2024年, 第53卷, 第19期　
刊出日期：2024-10-10

  

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研究综述
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  无机薄膜组织结构及应力演化行为研究现状

  刘怀远, 李佳临, 魏龙君, 马东林, 冷永祥

  表面技术. 2024, 53(19): 1-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.001

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  物理气相沉积技术制备的无机薄膜，其组织结构及残余应力会在储存或服役环境中自发地产生演化，进而使薄膜性能发生变化，最终影响薄膜的长期服役稳定性。首先从物理气相沉积技术制备薄膜的组织结构特征入手，介绍了无机薄膜应力的产生，发现薄膜的残余应力主要受薄膜非平衡生长后的亚稳态、薄膜与基体之间的晶格错配以及热膨胀系数差异的影响。之后论述了无机薄膜在生长过程中应力的演化规律，这个规律主要受薄膜的制备工艺影响，包括沉积速率、沉积气压、沉积温度以及基体偏压等。随后，重点综述了非平衡生长后的亚稳态金属薄膜、陶瓷薄膜及金属/陶瓷复合薄膜的组织结构、残余应力在储存或服役环境中的演化，以及薄膜性能变化行为的研究进展。针对无机薄膜在自然时效及人工时效过程中，其组织结构演变与应力释放的关系进行了总结和讨论，发现原子扩散是自然时效及人工时效过程中薄膜产生变化的主要途径。最后，对无机薄膜组织结构及应力演化行为的研究方法进行了展望。
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  钛合金的渗氮工艺及机理研究进展

  李聪, 莫帆, 肖辉, 陈汪林

  表面技术. 2024, 53(19): 14-26. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.002

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  对钛合金的气体渗氮、真空渗氮、离子渗氮、激光渗氮、稀土催化渗氮、复合渗氮等工艺的研究现状进行了全面梳理，重点阐述了渗氮温度、渗氮时间、气压、氮含量、间歇周期、渗氮气氛、激光功率、扫描速度等工艺参数对钛合金渗氮层组织和性能的影响，详细分析了渗氮层显微组织的演变规律和性能提升的机理。最后，介绍了目前发展的新型钛合金渗氮工艺，总结了实际生产中钛合金各渗氮工艺的优缺点以及应用中存在的问题，并对未来钛合金渗氮工艺的发展方向进行了一定的展望，以期为钛合金渗氮层性能优化与表面强化技术的发展提供有益借鉴。
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  钢结构表面光电阴极保护材料及其光阳极最新研究进展

  石廷阅, 杨晓红, 程馨, 刘聪, 刘佳朋, 郭子宽, 张彬超, 宗倩颖, 肖凤娟

  表面技术. 2024, 53(19): 27-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.003

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  钢结构的腐蚀带来了巨大的经济损失和安全隐患。光电阴极保护是利用材料转换光辐射产生光电子，光生电子通过外接电路转移到金属表面并富集，使金属发生阴极极化，从而抑制腐蚀的技术，也是一种真正节能、环保的腐蚀防护技术。光电阴极保护材料存在可见光利用率低、光电转换效率不足、光阳极稳定性不良、很少与有机涂层联用等问题，这些问题成为制约光电阴极保护材料发展的突出问题。总结了近年来国内外改善光电阴极保护材料及其光阳极性能的最新策略和方法，重点评述了通过离子掺杂重构、敏化与共敏化、异质结工程和聚合物涂层联用等方式提升TiO2、ZnO、g-C3N4、BiVO4和聚合物基纳米材料光电转化效率的发展成果，评述了研究成果的贡献和影响，对钢结构的光生阴极保护可行性进行了论证，提出了材料防腐研究与应用中存在的问题、挑战和发展趋势，可为国内外半导体材料在光生阴极保护中的实际应用提供有价值的理论和技术参考。
摩擦磨损与润滑
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  地铁小半径曲线不同扣件区段钢轨波磨磨耗对比研究

  崔晓璐, 李靖晨, 尹越, 漆伟, 徐佳

  表面技术. 2024, 53(19): 40-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.004

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  目的 针对重庆地铁小半径曲线不同扣件区段钢轨波磨磨耗情况呈差异性问题，对科隆蛋扣件区段和DTVI2扣件区段的钢轨波磨开展对比研究。方法 首先，结合现场调研数据建立相应区段的轮对-钢轨-扣件系统有限元模型。然后，基于摩擦自激振动理论对比分析2种不同扣件区段轮轨系统的振动特性，基于摩擦功理论对比分析2种不同扣件区段轮轨系统的磨耗特性。最后，根据钢轨波磨的发展情况，分别给定2种扣件区段钢轨波磨的磨耗修正系数。结果 在科隆蛋区段轮轨发生摩擦自激振动的主频为486 Hz，DTVI2扣件区段轮轨系统发生摩擦自激振动的主频为496 Hz。另外，轮对通过1次，2种扣件区段钢轨表面的磨耗平均值分别为0.000 75、0.000 37 mm。在添加钢轨表面不平顺后，2种扣件区段的钢轨波磨磨耗增加率分别为33.3%、18.9%。结论 在小半径曲线路段轮轨系统的摩擦自激振动是诱发钢轨波磨的成因，车轮与钢轨间的相对滑动所产生的轮轨摩擦功将进一步导致钢轨磨耗。不同扣件区段轮轨系统振动响应的差异是导致钢轨磨耗差异的根本原因。此外，2种扣件区段钢轨表面的波磨不平顺会加剧轮轨系统的摩擦自激振动，同时轮轨间摩擦功增大导致钢轨磨耗增大。最后，给定科隆蛋扣件区段磨耗修正系数为1.10，DTVI2扣件区段磨耗修正系数为1.19，这为现场地铁线路中钢轨波磨的运营维护周期提供了参考。
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  γ射线辐照对PA66结构和摩擦学性能的影响

  欧阳杏, 张帆, 肖雨生, 覃冬, 龚适, 汤召华, 魏仁兵, 蔡振兵

  表面技术. 2024, 53(19): 50-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.005

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  目的 研究辐照后PA66的分子结构和摩擦学性能变化情况，以及两者之间的联系。方法 采用凝胶含量测试、红外光谱测试、XPS测试分析、DSC测试分析等方法研究辐照前后PA66的分子结构变化情况，将辐照前后各剂量PA66以球-平面形式进行往复式摩擦磨损试验，对摩擦因数、磨损率及磨痕形貌进行分析，以研究辐照对PA66摩擦学性能的影响。结果 随着辐照剂量的增加，PA66凝胶的质量分数从1.31%增加到60.77%，辐照导致PA66表面含氧官能团含量增加，且在1 000 kGy剂量下生成了羟基，同时材料结晶度整体随辐照剂量的增加而降低。经辐照后，PA66的摩擦因数从0.49逐渐增至0.615，磨损率从179.3× 10³ μm³/(N.m)大幅增至2 511.7×10³ μm³/(N.m)。磨痕中央和边缘的磨损形式的变化趋势不同，磨痕中央始终为黏着形貌，磨痕边缘在剂量增大后从黏着形貌变化为沟壑状形貌。结论 PA66在γ射线辐照影响下主要发生分子链间的交联和表面氧化，分子间的交联和辐照破坏了材料内晶体的结构，导致材料的结晶度下降。同时，PA66交联使对磨副运动时剥落表面材料受到更大的阻力，导致材料在黏着和犁削过程的剥落体积更大，经辐照后PA66的摩擦因数上升、磨损率增大。
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  沉积压力对石墨共溅射沉积(AlTiVCrNb)CxNy涂层结构及摩擦学性能的影响

  张英豪, 侯雪滨, 蔡海潮, 薛玉君, 裴露露, 田昌龄

  表面技术. 2024, 53(19): 61-69, 140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.006

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  目的 研究不同沉积压力对磁控溅射(AlTiVCrNb)CxNy涂层微观结构及摩擦学性能的影响。方法 采用非平衡射频磁控溅射法制备(AlTiVCrNb)CxNy涂层，利用相关设备分析涂层成分、形貌、晶向结构及各元素的化学形态，进一步采用纳米压痕仪、往复滑动摩擦磨损试验机和白光干涉形貌仪，对涂层的硬度、弹性模量和摩擦磨损性能进行表征。结果 随着沉积压力的增大，(AlTiVCrNb)CxNy涂层表面形貌由分散柱状转变为花朵形柱状聚集，涂层截面形貌间隙度呈现先降低、后升高的趋势。在沉积压力为0.4 Pa时，涂层的致密性达到最优。(AlTiVCrNb)CxNy涂层的硬度和弹性模量随着沉积压力的增大，因受涂层中碳sp³键相对含量变化的影响，呈现出先升高、后降低的趋势，硬度最大值为21.23 GPa。在沉积压力为0.4 Pa、载荷为5 N时，涂层在摩擦磨损过程中因sp²团簇在对磨球表面形成质量较良好碳转移膜，(AlTiVCrNb)CxNy涂层的平均摩擦因数及磨损率达到最低，分别为0.261和0.69×10^–6 mm³/(N.m)。结论 沉积压力的变化对(AlTiVCrNb)CxNy涂层的微观结构、力学性能及摩擦学性能产生较大影响，通过石墨共溅射可以制备出结构组织优良、摩擦性能较优异的(AlTiVCrNb)CxNy涂层。
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  多孔含油聚酰亚胺润滑性能及其与氮化硅配副的摩擦磨损分析

  李颂华, 邓俊杰, 张丽秀, 王俊海, 魏超

  表面技术. 2024, 53(19): 70-81. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.007

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  目的 探究多孔聚酰亚胺(PPI)对氮化硅(Si3N4)陶瓷材料的减摩润滑效果及其自润滑机理。方法 利用Retc球/盘摩擦磨损试验机在浸油和干摩擦条件下进行不同温度和载荷下的滑动摩擦磨损试验，通过泰勒粗糙度仪和3D激光共聚焦显微镜分析试样在不同润滑条件下的磨损机制与润滑机理。结果 浸油条件下的摩擦因数及磨损率要明显低于干摩擦条件下的摩擦因数及磨损率，且在试验时间内PPI含油试样保持润滑持续稳定。在滑动摩擦过程中，PPI含油试样由于温度和压力作用，PPI孔隙内的润滑油逐渐向试样表面移动，形成润滑油膜，使摩擦因数处于一个持续较低的状态，对PPI试样起到良好的润滑和保护作用。随着温度和载荷的增加，润滑油黏度及出油量发生变化导致润滑油膜的质量也发生变化，使PPI在浸油条件下的摩擦因数呈现波动的趋势。结论 适当的温度与载荷，有利于形成完整且稳定的润滑油膜，起到较好的润滑效果。因此，合理控制温度和载荷，可使PPI减摩润滑效果最佳，为其作为保持架材料在Si3N4全陶瓷轴承中润滑提供指导依据。
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  调制周期对CrNx/TiAlSiN多层涂层抗冲蚀性的影响

  李花, 李刘合, 李多铎, 唐令, 罗阳, 韩明月, 郑英晓, 宋万万

  表面技术. 2024, 53(19): 82-92, 140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.008

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  目的 在砂粒环境下，改善TiAlSiN硬质涂层于高角度下的抗冲蚀性能。方法 采用电弧离子镀复合高功率脉冲磁控溅射技术，制备不同调制周期下的CrNx/TiAlSiN多层涂层。应用电子扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪和划痕仪对涂层的显微结构、物相组成、纳米硬度、弹性模量以及结合力进行分析，于冲蚀试验平台对涂层抗冲蚀性能进行评价( Al3O2砂粒平均粒径为50 μm，冲蚀速度为30 m/s，角度为90°)。结果 涂层结构致密，由面心立方结构c-(Ti,Al)N、c-Cr、c-CrN和六方h-Cr2N相构成。随着CrNx子层结构的引入，TiAlSiN子层对应的(220)取向逐渐消失，(111)衍射晶面逐渐呈现。随着调制周期减少，CrNx子层对应的h-Cr2N(300)和c-CrN(220)衍射峰强度表现出先逐渐降低、后缓慢增加的规律。涂层结合变化幅度不大，处于68~71 N。虽然纳米硬度和弹性模量逐渐下降，分别从(37.5±0.46) GPa和(339.92±1.85) GPa下降至(31.2±0.40) GPa和(267.50±7.98) GPa，但H/E韧性指标逐渐增加，从0.110 增加至0.116。在最小调制周期下，涂层表现出最优抗冲蚀性能，其冲蚀速率仅TiAlSiN硬质涂层的1/5。结论 调制周期的减少增加了涂层界面数目，对扩展的裂纹起到了很好偏转作用，提升了涂层韧性，贡献了涂层抗冲蚀性能。在砂粒反复冲击作用下，于涂层中产生了交互作用的横纵裂纹，致使涂层以碎屑脆性剥落机制而失效，破坏特征表现为逐层剥落。
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  三气合采井下分层调控工具高速流体冲蚀研究

  唐洋, 向上, 赵鹏, 王杰, 王国荣

  表面技术. 2024, 53(19): 93-106. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.009

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  目的 针对三气合采复杂工况导致井下分层调控工具易冲蚀失效的问题，开展高速气固混合流体对该工具冲蚀规律研究，以获得其最优结构设计参数。方法 通过计算流体力学的方法建立了井下分层调控工具的三维冲蚀模型，并采用离散相模型描述了固相颗粒的运动轨迹。通过数值模拟分析，得到了井下分层调控工具的易冲蚀区域，并通过实验验证了不同结构参数和产量下的冲蚀破坏机理。结果 冲蚀磨损区域主要分布在笼套段底部、节流孔及其内壁面、笼套段与固定油嘴的过渡段、固定油嘴入口端、固定油嘴内壁面。随着固定油嘴入口角度增大，固定油嘴内壁面最大冲蚀率变化不大，过渡段和固定油嘴入口端最大冲蚀率先增大后减小再增大。随着笼套底部半径增大，笼套段底部最大冲蚀率处于较低水平且无明显变化，但节流孔及其内壁面最大冲蚀率逐渐增大。随着笼套式阀芯开度增大，节流孔及内壁面最大冲蚀率处于较低水平且无明显变化，过渡段及油嘴入口端最大冲蚀率在阀芯开度为60%时取得最大值。随着固相颗粒粒径以及质量流量的增大，节流孔及内壁面、过渡段和固定油嘴入口端最大冲蚀率呈增大趋势，笼套段底部和固定油嘴内壁面最大冲蚀率较低且无明显变化。结论 本研究结果揭示了高速高压气固两相流对两级节流结构的冲蚀破坏机理，在设计同类井下工具时，可选择固定油嘴进口角为25°~30°，笼套底部半径为25~30 mm，阀芯开度小于50%或大于70%。
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  仿生犁铧耐磨性能仿真分析与试验研究

  李庆达, 刘明辉, 汪昊, 王屹峰, 胡军, 赵胜雪, 殷常峰

  表面技术. 2024, 53(19): 107-116. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.010

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  目的 解决传统犁铧耐磨性差、使用寿命短等问题。方法 以栉孔扇贝壳为仿生原型，对其表面几何特征进行提取，将棱纹几何结构特征应用于犁铧的设计。设计6种不同仿生棱纹方向及3种不同仿生棱纹间距的犁铧试样，建立离散元模型，分析土壤颗粒运动速度场以及犁铧耕作阻力图。结果 表面仿生结构设计改变了土壤颗粒的流动方向，减小了土壤堆积量，降低了所需牵引力，从而提高了耐磨性能。不同仿生棱纹方向犁铧试样中，F-1竖棱纹结构试样的平均耕作阻力最小，平均耕作阻力值为1 681.73N;不同仿生棱纹间距犁铧试样中，棱纹间距为5 mm的F-1-1仿生表面接触的土壤颗粒的运动速度分布和趋势最佳。通过田间试验得出，同种仿生棱纹方向结构设计下，棱纹间距为5 mm的F-1-1试样的耐磨性能最佳，相比传统犁铧试样磨损量减少17.25%。结论 合理改变表面仿生棱纹方向与间距设计可显著提高犁铧耐磨性，为仿生技术在农业机械方向上的应用提供参考。
激光表面改性技术
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  超高速激光熔覆影响细长活塞杆弯曲变形的仿真分析与试验

  龚曙光, 冯应朗, 卢海山

  表面技术. 2024, 53(19): 117-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.011

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  目的 针对细长活塞杆在超高速激光熔覆过程中产生变形的问题，开展热-结构耦合的数值模拟和试验研究。方法 采用高斯热源和单向耦合方式，建立细长活塞杆超高速激光熔覆的热-结构耦合仿真分析模型，探讨活塞杆在不同功率和扫描速度下瞬态温度和应力分布的演化过程。构建超高速激光熔覆细长活塞杆变形的试验测试方案，提出9组激光熔覆工况参数，并将试验测试结果与有限元仿真进行对比。结果 在激光功率相同时，熔池形貌随扫描速度的增大而发生变化，其等温线呈现彗星状，活塞杆表面上的温度变化曲线要经历3个峰值，然后冷却至室温，最后趋于稳定。熔池区域的等效应力值最大，且会随激光光源的轴向移动而发生演化，而涂层与基体结合界面处的等效应力在极短时间内会经历先升后降的多次循环，然后趋于稳定。沿活塞杆轴向的等效应力呈现两端高、中间低且顶尖端最大的趋势，等效应力值均随激光功率的增加而增大，其应力差值与活塞杆的变形量相对应。当功率为3 500 W、扫描速度为25 m/min时，应力差值最小，且变形量也最小。结论 热应力是引起活塞杆轴向应力分布变化的主要影响因素，轴向等效应力的差值决定着活塞杆变形量的大小，所得结论可为细长轴类零件表面处理的超高速激光熔覆工艺参数选取提供指导。
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  Y2O3含量对TC4表面WC增强钛基激光熔覆层组织与摩擦学性能的影响

  操慧珺, 张祺雨, 张天刚, 甄灏, 张志强

  表面技术. 2024, 53(19): 126-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.012

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  目的 增加航空TC4合金的安全服役寿命。方法 采用同轴送粉激光熔覆技术在其表面制备了TC4+Ni-MoS2+WC+xY2O3(x=0%、1%、2%、3%、4%，质量分数)耐磨复合涂层，利用着色渗透探伤、XRD、SEM、EDS、EBSD和TEM等多种检测手段和设备，分析了Y2O3添加对涂层组织与摩擦学性能的影响规律。结果 3%Y2O3涂层的成形质量最优，所有涂层生成相相同，主要由TiC、Ti2Ni、Ti2S、基体β-Ti以及未熔WC组成。Y2O3与TiC、Ti2S、Ti2Ni之间形成了共格依附生长关系，所有涂层中均有效合成了TiC-Ti2S、TiC-Ti2Ni和Ti2S-Ti2Ni共格复合结构相。随着Y2O3含量增大，基体显露面积增加，其余物相逐步细化、团聚并沿晶界连续生长。所有涂层的显微硬度均高于TC4基材，大小与Y2O3含量呈负相关变化。所有涂层的摩擦因数均高于基材，磨损率均低于基材，摩擦因数和磨损率随着Y2O3含量增加，出现了先降低后升高的变化规律，其中3% Y2O3涂层的摩擦因数最低(μ=0.481 3)，耐磨性(3.55×10⁴ mm³/(N.m))和磨损面质量(Ra=21.24 μm)最优。结论 适量Y2O3有助于改善涂层的成形质量，Y2O3添加并未影响涂层物相种类，且可作为异质形核基底细化相互依附生长的TiC-Ti2S-Ti2Ni共格结构相，除基体相外，Y2O3易吸引其余物相在涂层晶界处钉扎;Y2O3含量增加不能增大涂层显微硬度，所有涂层均不具备减摩性能，但耐磨性均优于TC4基材，适量Y2O3添加可使涂层综合摩擦学性能达到最优。
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  304LN表面沉积异质合金过程多组元传输行为数值模拟

  赵天碕, 赵吉宾, 何振丰, 王志国, 赵宇辉, 陈燕

  表面技术. 2024, 53(19): 141-152. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.013

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  目的 探究在304LN不锈钢表面上激光沉积Stellite 6合金过程中的多元素传输机制。方法 采用流体体积法VOF(Volume of Fluid)，建立气-液两相传热传质激光沉积模型。模型中使用改进VOF法对熔池表面进行追踪，结合多组分传输模型与熔凝杠杆原则(Lever Rule)，对异质材料熔覆界面的多元素传输进行模拟，采用扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)观察组织结构和元素分布，对比模拟结果分析多组沉积层宏观形貌和元素分布特征。结果 沉积过程中，熔池的流动与材料导热对温度的传输起着重要作用，前端对流不断地将已熔化的基材金属运输至熔池中部，后端对流则将卷积的Fe元素和Co元素进一步混合。最终沉积层的宏观形貌平均误差为2.67%，主要元素Fe、Co、Cr的质量分数误差分别为0.64%、1.27%、0.31%。结论 Fe元素浓度整体区域分布相对均匀，但在沉积层底部，Fe元素浓度迅速升高，Co元素浓度随沉积深度加深逐渐降低，Cr元素在沉积层中部富集的分布特性。该优化后的模型可以准确模拟异质合金沉积过程中的温度场、流场与质量传输过程。
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  激光冲击诱导应力波对残余应力孔洞形成的影响

  盛湘飞, 谭慧勇, 袁文志, 苟江龙, 李智

  表面技术. 2024, 53(19): 153-163. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.014

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  目的 揭示残余应力孔洞形成的影响机制。方法 采用有限元动力学仿真，实现对激光冲击诱导应力波传播过程的捕捉和特性分析。结果 在2 000 ns以内的光斑作用区域，材料的初始应力仅受到激光冲击诱导Ⅱ类应力波的扰动作用，此扰动作用由光斑中心向外依次减弱，引起的应力波动幅值由2 459 MPa降至224 MPa;在其他工艺参数相同的情况下，残余应力孔洞随着峰值压力和脉宽的增加而变得更加明显，应力幅值差σk分别由0、114 MPa增至454、568 MPa，孔洞直径dk分别由0、0.8 mm增至约1.4 mm，光斑直径的影响相对较弱。在激光能量3 J的作用下，空间高斯分布对应结果存在应力孔洞，σk、dk分别为190 MPa、1 mm。将空间平顶分布激光能量增至7 J，对应结果由3 J激光能量时的无应力孔洞转变为存在明显应力孔洞，σk、dk分别为634 MPa、1.4 mm。另外，在激光能量3 J的作用下，材料1的应力孔洞最显著，σk、dk分别为207 MPa、1.4 mm，均高于材料2和材料3的对应值。凸圆面、平面和凹圆面对应的σk分别为212、190、83 MPa，dk均为1 mm。结论 在圆形光斑激光冲击载荷作用下，加载和卸载过程中形成的应力波在光斑中心的汇聚作用均较强，导致光斑中心区域材料持续出现正反向屈服，进而形成残余应力孔洞;在相同参数条件下，激光能量越高，则材料的力学性能越低，应力波扰动作用越强，应力孔洞现象越明显。
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  激光除锈技术对Q345钢表面残余应力和腐蚀性能的影响

  任志国, 王烁, 王振兴, 郝军, 梁建明

  表面技术. 2024, 53(19): 164-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.015

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  目的 探究激光除锈过程中激光对Q345钢金属基底表面残余应力和腐蚀性能的影响。方法 采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析激光除锈试样表面形貌和氧元素含量，采用金相显微镜观察激光除锈后试样横截面的热影响层。采用背散射电子衍射仪(EBSD)和X射线衍射仪定性和定量地表征激光除锈后金属基底表面的残余应力。采用动电位极化曲线和零电阻安培法(ZRA)表征原始试样和激光除锈后试样表面的抗腐蚀性能。结果 在激光除锈Q345钢过程中，基于激光局部热处理的原因，金属基底表面产生了100~150 MPa的残余拉应力。同时，在激光与金属基底的作用下，金属基底近表面形成了一层厚度约为25 mm的热影响层，热影响层中的渗碳体和铁素体形成的微电池含量减少，渗碳体含量与铁素体含量的比值增大，使得自腐蚀电位增至?490 mV，腐蚀电流密度减至17 μA/cm²。结论 在激光除锈过程中激光与金属基底的作用下，金属基底表面产生了残余拉应力，近表面形成了一层厚度约为25 mm的热影响层，在二者的综合作用下提高了激光除锈后试样表面的抗腐蚀性能，延长了其使用寿命。
表面强化技术
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  人工缺陷下感应淬火重载铁路车轴损伤容限评价

  吴鹏程, 高杰维, 赵海, 于文坛, 徐磊, 郭新凯, 林鹏飞, 陈宏, 韩靖

  表面技术. 2024, 53(19): 173-185. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.016

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  目的 研究不同感应淬火工艺对重载铁路车轴钢试样梯度结构的影响，阐明不同人工缺陷下感应淬火试样的疲劳断裂行为，并评价损伤容限，为重载铁路车轴感应淬火工艺设计和损伤容限评价提供理论基础和评价方法。方法在AAR-CM车轴钢试样表面采用不同感应淬火工艺参数制备不同深度淬硬层，采用X射线测量淬硬层残余应力分布，通过电火花和空气炮在正火态和感应淬火试样表面制备不同尺寸的电火花或冲击损伤，采用疲劳试验机研究损伤试样的弯曲疲劳性能，借助光学显微镜和扫描电镜分析试样的损伤机理和疲劳断裂行为，并对其疲劳性能进行评价。结果 在3种工艺下感应淬火试样有效淬硬层深度分别为800、1 200、1 400 μm。在电火花缺口尺寸较小时，感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高出50%。在冲击损伤尺寸较小时，感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高出40%。较小的尺寸冲击损伤对正火态和感应淬火处理试样的疲劳强度无影响。结论 感应淬火可提高重载铁路车轴钢试样表面强度，进而提高其耐冲击性能，残余压应力减弱了电火花缺口试样和低速冲击损伤对试样疲劳强度的影响，高速冲击破坏了试样表面完整性，并削弱了残余压应力的作用，试样的疲劳强度急剧降低。文中设计的淬硬层深度对感应淬火试样损伤容限的影响较小。
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  电脉冲对9SiCr钢超声滚压表面性能的影响

  徐梓真, 赵天永, 彭绍坤, 王猛, 赵洪甲, 宁腾飞, 马浩阳, 吴鹤

  表面技术. 2024, 53(19): 186-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.017

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  目的 提高9SiCr钢表面硬度、光洁度，获得更好的表面质量。方法 对9SiCr钢棒状试样进行车削加工，然后分别进行不同参数下的超声滚压(USRP)和高能电脉冲辅助超声滚压(EP-USRP)加工。通过表面粗糙度测试、微观形貌分析、表层显微维氏硬度测试，分别评价不同加工状态试样的表面粗糙度、表面形貌、表层一定深度内的硬度梯度分布，并通过光学显微镜和扫描电子显微镜对试样表层形貌进行分析。结果 车削后试样的表面粗糙度为0.45 μm，经施加压力为1 000 N的USRP加工后，试样表面粗糙度为0.043 μm，对试样进行EP-USRP加工，当均方根电流密度为0.71 A/mm²时，表面粗糙度降至0.032 μm，比单纯USRP加工后试样的表面粗糙度降低了25.6%。经车削后，试样的显微维氏硬度约为550HV，经施加压力为800 N的USRP加工后，试样表层硬度为590HV。当对试样施加均方根电流密度为0.71 A/mm²的EP-USRP处理后，其硬度为612HV，比USRP加工后的硬度增加了3.8%。从硬化层深度来看，经USRP加工后试样径向表层到心部大概有300 μm得到硬化，而经EP-USRP加工后硬化层的深度可以增至400 μm。从微观形貌分析可以看出，试样表层具有一定深度的细晶层，随着加工状态的不同，晶粒大小和细晶层深度也不同。结论 采用USRP、EP-USRP加工都可以在一定程度上提高9SiCr钢的表面质量，电脉冲可以提高USRP加工的效果，进一步提高表面质量。
热喷涂与冷喷涂技术
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  氧气/燃料比对超音速火焰喷涂WC-Ni涂层抗冲击性能的影响

  张书姣, 朱小鹏, 苑菁茹, 奚恒恒, 雷明凯

  表面技术. 2024, 53(19): 193-200, 222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.018

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  目的 研究超音速火焰喷涂工艺参数对WC-12Ni硬质合金涂层抗冲击性能的影响。方法 依据氧气/燃料比(λO/F)调节工艺参数，以λO/F=1.1为基准点，分别固定氧气流量811 L/min、降低煤油流量，或者固定煤油流量22.7 L/h、增大氧气流量，均使λO/F增至1.2和1.3，制备了5组涂层，分析涂层组织及力学性质的变化规律，研究柱-面接触大载荷冲击下的涂层抗冲击行为。结果 λO/F对涂层组织及力学性质的影响并非已报道的单调变化规律。固定氧气流量、降低煤油流量使λO/F由1.1增至1.3时，涂层孔隙率由0.91%增至1.24%，硬度和弹性模量分别由10.1、344.0 GPa降至8.6、313.9 GPa;冲击坑体积由2.1×10^?3增至3.3×10^?3 mm³，且损伤微观特征由WC颗粒剥落向涂层开裂发展。当固定煤油流量、增加氧气流量使λO/F由1.1增至1.3时，孔隙率降至0.85%，硬度和弹性模量分别增至10.8、382.5 GPa，冲击坑体积增至2.6×10^?3 mm³，直到λO/F=1.3时涂层表面开始出现裂纹。结合涂层硬度和弹性模量分析结果可知，在H³/E²≤8.4 MPa时，涂层发生开裂损伤，裂纹长度随着H³/E²的增加而减小。在H³/E²>8.4 MPa时，涂层损伤以WC颗粒剥落为主，且随着H³/E²的增加而减轻。高H³/E²可提高涂层的抗冲击性能，当H³/E²由6.4 MPa增至8.7 MPa时，坑体积和WC剥落程度分别降低了36%、35%。结论 超音速火焰喷涂WC-Ni涂层的H³/E²定量表征了其抵抗塑性变形和开裂的能力，决定了涂层的抗冲击性能。
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  基体温度对等离子喷涂铁基非晶合金涂层耐磨耐蚀性的影响

  王红哲, 杨德明, 赵中杰, 高伟强, 李正旭

  表面技术. 2024, 53(19): 201-211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.019

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  目的 探究基体温度对铁基非晶涂层耐磨及耐蚀性的影响。方法 采用大气等离子喷涂技术，在3种不同基体温度(平均约为90、380、650 ℃)条件下制备铁基非晶涂层，分析非晶粉末颗粒的铺展形貌，研究基体温度对涂层的非晶含量、氧化程度、显微硬度、孔隙率及相组成的影响，并分析3种涂层在载荷3、5、9 N下的摩擦学性能，以及在质量分数3.5%的氯化钠溶液中的电化学性能。结果 随着基体温度的提高，涂层的氧化程度逐渐加大，非晶含量逐渐下降，显微硬度先上升后下降，在380 ℃时达到最大值。受到非晶粉末颗粒在不同温度基体上铺展形貌的影响，涂层的孔隙率随着基体温度的提高呈先上升后下降的趋势，液滴在基体上延展得越剧烈，涂层的孔隙率越高。在380 ℃下制备的非晶含量为86.7%的涂层具有最小的孔隙率(0.64%)和最高的显微硬度(1 001.46HV0.3)，且在载荷3、5、9 N下的比磨损率最低，主要原因是基体温度降低了非晶含量，同时降低了孔隙率，提高了显微硬度，细晶强化增强了涂层的耐磨性。在380 ℃时涂层在氯化钠溶液(3.5%)中也表现出最低的自腐蚀电流密度(Jcorr=3.39×10^?6 A/cm²)，其原因为低孔隙率的涂层在腐蚀过程中不易为腐蚀介质提供侵蚀通道，遏制了点蚀的发生。结论 相较于较低或较高的基体温度，在适中的基体温度(380 ℃左右)下制备的涂层具有更好的耐磨性能及耐腐蚀性能，这为制备高性能的非晶涂层提供了理论依据。
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  HVOF喷涂CoCrWSi和Stellite-6涂层的结构与高温摩擦学性能研究

  陈基容, 张进, 王伟, 曹晓英, 王勤英, 袁豪贵

  表面技术. 2024, 53(19): 212-222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.020

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  目的 提高F92耐热钢基体在600、630 ℃下的高温耐磨性能。方法 采用超音速火焰喷涂方法(High velocity oxy-fuel, HVOF)在F92表面制备CoCrWSi、Stellite-6两种涂层，利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)和X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)分析涂层的表面、截面形貌和物相组成，通过显微维氏硬度计(HV-1000STA)、高温摩擦磨损试验机(UMT-TRIBOLAB)、二维轮廓仪(TencorD-100)测定其显微硬度、高温摩擦学性能和磨痕体积。结果 采用超音速火焰喷涂技术制备的CoCrWSi、Stellite-6两种涂层表面较平整，与基体结合紧密，内部组织均匀无裂纹，涂层的厚度约为200 mm。XRD分析表明，CoCrWSi、Stellite-6涂层在室温下的物相都由γ(Co)、Cr7C3、CrSi2组成。硬度及耐磨性能测试显示，CoCrWSi、Stellite-6涂层的维氏硬度相较于F92基体分别提高了3.12、2.68倍，F92耐热钢在600、630 ℃时的平均摩擦因数分别为0.87、0.86，体积磨损率分别为0.49×10^?4、1.11×10^?4 mm³/(N.m)，其磨损机理主要为疲劳磨损、黏着磨损、氧化磨损。相较于基体，CoCrWSi涂层在2种温度下的平均摩擦因数分别降低了68%、71%，约为0.28、0.25，体积磨损率分别降低了约95%、97%，为0.20×10^?5、0.30×10^?5 mm³/(N.m)，这主要归功于内部的Cr2O3、γ(Co)、Co3O4相在高温摩擦过程中具有良好的润滑效果。Stellite-6涂层也能在一定程度上改善基体的高温耐磨性能，其平均摩擦因数为0.85、0.71，体积磨损率为0.32×10^?4、0.57× 10^?4 mm³/(N.m)。2种涂层的主要磨损机理均为磨粒磨损和黏着磨损。结论 采用超音速火焰喷涂制备的CoCrWSi、Stellite-6涂层可以改善F92耐热钢在600、630 ℃下的耐高温滑动磨损性能，且CoCrWSi涂层的防护效果更佳。
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  不同阴极材料对PS-PVD等离子射流的影响

  姜在龙, 何箐, 张雨生, 赵乾

  表面技术. 2024, 53(19): 223-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.021

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  目的 探究热阴极材料对先进等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流的影响。方法 分别采用铈钨、钍钨和镧钨材料制备大功率等离子喷枪阴极，在相同工艺条件下制备涂层，采用光学发射光谱仪(OES)检测无送粉和送粉状态下的等离子射流光谱强度，分别评价射流的能量场分布及稳定性，通过扫描电子显微镜对涂层微观形貌进行观察和分析。结果 在无送粉状态下，使用镧钨阴极时射流中的Ar Ⅰ和He Ⅰ特征峰强度在400~1 000 mm之间最高，在1 000 mm后显著降低;使用钍钨阴极时，轴向中心Ar Ⅰ特征峰强度逐渐升至1 000 mm处，之后缓慢下降，He Ⅰ特征峰强度的下降速度较快;使用铈钨阴极时，从600~1 200 mm，Ar Ⅰ特征峰强度衰减得最缓慢，He Ⅰ特征峰的强度逐渐提高;射流光谱强度波动幅度从大到小的顺序为铈钨、钍钨、镧钨;在送粉状态下，在强度峰值区域，钍钨阴极激发射流中不同元素的光谱强度最高，镧钨和铈钨阴极激发射流光谱强度接近，在射流轴线上方均为铈钨阴极的射流光谱强度最高;在高浓度气相区内，钍钨阴极所制备涂层以高气相比例沉积为主，枝晶生长发达，铈钨和镧钨阴极制备涂层柱间出现了较多的球形冷凝颗粒。结论 镧钨阴极产生的射流在轴向400~1 000 mm范围内的能量强度最高，射流稳定性最好，但在1 000 mm之后存在较大的轴向和径向(He Ⅰ)能量衰减，其最优喷涂距离应大于等于1 000 mm;钍钨阴极产生的射流在轴向400~1 000 mm区域内的能量强度和稳定性低于镧钨阴极，但大于1 000 mm射流能量强度衰减的速度较慢;铈钨阴极产生的射流在轴向600~1 200 mm之间的能量强度衰减最小，且轴向和径向均表现出宽域的能量和气相分布特征，但射流稳定性不足。