2024年, 第53卷, 第15期　
刊出日期：2024-08-10

  

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研究综述
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  PEMFCs金属极板表面改性MAX相涂层的制备与应用研究进展

  张家阅, 马冠水, 王开杭, 李淑钰, 李昊, 陈嫦颖, 王振玉, 汪爱英

  表面技术. 2024, 53(15): 1-20, 33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.001

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  金属双极板是质子交换膜燃料电池系统的关键组件，但在酸性环境中易腐蚀、导电性能退化、寿命短。Mn+1AXn(MAX)相涂层作为具备金属高导电性和陶瓷耐蚀抗氧化性的材料，在改性金属双极板涂层研究中备受关注。综述了金属双极板表面防护MAX相涂层材料与应用技术的最新研究进展。MAX相涂层的制备方法多样，包括化学气相沉积、物理气相沉积、固相反应和喷涂制备等方法。针对不同的制备方法，详细描述了MAX相涂层的制备过程，并阐述了不同制备方法对MAX相涂层材料的表面形貌和微观结构间的影响变化。特别关注了MAX相涂层在质子交换膜燃料电池中的应用，并重点分析了以Ti-Al-C、Ti-Si-C和Cr-Al-C为代表的MAX相涂层。通过电化学腐蚀测试来测量涂层在酸性环境中的腐蚀速率，以及涂层腐蚀前后的界面接触电阻测试，对涂层导电耐蚀性能的变化等进行了详细阐述。同时，对MAX相涂层的导电耐蚀机制及表/界面服役损伤机理进行了深入分析。从涂层的元素组成、晶体结构和第一性原理等方面，揭示了涂层中元素分布和相互作用对导电性能的影响。此外，还分析了晶化程度、钝化膜成分差异和原子取向等因素对涂层耐蚀性能的影响。最后，围绕目前双极板表面MAX相涂层在实际应用中存在的问题进行了探讨，并提出了未来研究的重点方向。
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  铝合金表面氧化物激光清洗机理研究进展

  王瑞洋, 许敏恒, 彭珍珍, 王立伟, 刘宏伟, 汪殿龙, 梁志敏

  表面技术. 2024, 53(15): 21-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.002

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  激光清洗作为21世纪新兴的清洗技术，以其独有的高精度、环保节能等优势，很大程度契合了当前可持续发展的要求。在归纳众多试验和理论研究的基础上，以激光能量密度为变量，重点综述了随着激光能量密度的变化，激光去除铝合金表面氧化层的不同机理，包括热机械膨胀、熔化蒸发、相爆炸、蒸发压力冲击、等离子体冲击，传统意义上的清洗机理“热烧蚀”应被理解为一种实验观察到的现象。介绍了当前激光清洗机理研究中常用手段，包括高速摄像和热力学模拟。介绍了当前激光清洗机理分析中遇到的一些困难，包括升温过程的复杂性和微观清洗过程的难观测性等。在此基础上，介绍了不同清洗机理作用下的铝合金表面质量变化，包括表面粗糙度及烧蚀坑形貌。对清洗机理与应用之间的联系进行说明，包括激光清洗对样品表面性能(如硬度、耐蚀性等)的影响。同时针对激光作用过程中涉及的多因素耦合作用进行了说明，包括各种能量场耦合，以及因界面声阻抗不同而产生的拉应力等对清洗过程的影响。最后提出当前制约激光清洗技术发展存在的一些问题，并对激光清洗技术的发展方向进行了展望。
摩擦磨损与润滑
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  SiO2-BNNSs杂化材料对磷酸盐复合涂层高温摩擦学性能的影响

  魏文涛, 王全龙, 王剑宇, 王轶遥, 李啸

  表面技术. 2024, 53(15): 34-44, 76. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.003

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  目的 通过在磷酸盐复合涂层中添加二氧化硅杂化氮化硼纳米片材料(SiO2-BNNSs)来提升磷酸盐复合涂层的硬度和耐高温磨损性能。方法 以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，利用溶胶凝胶法制备SiO2-BNNSs杂化材料，并作为纳米增强相加入到涂层中。通过X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)对SiO2-BNNSs杂化材料的化学组成和微观形貌进行表征。另外，采用喷涂法制备不同含量BNNSs和SiO2-BNNSs的磷酸盐复合涂层，通过高温摩擦磨损试验探究涂层的摩擦磨损行为，对涂层磨痕形貌进行表征，并探讨涂层在高温条件下的磨损机理。结果 XPS、SEM和TEM的分析结果表明，SiO2成功修饰在BNNSs表面。SiO2-BNNSs磷酸盐涂层相比零含量BNNSs涂层和纯BNNSs涂层表现得更加均匀致密，400 ℃条件下，质量分数为0.4%的SiO2-BNNSs涂层硬度高达261.2HV。高温摩擦试验表明，BNNSs和SiO2-BNNSs的加入，可以减轻涂层的磨损现象。同时，温度越高，涂层的耐磨损性能越好，400 ℃条件下，0.4%SiO2-BNNSs涂层的摩擦因数和磨损率分别为0.48和66.24×10^–6 mm³/(N.m)，耐高温磨损性能表现为最佳。结论 SiO2-BNNSs杂化材料的添加可以明显提升磷酸盐复合涂层的耐高温磨损性能。
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  二硫化钼薄膜增强超高强度不锈钢摩擦学及疲劳性能研究

  杜娟, 孙涛, 朱凯, 樊小强, 朱旻昊

  表面技术. 2024, 53(15): 45-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.004

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  目的 通过表面处理技术提高USS122G不锈钢摩擦学性能及力学性能。方法 采用闭合场非平衡磁控溅射技术在USS122G不锈钢表面沉积MoS2薄膜，分别测试了镀MoS2薄膜的USS122G不锈钢力学性能、抗腐蚀性能、弯曲性能、低周疲劳性能及滚动接触疲劳性能，探索了在干摩擦与石墨烯润滑脂条件下的摩擦学性能，并通过扫描电镜与XRD对MoS2薄膜进行形貌与成分分析。结果 成功在USS122G不锈钢表面沉积了MoS2薄膜，镀MoS2薄膜的USS122G不锈钢的纳米硬度为6.8 GPa。镀膜后的USS122G不锈钢的阻抗模量为1.06×10⁵ Ω.cm²，腐蚀电流密度为1.91×10^?6 A/cm²。镀MoS2薄膜的USS122G镀层脱落的最大弯曲力约为3 695 N。在滚动接触疲劳测试中，镀MoS2试样较未镀膜的USS122G钢的磨痕深度更浅、宽度更窄。MoS2薄膜能有效提升USS122G不锈钢基底的减摩与耐磨性，在干摩擦条件下，与未镀膜的USS122G不锈钢相比，镀MoS2薄膜的USS122G不锈钢的摩擦因数从0.8降低至0.06~0.07，磨损率从1.68×10^?5 mm³/(N.m)减少到9.41×10^?8 mm³/(N.m)。在脂润滑条件下，USS122G不锈钢的摩擦因数在0.12左右，镀MoS2薄膜后摩擦因数一直稳定在0.103左右。结论 镀MoS2薄膜的USS122G较未镀膜的USS122G不仅提升了疲劳性能，还显著改善了摩擦学性能，提高了基底的使用寿命。
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  调制周期对AlCrSiN/AlCrMoSiN多层膜微结构和性能的影响

  王重阳, 刘艳梅, 阎兵, 朱建博, 薛锐, 徐远剑, Kim Kwang Ho, 王铁钢

  表面技术. 2024, 53(15): 57-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.005

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  目的 通过优化AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层的调制周期，提升涂层的力学性能和摩擦学性能。方法 采用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合技术，固定调制比为5∶1，制备具有不同调制周期的AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层。利用XRD和SEM分析涂层物相组成，观察其微观形貌;借助纳米压痕仪、划痕仪、高温摩擦试验机及轮廓仪测试涂层的硬度、弹性模量、临界载荷，以及摩擦磨损性能。结果 掺杂Mo元素后，AlCrMoSiN层生成了大量的非晶相，并观察到沿AlN(111)晶面共格外延生长。AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层表面颗粒随着调制周期的增大逐渐变小，整体呈“花椰菜”状，且致密、无缺陷。随着调制周期的增大，硬度、H/E和H³/E^*2呈先升高后降低的趋势;涂层的平均摩擦因数呈先降低后升高的趋势。当调制周期为145 nm(AlCrSiN层厚度约为120 nm，AlCrMoSiN层厚度约为25 nm)时，多层涂层中层间界面清晰，涂层的硬度最高，约为24.9 GPa，摩擦因数和磨损率均最低，分别为0.57、1.46× 10^?6 mm³/(N?m)，临界载荷为75.8 N。结论 多层复合涂层的调制周期对其结构和性能具有重要影响，当调制周期为145 nm时，AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层具有最佳的综合性能。
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  化学气相沉积陶瓷薄膜高温摩擦磨损性能研究

  王旋, 殷宇, 张立业, 代野, 周富, 彭冬, 白懿心, 丁星星, 董玲抒, 花泽荟, 戴明辉, 丛大龙

  表面技术. 2024, 53(15): 68-76. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.006

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  目的 对比研究不同陶瓷薄膜的耐高温磨损性能。方法 采用化学气相沉积工艺制备了TiN/TiCN、TiN/Al2O3、TiN/TiCN/Al2O3 3种陶瓷薄膜。通过划痕测试、显微硬度测试、高温摩擦磨损试验等测试方法，分别表征并评价3种陶瓷薄膜的附着力、硬度、耐600 ℃高温磨损性能，并通过扫描电子显微镜和光学显微镜对磨痕形貌进行分析。结果 化学气相沉积制备的3种陶瓷薄膜结构致密，无孔隙、裂纹等缺陷，且与基材结合界面良好，其中，TiN/TiCN/Al2O3多层薄膜与基体结合力最佳，为68.53 N，但其表层Al2O3薄膜与中间层TiCN薄膜结合强度较弱。600 ℃高温摩擦磨损结果表明，TiN/Al2O3薄膜具有最高的高温摩擦因数，平均为0.51，但其耐高温磨损性能最佳，体积磨损率为0.58×10^?5 mm³/(N.m);而TiN/TiCN薄膜具有最低的高温摩擦因数，平均为0.37，但其耐高温磨损性能最差，体积磨损率为4.23×10^?5 mm³/(N.m)。结论 3种陶瓷薄膜高温摩擦磨损的主要损伤形式各异，TiN/TiCN薄膜的主要磨损机制为黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损，TiN/Al2O3薄膜的主要磨损机制为磨粒磨损，TiN/TiCN/Al2O3多层薄膜的主要磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。TiN/Al2O3薄膜的耐高温磨损性能最佳是由于其硬度较高，且化学性质稳定，主要磨损形式为磨粒磨损，较难被磨损去除。而TiN/TiCN薄膜耐高温磨损性能最差是由于TiCN薄膜硬度较低，在高温摩擦作用下，会发生氧化磨损、黏着磨损、疲劳磨损等多种损伤形式。
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  固液两相流体属性对滚针轴承润滑与承载特性的影响

  宋琦, 王优强, 竺俊杰, 马金月, 徐莹, 娄元豪

  表面技术. 2024, 53(15): 77-87, 108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.007

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  目的 探究线接触滚针轴承润滑剂中颗粒对润滑特性的影响，为提高滚针轴承的润滑性能提供数据参考。方法 建立两相流润滑模型及两相流中含有的颗粒变形承载数学模型。其中，颗粒变形承载模型基于变形连续性假设，综合考虑在弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形3个阶段下颗粒的变形承载力，研究不同尺寸、质量分数和密度对颗粒承载量和两相流体润滑特性的影响。结果 润滑油中含有颗粒时，颗粒会承担部分外载荷，但承载量相较于油膜承担的载荷量较少。在相同的变速条件下，颗粒尺寸越大，会因产生较大的尺寸变形而增大颗粒的承载量，进而降低油膜承载力，增大油膜厚度，0.5 mm的颗粒承担的载荷相较于0.3 mm的颗粒提高了119.2%;颗粒密度的减小和质量分数的增大均会增大两相流中颗粒的数量，进而提高两相流中颗粒的承载量，质量分数为10%颗粒的承载量相比于质量分数为2%颗粒增大了251.8%，密度为3′10³ kg/m³的颗粒相较于密度为7′10³ kg/m³的颗粒的承载量增大了86.9%。承载颗粒会因接触表面变形而产生接触摩擦力，且接触摩擦力远大于油润滑产生的摩擦力，该摩擦力对系统产生的负效应远大于颗粒承载产生的正效应。结论 润滑油中颗粒的存在会改变其润滑性能，颗粒与轴承表面的接触摩擦会导致接触表面出现点蚀等现象，进而降低轴承的使用寿命，应尽量避免润滑油中含有尺寸较大、数量较多的杂质颗粒。
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  石墨烯含量对铜铁基自润滑摩擦材料组织结构及摩擦性能的影响

  付传起, 耿奥, 丁亚东, 汪滦

  表面技术. 2024, 53(15): 88-99. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.008

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  目的 改善石墨烯与铜铁基摩擦材料的结合方式，探究不同含量的石墨烯对铜铁基摩擦材料组织结构的影响，研究加入不同含量石墨烯时摩擦材料的摩擦性能和摩擦机理。方法 采用粉末冶金冷压法制备铜铁基摩擦材料，利用SEM、XRD等分析方法和手段，探究不同含量石墨烯对摩擦材料的组织结构、综合力学性能和摩擦性能的影响规律，确定最佳工艺参数。结果 在铜铁基摩擦材料中加入石墨烯时，其密度和抗压强度随着石墨烯含量的增加呈下降趋势，硬度呈先上升后降低的趋势。在相同转速下，随着石墨烯含量的增加，其摩擦材料的摩擦因数呈下降趋势，磨损率呈现先下降后上升的趋势。在石墨烯的质量分数为0.5%时，摩擦材料的摩擦率最小，为2.52×10^?9 mm³/(N.m)，此时摩擦材料的磨损机理为黏着磨损及少量磨粒磨损。结论 在铜铁基摩擦材料中，石墨烯作为润滑组元，与基体的结合性能表现优异，对比石墨烯对铜铁基摩擦材料的影响规律可知，在石墨烯的质量分数为0.5%时，摩擦材料的性能最佳。
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  润滑与腐蚀防护复合涂层的设计制备及性能研究

  彭文雅, 李钢, 陈晓龙, 李奎, 陈芝来, 王影, 李璞

  表面技术. 2024, 53(15): 100-108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.009

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  目的 解决无机磷酸盐复合涂层本身润滑与腐蚀防护功能不可兼具的制备技术难题。方法 采用多层复合结构的设计理念，设计制备润滑与腐蚀防护兼具的功能一体化复合涂层。对多层复合涂层的组成和显微结构，以及力学性能、摩擦学性能和腐蚀防护性能进行分析和研究。结果 多层复合涂层底层与基体结合良好，涂层整体界面结合良好且较致密，未出现界面分层和破裂等现象;高温摩擦磨损试验表明，随着试验环境温度的升高，摩擦因数和磨损率均增大，但是增大幅度不显著。在室温至600 ℃的宽温域范围内其平均摩擦因数均在0.2以下，磨损率在10×10^?5 mm³/(N.m)以下。经500 h的中性盐雾试验后，复合涂层表面未出现气泡、裂纹、锈蚀点。结论 多层复合涂层在室温至600 ℃范围内具有优异的润滑性能和耐磨性能，多层复合涂层具有良好的耐腐蚀防护性能。
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  页岩油集输管内壁润湿性与黏油性影响因素研究

  敬加强, 张文, 李雅娇, 尹然, 孙杰, 刘少钧

  表面技术. 2024, 53(15): 109-117, 128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.010

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  目的 解决集油管材界面润湿性与黏油性的不确定性问题。方法 选用吉庆页岩油与采出水分别为试验液体与预润滑液体，采用接触角测定仪和改进的沾滴试验装置，分别测定2种页岩油与采出水在普通钢管、涂层钢管和柔性管及其水预润滑或锈蚀后的接触角与黏油量。结果 普通钢管锈蚀前后水相接触角为52.5°和124.5°，锈蚀后的水相接触角增大72.0°，润湿性由亲水性转变为疏水性，油相接触角及润湿性则相反。3种管材表面的油、水接触角及黏油量随温度升高均表现出不同程度的减小，涂层钢管的亲油性受温度影响最显著，在151#井和020#井页岩油的油相接触角分别由104.0°、110.1°降至43.8°、46.1°，黏油厚度分别减小1.45 mm和1.16 mm。预润滑使3种管材的亲水性增强、亲油性减弱、油相黏附量降低，其中涂层钢管预润滑使151#井和020#井页岩油的黏壁厚度分别减小1.35、1.13 mm。涂层钢管通过升温或预润滑可改善页岩油的润湿性及流动摩阻。进一步分析固体表面能和黏附功与接触角的关系发现，随着固体材料表面能和黏附功的增大，固-液之间的接触角减小。结论 测试分析不同因素对集油管道流固界面接触角和黏油性的影响规律，为油田集输管材基于润湿性与黏油性的比选提供基础数据与参考，从而极大减少了集输过程中的能量损失。
激光表面改性技术
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  激光选区熔化铜合金多道成形的熔池行为和缺陷机理

  傅广, 李舒玥, 李泓历, 任治好, 彭庆国, 肖华强, 李少波

  表面技术. 2024, 53(15): 118-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.011

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  目的 针对激光选区熔化成形铜合金零件中孔隙缺陷的质量问题，研究不同扫描间距下多道熔池的动力学行为，以及不规则未熔合孔隙缺陷的生成机制。方法 构建多物理场的高保真数值模型，采用离散元法搭建粉末床，结合两相流法追踪金属相自由表面，并通过射线追踪算法研究多道成形时的全局吸收率，深入分析扫描间距对熔池演变以及未熔合孔隙缺陷的影响。结果 前一熔道的扫描对后一熔道有预热效果，因此第2熔道的宽度和吸收率总是大于第1道。随着扫描间距的增加，热积累效应减弱，第2道熔池的宽度和深度随之减小。扫描间距小会增加熔道间的重叠部分，不利于提升零件的构建速率，但无限地增加扫描间距会导致未熔化孔隙缺陷。通过对比70、100、130 μm扫描间距下的成形熔道发现，70 μm熔道的搭接率接近50%，100 μm能形成良好的搭接，且没有缺陷生产，而130 μm熔道有明显的孔隙缺陷及未完全熔化的粉末。结论 扫描间距的变化会造成液态熔体流动、传热和传质的改变，进而改变激光选区熔化铜合金多道成形的熔池动力学行为与吸收率，最终影响成形件的质量。选用合适的扫描间距可以有效地避免未熔合缺陷，并保证相邻熔道间有良好的搭接率。
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  AlSi10Mg选区激光熔化表面粗糙度预测、优化及表面形貌分析

  惠记庄, 骆伟, 阎志强, 王俊杰, 吕景祥, 郭许, 张浩

  表面技术. 2024, 53(15): 129-140, 151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.012

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  目的 选区激光熔化制造过程相当复杂，通过理论模型去研究表面粗糙度较为困难，因此采用数据驱动的方式进行研究是一种可行的方案。方法 基于麻雀算法优化双向长短期记忆网络来预测表面粗糙度，并对比验证该模型的适用性。首先进行三因素四水平全因素试验，其次，以激光功率、扫描速度、扫描间距为输入，以粗糙度为输出，建立模型。然后，利用遗传算法优化预测模型，从而获得最佳工艺参数组合。最后，分析不同工艺参数下成形零件的表面形貌，探究各参数及其耦合关系对表面质量的影响。结果 最佳工艺参数为扫描间距0.12 mm、扫描速度1 800 mm/s、激光功率280 W，预测表面粗糙度为10.407 μm，调整工艺参数进行实验，得到的样件的平均表面粗糙度为10.897 μm，与预测值相比，误差仅为4.5%。工艺参数对表面形貌的影响从大到小的顺序为扫描速度、激光功率、扫描间距，各因素间存在耦合作用，且共同影响激光能量密度，能量密度过高、过低均会使表面形貌恶化。结论 基于麻雀算法优化双向长短期记忆网络构建的数据驱动预测模型适用于粗糙度的预测与优化，能够实现对样件表面粗糙度的精准预测，可以指导实践，保证加工质量。
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  304不锈钢表面激光熔覆Inconel625涂层组织与性能分析

  秦明军, 孙文磊, 管文虎, 吴文宁, 朱理想, 林红波

  表面技术. 2024, 53(15): 141-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.013

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  目的 解决不锈钢零部件在热电厂中由于腐蚀和磨损造成的资源浪费和设备报废等问题，通过表面改性的方式来提高不锈钢零件的耐磨耐腐蚀性能。方法 利用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备Inconel625涂层，利用工业显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、超景深仪器等设备，系统地探究熔覆层表面形貌、显微组织、元素分布、表面粗糙度。采用显微硬度计、摩擦磨损仪、电化学工作站等设备，检测熔覆层的硬度分布规律、耐磨和耐腐蚀特性。结果 单因素试验最佳工艺参数为激光功率1 200 W、送粉率10 g/min、扫描速度14 mm/s。熔覆层底部到顶部组织，主要以不同形态的典型树枝晶组织为主，以及少量胞状晶。熔覆层物相组成主要包括FeCr0.29Ni0.16C0.06、NbC、Cr2Ni3、Mo2C。涂层硬度较基体大幅提升，涂层最高硬度值达425.48HV0.2，约为基体的1.8倍，涂层的磨损量为2.4 mg，约为基材磨损量(4.4 mg)的55%，摩擦系数平稳，变化幅度较小，耐磨性能较基体显著提高。电化学腐蚀试验后，基体开路电位为–0.44 V，熔覆层开路电位稳定在–0.17 V，较基体偏正。涂层的自腐蚀电位(Ecorr)为–1.00 V，大于基体的自腐蚀电位(–1.10 V)，涂层的自腐蚀电流密度(Jcorr)为3.47×10^–8 A/cm²，小于基体的自腐蚀电流密度(6.43×10^–8 A/cm²)，从而得出涂层腐蚀倾向较基体小。涂层的电容弧半径大于基体，该频率范围内涂层的阻抗模量均大于基体，表明涂层的耐腐蚀性能更好。结论 Inconel625合金涂层能够显著提高304不锈钢的表面硬度、耐磨耐腐蚀性能。
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  激光熔覆Ni/WC梯度复合涂层的组织与性能研究

  盛永琦, 危亚城, 尚大智, 夏琨, 申屠成望, 冯爱新

  表面技术. 2024, 53(15): 152-162. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.014

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  目的 减少涂层内部缺陷，提高Cr12MoV模具钢表面的显微硬度及耐磨性。方法 采用激光熔覆技术在Cr12MoV钢上逐层制备Ni60-Ni60/25%WC(Ni/WC)梯度复合涂层。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计、摩擦试验机和冲击试验机，研究梯度复合涂层的物相组成、微观组织、显微硬度、耐磨性与冲击韧性。结果 在Cr12MoV的基体上制备Ni/WC梯度复合涂层，Ni60层与Ni60/25%WC冶金结合理想。Ni/WC梯度复合涂层的表面主要物相为γ-(Fe, Ni)、FeNi3、CrB、Cr7C3、Cr23C6，从Ni60层底部到顶部依次为胞状晶、柱状晶、细小的等轴枝晶。Ni/WC梯度复合涂层硬度呈梯度分布，涂层的平均硬度达到698.5HV，相较于基体提高了约55.2%。与基体相比，Ni/WC梯度复合涂层表现出更好的耐磨性能，摩擦系数和磨损率分别下降了40.92%和28.6%，其中基体表现为黏着磨损，然而涂层整体表现为磨粒磨损。但较基体而言，Ni/WC梯度复合涂层的冲击韧性值降低了32.48%，复合涂层区域表现为脆性断裂。结论 Ni/WC梯度复合涂层冶金结合良好，同时与基体相比，Ni/WC梯度复合涂层可以有效提高硬度及耐磨性，但冲击韧性有所降低。
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  添加Y2O3对激光熔覆制备FeCoNiCuAl高熵合金涂层组织性能的影响

  黄光灿, 郭纯, 李云, 陈林婷, 李文清, 陈艳艳, 张新宇, 林清成

  表面技术. 2024, 53(15): 163-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.015

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  目的 研究不同质量分数Y2O3对激光熔覆制备FeCoNiCuAl高熵合金涂层的影响。方法 利用IPG-4000W激光器和KUKA机器人组成的激光熔覆设备在45钢基材表面制备FeCoNiCuAl-xY2O3(x=0%、5%、10%、15%、20%)高熵合金复合涂层，分别使用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度计、摩擦磨损试验机、扫描电镜(SEM)以及电化学工作站，分析涂层的显微组织及物相构成，测量涂层的显微硬度，分析涂层的摩擦磨损行为和腐蚀行为。结果 Y2O3的加入并未明显改变涂层物相构成，添加Y2O3与FeCoNiCuAl高熵合金复合涂层物相主要由γ-Fe固溶体、Cu2O、AlNi、Al5CO2、Fe2O3组成。FeCoNiCuAl高熵合金复合涂层的显微组织由等轴晶与枝状晶构成，Y2O3的加入促进了熔池流动，使孔隙逐渐消失，因此在加入Y2O3后，晶粒细化变得更加致密，明显改善了组织的内部缺陷，从而有效提升了涂层的性能。结论 当x=5时涂层显微组织为致密的枝状晶，对应的平均显微硬度为675.1HV0.2，涂层磨损率为1.12×10^?7 g/(N.m)，表现出最优的耐磨损性能，腐蚀电位为-0.628 V，同时表现出最优的耐腐蚀性能;相较于未添加Y2O3的涂层以及基材本身，力学性能与耐腐蚀性能得到了明显提升。
表面强化技术
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  强化改性研磨时间对12Cr17Mn6Ni5N钢表层特性及拉伸性能的影响

  何鹏, 谢鑫成, 陈嘉懿, 张宇鹏, 邹涛, 萧金瑞, 梁忠伟

  表面技术. 2024, 53(15): 173-183, 233. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.016

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  目的 提高12Cr17Mn6Ni5N钢焊缝的表层特性及拉伸性能。方法 采用单一变量法控制强化改性研磨加工时间，在12Cr17Mn6Ni5N钢表面进行强化改性研磨处理。进行了室温拉伸试验，绘制各样品的应力-应变曲线图，并通过扫描电镜拍摄距离表面30、100、170 μm深度附近的断口形貌，分析表层的断裂机理。进一步分析各样品的表面线粗糙度、表层三维形貌、表面微观形貌、强化层厚度、截面显微硬度和表面残余应力。结果 与母材相比加工时间从1 min增加至3 min，12Cr17Mn6Ni5N钢表面微观织构越多，拉伸方向和沿焊缝方向的表面粗糙度分别提高到Ra=1.81 μm、Ra=1.46 μm，三维形貌高度差先增加到34.82 μm后减少为31.75 μm，表层显微硬度最多提高了104.60%，残余应力提高到–1 221.3 MPa，强化层最厚为160 μm。在相同的载荷条件下，加工时间为3 min的样品的屈服强度和抗拉强度分别提高了15.89%和10.17%。在深度30 μm附近，加工时间为3 min的样品的断口形貌出现少量韧窝，其他样品都为脆性断裂，其中母材样品为全解离脆性断裂;深度100 μm附近，母材样品仍为脆性断裂，加工时间为1 min和2 min的样品都为混合断裂，加工时间为3 min的样品为韧性断裂且出现较深的大韧窝和深韧窝。结论 强化改性研磨可以有效改善12Cr17Mn6Ni5N钢焊缝的表层特性，获得高硬度、高残余应力和组织致密的厚强化层，进而提高屈服强度和抗拉强度。
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  2A97铝锂合金喷丸表面完整性及耐腐蚀性能分析

  黄浩, 牛金涛, 尹建国, 张朝阳, 王相宇, 乔阳

  表面技术. 2024, 53(15): 184-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.017

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  目的 延长2A97铝锂合金的服役寿命，提高其耐腐蚀性能。方法 采用正交试验法，研究喷丸工艺对合金2A97加工表面完整性的影响。通过极差分析，获得喷丸角度、弹丸粒径、喷丸速度和覆盖率等工艺参数对表面粗糙度、残余应力和加工硬化的影响。采用超景深三维显微镜分析2A97喷丸前后的表面形貌，采用扫描电子显微镜分析表面元素分布，采用光学显微镜表征其微观组织结构。通过动电位极化测试和表面接触角的测量，对比、评价喷丸处理对合金表面耐腐蚀性能的影响。结果 喷丸处理在合金2A97表面引入了剧烈的塑性变形层，且使其表面粗糙化。与喷丸角度和覆盖率相比，喷丸速度和弹丸粒径对表面粗糙度的影响程度更大。喷丸表面的最大残余压应力为?415.54 MPa，表面加工硬化程度在133%~241%之间波动。与未喷丸相比，经喷丸后试样表层组织发生了明显细化。在质量分数为3.5%的NaCl溶液中，喷丸试样表面表现出更好的耐腐蚀性能，表面腐蚀坑数量及大小明显降低;喷丸表面接触角均大于90°，均表现出疏水性。结论 相较于铣削表面，2A97铝锂合金喷丸表面的耐腐蚀性能更加优异。
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  20MnCrS5真空低压渗碳气淬多场耦合模拟分析

  张泽宇, 邓小虎, 凡园园, 王会珍, 周乐育, 徐跃明, 巨东英

  表面技术. 2024, 53(15): 194-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.018

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  目的 采用试验研究、模拟计算和理论分析相结合的手段，对20MnCrS5齿轮钢真空低压渗碳过程的组织性能演变机理进行研究。方法 引入符合真空渗碳强渗、扩散交替进行的扩散边界条件，并修正硬度计算方程，开发真空低压渗碳高压气淬过程仿真模型。分别建立?15 mm×100 mm圆棒试样二维轴对称和三维实体有限元模型，对20MnCrS5圆棒试样不同工艺参数下真空渗碳过程进行模拟仿真，开展真空渗碳试验与仿真分析化研究。结果 二维轴对称模型和三维实体模型计算精度接近，可以代替三维模型，提高计算效率。不同工艺参数真空渗碳过程得到的模拟和试验结果吻合较好，验证了改进模型和方程的可用性，并对不同工艺条件下碳浓度、组织和性能演变规律进行了研究。而后将模型应用到德国FZG(Forschungsstelle für Zahnr?der und Getriebebau)标准齿轮样件，对其真空渗碳过程进行了模拟，结果可较好地反映齿轮不同位置碳浓度分布的特点，进一步验证了模型的准确性。结论 通过本研究，揭示了20MnCrS5齿轮钢真空低压渗碳过程的组织性能演变机理，并为复杂零部件真空渗碳过程工艺开发提供了新的思路。
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  溅射技术与基体偏压对TiBx涂层结构和力学性能的影响

  谷佳宾, 李建勇, 金杰, 李刘合

  表面技术. 2024, 53(15): 206-215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.019

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  目的 改善TiBx涂层的残余应力，提高其力学性能。方法 采用不同的磁控溅射技术(dcMS、HiPMS、Hybrid)和基体偏压制备TiBx涂层。通过电子探针显微分析仪(EPMA)测试TiBx涂层的化学成分，采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征涂层的表面形貌、组织结构特征、相组成和择优取向，通过sin²ψ法、纳米压痕仪和洛氏压痕法分别测试TiBx涂层的残余应力、纳米硬度和膜层/基体结合强度。结果 溅射技术和基体偏压对TiBx涂层的组织结构和力学性能都有着显著的影响。在基体旋转条件下，不同溅射技术和基体偏压制备的涂层均呈现出TiB2-(001)择优取向。随基体偏压的升高，涂层的残余应力呈现出先增大、后减小的规律。偏压相同时，HiPIMS技术制备的TiBx涂层具有最高的残余应力。随着基体偏压的增加，TiBx涂层的纳米硬度和弹性模量不断增加，在偏压为–130 V时，Hybrid-TiBx涂层具有最高的纳米硬度(40.1 GPa)。偏压相同时，dcMS-TiBx和Hybrid-TiBx涂层表现出优异的膜层/基体结合强度(HF1-HF2级)，而HiPIMS涂层表现出较差的膜层/基体结合强度(HF1-HF4级)。结论 溅射技术和基体偏压对TiBx涂层的微观组织结构和力学性能有着重要的影响，Hybrid模式结合了dcMS模式和HiPMS模式的优点，Hybrid-TiBx涂层呈现出最优的综合力学性能(高的纳米硬度、沉积速率和膜层/基体结合强度)。
热喷涂与冷喷涂技术
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  NiCrAlY/YSZ/0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12热障涂层在1 150℃水淬–热震环境中的服役行为

  邱质彬, 李飞, 乔立捷, 王浩瀚, 吴淑琴, 张振亚, 薛召露

  表面技术. 2024, 53(15): 216-223, 233. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.020

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  目的 热障涂层是主要应用于航空发动机涡轮叶片表面的高温防护材料，它可以有效降低基体的工作温度，是提高涡轮叶片的工作温度、延长其服役寿命的重要技术手段。氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)在高温环境中易发生烧结、相转变等行为，降低了热障涂层的服役寿命，因此有必要研发新的热障涂层材料。方法 利用大气等离子喷涂技术制备了NiCrAlY/YSZ/Sm2Zr2O7和NiCrAlY/YSZ/0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12热障涂层体系，利用XRD、DSC、SEM 等系统地研究了沉积态0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12涂层的相结构和热导率等。然后，将其在室温和1 150 ℃水淬–热震环境中进行循环服役行为测试，研究热障涂层体系在水淬–热震环境中的相结构演变、失效模式和失效机理等。结果 利用大气等离子技术沉积的0.8Sm2Zr2O7- 0.2Y3Al5O12涂层中具有非晶相，在1 200 ℃下热处理5 h后发现了SmAlO3相。沉积态0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12涂层的热导率维持在1.5 W/(m.K)，但随着温度的升高稍增大，经退火处理后其热导率高于沉积态0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12涂层的热导率，随着温度的升高呈先降低后升高的趋势。NiCrAlY/YSZ/Sm2Zr2O7热障涂层体系在12次循环后失效，而NiCrAlY/YSZ/0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12热障涂层体系在90次循环后失效。结论 与NiCrAlY/YSZ/Sm2Zr2O7热障涂层体系相比，NiCrAlY/YSZ/0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12热障涂层体系的循环服役寿命提高了约7倍。表明0.8Sm2Zr2O7-0.2Y3Al5O12是一种有潜力的热障涂层材料。
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  8YSZ热障涂层表面织构设计及其抗热震性能

  丁琦恒, 胡丽娜, 雷海军, 张文超, 黄延凯

  表面技术. 2024, 53(15): 224-233. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.021

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  目的 研究不同表面织构形貌对8YSZ热障涂层的抗热震性能和失效机制的影响。方法 采用微电火花在高温镍基合金基体表面设计加工4种形貌的表面织构，并利用大气等离子喷涂技术制备相同厚度的8YSZ热障涂层。采用水淬法进行热冲击试验，利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS)，分析不同表面织构的微观结构演变、断裂形态、残余应力和元素分布，结合能量释放率准则，揭示不同织构形貌对失效机制的影响。结果 表面无织构的涂层的界面韧性较小，裂纹在边界和内部萌生，为氧气和腐蚀介质的扩散提供了通道，经热冲击后会发生大尺寸断裂，在16次水淬后出现大面积屈曲失效。凸织构顶部出现严重的应力集中现象，能量释放率较大，经18次水淬后脱黏失效。凹梯形织构界面韧性较大，内部残余应力较小，经30次水淬后织构两侧出现裂纹，平均抗热冲击次数为53，抗热冲击性能较好。结论 涂层与镍基合金基体之间的热膨胀系数存在较大差异，涂层受到热冲击后在界面产生较大的热失配应力，促使裂纹萌生。表面织构能够有效提高涂层的界面韧性，由于凹梯形织构具有最佳的偏转角，界面增韧效果最好，且能够有效阻挡裂纹的扩展，使得断裂失效缓慢，热冲击寿命得到显著提高。可为热障涂层的表面织构设计提供理论指导。
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  旋耕刀表面硬质WC合金涂层的电弧热喷涂工艺研究

  陈吉朋, 王计安, 周宏平

  表面技术. 2024, 53(15): 234-241, 251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.022

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  目的 旋耕刀是重要的农机土壤部件，“表硬芯韧”是制造高性能旋耕刀的关键。尝试利用电弧热喷涂方法在旋耕刀表面直接制备含硬质碳化钨(WC)的合金涂层，以提高其综合力学性能。方法 以旋耕刀常用制造材料65Mn为基材，以含WC的合金材料为电极丝材，搭建电弧喷涂实验平台，开展三因素两水平工艺实验。重点探讨喷涂电压、送丝速度、扫描速度对涂层制备的影响。结果 所制备的涂层表面光滑、平整，无宏观裂纹或可见缺陷。在喷涂电压30 V、送丝速度40 mm/s、扫描速度30 mm/s时，电弧热喷涂的涂层沉积速率为174.7 g/min，其平均硬度可达HRC51，表面粗糙度Ra为2.366 μm。扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等测试结果表明，WC合金涂层具有典型的层状结构，结构均匀致密，涂层与基体之间形成了良好的机械结合。结论 在基础工艺研究基础上，成功制备了表面含有硬质WC合金涂层的旋耕刀样件，进一步验证了工艺可行性，为高性能旋耕刀制备提供了新的思路和方法。
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  冷喷涂参数对合金钢表面Ni涂层显微组织和腐蚀防护性能的影响

  丛大龙, 殷宇, 张立业, 代野, 周富, 花泽荟, 王旋, 白懿心, 彭冬, 丁星星

  表面技术. 2024, 53(15): 242-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.023

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  目的 提高核电管道用合金钢材料的耐腐蚀性能。方法 采用中低压冷喷涂工艺在30CrMnSi低合金钢表面制备了Ni涂层，使用数码相机、扫描电镜、电化学工作站等重点研究了喷涂工艺参数(喷涂气体压力和温度)对涂层显微组织、电化学性能和耐盐水性能的影响。结果 采用CS1(0.8 MPa-150 ℃)、CS2(1.0 MPa- 200 ℃)、CS3(1.5 MPa-200 ℃)和CS4(1.7 MPa-250 ℃)参数制备的冷喷Ni涂层，涂层厚度由155 μm增加至265 μm，涂层孔隙率由3.5%降低至0.9%，自腐蚀电位(Ecorr)由?0.623 V增加至?0.328 V(vs. SCE)，腐蚀电流密度(Jcorr)由4.3×10^?5 A/cm²降低至4.4×10^?6 A/cm²;4种工艺条件下的冷喷Ni涂层经1 000 h人造海水浸泡试验后，对基体仍存在腐蚀保护作用。结论 冷喷Ni涂层在人造海水环境中的退化机制源于涂层表面的疏松性质和内部孔隙。浸泡初期，氯离子快速渗透进涂层内部并形成可溶性的氯化物，生成较为封闭的腐蚀坑;随着浸泡时间的延长，涂层内部的孔隙逐渐被这些产物填充满，腐蚀表层变得更加稳定和致密，并逐渐形成了保护层，从而阻断了新鲜氯离子的进一步补充;浸泡后期，阻塞区内外电化学条件的显著差异，加速了腐蚀坑内金属的腐蚀进程，堆积在表层的腐蚀产物体积膨胀或在应力作用下产生了裂纹，氯离子通道再次打开，腐蚀产物不断向外排出，腐蚀表层逐渐脱落。通过提高喷涂压力和喷涂温度，可有效提高冷喷Ni涂层的致密度和结合强度，有力抑制了涂层在盐水环境中的腐蚀扩展过程。通过积累不同工艺条件下冷喷涂Ni基涂层在人造海水环境中的腐蚀失效数据，为冷喷涂Ni基涂层工程化应用提供理论支撑。