2024年, 第53卷, 第13期　
刊出日期：2024-07-10

  

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专题—能场复合激光表面改性
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  脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

  郑敏, 黄婷, 肖荣诗

  表面技术. 2024, 53(13): 1-12, 32. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.001

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  针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况，分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点，分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理，并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果，总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势。针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况，研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等)，进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理。最后，对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结，并对下一阶段的发展方向进行了展望。
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  水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

  杨高林, 刘谭亮, 雍兆, 郑权航, 王晓江, 石岳林, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(13): 13-21. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.002

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  目的 解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法 采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型，通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型，并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异，验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果 同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周，能够形成稳定的干区环境，沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时，温度云图和熔池形貌表明，水冷有效缩减了熔池的大小，但其对熔池凝固速度的影响较小，二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别，分别为28.81 μm和27.55 μm。多道沉积时，水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异，拉低了外延区域的热量累积，在降低基板整体温度的同时，增大了熔池边缘的温度梯度，而温差的增大带来了更大的热应力，导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中，采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50 ℃以下，而光-粉同路最高能达到500 ℃。同时，悬臂梁厚度较薄时，基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力，试样发生严重变形，且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时，试样自身约束力增大，变形量差异逐渐减小。结论 同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散，可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制，同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升，但在板材厚度大于3 mm时，变形量差别趋于相同，且越来越小。
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  超声振动对激光熔覆高熵合金涂层组织与耐磨性能的影响

  张咪娜, 王以珅, 王大锋, 周宇航, 高世阳, 周述东, 韦超, 李琳

  表面技术. 2024, 53(13): 22-32. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.003

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  目的 研究超声振动对高熵合金涂层的裂纹抑制机理与力学性能影响。方法 采用自主设计的超声振动平台开展试验。使用激光共聚焦显微镜观察高熵合金涂层的截面形貌，对比超声添加前后裂纹的数量以及分布情况。采用扫描电镜、X射线衍射仪等测试设备，探究添加超声前后涂层的微观组织转变、元素分布趋势与晶粒尺寸等。借助显微硬度仪与往复摩擦磨损试验机研究涂层的显微硬度与耐磨性。结果 超声振动作用下，熔池的润湿角发生变化，截面由半圆状变为椭圆状。超声振动显著细化涂层的晶粒，破碎的柱状晶增加了凝固晶核的数量，同时促进了FCC相在晶界处的析出。FCC析出相形成“网状”结构，增强了晶界处吸收应力的能力，有助于抑制涂层中裂纹的扩展。涂层显微硬度由503HV0.5提升至526HV0.5，室温摩擦因数由0.669下降至0.586，摩擦曲线更加平稳。添加超声振动后，涂层的磨损机制为磨粒磨损与氧化磨损。结论 超声振动产生的空化效应与声流效应减小了熔池的温度梯度，细化了晶粒，抑制了裂纹在晶界处扩展。添加超声振动后，涂层的力学性能与摩擦性能得到提升。
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  超声振动对激光修复镍基高温合金晶粒特征及其缺陷的影响

  刘云峰, 姚喆赫, 丁成桦, 迟一鸣, 王振, 金朝龙, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(13): 33-43. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.004

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  目的 研究超声振动对激光修复镍基高温合金梯形槽修复区显微组织及力学性能的影响，为实现高温合金的高质量激光增材修复提供参考。方法 以镍基高温合金为基体和修复材料，并将超声振动引入激光增材修复过程中。采用光学显微镜，对比分析有无超声振动时梯形槽修复区的显微组织结构;采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等设备，表征不同超声功率下梯形槽修复区的晶粒取向、析出相分布和元素组成;结合试验研究与机理分析，揭示超声振动对修复区晶粒特征和缺陷的影响规律。结果 超声振动减少了梯形槽修复区底角的缺陷，修复区一次枝晶间距平均值由6.74 μm减至3.38 μm，晶粒平均尺寸由58.4 μm降至50.2 μm，等轴晶占比由46.6%增至63.4%，Laves相析出含量减少。当超声功率为4 000 W时，梯形槽修复区的平均显微硬度为256.2HV0.2，相较于无超声振动时提高了17.7HV0.2。结论 在超声振动作用下，梯形槽底角的熔合不良缺陷得到抑制，一次枝晶间距减小，长条状Laves相转变为颗粒状Laves相，且随着超声功率的增大，梯形槽修复区的平均显微硬度逐渐增大。
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  超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718性能影响研究

  范伟光, 李燕乐, 牛家亭, 戚小霞, 潘忠涛, 李剑峰, 李方义

  表面技术. 2024, 53(13): 44-54. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.005

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  目的 面向激光定向能沉积表面改性及再制造发展需求，揭示超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718零件的影响机制，为超声辅助激光定向能沉积高质量成形提供参考。方法 开展多方向超声振动辅助激光定向能沉积Inconel 718零件试验，结合原位熔池监测技术，研究沉积方向、搭接方向和扫描方向超声振动对熔池流动行为、微观结构和力学性能的影响。结果 不同方向超声振动显著影响了熔池的动态流动行为，其中搭接方向超声振动使熔池润湿面积提高了86.4%，并且形状更为规则，拖尾现象得到改善。微观组织细化方面，扫描方向振动效果最佳，晶体直径细化了46.9%，水平方向的晶体等轴晶转变优于沉积方向，而在沉积方向振动下，Laves相点球化和减少最为明显。相较于对照组的显微硬度210.4HV0.2，添加沉积、搭接和扫描方向超声振动后分别提高到了232.5HV0.2、230.9HV0.2和233.9HV0.2，变化趋势与晶体直径变化趋势基本一致。水平方向超声振动影响下，特别是扫描方向的超声振动在提高材料强度的同时，还在一定程度上保持了材料的延展性;在搭接方向上，超声振动辅助显示出较好的各向异性消除能力，获得了优异的硬度、强度和塑性匹配。结论 不同方向超声振动，通过不同方向的惯性力和热流改善了熔池的动态流动性，其中搭接方向超声振动在扩大熔池润湿面积和改善熔池动态形状方面具有优异的综合能力。由于超声强度方向性传播衰减和引起不同的声压梯度，微观组织细化和Laves相的细小点球状消减分别在扫描方向和沉积方向上最为显著，这些变化引起了显微硬度和拉伸性能的相关性提升。超声振动还均衡了材料的力学性能，提高了抗拉强度、屈服强度和延展性，尤其在搭接方向上，显示出较好的各向异性消除能力。可根据具体需求目标，选用相应的超声振动方向或者复合使用，以获得优异的Inconel 718零件熔池流动、微观形貌和力学性能匹配。
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  超音速激光沉积硬质铝合金的疲劳性能研究

  李楠, 王强, 牛文娟, 郭楠, 葛书恺, 黄亮亮, 王金, 李申奥, 韩鹏

  表面技术. 2024, 53(13): 55-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.006

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  目的 通过冷喷涂(Cold Spraying)和超音速激光沉积(Supersonic Laser Deposition)技术对预制缺口的硬质铝合金试样进行修复。方法 通过扫描电子显微镜、电子背散射衍射检测器和X射线衍射仪等，研究了不同工艺对修复层微观结构和晶粒细化的影响，对修复后试样的疲劳性能进行了测试。结果 冷喷涂和超音速激光沉积涂层中均未发现粉末材料的相变。7075铝合金颗粒在冷喷涂和超音速激光沉积过程中的严重塑性变形导致了双峰晶粒结构。激光辅助加热提高了喷涂颗粒的塑性变形能力，使涂层的平均晶粒尺寸降至0.92 μm，其中局部动态再结晶是晶粒细化的主要原因。另外，超音速激光沉积层的平均显微硬度为196HV，高于冷喷涂涂层和基体。超音速激光沉积修复试样的疲劳极限为(135±15) MPa，远高于冷喷涂和未修复前的试样，这归因于修复涂层内聚和黏合强度的增加。结论 激光的引入可以改善7075铝合金颗粒的塑性变形能力，从而提高了修复层的显微硬度和修复件的疲劳极限。
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  激光电沉积复合制备定域微纳结构及其超疏水性能研究

  孙诗成, 张朝阳, 吴予澄, 杨帅, 张嘉蓓, 顾少警, 晏恒峰

  表面技术. 2024, 53(13): 64-74, 95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.007

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  目的 实现金属超疏水表面特定微纳结构的定域制备。方法 利用激光电沉积复合工艺(LECP)制备出由Cu微米锥和Ni纳米锥所组成的定域微纳结构。首先，依次使用800目和2 000目砂纸机械抛光纯铜表面，皮秒激光刻蚀纯铜表面，获得周期性的微米锥结构，并电解去除熔融产物。在电沉积加工过程中引入激光辐照，进而控制Ni纳米锥结构的定域生长。分别将机械抛光、激光刻蚀、激光刻蚀后电沉积(常温、60 ℃)、LECP所制备的微纳结构表面进行化学改性处理，对所得样品的表面形貌、化学成分、疏水性能、自清洁、延迟结冰和耐腐蚀性能进行对比分析。结果 与激光刻蚀后电沉积相比，LECP能够定域制备Ni纳米锥结构。LECP定域制备的微纳结构表面经化学改性后实现了超疏水，其接触角为163°±2°，滚动角为1°±0.5°。与未加工微纳结构的表面相比，LECP制备样品表面水滴结冰时间延长近5倍，腐蚀电流密度减小了2个数量级。结论 本研究通过LECP实现了表面微纳结构的定域制备，为超疏水表面的应用提供了一种新的技术手段。
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  基于人工神经网络的激光冲击复合强化残余压应力预测与分布调控

  周远航, 冯爱新, 韦朋余, 张若楠, 宋培龙, 盛永琦, 姚红兵

  表面技术. 2024, 53(13): 75-83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.008

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  目的 通过结合人工神经网络和激光冲击有限元仿真，以减少激光冲击强化最佳参数设计的迭代次数，提高参数优化效率。方法 构建基于冲击波压力幅值的激光冲击强化Abaqus有限元模型。采用Vdload子程序与对应二次开发脚本形成光斑重叠区域残余应力的初始数据集。建立人工神经网络(ANN)算法模型，采用测试集对ANN模型进行测试，对超参数进行优化，对比分析不同机器学习算法的R²得分、MAE和RMSE。设计并优化镍铝青铜模型表面的残余应力大小与分布，对比分析经机器学习预测后的模型表面残余应力分布情况。结果 经ANN预测整个面LSCP处理的模型表面形成了高达?413 MPa的残余压应力，并且预测了均匀与非均匀的残余压应力分布;RMSE均方根误差仅为1.189 1，既显示出较好的预测精度，又避免了模型的过拟合，保证了一定的泛化能力，模型综合性能远优于其他经典的ML算法回归模型。所预测的残余压应力分布模型均达到了较深的影响层深，且在1 Hz的脉冲重复频率下，最大效率达到了1.87 mm²/s。结论 激光冲击强化与机器学习的结合实现了易产生残余应力孔洞的镍铝青铜光斑重叠区域的最大残余压应力分布，且该方法优化出了整个表面的均匀与相对非均匀的残余压应力分布，为非均匀塑性应变引起镍铝青铜材料异质结构的形成开辟了新的设计途径。
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  微弧氧化对选区激光熔化多孔Ti6Al4V力学性能的影响

  项一侯, 唐立威, 王景辉, 吴国龙, 张群莉, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(13): 84-95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.009

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  目的 探究多孔Ti6Al4V经过微弧氧化(MAO)表面改性后力学性能的变化规律。方法 采用选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)制备了相对密度分别为0.30、0.38、0.47的多孔Ti6Al4V点阵材料，利用表面化学抛光预处理和MAO工艺在其表面制备MAO膜层，再通过显微观察和单轴压缩试验分析其微观形貌和力学性能。结果 经过表面化学抛光预处理和MAO之后的多级多孔Ti6Al4V表面MAO膜层的孔径大小与脉冲电压及氧化时间呈正相关，膜层厚度和膜层中的钙磷原子比与氧化时间均呈现正相关关系，且在350 V脉冲电压和10 min氧化时间条件下制备的膜层最为均匀。MAO前后多孔Ti6Al4V的压缩应力-应变曲线基本一致，两者的弹性模量和屈服强度均随相对密度的增加而提高。与G-A方程计算的理论值相比，实测的弹性模量略有下降，但不显著，这可能是因为多孔Ti6Al4V在SLM成形过程中由于快速加热和冷却导致残余应力的产生，从而导致其弹性模量减小。同时由于SLM成形的多孔Ti6Al4V点阵材料中的孔隙壁可能低于理论预测中所假设的值，这会使得孔隙壁在加载过程中发生变形或破坏，这也会导致材料整体弹性模量的降低。而实测的屈服强度高于G-A方程计算的理论值，这可能是由于SLM成形多孔Ti6Al4V点阵材料的孔隙结构相较于G-A方程的理论模型更加规则。此外，在对数坐标中，MAO前后的屈服强度与弹性模量呈强正比关系，斜率分别为1.10和1.18，十分趋近于G-A方程的理论值。这亦表明MAO对多孔Ti6Al4V的整体力学性能影响有限。结论 脉冲电压为350 V、氧化时间为10 min条件下MAO工艺所制备的膜层最为均匀，同时MAO对SLM成形多孔Ti6Al4V点阵材料的总体力学性能影响有限。
摩擦磨损与润滑
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  带有反向正脉冲的HiPIMS技术制备ta-C膜及性能研究

  何哲秋, 冯利民, 李建中, 石俊杰, 高宣雯

  表面技术. 2024, 53(13): 96-103. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.010

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  目的 提高切削刀具和耐磨零件的表面硬度和摩擦性能，延长工具的使用寿命。方法 基于高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)，在每个脉冲周期尾部施加反向正脉冲，控制ta-C沉积过程，通过电镜测试、拉曼测试、XPS测试、纳米压痕硬度测试、摩擦磨损实验分别分析脉冲频率、反向正脉冲能量对ta-C薄膜沉积速度、膜结构、硬度、结合强度、耐磨性能的影响。结果 采用钨钢为基体进行实验，将频率从4 000 Hz到1 500 Hz依次降低，制备涂层。在频率为4 000 Hz的处理条件下制备涂层时，ta-C膜层的厚度为479.2 nm，通过XPS可知，此时sp³的原子数分数达到59.53%，硬度为32.65 GPa，且得到的薄膜在12.7 N时失效，耐磨性较差，摩擦因数约为0.163。在频率为1 500 Hz的处理条件下制备涂层时，涂层各项性能均有所提升，ta-C膜层的厚度为488.6 nm，通过XPS可知，此时sp³的原子数分数达到63.74%，硬度为40.485 GPa，且薄膜在14.9 N时失效，耐磨性较优，摩擦因数约为0.138。结论 通过调节脉冲频率，可以有效提高ta-C薄膜的沉积效率，改善膜的结构和性能。随着沉积ta-C薄膜频率的降低，薄膜中sp³的含量呈现增大趋势，摩擦因数也随之降低，有效改善了ta-C膜的耐磨性。
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  CF4-GMET和G-PT处理对AR+AF涂层耐磨性能的影响

  陈立, 郑学军, 贺楚才, 黄乐, 彭井泉, 左滨槐

  表面技术. 2024, 53(13): 104-117. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.011

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  目的 在兼顾涂层抗反射性和疏水性的前提下，通过强化抗反射(AR)多层复合膜系与抗指纹(AF)涂层之间的黏附力，提升复合涂层的机械耐久性能。方法 采用磁控溅射法在玻璃衬底上沉积AR多层复合膜系，首创性地采用CF4气体微刻蚀(CF4-Gas Micro-etching Treatment，CF4-GMET)与石墨等离子体(Graphite Plasma Treatment，G-PT)，依次对AR膜系表面进行处理后，将AF试剂蒸镀附于AR层表面并冷却，即可得到具有超强耐磨性的AF/CF4-GMET&G-PT SiO2/AR抗反射疏水涂层。结果 CF4-GMET对AR表层SiO2处理后，其表面“柱状尖峰”消失，得到低粗糙度针状表面，并增大了SiO2与AF涂层的接触比表面积。G-PT处理大幅提高了表层SiO2亲水性，从而使得SiO2表面黏附功增大。经2道工艺处理后，SiO2表面粗糙度降低，黏附功先降后升为最大值，蒸镀AF疏水涂层后界面结合最为稳定，耐磨性能显著增强。在负载为1 000 g的钢丝绒摩擦10 000次后，抗反射疏水涂层的水接触角(WCA)从117.7°下降至113.6°，磨损率仅为3.4%，耐磨性能极佳。结论 对AR膜系表层SiO2进行CF4-GMET和G-PT处理，能显著提高抗反射疏水涂层的耐磨性能，而对光学透过率基本无影响。
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  基于仿生的增韧环氧树脂的冲蚀磨损特性研究

  徐林红, 沈东, 杨皓, 卢禄华, 邓州州

  表面技术. 2024, 53(13): 118-127, 138. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.012

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  目的 针对钾盐输送过程中钾盐颗粒对设备造成的冲蚀磨损问题，以及具有较好可溶性和吸湿性的钾盐易黏附于金属设备，从而造成的腐蚀和堵塞问题，将耐冲蚀磨损、耐腐蚀的高分子复合材料与耐冲蚀磨损仿生结构相结合对冲蚀关键零件进行设计，以提高散料输送过程中相关部件表面的耐冲蚀磨损性能和防黏附性能。方法 利用自备的疏水二氧化硅对环氧树脂进行增韧处理，结合贝壳表面肋条结构及鲨鱼表皮盾鳞的特殊排列方式对冲蚀表面进行仿生设计，再利用翻模法在增韧环氧树脂表面制备耐冲蚀仿生结构，完成接触角的测量，以及表面耐磨性、表面硬度、耐冲蚀磨损性能等测试，探究疏水二氧化硅颗粒质量分数、仿生结构对环氧树脂综合性能的影响。结果 增加疏水二氧化硅的含量，可以提高试样的疏水性;相较于无仿生结构试样，贝壳/鲨鱼复合仿生结构试样的耐磨性能更强，其质量损失率由0.22%降至0.072%。同时，在疏水二氧化硅的质量分数为4%时，冲蚀率最低，仅为1.4%。结论 疏水二氧化硅的质量分数为4%的增韧环氧树脂贝壳/鲨鱼仿生结构试样的综合性能最优，其疏水性、耐磨性、耐冲蚀性能均得到提升。
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  TC4钛合金表面固体粒子冲蚀损伤行为及机理研究

  郭华锋, 赵恩兰, 杨海峰, 张万利, 李龙海, 刘磊, 何绍华

  表面技术. 2024, 53(13): 128-138. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.013

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  目的 探究TC4钛合金在固体粒子冲蚀下的损伤行为，揭示钛合金表面的冲蚀机理。方法 采用自主搭建的冲蚀试验装置，以TC4钛合金为研究对象，综合运用正交试验法和控制变量法开展常温干砂粒冲蚀试验。通过扫描电镜综合分析冲蚀区域表面和截面的微观形貌，采用能谱仪分析冲蚀区域元素的组成，利用电子天平测量冲蚀磨损质量;讨论工艺参数对钛合金损伤行为及冲蚀机理的影响。结果 相较于冲砂量和冲蚀角度，冲蚀距离对冲蚀量的影响更大;冲蚀量随着冲蚀角度的增加呈先增大后减小的趋势，在40°附近达到峰值。结合数值模拟和试验研究结果发现，钛合金的损伤形式和冲蚀机理与冲蚀角度密切相关，在低攻角时形成了较狭长的犁沟和挤压唇，发生了明显的塑性变形，容易产生二次撞击，表现为微切削机制;在中攻角时，微切削与锤击效应共存，损伤最为严重;在冲蚀角度为90°时，形成了较多的撞击坑、挤压唇及少量的疲劳剥层，主要为锤击效应引起的疲劳破坏。在低攻角时，磨料动能损失较小，随着冲蚀角度的增加，磨料动能损失增大，且在不同攻角下均有破碎磨料嵌入基体。结论 冲蚀距离和冲砂量对钛合金冲蚀损伤的影响较为显著，冲蚀角度会影响钛合金的冲蚀机理，此研究结论可为钛合金结构件抗冲蚀设计提供理论依据。
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  微孔几何轮廓对浮环气膜密封动压润滑特性的影响

  王世鹏, 丁雪兴, 丁俊华, 张兰霞, 江安迪

  表面技术. 2024, 53(13): 139-150, 174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.014

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  目的 充分研究微织构几何轮廓对浮环气膜密封润滑特性的影响，调节微尺度流动，提高密封综合性能，为气膜浮环密封的优化设计提供理论基础。方法 基于气膜润滑理论，建立表面织构化浮环密封的润滑模型，以圆形、正方形、椭圆形、三角形4种轮廓微织构孔为研究对象，采用有限差分法对流体动压控制方程进行数值求解，获得密封间隙内气膜压力分布，通过试验验证理论模型的正确性和有效性，并考察不同几何轮廓的微织构孔对浮环密封性能的影响规律。结果 微织构孔均可产生显著的流体动压效应，具有三角形轮廓特征的微织构孔在综合密封性能上表现出最佳效果，其次是椭圆形、正方形，最后是圆形。在相同工况条件下，不同几何轮廓的微织构孔对密封性能参数的影响具有相似的规律。其中，转速、压力和偏心率的增大均可提高气膜浮升力;随着压力和偏心率的增加，泄漏率迅速升高，随着转速的升高而缓慢下降;气体摩擦力随着转速、压力和偏心率的升高而升高。结论 在轴套表面合理设计微纹理，并对不同几何轮廓微孔所适应的工况参数进行了研究，明确了不同工况下织构类型的选择和优化。研究结果可为浮环气膜密封的轴套加工制造提供理论依据，具有实际应用价值。
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  银/聚多巴胺改性氧化石墨烯改善陶瓷摩擦副摩擦性能的研究

  尹振宇, 张丽秀, 李帅, 张珂, 李颂华, 王俊海, 王丽艳

  表面技术. 2024, 53(13): 151-163. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.015

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  目的 提高润滑油在陶瓷摩擦副中的润滑性能。方法 通过一步法制备银/聚多巴胺改性氧化石墨烯(Ag/PGO)纳米复合粒子，并作为润滑油的添加剂，通过摩擦试验研究含Ag/PGO润滑油的润滑性能。通过重力沉降法测试Ag/PGO在润滑油中的分散稳定性。观察磨痕微观形貌，通过分子动力学模拟方法，揭示含Ag/PGO润滑油的润滑机理。结果 聚多巴胺改性氧化石墨烯(PGO)在润滑油中可以稳定分散25 d，Ag/PGO在润滑油中可以稳定分散10 d。含Ag/PGO润滑油在Si3N4/Si3N4、Si3N4/GCr15两种摩擦副中均表现出良好的润滑性能，含Ag/PGO润滑油在Si3N4/Si3N4摩擦副中的最佳质量分数为0.05%，与基础油相比，其摩擦因数和磨痕宽度分别降低了16.8%、17.6%;在Si3N4/GCr15摩擦副中的最佳质量分数为0.2%，其摩擦因数和磨痕宽度分别降低了53.6%、22.7%。表明含添加剂润滑油的磨痕表面质量得到提升。结论 聚多巴胺经改性，可以有效提高氧化石墨烯在润滑油中的分散性能。与Si3N4壁面相比，含Ag/PGO的润滑油易于吸附在GCr15壁面。在剪切过程中，Ag/PGO与润滑油分子的相互作用减小了润滑油分子与摩擦壁面的相互作用能，减小了摩擦阻力，因此含Ag/PGO的润滑油在Si3N4/GCr15摩擦副中表现出更好的润滑性能。
激光表面改性技术
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  水导激光烧蚀碳化硅仿真与实验研究

  王宇迪, 乔红超, 韩冰, 张旖诺, 梁金盛, 王顺山, 陈燕, 赵吉宾

  表面技术. 2024, 53(13): 164-174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.016

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  目的 探究碳化硅水导激光加工烧蚀机理。方法 采用实验与仿真相结合的方式对碳化硅烧蚀过程进行研究分析。结果 水射流持续冷却作用极大地降低了碳化硅加工过程中的热累积效应，通过烧蚀阈值计算方法得到了多脉冲水导激光烧蚀碳化硅功率阈值(约为0.156 5 W)，烧蚀阈值基本不随脉冲数的改变而发生波动。通过对碳化硅刻蚀形貌进行分析发现，烧蚀宽度随着脉冲数整体在3.1~4.1 μm之间波动，基本不受脉冲数的影响，烧蚀深度随着脉冲数的增加而增大，但随着烧蚀深度的增加，水导激光烧蚀能力逐渐被削弱，适当增加激光功率可以抑制水导激光烧蚀能力减弱的趋势，通过较大的激光功率更易加工出深宽比较大的沟槽。确定了碳化硅烧蚀功率与烧蚀直径之间的等量关系，通过激光功率能够合理预测烧蚀宽度，经与实验结果进行对比发现较符合，这也间接说明脉冲数对于水导激光烧蚀直径不是主要影响因素。碳化硅水导激光刻蚀截面呈现倒梯形，由于水射流冲刷作用的存在，重凝物质无法富集在材料表面，使得SiC烧蚀表面与未烧蚀区域之间过渡较为平滑，沟槽侧壁带状条纹特征也证实了水射流冲刷作用的存在。结论 水射流冷却及冲刷作用的存在，使得水导激光在加工硬脆性材料具有独特的优势，能够实现对硬脆性材料的无裂纹及无热影响区加工。
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  激光热应力成形弯折区形貌演变规律研究

  范伟鑫, 姚喆赫, 潘成颢, 洪锦源, 刘云峰, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(13): 175-186, 197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.017

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  目的 针对激光热应力成形弯折区增厚现象，揭示激光热输入、弯曲角度和成形机制对弯曲过程的影响，以及弯折区域形貌的演变规律，为提高激光热应力成形弯折区域的形貌可控性提供参考。方法 采用高速相机拍摄成形过程中热输入和弯曲角度对弯折区的宏/微观形貌的作用效果，并采用共聚焦显微镜观察试样的宏观形貌，采用光学显微镜分析微观组织，通过维氏显微硬度计测量弯折区附近材料的硬度分布情况，同时结合温度场数值模拟和表面张力理论分析，揭示弯折区形貌的影响因素及形成机制。结果 在低比能作用下，弯折区的熔融材料在激光扫描结束后快速凝固，并在扫描次数逐渐增加的过程中其表面逐渐隆起，并形成凸起状形貌，表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现上升趋势，由5.5 μm增至37.6 μm。在高比能作用下，熔融材料的流动性得到提升，并在表面张力的作用下充分铺展，宏观形貌由凸变平，最后呈现凹形形貌，表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现相反的变化趋势，由31.7 μm减至5.8 μm。此外，在塑性成形过程中，熔池流动仍受到成形角两侧壁面的限制。硬度测试结果表明，激光热应力成形弯折熔凝区域的硬度略高于基体的硬度，热影响区的硬度比基体的硬度降低了40%。结论 激光热输入、弯曲角度和成形机制会影响弯折区材料表面的挤压、熔化、流动、凝固过程，以及材料内部的温度梯度和界面表面张力，在这些因素的影响下弯折区域的轮廓形貌、成形粗糙度、显微组织和硬度分布发生了变化。
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  SLM成形钛合金薄壁结构边缘挂渣及中心凹陷研究

  刘琪, 袁美霞, 寇莛彧, 柳校可, 蒋林林

  表面技术. 2024, 53(13): 187-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.018

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  目的 探讨激光功率和扫描速度对选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形钛合金Ti-6Al-4V薄壁结构边缘挂渣及尺寸精度的影响规律，分析薄壁中心凹陷的主要原因。方法 设计两因素三水平试验，对比不同工艺参数下成形薄壁上表面微观形貌及壁厚，提出影响薄壁边缘挂渣和中心凹陷的机理，并得到较优的成形工艺参数。结果 挂渣现象对薄壁尺寸精度的影响较大，薄壁的厚度越小，影响越大。当薄壁厚度达到2 mm时，边缘挂渣区域厚度明显减小。相较于扫描速度，激光功率对挂渣区域厚度的影响更大。采用低激光功率、较高扫描速度有助于减小挂渣区域厚度。激光能量密度越大，SLM成形薄壁尺寸误差越大，二者存在三次非线性关系。结论 在低激光功率对应的低能量密度下，成形薄壁尺寸误差较小，当能量密度为44.44 J/mm³时，薄壁获得了最小壁厚(529.37 mm)。试验获得的成形薄壁结构误差最小的工艺参数为P=200 W，v=900 mm/s，h=50 mm。SLM成形过程中的勾边扫描策略及残余应力导致的翘曲变形是造成薄壁中心凹陷的主要原因。
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  激光清洗对铝合金表面后续涂胶效果的影响规律研究

  丁尧臣, 王明娣, 罗贵峰, 章轩, 汤雨晴

  表面技术. 2024, 53(13): 198-206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.019

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  目的 研究激光清洗的工艺参数调整对表面后续涂胶效果的影响规律。方法 采用100 W脉冲激光器对5754铝合金板进行表面清洗，研究并分析激光频率、扫描速度对铝合金表面性能的影响。采用达因液检测试样表面能，并测量接触角、表面粗糙度及胶黏剂附着力。结果 在选定100 W功率的情况下，当激光清洗频率在50~200 kHz时，满足达因液检测要求，铝合金板呈亲水性，粗糙度明显增大，胶黏剂附着力大于原基材。当激光频率在300~1 000 kHz时，不满足达因液要求，表面接近疏水性，粗糙度变化不明显。扫描速度对铝合金板后续涂胶效果影响不大，试验结果均能满足达因液要求，且亲水角变化不明显，粗糙度均明显增大，胶黏剂附着力均大于原基材。结论 在功率一定的情况下，激光频率是影响铝合金后续涂胶效果的主要因素，其原因主要是改变了表面粗糙度，增大其润湿性。激光扫描速度的变化可以增大铝合金表面能，使其表面具有亲水效果，对于铝合金后续涂胶效果的变化影响较小。
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  热流密度对高速钢刀具多道熔覆WC/Co陶瓷层组织与性能的影响

  陈翔, 张德强, 李金华, 郭海华, 姚芳萍, 朴若华

  表面技术. 2024, 53(13): 207-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.020

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  目的 研究高速钢刀具表面激光多道熔覆WC/Co陶瓷层时，热流密度对熔覆层道次间的影响规律，以及多道熔覆层制备时的参数选择。方法 建立多道单层激光熔覆理论模型，并利用模拟仿真和实验的方法，以热流密度作为评价指标，对激光热源的不同参数和熔覆层组织与性能进行耦合分析。结果 当热流密度小于24.06×10⁶ W/m²时，熔覆层内形成细长的枝状晶。当热流密度在36.09×10⁶~39.82×10⁶ W/m²变化时，熔覆层内形成以胞状、枝状为主要强化相的多晶体混合组织。当热流密度大于44.11×10⁶ W/m²时，熔覆层组织形成稳态的块状结构。不同热流密度下，熔覆层的物相组织均由Fe3W3C、Co3W3C、Mo3Co3C、W2C、WC、Cr3Mo、(Cr,Fe)7C3和多种间隙化合物组成。结论 当第n道熔覆层制备完成后，受到后续第n+1道熔覆层制备时热流密度的影响较大，而此后道次的影响较小。熔覆层内部组织形态随着热流密度的增加从细长的枝状晶向胞状晶转变，再逐渐形成稳态块状晶。熔覆层内各位置的显微硬度值随着热流密度的增加而先增大，随后逐渐减小。较大的热流密度会导致基材参与熔覆的质量增加，但降低了基材的抗弯曲强度，加大了熔覆层及基材断裂的可能性。当热流密度为36.09×10⁶ W/m²时，是一组较为理想的工艺参数选择。