔高和熔深增加显著，WC硬质相颗粒发生分解，硬质相的数量明显减少，涂层的平均显微硬度降低。在激光能量密度为120 J/mm²时，熔覆层的平均显微硬度为587.1HV1.0，相较于基体，提升了约1.8倍。此时熔覆层的平均摩擦因数最小，为0.312，相较于基体，得到显著提升，摩擦磨损机制为轻微的磨粒磨损。经田间试验测试发现，在激光能量密度为120 J/mm²时制备的带有熔覆层的旋耕刀相较于无熔覆层的旋耕刀，其磨损质量降低了63%。结论 通过控制激光能量密度，可以有效调控Ni60A/WC熔覆层的硬度和耐磨性，可为农机触土易磨损件的减摩耐磨表面强化改性提供理论指导。
• Select
  激光冲击强化9Cr18钢及协同制备表面微坑研究

  陈秀玉, 林郁茹, 李科林, 陈俊英, 蒋清山, 方芳, 许志龙, 黄国钦

  表面技术. 2024, 53(11): 193-204. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.017

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探索9Cr18钢经激光冲击强化后，二次激光冲击制备表面微坑的可行性和相关工艺。方法 利用不同工艺参数对9Cr18钢试样进行单点冲击，使用激光共聚焦对单点冲击诱导的微坑进行轮廓形貌检测，使用显微硬度仪测量微坑区域的硬度;通过激光冲击对9Cr18钢进行全覆盖表面强化，并进行二次激光冲击，以制备表面微坑。结果 对于单点冲击，表面凹坑深度随着激光冲击能量的增大而增大，并非呈线性增大。当冲击能量为12 J时，凹坑深度达到38.39 μm。对于同能量单点双次冲击，其凹坑深度比单点冲击大。当冲击能量为12 J时，双次冲击深度最大达到49.05 μm。在能量梯度叠加冲击时，以6 J为第1次冲击能量，将第2次冲击能量提高到12 J，此时凹坑深度达到58.61 μm。对于不同脉宽冲击，在脉宽为26 ns时，不同能量冲击的凹坑深度均达到最深。经激光冲击强化后，采用不同能量进行二次冲击，在能量为12 J时凹坑深度为19.79 μm。采用不同脉宽进行二次冲击，在脉宽为22、26 ns时，凹坑深度为13.61 μm。结论 表面微坑的深度随着能量、脉冲宽度和冲击次数的增加而增加;表面微坑的硬度随着能量和次数的增加而增大，硬度随着脉宽的增加呈先减小后增大的趋势;采用激光冲击工艺协同处理，可以强化9Cr18钢表面，并制备出一定深度的微坑，可为激光冲击对9Cr18钢的强化及表面织构化提供理论指导和工艺基础。
• Select
  激光熔覆CoCrFeNiTi高熵合金工艺优化及预测模型研究

  吴文宁, 孙文磊, 刘志远, 于江通, 杨玉林, 黄勇

  表面技术. 2024, 53(11): 205-216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.018

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究激光熔覆工艺参数对CoCrFeNiTi高熵合金涂层质量及形貌的影响，实现激光熔覆CoCrFeNiTi高熵合金涂层形貌的精确控制。方法 基于田口正交法，设计不同激光工艺参数下30CrMnSiA表面激光熔覆CoCrFeNiTi高熵合金实验，以激光功率、扫描速度、送粉速率为影响因素，以涂层稀释率、高度、宽度、裂纹密度、宽高比为响应目标，通过方差和信噪比分析影响因素与响应目标的关系，并确定最优工艺参数，建立工艺参数与CoCrFeNiTi高熵合金涂层性能和形貌的支持向量回归预测模型。结果 激光功率对熔覆层稀释率、宽度和裂纹密度的影响较大，且与熔覆层稀释率、高度、宽度、裂纹密度、宽高比呈正相关。扫描速度对涂层高度、裂纹密度和宽高比的影响较大，与涂层高度呈负相关，与涂层裂纹密度和宽高比呈正相关。送粉速率对熔覆层稀释率、高度和宽高比的影响较大，与熔覆层稀释率和高度呈负相关，与熔覆层宽高比呈正相关。得到了最优工艺参数，激光功率为600 W，扫描速度为18 mm/s，送粉速率为1.6 r/min。通过预测模型测试可知，熔覆层稀释率、高度、宽度、裂纹密度和宽高比预测模型的决定系数均大于0.93。结论 基于支持向量回归的CoCrFeNiTi高熵合金涂层形貌预测模型的精度较高，能够实现CoCrFeNiTi高熵合金熔覆层形貌的精确预测，为熔覆层形貌的控制提供了新的思路。
• Select
  脉冲激光熔覆Inconel 718涂层热行为数值模拟及其对显微组织的影响

  吴军, 蔡建臣, 王胜, 李董航, 周寒文

  表面技术. 2024, 53(11): 217-227. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.019

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 揭示脉冲激光作用下Inconel 718合金涂层凝固传热行为的演化机制，改善涂层中Nb、Mo元素偏析现象，提升Inconel 718合金熔覆涂层的力学性能，为优化Inconel 718熔覆涂层质量提供理论依据。方法 综合考虑物性参数随温度、脉冲激光热源、粉末传输形式，以及凝固过程中相变潜热对涂层凝固热行为的影响，构建脉冲激光熔覆传热模型。基于数值模拟技术和激光熔覆试验，利用VHX-2000电子显微镜对涂层显微组织形态进行分析验证，采用日立SU8010场发式扫描电镜观察分析显微组织和元素偏析情况，并使用显微硬度计测试涂层的硬度值。结果 由数值模拟分析结果可知，脉冲激光涂层的冷却速度、温度梯度、凝固速度均大于连续激光涂层，其枝晶生长细密且No、Mo元素呈弥散分布，显微组织自底向顶以平面晶、胞状枝晶、柱状枝晶、等轴枝晶等形式存在，Laves相的体积分数降低至2.93%，在细晶强化和固溶强化作用下，熔覆涂层的平均显微硬度提升至307HV0.1。结论 脉冲激光涂层热行为数值模拟分析结果符合Inconel 718涂层组织形态快速凝固变化的规律，数值模型可靠。脉冲激光形成的高冷却速度和高温度梯度，能在一定程度上抑制Inconel 718合金涂层中Nb、Mo元素的偏析，离散并细化γ枝晶组织，降低Laves相的体积分数，显微组织在细晶强化和固溶强化双重作用下，提升涂层的力学性能。
• Select
  脉冲激光改性碳纤维复合材料及其金属化研究

  刘镜波, 张义萍, 邓超, 李龙义, 王楠, 樊勋

  表面技术. 2024, 53(11): 228-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.020

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 选择性地实现碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic，CFRP)表面良好的导电性，满足它在共形天线上的应用。方法 采用波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光器对惰性极高的CFRP表面进行表面改性处理，并结合化学镀铜技术，制备激光改性碳纤维复合材料表面金属层。利用扫描电镜、X射线光电子能谱仪对改性后的材料表面进行表征，利用焊点拉脱方法表征金属层结合力。结果 研究表明，激光能量密度越高，则CFRP基材表面树脂被去除得越多;激光搭接率越大，则碳纤维束表面越粗糙;在适当的激光能量密度(60 J/cm²)和横/纵向搭接率(50%)下，会产生大量的极性化学基团。当激光能量密度为10~100 J/cm²、激光搭接率为0%时，CFRP表面镀铜层的结合强度为0.57~3.16 MPa，且激光能量密度与镀层结合强度呈正相关。当激光能量密度为60 J/cm²、激光搭接率为?100%~90%时，CFRP表面镀铜层的结合强度为0.19~ 3.24 MPa，且激光搭接率与镀层结合强度呈正相关。结论 脉冲红外纳秒激光在一定能量密度和搭接率的条件下，可改变碳纤维表面形貌、化学成分，实现金属层的制备。
• Select
  激光除漆对铝合金飞机蒙皮微观组织的影响

  杨文锋, 李庆, 李绍龙, 常学东, 谢旻玥, 胡月

  表面技术. 2024, 53(11): 239-247. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.11.021

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究激光除漆对铝合金飞机蒙皮基体近表层(15 μm)微观组织的影响规律，阐明近表层微观组织变化与显微硬度的内在联系。方法 采用纳秒脉冲红外激光去除2024-T3铝合金飞机蒙皮表面漆层，通过调节激光能量密度，分别除漆至基体阳极氧化层、铝合金、铝合金表面熔融。利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)表征漆层的剥离程度及基体的表面形貌。通过超景深三维显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、Image-Pro Plus软件表征Keller试剂腐蚀后铝合金基体近表层的微观组织。采用数显显微维氏硬度计测量基体剖面的显微硬度。结果 在激光能量密度为4.26 J/cm²时，相较于原始基体，阳极氧化层较完整，其基体的表面粗糙度接近于原始基体(未除漆)，近表层的微观组织无明显改变，近表层的显微硬度增加了1.6%。当除漆至铝合金基体表面完整时(15.25 J/cm²)，相对于原始基体，其表面粗糙度降低，近表层的微观组织无明显改变，近表层的显微硬度增加了4.8%。在激光能量密度为27.79 J/cm²时，铝合金表面熔融，其表面粗糙度相对于原始基体增大，近表层的晶粒显著细化，其显微硬度增加了17.3%。结论 采用合适的激光能量密度对铝合金飞机蒙皮进行激光除漆，不会显著改变其基体近表层的微观组织。在较高能量密度下，铝合金近表层会发生晶粒细化，导致显微硬度显著增加。