2024年, 第53卷, 第17期　
刊出日期：2024-09-10

  

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研究综述
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  超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀及影响因素研究进展

  封茂, 廉影, 李阳, 吴亚鹏

  表面技术. 2024, 53(17): 1-16, 111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.001

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  超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层作为一种耐空蚀保护涂层，以其优异的性能被广泛应用于流体机械的过流部件。概述空蚀破坏的机制和超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层的制备过程，同时从内因和外因两方面归纳影响此类涂层空蚀行为的因素。在此基础上，从喷涂粉末因素、喷涂制备因素、工况因素、力学性能、空蚀机理，以及与其他涂层的比较等几个方面重点综述近年来国内外学者对超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀行为研究的重要成果。喷涂粉末因素主要与WC颗粒的尺度、Cr元素及稀土元素等有关;喷涂制备因素主要与喷涂工艺(助燃气体、燃料、燃烧室压力、喷嘴几何形状及喷涂粒子速度等)和喷涂后处理(封孔和磨抛处理)有关。喷涂粉末因素和制备因素会影响涂层的显微组织结构(元素分布、物相组成、孔隙率及层间结构等)和力学性能(显微硬度、断裂韧性、结合强度及残余应力等)，进而影响涂层的抗空蚀性能。此外，涂层的破坏程度还受到空蚀时间和所处介质的腐蚀和流速的影响。最后，对超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀研究的发展方向进行展望。
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  磨料流光整加工理论与技术研究进展

  郑宸曦, 陈书凝, 张鑫龙

  表面技术. 2024, 53(17): 17-40, 111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.002

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  在简要阐述挤压磨料流加工技术、磨料水射流抛光技术及软性磨料流加工技术材料去除机理的基础上，介绍了磨料流加工方法的研究进展，总结了上述3种磨料在流光整加工技术抛光过程中，磨粒种类/浓度/粒度、磨料黏度与黏温特性、挤压压力、喷射角度及喷射距离等关键工艺参数对被加工工件材料去除率(材料去除量)和表面粗糙度(表面粗糙度变化)的影响规律，分析了磨料流应用过程中存在的加工均匀性、力学性能及加工精度等技术难题。同时，针对所述技术难题，不仅探讨了相关试验研究，而且提出了一种磨料流与管材液力成形技术相结合的复合工艺，为实现增材制造零件短流程、低排放、低成本的低碳制造目标提供了有效方法。最后，综合归纳了磨料流加工技术在各领域的具体应用，并展望了磨料流光整加工的发展方向。
摩擦磨损与润滑
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  铜表面织构密度对铜/碳配副载流摩擦性能的影响

  周涛涛, 宋晨飞, 钱志源, 张燕燕, 任雨龙, 宋鹏飞, 侯庆华, 张永振

  表面技术. 2024, 53(17): 41-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.003

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  目的 碳刷是大型水轮机组、风电、新能源汽车等装备中电机转子供电的唯一通道，在长期服役过程中其碳块磨耗过度，落粉现象严重，探索织构化对铜/碳配副载流性能和摩擦磨损性能的影响，提出改善碳刷服役性能的表面技术。方法 在铜环表面制备不同织构密度的圆形微织构，与碳块构成滑动载流摩擦副，研究织构密度对铜/碳配副载流摩擦磨损性能的影响。采用光学显微镜、白光干涉三维形貌仪、扫描电子显微镜等表征手段分析试样的磨损形貌，并通过能谱仪分析铜环表面碳元素分布及含量，揭示织构化对铜/碳配副性能的影响机制。结果 当织构密度从0%增至18%时，摩擦跑合时间下降了47.2%，碳块磨损量下降了31.8%，在同等名义接触面积下接触电阻增高了28.7%。结论 铜表面织构化有利于收集和储存摩擦过程中产生的碳颗粒，促进碳转移膜的形成，织构密度的增加可有效缩短摩擦跑合时间、降低碳磨损率。由于织构化破坏了铜表面的连续性，且碳转移膜的导电性弱于铜，因此织构密度的增加导致接触电阻升高。铜表面织构化对于提高碳刷磨损寿命、减少落粉量有一定效果。
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  基于气-固两相流喷嘴实验的20G钢冲蚀机理研究

  邓宽海, 程金亮, 林元华, 黄耕, 刘冰, 梅宗斌, 秦大伟

  表面技术. 2024, 53(17): 50-61. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.004

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  目的 由天然气管道内壁减薄及穿孔导致的天然气泄漏事故频繁发生，输气管道面临着日益严重的冲蚀磨损问题。针对这一问题需要明确输气管道材料的冲蚀行为及机理，为抗冲蚀材料设计和延长管道使用寿命等工作的开展提供有效支撑。方法 基于ASTM-G76测试标准，采取气-固喷嘴冲蚀试验研究方法，利用空气射流冲蚀实验机，开展不同冲击角度和冲击速度下天然气管道材料20G钢的气-固冲蚀实验;采用扫描电子显微镜、激光粒度分析仪等设备分析试样表面冲蚀形貌及特征;采用Ahlert冲蚀模型对实验数据进行拟合，建立20G钢的冲蚀率方程。结果 当冲击速度(15~72 m/s)增大时，冲蚀率随之增大。当冲击角度(15°~90°)增加时，冲蚀率随之减小。冲蚀面积随着冲击角度的增加而减小。在低冲击角度下(15°、30°)，固相颗粒的“犁削”为主要冲蚀及材料移除机制。在中等冲击角度下(45°、60°)，冲蚀机制呈现混合形式，犁削、压实与开裂共同作用于材料表面。在高冲击角度下(75°、90°)，以压实和开裂为主要冲蚀及材料移除机制。结论 在气固两相流作用下，20G钢的冲蚀磨损过程符合典型的塑性材料冲蚀规律。颗粒冲击速度不会直接影响冲蚀机制，颗粒冲击能量的变化是影响冲蚀率的主要因素。建立了适用于天然气管道材料抗冲蚀性能对比和CFD冲蚀模型的冲蚀速率方程。
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  Si含量对激光熔覆FeCrNiCSix涂层组织结构及高温摩擦性能的影响

  龙海洋, 史海江, 卢冰文, 马汝成, 闫星辰, 刘志存, 贵永亮, 董真

  表面技术. 2024, 53(17): 62-70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.005

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  目的 研究不同Si含量对Fe基涂层组织结构及高温摩擦磨损性能的影响规律，为延长高温环境下冶金部件的服役寿命提供技术支持。方法 选用铬粉、硅粉、镍粉、碳粉、铁粉(纯度均大于等于99%)，配制不同Si含量(质量分数分别为5%、10%、15%)的FeCrNiCSix 粉末，在配制完成后使用行星球磨机混合粉末，采用激光熔覆技术制备不同Si含量(质量分数分别为5%、10%、15%)的FeCrNiCSix涂层。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和其自带能谱仪(EDS)分析涂层的物相组成、显微组织和元素分布;利用维氏显微硬度计分析涂层的截面显微硬度分布规律;采用摩擦磨损试验机测试涂层在温度500 ℃、载荷200 N下的摩擦因数，称量磨损实验前后的质量差，计算磨损率;通过SEM观察磨痕形貌，分析涂层磨损机理。结果 质量分数为5%的Si涂层物相主要是γ-Fe和Fe-Cr固溶体，显微组织由树枝晶和等轴晶组成。质量分数为10%、15%的Si涂层的物相主要为Fe3Si、Fe-Cr固溶体，显微组织主要由等轴晶组成。质量分数为5%、10%、15%的Si涂层的显微硬度分别为301.3HV0.5、576.6HV0.5、598.5HV0.5，摩擦因数分别为0.61、0.50、0.47，磨损率分别为3.10×10^?5、5.90×10^?5、7.39×10^?5 g/m。结论 随着涂层中Si含量的升高，涂层的摩擦因数降低，显微硬度和磨损率升高。其中，Fe3Si相的产生使得涂层的平均显微硬度提高，由于Fe3Si相的脆性较大，剥落程度较严重，导致涂层的磨损率上升。综合评判可知，质量分数为10%的Si涂层的高温耐磨最优，其磨损形式为磨粒磨损。
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  CeO2颗粒对7075铝合金微弧氧化膜生长行为及耐磨/耐蚀性能的影响

  詹中伟, 张骐, 刘小辉, 王帅星, 庞志伟, 孙志华, 葛玉麟, 王琪超, 杜楠

  表面技术. 2024, 53(17): 71-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.006

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  目的 通过CeO2颗粒复合，进一步改善铝合金微弧氧化膜的耐磨和耐蚀性能。方法 在硅酸盐-磷酸盐电解液体系中加入CeO2颗粒，利用微弧氧化技术在7075-T6铝合金表面制备CeO2颗粒复合氧化膜;从氧化电压、放电行为及膜层厚度的变化规律探讨CeO2颗粒含量对微弧氧化膜生长过程的影响;通过扫描电子显微镜、动电位极化曲线、球-盘磨损试验等研究电解液中CeO2颗粒浓度对微弧氧化膜微观结构、耐磨性能和耐蚀性能的影响。结果 通过CeO2颗粒的复合，改变了铝合金微弧氧化成膜过程的能耗分布，加速了微弧氧化膜的放电击穿。CeO2颗粒复合会使膜层的生长速率有所下降，但氧化膜的致密性、均匀性及膜基的结合强度得到明显改善。CeO2颗粒主要以熔融和嵌合等方式存在于氧化膜中。相较于普通微弧氧化膜，复合膜的摩擦因数普遍降低了约0.2，比磨损率也更低，耐磨性更佳。此外，复合膜呈现出更好的耐腐蚀性，其自腐蚀电流密度至少下降了50%，且在模拟海水中浸泡2 000 h后腐蚀增重更小、腐蚀更轻微。在电解液中加入10 g/L的CeO2颗粒时，所得复合膜的综合性能较佳。结论 CeO2颗粒复合以熔融或嵌合的方式沉积到铝合金微弧氧化膜中，有效减少了膜层的微孔等缺陷，提高了膜层的致密性和硬度，改善了膜层的耐蚀性和耐磨性。
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  NiAl复合涂层中强化相的形成机理及其对磨损性能的影响

  夏鹏成, 占庆威, 谢鲲, 曹梅青, 岳丽杰, 孙晓华, 董俊伟

  表面技术. 2024, 53(17): 83-93. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.007

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  目的 提高NiAl复合涂层的硬度，扩大它作为涂层材料在矿山机械和石油化工领域的应用范围。方法 TiC、TiB2金属陶瓷颗粒具有较高的熔点、硬度、弹性模量及较好的化学稳定性，是一种优良的高温结构材料。采用等离子熔覆技术在Q235低碳钢表面制备NiAl金属间化合物涂层和TiC-TiB2强化NiAl复合涂层，研究涂层的微观组织结构、金属粉末反应热力学、TiC-TiB2强化相的形成机理和涂层的摩擦行为。结果 涂层组织紧密、均匀，涂层与基体具有良好的冶金结合。NiAl涂层主要由NiAl、γ-(Fe, Ni)固溶体组成。复合涂层由NiAl、Ni3Al、γ-(Fe, Ni)、TiC和TiB2增强相组成。TiC相呈小块状，TiB2相呈短棒状。粉末反应的热力学计算进一步证明了强化相TiC、TiB2的形成。强化相的形成机理与原子扩散沉淀和晶体结构有关。与NiAl涂层相比，复合涂层的平均硬度从416HV提高到525HV，摩擦因数和磨损失重(质量损失)从0.68、0.376 g分别降至0.54、0.192 g。NiAl涂层磨损表面出现较多大且深的犁坑，NiAl复合涂层磨损表面较为平滑，只有少量浅犁沟。结论 TiC和TiB2主要通过溶解、扩散和沉淀析出方式形成。NiAl复合涂层具有高硬度、低摩擦因数和较少的磨损失重，具有优异的耐磨性能。在基体中弥散分布的小块状TiC颗粒和组织稳定性高的强化相有利于提高NiAl复合涂层的硬度和磨损性能。NiAl涂层的磨损机理主要为黏着磨损，复合涂层的磨损类型以磨粒磨损为主。
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  纳米镍颗粒改性钛合金微弧氧化膜的摩擦性能

  唐明奇, 禹业帅, 辛畅, 冯在强, 周波, 蒋正权, 王峰, 谢屹鹏, 闫镇威

  表面技术. 2024, 53(17): 94-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.008

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  目的 基于微弧成膜机制形成的类陶瓷氧化膜层中存在大量孔洞、裂纹和凸起，使得膜层的致密性和耐磨性不够理想。通过在钛合金微弧氧化膜中引入镍，从而改善膜层的组织结构，提高膜层的抗磨性能。方法 利用不同含量纳米镍颗粒的碱性电解液，在TC4钛合金表面制备微弧氧化膜层。利用SEM、EDS、XRD、XPS对微弧氧化膜层的微观结构、截面形貌、相组成和元素组成进行分析，采用显微维氏硬度计和摩擦磨损试验机检测膜层的硬度和摩擦学性能。结果 纳米镍颗粒的引入，使得微弧氧化膜的厚度增加，提高了膜层的致密性。当纳米镍颗粒的加入量(质量浓度)为2 g/L，且微弧氧化时间为45 min时，膜层表面微孔分布均匀，凸起和微裂纹较少。微弧氧化膜主要由金红石相和锐钛矿相组成，进入膜层的Ni主要以NiO的形式存在。在添加2 g/L纳米镍颗粒、微弧氧化时间为45 min时，制备的膜层硬度为452HV，抗磨性能表现最好，其摩擦因数一直稳定在0.75左右，抗磨性能相较于基础膜层提升了约67%。结论 适当加入纳米镍颗粒及采用合理的微弧氧化时间能够减少膜层的微孔和微裂纹，进一步提高膜层的硬度和抗磨性能。
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  SnAgCu-Al2O3在不同织构角度下对TiNi润滑行为的影响

  熊亚辉, 林海波, 熊邦英, 杨慷

  表面技术. 2024, 53(17): 103-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.009

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  目的 研究高镍钛基合金(TiNi)的摩擦学性能以提高其使用精度和服役寿命。方法 以TiNi为研究对象，结合仿生学方法在TiNi表面设计并制备了鱼鳞状表面织构。随后将复合固体润滑剂SnAgCu-Al2O3(S-A)均匀填充至织构，使用摩擦磨损测试仪对制备的样品进行摩擦实验。最后利用场发射扫描电子显微镜和三维表面形貌仪对磨痕表面进行表征，重点分析表面织构的角度参数对复合材料SnAgCu-Al2O3/TiNi(S-A/TiNi)摩擦学性能的影响。结果 与TiNi相比，当表面织构的角度为70°时，S-A/TiNi-70°的平均摩擦因数和磨损率分别降低约81.8%和85.5%，其值分别约为0.1和1.2×10^?13 m³/(N.m)。结论 研究过程中发现，S-A/TiNi-70°试样表现的优异摩擦学性能依赖于S-A固体润滑膜的完整性，摩擦表面形成的固体润滑膜越连续其表面磨损越小。S-A/TiNi-70°试样优异的摩擦学性能主要归因于在表面织构角度为70°时，织构凹槽中的S-A固体润滑剂相较于其他角度更容易流动。这导致织构凹槽中的润滑剂能够大量迁移到摩擦表面形成S-A固体润滑膜，从而减少了摩擦副和基体直接接触。
激光表面改性技术
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  光斑搭接率对激光清洗铝合金阳极氧化膜表面质量及耐磨性能的影响

  王蔚, 李晓旭, 刘伟军, 李相锦, 邢飞, 周宪民

  表面技术. 2024, 53(17): 112-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.010

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  目的 研究激光清洗铝合金表面阳极氧化膜后，光斑搭接率对基材表面质量及磨损性能的影响规律。方法 采用纳秒脉冲激光器清洗7075铝合金表面的阳极氧化膜，分析不同激光光斑搭接率(20%~60%)对材料表面形貌、元素含量、表面粗糙度、显微硬度、残余应力和耐磨性的影响，通过研究激光清洗后7075铝合金的表面特征，探究激光光斑搭接率对铝合金表面耐磨性的影响规律。结果 随着光斑搭接率的减小，被清洗表面的显微硬度、粗糙度均呈现先减少后增大的趋势，残余应力呈现下降趋势。当光斑搭接率为46.7%~60%时,试样表面存在烧蚀形成的凹坑，导致粗糙度增大。当光斑搭接率为20%时，氧元素的含量较高，氧化膜去除不完整，达不到清洗要求。当激光光斑搭接率为33.3%时，激光清洗能够有效去除7075铝合金表面的阳极氧化膜，并会形成粗糙度较小、显微硬度较大的熔融热氧化层。结论 经不同光斑搭接率清洗后，清洗表面磨损机制主要以磨粒磨损和剥层磨损为主，在光斑搭接率为33.3%时，表面清洗效果较好，同时清洗后的表面生成的熔融热氧化层可以提高耐磨性，此时样件表面磨损量达到最低值，这为铝合金清洗后重新使用提供了可行性。
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  球墨铸铁表面激光熔覆层的组织及耐腐蚀性能研究

  党钰钦, 李冬杰, 刘艳梅, 赵治伟, 白云龙, Kim Kwang Ho, 连伟锋, 王子铭, 王铁钢

  表面技术. 2024, 53(17): 126-134, 145. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.011

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  目的 解决用于乏燃料贮运的球墨铸铁筒体容器因内壁腐蚀导致服役寿命短的问题，提高球墨铸铁表面的硬度及耐腐蚀性能。方法 利用送粉式激光熔覆技术在球墨铸铁表面制备4种不同组分的316L不锈钢、Ni625合金、410L不锈钢及NJ30合金熔覆层。采用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪表征熔覆层的微观组织、物相组成、元素分布及腐蚀形貌。借助显微硬度计、电化学工作站测试熔覆层的显微硬度及耐腐蚀性能。结果 4种合金熔覆层均成形质量良好，无裂纹及明显的气孔缺陷，并与基体形成了良好的冶金结合。熔覆层底部至顶部出现相似的组织形态，但晶粒尺寸存在较大的差异。316L、Ni625、410L及NJ30显微硬度显著高于基体，分别为基体的1.74、1.92、2.35及2.4倍，熔覆层内部固溶体及硬质相的生成是提高硬度的显著因素。在3.5%的NaCl溶液中，4种熔覆层的耐腐蚀性由好到差为316L、Ni625、410L、NJ30。腐蚀形貌显示，316L及Ni625熔覆层在电化学测试环境下具有良好的抗腐蚀性能。结论 316L及Ni625合金熔覆层具有良好的综合性能，适用于提高大型球墨铸铁容器的表面改性。
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  不锈钢激光选区熔化单道成形表面介观模拟与实验验证

  李岩, 刘琪, 李亚杰, 李聚才, 吴志生

  表面技术. 2024, 53(17): 135-145. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.012

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  目的 为了获得不锈钢激光选区熔化单道成形质量好的加工参数，提高成形质量。方法 对于316L不锈钢材料的激光选区熔化(SLM)成形，采用离散元方法(DEM)构建颗粒随机分布的三维介观模型，采用流体体积法(VOF)动态追踪SLM成形过程熔池传热、流动和凝固等行为，该模拟考虑相变潜热、热物性参数随温度非线性变化、Marangoni效应，研究了温度梯度引起的表面张力和蒸汽反冲力等现象对熔池液态金属流动和凝固的影响，并对不同激光参数和扫描速度对熔池温度场和内部流动的影响规律进行了分析。结果 当激光功率为150 W、扫描速度为400 mm/s时，激光能使不锈钢粉末充分熔化，凝固后的轨迹形貌连续光滑。通过提高激光扫描速度和降低激光功率使得热输入减小，熔道表面成形出现球化等缺陷。结论 通过单道成形实验观察和分析熔池与熔道的三维尺寸与形貌，有效验证了数值模拟的正确性，较好地预测出SLM过程中的缺陷种类，为深入理解SLM过程中的复杂物理现象和优化工艺参数提供了参考。
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  基于CFD-DEM的激光熔覆粉末利用率仿真分析

  范红丽, 齐海波, 张钊, 韩日宏, 刘玉兵

  表面技术. 2024, 53(17): 146-156. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.013

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  目的 为准确描述激光熔覆过程中粉末与粉末、送粉管、基板之间存在碰撞的事实，提高粉末利用率，探究送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律及原因。方法 首先，基于FLUENT有限元分析软件和EDEM离散元分析软件建立基于CFD-DEM的激光熔覆三维耦合模型，对粉末流从喷嘴喷射到达熔池的全过程进行气固两相流模拟仿真;然后，采用正交方差分析法确定送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律;最后，利用粉末收集试验和单道激光熔覆试验验证模型的可靠性及准确性。结果 粉末利用率方差分析结果表明，送粉量、载气量和保护气量的显著性差异评价量F值分别为169.079、114.317、50.153;粉末利用率随送粉量、载气量和保护气量的增大均先提高后降低;在送粉电压18 V、载气量15 L/min、保护气量10 L/min和送粉电压14 V、载气量11 L/min、保护气量8 L/min 2种极端工况下进行粉末收集试验，模拟值与试验值误差分别为4.03%、4.54%;在激光功率1 100 W、扫描速度5 mm/s下进行单道激光熔覆试验，模拟值与试验值误差分别为16.13%和16.50%，说明该模型准确可靠。结论 送粉量对粉末利用率的影响最大，载气量次之，保护气量影响最小;获取较高粉末利用率的最优组合参数为送粉电压16 V、载气量13 L/min、保护气量10 L/min。
表面强化技术
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  高频电源与活性屏离子渗氮对表面纳米化TC4钛合金渗氮层结合力的影响

  高鸿, 文凯, 张乘玮, 高岩

  表面技术. 2024, 53(17): 157-169. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.014

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  目的 评估高频电源对喷丸纳米化TC4钛合金离子渗氮层结合力的影响，进一步探究在高频电源+活性屏工艺组合上，渗氮参数优化对渗氮层结合力的影响。方法 选取直流电源–500 ℃-20 h-300 Pa离子渗氮试样与高频电源–500 ℃-20 h-200 Pa离子渗氮试样，分别进行XRD、扫描电镜和划痕试验，对结构、形貌与结合力分析。在高频电源基础上，进一步选取活性屏优化前、后参数的渗氮试样进行结构、形貌和结合力对比。结果 通过划痕测试发现，高频电源渗氮层的声信号平稳，划痕无剥落，渗氮层摩擦力信号突增的载荷值有一定提升。在高频电源+活性屏工艺组合下，优化后渗氮试样的TiN和Ti2N层厚度比优化前渗氮试样的厚度明显增加。声信号上表现为更平稳及无明显突变，且优化后试样的渗氮层摩擦力信号突增的载荷值较优化前均增加。结论 高频电源抑制了传统直流电源渗氮过程中的打弧现象，缓解了渗氮层内部的热应力聚集，提高了渗氮层的表面性能，对渗氮层载荷承受力和结合力有一定的提升作用。在高频电源与活性屏组合工艺下，优化后渗氮试样的渗氮动力学条件更好，Ti2N层厚度显著增加，提高了基体中氮扩散层的性能。同时，Ti2N厚度的增加可以减缓TiN层与基体的成分与性能的突变，从而提升渗氮层与基体的结合力。
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  离子后氧化对渗氮层结构与性能的调控

  倪嘉, 麻恒, 于民华, 胡静, 安旭龙, 魏坤霞

  表面技术. 2024, 53(17): 170-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.015

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  目的 调控离子渗氮层的结构和性能，获得少无化合物层且满足需求厚度的有效硬化层，同时具有良好的韧性和耐蚀性的离子渗层。方法 将42CrMo4钢在温度500 ℃下离子渗氮5 h后，再进行不同工艺条件下的后氧化处理。通过调整后氧化的实验参数，探索它们对渗氮层结构和性能的影响规律。使用金相显微镜、XRD衍射仪、维氏显微硬度计及电化学工作站分析截面渗层结构、物相、硬度、韧性和耐蚀性。结果 在相同的离子渗氮条件(500 ℃, 5 h)下，随着后氧化的温度和时间的改变，离子渗氮形成的化合物层逐渐分解，化合层的厚度逐渐减小，可由9.41 μm减薄至3.62 μm;经离子渗氮+后氧化处理后，形成的有效硬化层的厚度和表面硬度相较于常规离子渗氮有所提高，其中有效硬化层的厚度由300 μm增至378 μm，截面最高硬度由765HV0.05增至825HV0.05;渗层表面形成由Fe3O4、Fe2O3组成的氧化膜，提高了其耐蚀性，自腐蚀电位由?658.72 mV提升至?429.23 mV。结论 42CrMo4钢经过离子渗氮及后氧化处理后，化合物层显著减薄，有效硬化层显著增厚，且截面硬度、韧性和耐蚀性等指标均得到改善，在后氧化工艺参数为400 ℃、2 h时获得了最优的综合性能，包括硬度、韧性、耐蚀性。
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  基于回归分析的Mar M247镍基高温合金喷砂工艺预测与优化

  骆晓雨, 方伦彬, 袁小虎, 乔翔, 赖建平, 余家欣

  表面技术. 2024, 53(17): 176-185, 195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.016

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  目的 针对燃机叶片用Mar M247镍基高温合金，建立多因素喷砂工艺的高精度预测模型，筛选出粗糙度较高而夹砂率较低的工艺组合。方法 采用国产精工自动化精控喷砂系统制备试样。使用便携式表面粗糙度仪、激光显微镜和扫描电子显微镜进行检测。基于数理统计的分析方法，建立喷砂工艺与表面质量之间的函数关系。结果 当喷砂角度从30°增至90°时，粗糙度和夹砂率都单调递增，且夹砂率在低角度(30°~60°)比在高角度(60°~90°)增加的速率更高。喷枪移动速度从1 mm/s增至20 mm/s，粗糙度呈现先减少后增加再减少的趋势;夹砂率呈现先增加后减少的趋势。对于粗糙度，线性回归模型的预测误差率为5.97%，多项式回归模型的预测误差率为5.15%;对于夹砂率，线性回归模型的预测误差率为5.76%，多项式回归模型的预测误差率为3.08%。结论 基于现有的数据，采用多项式和线性2种回归模型进行预测，多项式回归模型的预测精度比线性回归模型更高。结合现有的数据和多项式回归模型的预测数据得出了最佳工艺范围，喷砂压力为0.2~0.3 MPa，喷砂角度为45°~60°，喷枪移动速度为15~20 mm/s。在该条件下，得到了较高的粗糙度和较低的夹砂率，有利于获得高的涂层/基材界面结合强度。
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  基于DEM-FEM耦合模型的质量流量对喷丸强化效果的影响

  侯宏禹, 张闯, 裴悦涵, 陈岩, 宋华, 关士学, 汪洋, 李捷, 王晓雪

  表面技术. 2024, 53(17): 186-195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.017

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  目的 提出一种将有限元(FEM)与离散元(DEM)相耦合的新方法，即通过定义关键字的方式在ABAQUS软件内实现DEM-FEM耦合功能，并应用此方法建立喷丸强化模型。方法 将弹丸视为等直径刚体，利用刚体动力学模拟弹丸-弹丸和弹丸-靶材之间相互作用以及整个弹丸流。通过建立的DEM-FEM耦合喷丸强化模型研究质量流量对残余应力场和表面粗糙度的影响。结果 质量流量对喷丸强化效果有显著影响，最大残余应力随质量流量的增加而减小，由2 kg/min时的–596.77 MPa下降到6 kg/min时的–581.91 MPa;表面残余应力随质量流量的增加先增大后减小，由2 kg/min时的–420.86 MPa增大到4 kg/min时的472.06 MPa，随后减小到6 kg/min时的–450.50 MPa;表面粗糙度Ra随质量流量的增加减小，由2 kg/min时的11.21 μm减小到6 kg/min时的9.82 μm。设计了喷丸强化实验，对质量流量2 kg/min的结果进行了验证。结论 实测值与模拟值吻合较好，所建立的模型可以准确反映实际喷丸强化过程。质量流量对喷丸强化效果具有显著影响。
热喷涂与冷喷涂技术
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  Cu过渡层对冷喷涂CuCrZr涂层性能的影响

  王博, 余敏, 吕培源, 陈辉

  表面技术. 2024, 53(17): 196-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.018

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  目的 针对冷喷涂CuCrZr涂层与CuCrZr板材在界面处的开裂问题，采用Cu涂层为过渡层，并探究Cu过渡层对CuCrZr涂层组织及性能的影响。方法 采用高压氮气为工作气体，使用冷喷涂技术在CuCrZr基板上先制备一层Cu涂层打底，再继续喷涂多层CuCrZr涂层。通过金相显微镜、扫描电镜、显微硬度仪和激光热导仪，对涂层的组织和性能进行表征。结果 Cu+CuCrZr涂层与基板界面结合良好，涂层的孔隙率约为0.624%，CuCrZr颗粒的扁平率为(43.62±4.54)%。Cu涂层的平均硬度约为153HV，冷喷涂 CuCrZr涂层的平均硬度约为173HV。采用Cu涂层打底获得的CuCrZr涂层的热导率随温度的升高而升高，在500 ℃时与基体相当。结论 Cu过渡层促进颗粒与基体之间发生良好结合，有效防止CuCrZr涂层与CuCrZr板材开裂。采用Cu+CuCrZr涂层能满足CuCrZr结晶器力学与导热性能的要求。
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  枪基距对悬浮液等离子喷涂YSZ组织结构的影响

  刘保侠, 张盟, 周绪强, 牛云松, 黄迪, 杨沁乾, 鲍泽斌, 朱圣龙

  表面技术. 2024, 53(17): 202-207, 217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.019

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  目的 研究三电极悬浮液等离子喷涂不同枪基距对涂层组织结构的影响。方法 在DZ411高温合金表面制备铂铝涂层后，配制纳米氧化钇稳定氧化锆悬浮液，采用AXIAL Ⅲ型悬浮液等离子喷涂设备，高能喷涂8YSZ热障涂层，探索不同枪基距对热障涂层组织结构的影响规律。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪，分析YSZ沉积态和退火态陶瓷涂层的组织结构。结果 喷涂所得的YSZ热障涂层呈花菜状，涂层均为非平衡t‘相微纳米组织结构。随着喷枪与基体之间的距离增加，所获涂层的结晶度较好，粗糙度逐渐提高，菜花状颗粒尺度逐渐增大，涂层内部孔洞数量逐渐增加。涂层在1 100 ℃退火后，出现不同程度的剥落、界面剥离以及横纵向裂纹搭接的现象。仅枪基距为105 mm的YSZ涂层孔洞数量最多，且退火后并未出现明显的涂层剥离现象。结论 利用三电极等离子喷涂纳米YSZ悬浮液获得花菜状热障涂层，探讨了枪基距的不同对涂层组织结构的影响，涂层厚度的增加使得涂层结晶程度增加、孔隙高、裂纹少，且膜基界面的热稳定性好。
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  基于数据挖掘技术的燃机透平叶片热障涂层孔隙率预测及力学性能研究

  王伟, 袭晟堃, 巩秀芳, 聂丽萍, 丁娟强, 王翠萍, 刘兴军

  表面技术. 2024, 53(17): 208-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.020

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  目的 预测燃机透平叶片热障涂层孔隙率，加速热障涂层的研发及工艺优化，解决传统实验方法效率低、成本高的问题，为重型燃气轮机热障涂层研发及工业实际生产中的具体工艺参数调控提供一定指导。方法 采用MATLAB图像二值化处理技术计算陶瓷层的孔隙率数据，训练机器学习模型，预测不同工艺参数下热障涂层陶瓷层的孔隙率，并通过实验验证测试涂层的硬度和孔隙率。结果 Gradient Boosting Regression模型能够实现对热障涂层孔隙率的准确预测，喷涂功率、送粉率和喷涂距离对孔隙率的影响较大。机器学习具有一定的外延性，模型的R值(Related Coefficient，R)由0.834 4提高到0.943 0，R²值(Square of Related Coefficient，R²)从0.696 2提高到0.889 2，而MAE的值(Mean Absolute Error，MAE)从1.344 0降低到1.039 4，RMSE值(Root Mean Squared Error，RMSE)由1.881 0减少到1.712 8。随孔隙率的降低，等离子喷涂8YSZ陶瓷涂层的硬度由3.98 GPa增加到5.54 GPa，弹性模量由62.36 GPa提高到84.30 GPa。该模型准确预测了不同工艺下的涂层孔隙率。结论 喷涂功率、送粉率和喷涂距离决定了热障涂层的孔隙率，热障涂层的孔隙率与其硬度和弹性模量息息相关。本工作利用机器学习准确预测了不同工艺下的涂层孔隙率，证明机器学习算法在重型燃气轮机透平叶片热障涂层研发、工艺优化及生产中具有一定的应用前景。