2024年, 第53卷, 第21期　
刊出日期：2024-11-10

  

• 全选
  |

专题——超润滑表面工程
• Select
  醇分子吸附对石墨基面纳米摩擦行为的影响研究

  王超颖, 章亦乐, 徐兵, 杨华勇, 陈哲

  表面技术. 2024, 53(21): 1-5, 33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究石墨基面的纳米尺度摩擦行为及其调控机制。方法 将表面洁净的高定向热解石墨块状晶体浸没在高纯度的醇中，一段时间后取出并用干燥氮气吹干。用原子力显微镜对石墨基面上的摩擦力和黏附力进行测量。结果 石墨基面的摩擦力和黏附力在醇中处理后发生显著变化，且随着醇分子碳链的增长而减小，石墨基面上的超低摩擦在正庚醇中处理后减少了约50%，而在甲醇中处理后则增加了8倍。研究表明，吸附在接触界面的醇分子能够调节相对滑动界面的接触公度性，构象熵大的高碳醇分子促进了界面滑动从而减小摩擦力。接触区域发生的摩擦化学反应也是造成石墨表面摩擦力变化的重要原因，反应产物的生成增大了探针与石墨之间的接触面积，从而增大摩擦力。此外，摩擦化学反应速率随着醇分子碳链长度的增加而减慢，进一步影响了摩擦性能。结论 本研究揭示了通过物理吸附醇分子来调节石墨表面摩擦学性能的新机制，结果表明醇类分子的结构和摩擦化学反应对润滑性能有显著影响，这一发现为调控石墨以及石墨烯的摩擦性能提供了新思路。
• Select
  基于高定向热解石墨(HOPG)的电刷针表面修饰技术

  唐铭艺, 王一然, 张艺泽, 马明

  表面技术. 2024, 53(21): 6-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 旨在应对有刷微电机中的电刷与换向器间的磨损问题，尤其是由电弧侵蚀引发的性能和寿命下降。方法 通过在电刷与换向器的接触界面引入HOPG材料，探索其在抑制电弧侵蚀和改善接触表面磨损方面的效果。重点测试了电刷针在HOPG表面修饰下的磨损行为与失效机制，并与传统材料进行对比。通过载流摩擦磨损试验，模拟实际工况，研究了在引入HOPG前后，换向器和电刷针之间不同的磨损机制，尤其是电弧侵蚀与机械磨损之间的转变。结果 采用HOPG作为表面修饰材料显著减少了电弧侵蚀，使电刷针的失效机制从严重的电弧侵蚀转变为机械磨损，显著改善了电机运行中的磨损状况。HOPG表面表现出了优异的润滑性能，抑制了电刷针与换向器之间的电弧侵蚀现象。相比于传统材料，HOPG修饰的表面在长时间运行后表现出更低的磨损程度，同时保持了良好的电接触性能。结论 基于HOPG的表面修饰技术，为解决有刷微电机中电弧侵蚀引发的磨损问题提供了新的解决方案。通过有效抑制电弧侵蚀，改善了电刷与换向器之间的磨损机制，使电刷针的失效模式从电弧侵蚀转变为机械磨损，具备提高有刷微电机工作寿命的潜力。
• Select
  轴承滚珠表面二维异质纳米复合涂层制备及固体超润滑研究

  杨兴, 王永富, 张俊彦, 张斌, 李瑞云

  表面技术. 2024, 53(21): 14-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 针对工程规模生产的二维异质纳米粉体因强边缘效应和摩擦导致的复杂接触重构等问题，提出一种利用二维异质纳米粉体实现宏观超润滑的策略，分析摩擦界面二维材料的复杂接触重构现象，推动二维异质纳米粉体宏观超润滑的工程应用。方法 通过掺入石墨烯边缘氧，削弱二维纳米材料边缘钉扎效应，促进二维异质纳米粉体发生异质结转化，并控制同质结-异质结转化，实现载荷和速度可调的宏观超润滑。结果 相较于无氧掺入体系，石墨烯边缘氧可以诱导二维异质纳米片(石墨烯、MoS2)在轴承滚珠表面的分层组装和充分混合，制备出大量纳米尺度同质结和异质结共存的复合涂层。当与无定形碳薄膜组成摩擦副时，二维纳米复合涂层实现了载荷和速度可调的宏观超润滑(摩擦因数低至0.007)。分子动力学模拟结果显示，石墨烯边缘原子的活性较高，容易发生层间化学作用和边缘钉扎效应，而边缘氧钝化后可以有效削弱边缘钉扎效应。结论 通过引入石墨烯边缘氧钝化技术，可以有效削弱边缘钉扎效应，促进二维异质纳米粉体到异质结的转化，调控同质结-异质结的转化，实现宏观超润滑，这为结构超滑的规模放大和工程应用提供了重要的技术途径。
• Select
  TaSe2/MoS2异质复合涂层的大气摩擦学性能研究

  朱东翔, 李红轩, 刘晓红, 李湛, 吉利

  表面技术. 2024, 53(21): 23-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.004

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 制备在大气环境中可以实现超低摩擦的TaSe2/MoS2异质复合涂层，并探讨大气环境中不同湿度对其摩擦学性能的影响。方法 结合异质超润滑理论及价键结构稳定性设计思路，采用喷涂法制备TaSe2/MoS2异质复合涂层和MoS2涂层，考察它们在不同湿度的大气环境中的摩擦学性能。利用三维轮廓仪和光学显微镜对比研究2种涂层的磨损情况。通过能谱仪(EDS)和拉曼光谱(Raman)分析不同湿度下2种涂层的磨痕元素分布、润滑膜的氧化程度及差异，进一步研究不同涂层的磨痕及转移膜的化学组成和结构，并对异质复合涂层的摩擦学机理进行探讨。结果 制备的TaSe2/MoS2异质复合涂层在相对湿度10%的大气环境中的摩擦因数低至0.013，表现出超低减摩性能。当大气相对湿度从30%逐渐增加到75%时，虽然TaSe2/MoS2异质复合涂层的摩擦因数增加，但是仍低于同等测试条件下MoS2涂层的摩擦因数。同时，TaSe2/MoS2异质复合涂层在不同湿度下的磨损程度也均低于MoS2涂层。通过摩擦界面的元素分布和化学结构分析，进一步证明了摩擦过程中异质复合结构润滑膜的形成及其抗氧化作用。结论 在MoS2涂层中引入离子键强度更高的TaSe2可以延缓活性分子对MoS2结构的破坏作用，同时异质摩擦界面的形成有助于降低摩擦因数。
• Select
  湿度对a-C:Ti/a-C:Si纳米多层薄膜摩擦学行为的影响

  赵春梅, 牛心悦, 徐正田, 王少峰, 施志军, 邢晓磊, 周野飞

  表面技术. 2024, 53(21): 34-43. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.005

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 沉积出具有纳米级多层结构的a-C:Ti/a-C:Si薄膜来改善非晶碳薄膜的湿度适应性。方法 通过磁控溅射技术在硅片和304不锈钢试样表面交替沉积a-C:Ti薄膜和a-C:Si薄膜，并进行了薄膜截面形貌表征。通过纳米压痕测试表征了复合薄膜的力学性能，采用球-盘摩擦磨损试验机进行了不同湿度下摩擦学试验，测试薄膜的摩擦学性能。结合拉曼光谱和扫描电子显微镜，分析了摩擦试验后的磨痕形貌和磨斑。结果 a-C:Ti/a-C:Si纳米多层结构增加了薄膜的异质界面，相比于a-C:Ti膜，a-C:Ti/a-C:Si纳米多层薄膜的弹性模量和残余应力随a-C:Si层厚度的增加而上升。在低湿度环境下，a-C:Si层引入后使a-C:Ti/a-C:Si纳米多层膜在摩擦过程中不易产生碳转移膜，薄膜的摩擦因数和磨损率随a-C:Si层沉积时间的增加而增加，薄膜的摩擦学性能略有下降。在高湿度环境下，由于磨屑的堆积抑制了碳转移膜的形成，不同制备工艺获得的a-C:Ti/a-C:Si纳米多层膜的摩擦因数均有所上升，但是a-C:Si层的存在使薄膜极易产生富硅转移膜，缓解了无碳转移膜的缺陷，降低了磨损率，提高了摩擦学性能。结论 纳米多层结构有效地改善了非晶碳薄膜的湿度适应性。利用a-C:Ti层和a-C:Si层分别提升了非晶碳基复合薄膜在低湿环境下和高湿环境下的摩擦学性能。
• Select
  LPAF添加剂对碳基固油复合润滑体系摩擦学性能的影响

  张登歌, 周润泽, 汪佳, 王泽儒, 袁荣荣, 张侃

  表面技术. 2024, 53(21): 44-54, 96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.006

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 进一步提高碳基固油复合润滑体系的摩擦学性能。方法 采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)和薗头-萩原(Sonogashira-Hagihara)偶合反应，分别设计制备具有类富勒烯结构的碳基(FLC)涂层和具有层状特征的多孔芳香骨架碳基(LPAF)添加剂。在此基础上，构建由FLC涂层、LPAF添加剂及PAO10基础油组成的三元复合润滑体系，系统考察三元体系的摩擦学行为，并提出潜在的摩擦机制。结果 LPAF的层状特性有效降低了界面摩擦，在界面剪切和摩擦热的共同作用下，LPAF由初始的非晶薄片形态通过石墨化转变为圆形类洋葱碳薄片，成为进一步减小复合体系摩擦的关键，使摩擦因数最低降至0.016;此外，LPAF能够对FLC涂层磨损区域进行填补，提升其耐磨损能力，其磨损率低至1.7×10^–9 mm³/(N.m)。结论 绿色环保型LPAF添加剂能够显著提升基于碳基涂层和基础油构建的固p油复合润滑体系的摩擦学性能。
• Select
  真空环境下类富勒烯碳薄膜与不同配副材料的摩擦学性能

  魏晓莉, 程志强, 李春燕, 冯钰媛, 高凯雄

  表面技术. 2024, 53(21): 55-62. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.007

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高类富勒烯碳薄膜真空摩擦学性能。方法 采用等离子增强化学气相沉积技术(PECVD)制备了类富勒烯碳薄膜(FLC)，利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)和纳米力学仪等研究了薄膜厚度、结构及力学性能。采用真空摩擦试验机考察了真空环境下类富勒烯碳薄膜分别与非晶碳薄膜(DLC)、FLC、钢球和MoS2薄膜组成配副的摩擦学性能，结合磨痕形貌和转移膜Raman及HRTEM结构分析，探究了材料的摩擦磨损机制。结果 MoS2与FLC组成的摩擦副具有低摩擦因数(0.02)和低磨损率(10^?20 m³/(N.m))，类富勒烯碳薄膜具有高硬度，能够在摩擦过程中支撑容易“坍塌”的MoS2。结论 在摩擦过程中类富勒烯结构因剪切力和Mo的催化作用发生解构现象，引起薄膜中的sp³向sp²转变，并且重建为片状石墨片。MoS2形成了转移膜在摩擦过程中扮演的角色一方面是润滑剂，另一方面是催化剂，作为润滑剂能够改善磨损情况，作为催化剂参与类富勒烯结构的重构过程，获得在真空环境下的低摩擦因数和低磨损性能。
摩擦磨损与润滑
• Select
  电场驱动下卵磷脂颗粒在织构表面的聚集与润滑

  袁恒迪, 刘奇, 朱帅, 董光能

  表面技术. 2024, 53(21): 63-72. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究利用电场在钛合金(Ti6Al4V)与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)摩擦界面聚集的卵磷脂颗粒的润滑性能。 方法 制备卵磷脂分散纳米溶液，探究不同分散剂对颗粒分散度的影响。对Ti6Al4V盘表面进行织构化处理，利用电场操纵卵磷脂纳米颗粒聚集，通过扫描电子显微镜(SEM)表征颗粒聚集效果，并评价在织构化和卵磷脂润滑颗粒聚集协同处理下Ti6Al4V金属盘表面的摩擦学性能。结果 将十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为分散剂，使用超声制备的纳米乳液的粒径为200~500 nm。使用激光共聚焦显微镜(CLSM)观测到在卵磷脂溶液通电后的织构表面的深度比同参数未通电织构表面的深度减小了9.9 μm，证实通电后织构内部存在卵磷脂微颗粒的聚集。采用SEM观测不同电流密度下的织构盘表面发现，在大电流密度下织构盘表面整体被卵磷脂层覆盖，出现轻微氧化，表面氧化物的主要成分为金红石型TiO2，加剧了UHMWPE的磨损。在小电流密度下，卵磷脂颗粒被填充在织构内部，织构盘表面的润滑性能更佳。聚集了纳米颗粒的Ti6Al4V织构盘的润滑性能良好，其摩擦因数最低可达0.075。结论 利用电场驱动卵磷脂颗粒在摩擦界面聚集，实现了预期的减摩抗磨效果。当电流密度较小时，所聚集的卵磷脂层的润滑效果更佳。
• Select
  圆柱滚子轴承椭圆兜孔副的静动特性及稳定性研究

  李旭莹, 刘延斌, 宁仲, 黄杰, 凌金博, 杨琨

  表面技术. 2024, 53(21): 73-86, 96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.009

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探究椭圆兜孔形面参数对兜孔-滚子副静动特性及稳定性的影响，为圆柱滚子轴承降摩减振的兜孔优化设计提供理论依据。方法 基于流体动力润滑理论，建立椭圆兜孔-滚子副热流体动力润滑数学模型，采用有限差分法和超松弛迭代法实现模型的求解，计算不同兜孔无量纲椭圆度和弧面偏置角下椭圆兜孔-滚子副的油膜压力分布、周向承载力、摩擦因数、温升、刚度、阻尼及界限失稳转速，研究兜孔无量纲椭圆度和弧面偏置角对兜孔-滚子副静动特性及稳定性的影响规律。结果 当无量纲椭圆度从0增加到4.61×10^–3，压力峰值先增大、后趋于平稳，周向承载力逐渐降低，摩擦因数先降低、后升高，最大温升先减小、后趋于平稳，刚度、阻尼及界限失稳转速先升高后趋于平稳。当无量纲椭圆度为1.32×10^–3时，椭圆兜孔-滚子副摩擦学性能最佳，温升较低，稳定性最好。当弧面偏置角从0°增加到150°，压力峰值和周向承载力先增加、后减小，摩擦因数和最大温升先减小、后升高，刚度、阻尼及界限失稳转速先升高、后降低。当弧面偏置角较小或较大时，周向承载力急剧下降。当弧面偏置角为90°时，椭圆兜孔-滚子副的润滑性能较好。结论 兜孔无量纲椭圆度和弧面偏置角对兜孔-滚子副的静动特性及稳定性影响显著。选择合适的兜孔无量纲椭圆度和弧面偏置角可明显提高兜孔-滚子副的承载能力和摩擦学性能，有效抑制温升，显著增加刚度、阻尼及界限失稳转速。
• Select
  油溶性离子液体作为镍基合金润滑添加剂的摩擦学性能研究

  刘观, 黄卿, 张朝阳, 郭便, 王行伟, 于强亮, 蔡美荣

  表面技术. 2024, 53(21): 87-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.010

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 合成一种无卤素油溶性离子液体润滑添加剂(P88816-Phosphate，以下简称PP)，提高PAO 40作为硬质合金/镍基合金Inconel 690润滑剂的摩擦学性能。方法 以PP为添加剂，在PAO 40基础上配制质量分数为0.5%、1%、2%的润滑剂，与PAO 40进行对比。采用同步热分析仪分析其热稳定性，采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机、MicroXAM-800非接触三维表面轮廓仪考察该离子液体减摩抗磨添加剂的摩擦学性能。结果 在50 ℃条件下，PP可以明显地提高PAO 40的减摩抗磨性能。1% PP的效果最为明显，摩擦因数降低了约22%，磨损体积减小了约48%。150 ℃条件下，0.5% PP的摩擦因数最低，而且磨损体积也是最小。结论 PP中活性元素P与金属基底发生摩擦化学反应，生成了摩擦化学反应膜。油溶性离子液体在镍基合金表面形成的润滑膜结构，可以揭示油溶性离子液体在减少金属摩擦和磨损方面的作用机制。PP有望为镍基合金提供更好的润滑保护，减少摩擦和磨损，延长设备的使用寿命，提高工业生产效率。
• Select
  抛光垫表面织构化的摩擦学性能研究

  张小康, 施晨淳, 叶文彬, 方浩, 李锦棒, 于爱兵

  表面技术. 2024, 53(21): 97-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.011

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究表面织构化对抛光垫耐磨性的影响规律，分析材料去除增强机制，旨在提高抛光垫服役寿命，并优化气囊抛光加工效率。方法 利用激光打标机在抛光垫表面分别制备沟槽、圆凹坑和三角形阵列织构，利用摩擦磨损试验机进行有/无抛光膏条件下织构抛光垫的摩擦学试验，使用高速摄影机记录试验过程，应用光学显微镜和共聚焦显微镜分析抛光垫和GCr15对摩球的表面形貌特征。结果 在无抛光膏的干摩擦条件下，3种织构抛光垫的耐磨性均得到较大改善，且摩擦因数也不同程度地下降，但是对摩球表面的划痕既窄又浅，材料去除量小。在添加抛光膏的湿摩擦条件下，有/无织构抛光垫的磨损量与摩擦因数均未呈现显著差别，但织构抛光垫的对摩球配副表面犁沟既宽又深，材料去除明显。结论 在干摩擦条件下，织构抛光垫的材料去除机理为织构的弹性撞击作用，去除效果轻微;在湿摩擦条件下，织构抛光垫的材料去除机理为织构对抛光膏的储存功能与硬质磨粒对材料表面剪切划擦的综合作用，去除效果显著，但应合理设计织构参数，以平衡摩擦界面内有效磨粒总数与真实接触面积间的耦合关系，进而获取最优的材料去除能力。表面织构技术具有改善抛光垫耐磨性，降低界面摩擦因数并增强材料去除率的应用潜力。
• Select
  水土溶液润滑下犁铧表面仿生微织构的减摩抗磨特性研究

  吴科阳, 徐泽华, 刘承洲, 赵德永, 尹成斌, 马贝贝, 王远

  表面技术. 2024, 53(21): 112-120, 207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.012

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 改善犁铧在犁耕作业中的减摩抗磨性能。方法 以65Mn钢作为犁铧材料基体，采用激光加工技术在65Mn钢表面制备仿蚯蚓头部凹坑与仿蜣螂头部凹槽织构，在水土溶液中开展摩擦学性能试验，采用扫描电镜分析摩擦磨损机制，使用Ansys Fluent数值模拟辅助分析织构犁铧表面的润滑机理，然后利用Navier-Stokes公式分析犁铧织构表面流速和压力分布。结果 犁用65Mn钢表面仿蜣螂头部凹坑与仿蚯蚓头部凹槽织构率为20%时具有最优的减摩抗磨性能，与未织构试样相比，摩擦因数分别降低了21.8%和47.3%，磨损率分别降低了18.0%和28.8%。Ansys Fluent数值模拟表明，2类仿生织构试样表面的流体动力润滑能生成一个净正压力区域，增厚润滑油膜，更易产生气穴与空化，降低压力，减少接触面的摩擦，从而有效增强了试样表面的减摩抗磨性能。结论 在65Mn钢表面设计不同织构率的仿蜣螂头部凹坑与仿蚯蚓头部凹槽织构可以有效提高犁铧表面的减摩抗磨效果，且在水土溶液润滑下织构率为20%时，凹槽织构能获得最佳的动力润滑和减摩抗磨性能。
• Select
  不同溅射技术制备MoN涂层的结构、力学和摩擦学性能研究

  金玉花, 张亨中, 王鹏, 赵晓宇, 柴利强, 马鹏军, 于童童, 张贝贝

  表面技术. 2024, 53(21): 121-132. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.013

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 沉积条件对MoN涂层的微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响至关重要，溅射技术决定了涂层的沉积条件，研究不同溅射技术对MoN涂层的结构及性能的影响。方法 采用射频、脉冲和中频反应磁控溅射技术在单晶硅片和W18Cr4V高速钢上制备MoN涂层，利用X射线衍射、能谱仪、场发射扫描电镜、划痕仪、纳米压痕仪和高温摩擦磨损试验机等探究不同溅射技术制备的MoN涂层在显微结构、力学性能和摩擦学性能等方面的差异。结果 采用射频电源制备的MoN涂层以六方相δ-MoN为主，采用中频直流电源和脉冲直流电源制备的MoN涂层以面心立方相γ-Mo2N为主。随着氮气流量的增加，采用射频电源制备的MoN涂层的硬度先增加后减小，最大硬度为22 GPa，采用中频直流电源和脉冲直流电源制备的MoN涂层的硬度逐渐减小。采用射频电源制备的MoN具有最高的膜基结合力，临界载荷(FLc2)达到20 N以上，采用其他2种电源制备的MoN涂层的膜基结合力较低。在室温下，采用不同电源制备的MoN涂层的摩擦因数均较大。在300 ℃时，在磨痕内检测到β-MoO3，脆性氧化层容易磨损，导致摩擦因数增加。随着温度的升高，涂层表面发生氧化，生成了大量具有润滑作用的α-MoO3，摩擦因数逐渐下降。结论 溅射技术对MoN涂层的微观结构和力学性能有着重要影响，采用射频电源制备的MoN涂层呈现出最优的力学性能和摩擦学性能。
• Select
  石墨烯增强冷喷涂-阳极氧化铝基复合涂层的微观组织及摩擦性能研究

  佘功浩, 张怡颖, 韩兆康, 刘志凯, 张留艳, 揭晓华, 谭桂斌, 莫卢亮

  表面技术. 2024, 53(21): 133-141. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 增强冷喷涂铝合金-阳极氧化复合涂层的耐磨性能，充分利用二维层状石墨烯优异的润滑特性，探究石墨烯对复合涂层相关性能的作用机理。方法 采用超声分散和磁力搅拌的方法，利用铝粉的还原性将氧化石墨烯原位还原为还原氧化石墨烯(rGO)，将其包覆在7075Al合金颗粒的表面，通过冷喷涂和阳极氧化的复合工艺将铝合金的阳极氧化工艺“移植”到钢材表面，制备出7075Al-AAO和G/7075Al-AAO两种复合涂层。通过扫描电子显微镜SEM、X射线衍射、X射线能谱、拉曼光谱等手段分析涂层的形貌、成分、结构，开展涂层的硬度和摩擦磨损试验，最后通过SEM、3D激光共聚焦法观察磨痕形貌，并计算磨损率。结果 7075Al-AAO涂层的硬度为208.1HV0.1，而G/7075Al-AAO涂层的硬度为319.1HV0.1，相较于经石墨烯改性前涂层的硬度提高了53.3%;G/7075Al-AAO涂层表现出更低的磨损率(4.42×10^–4 mm³.N^–1.m^–1)和更小的摩擦因数(约为0.2)，其磨损率相对于改性前涂层降低了近45%，摩擦因数仅为改性前涂层的1/2。结论 经过石墨烯包覆改性与复合工艺处理后制备的G/7075Al-AAO涂层具有更高的硬度，更优异的减摩和耐磨性，这归因于原位转移并均匀分散于阳极氧化膜中的rGO增强了涂层的致密性和结合力，同时发挥了高强度和润滑减摩特性。石墨烯原位包覆改性及冷喷涂复合阳极氧化技术对高性能铝基耐磨涂层制备具有技术指导意义。
激光表面改性技术
• Select
  42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火过程应力与变形研究

  张群莉, 李国昌, 董浩芃, 沈鹏, 陈智君, 吴国龙, 任得余, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(21): 142-152. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.015

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高激光强化风电机组轴承的尺寸稳定性，对激光-电磁感应复合淬火过程中的应力演化过程进行分析，并研究工艺参数对淬火变形的影响规律。方法 通过考虑淬火相关的工艺过程、材料参数、热源输入及边界条件，使用COMSOL软件建立42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火数学温度-组织-应力场多物理场耦合模型，研究淬火过程中的温度、组织和应力变化过程，并进行复合淬火实验验证。通过改进边界条件，建立轴承试件的淬火模型，通过改变相关工艺参数包括激光功率、感应功率和扫描速度，研究工艺对轴承淬火变形的影响规律，并与实际轴承实验结果进行对比。结果 经实验测试结果和模型结果对比，感应和激光的温度相对误差分别为5.48%和9.69%，淬硬层深度的相对误差为5.66%，工件中心点应力相对误差为7.14%。结合温度变化和组织变化，将应力变化过程分为感应加热阶段、激光加热阶段、自然冷却阶段和强制水冷阶段。改进后的大轴承表面变形量的模拟值与实验值相对平均误差为0.58%。结论 在复合淬火过程中，应力同时受到热应力和组织相变应力的影响，热应力和组织相变应力在每个阶段起作用的主体不同。随着激光功率和感应功率的减小，以及扫描速度的增大，轴承内圈外滚道表面法向位移变小，尺寸稳定性越好。
• Select
  不锈钢表面激光诱导纳米化对氮碳共渗层组织及性能的影响

  张道达, 赵龙志, 连勇, 周洪波, 吴孝泉, 孟扬

  表面技术. 2024, 53(21): 153-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.016

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 探讨不同能量的激光冲击诱导316L不锈钢表面纳米化，对氮碳共渗层组织结构及性能的影响规律。方法 采用20、30 J等2种单脉冲能量分别对2组316L不锈钢样品进行激光冲击预处理，另外以无激光冲击预处理样品为对照，对上述3组样品同炉进行离子氮碳共渗(保持温度为480 ℃)。采用SEM、GD-MS、XRD方法研究氮碳共渗层的显微组织、成分及相结构，采用显微硬度仪、摩擦磨损机和电化学工作站对氮碳共渗层的硬度、摩擦磨损性能和抗腐蚀性能进行测试。结果 经激光冲击强化的氮碳共渗层的横截面组织结构分别为近表面富氮SN层、中间粗晶变形层和内侧富碳SC层。在渗层中C原子浓度的变化曲线呈现S形，在渗层与基体交界处C原子含量达到最大值。此外，3组不锈钢样品均主要由S相和γ相组成。经过激光冲击后样品的氮碳共渗层S相的含量大幅增加，γ相显著减少。结论 激光冲击能量为20 J的不锈钢样品的渗层具有经济性的物相组成和渗层厚度，兼具良好的耐磨和耐腐蚀性能，其实际应用价值较高。
• Select
  DZ125合金表面激光熔化沉积Tribaloy T-800/WC复合涂层的显微组织和力学性能

  徐效文, 卞宏友, 刘伟军, 邢飞, 王蔚

  表面技术. 2024, 53(21): 162-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.017

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 提高锯齿冠的表面耐磨性能，延长涡轮叶片的使用寿命。方法 采用激光熔化沉积技术在DZ125合金表面制备T-800合金涂层和T-800/WC(5%)复合涂层，重点分析涂层的宏观形貌、物相组成、显微组织、硬度以及摩擦磨损性能。结果 T-800合金涂层和T-800/WC复合涂层内部均不存在裂纹。与T-800合金涂层相比，T-800/WC复合涂层的高度增加，稀释率降低。T-800合金涂层物相主要包括面心立方结构Co相和Laves相(Co3Mo2Si)，T-800/WC复合涂层中额外存在WC相、W2C相、Co6Mo6C相。T-800合金涂层和T-800/WC复合涂层的组织主要为平面晶、“花状”Laves相、粗大Laves相以及共晶组织。T-800合金涂层的平均显微硬度和摩擦因数分别为630HV0.5、0.42，WC的加入使得涂层性能得到提升，T-800/WC复合涂层的平均显微硬度和摩擦因数分别为697HV0.5、0.37。添加WC后，T-800合金涂层磨损机理由磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损转变为磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。结论 WC的添加促进了涂层晶粒细化和Laves相的析出，使得涂层的硬度和耐磨性得到提升。
• Select
  Cr3C2含量对Fe0.5CoCr0.5Mo0.3Ni高熵合金重熔涂层组织性能的影响

  李永凤, 刘美芹, 王丽霞, 李小颖, 吴宁, 章健

  表面技术. 2024, 53(21): 176-186. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.018

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究Cr3C2对高熵合金涂层物相组成和组织的影响，提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性，延长工件的使用寿命。方法 采用激光熔覆技术在45#钢表面制备Fe0.5CoCr0.5Mo0.3Ni-xCr3C2高熵合金(HEAs)复合涂层，并对其进行一次重熔处理。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计、摩擦磨损试验机和电化学工作站等设备研究涂层的物相组成、显微组织、显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。结果 涂层主要由面心立方(FCC)相和(Cr, Fe)23C6相组成，FCC相作为主相，是由Fe-Co-Cr-Mo-Ni构成的高熵合金，(Cr, Fe)23C6作为加强相，与FCC形成共晶组织。Cr3C2加入量的改变会影响物相的组成、含量和显微组织的形貌，随着Cr3C2的增加，晶粒的形貌由粗大的树枝晶过渡到细小块状和圆柱状的枝状晶，且枝状晶的尺寸逐渐减小。Cr3C2的加入还会提高涂层的显微硬度，增加耐磨性，当Cr3C2加入量达到20%(质量分数)时，涂层的显微硬度从260HV0.2左右提高到430HV0.2，同时摩擦因数为0.45左右。该涂层同时具有最小自腐蚀电流密度和最高自腐蚀电位，分别为37.25 nA/cm²、–0.15 V，而未加Cr3C2的高熵合金涂层的自腐蚀电流密度为4 929.50 nA/cm²，自腐蚀电位为–0.55 V。结论 当涂层中Cr3C2的加入量不超过20%时，Cr3C2的加入量越大，生成的(Cr, Fe)23C6就越多，涂层的耐磨性越好。Cr3C2的加入还能够降低涂层的自腐蚀电流，提高自腐蚀电位，有利于耐腐蚀性的提高。
• Select
  激光熔覆不同层数FeCoNiCr0.5Al0.2高熵合金涂层的组织与性能

  张国建, 程西云, 纪秀林, 卢羿汛, 陈俊炜, 李赐临, 胡阳东

  表面技术. 2024, 53(21): 187-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.019

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究不同层数高熵合金涂层的耐磨性和耐腐蚀性。方法 采用激光熔覆技术在Q345钢表面制备FeCoNiCr0.5Al0.2高熵合金涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、摩擦磨损试验机等研究高熵合金涂层的组织结构，并表征其性能。结果 高熵合金涂层与基体Q345钢实现了良好的冶金结合。当涂层大于3层时，稀释率达到理想区间，涂层表面主要由细小的等轴晶和柱状组织组成。随着涂层层数的增加，相结构逐渐转变为FCC相，涂层表面Fe的原子数分数从66.72%降至30.46%，稀释率由37.7%降至9.8%。1层涂层的硬度最高，达到422HV0.5，约为基体的3.5倍;当涂层层数大于3时，表面的平均硬度为190HV0.5左右，是基体的1.5倍左右。在空气中，涂层相较于基体，在10、20 N载荷下磨损率分别下降了23.3%~37.1%、8.4%~21.0%。在质量分数3.5%的NaCl溶液中，涂层相较于基体，在10、20 N载荷下磨损率分别下降了38.4%~45.5%、43.9%~47.7%。在10、20 N载荷下，涂层在空气中的磨损率分别是在质量分数3.5%的NaCl溶液中的6倍、4.5倍左右。与基体相比，1、3、5层涂层的腐蚀电位分别提升了11.9%、57.6%、50.2%，腐蚀电流密度下降了1~2个数量级。结论 随着高熵合金涂层层数的增加，稀释率降低，硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性大幅提升，根据不同的性能需求可以灵活选择制备不同层数的涂层。
• Select
  电磁场对激光熔覆镍基涂层组织性能的影响

  王宇豪, 周后明, 王泽达, 向南鑫, 曹星宇

  表面技术. 2024, 53(21): 198-207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.020

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 研究稳态磁场作用下不同类型及大小的电场对激光熔覆Ni基涂层组织性能的影响，从偏析的角度对电磁场的影响进行研究。方法 电磁场采用大小和方向相同的稳态磁场，以及不同大小的交流电场(AC)和直流电场(DC)，在45钢表面采用电磁场辅助激光熔覆技术制备致密的Ni60涂层。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、往复式摩擦磨损试验机等手段检测涂层的元素偏析和组织性能。结果 电磁场对熔池产生的搅拌作用会加速熔覆层的传热与传质，从而减少CrB、Ni2B等物质的生成，减少熔覆层宏微观偏析，其中交流电场(AC)试样组的偏析程度低于电流相同的直流电场(DC)试样组。在摩擦磨损实验中，AC200试样具有最低的平均摩擦因数(0.323)，磨损量也在整组试样中最低，比未添加电磁场的试样低39.3%。AC200试样具有最高的自腐蚀电位(?185 mV)、最低的自腐蚀电流密度(6.01 μA/cm²)，其抗腐蚀性能在整组试样中最佳。AC试样的性能优于对应电流的DC试样。结论 电磁场辅助激光熔覆可以明显减少涂层的宏微观偏析，从而提高涂层的性能，在AC200条件下制备的涂层的耐磨损性能和抗腐蚀性能最佳。
• Select
  连接金具用Q235钢表面激光合金化耐磨耐蚀涂层的组织及性能研究

  周海飞, 李凤瑞, 王河, 钱大虎, 余璐涛, 迟一鸣, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(21): 208-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.21.021

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  目的 解决电网连接金具存在的硬度低、耐磨性差、易腐蚀失效等问题。方法 采用激光合金化工艺在常见连接金具材料Q235钢表面制备均匀致密的K500涂层和K500+WC复合涂层，研究涂层的物相组成、微观组织、WC颗粒的溶解析出行为，并对其耐磨性能和耐蚀性能进行分析。结果 K500涂层由γ-(Fe, Ni, Cu)单相固溶体组成，其组织结构从底部到顶部经历了从平面晶向柱状晶、枝晶，最后到顶部等轴晶的转变。K500+WC涂层主要由γ相固溶体、WC、W2C组成，在熔池中WC颗粒边缘溶解，形成了几微米的元素扩散区域，该区域内析出枝晶状、块状碳化物，熔池底部富Fe元素区域还析出了鱼骨状Fe3W3C碳化物。K500涂层和K500+WC涂层的平均显微硬度分别为244.73HV0.2、355.27HV0.2，磨损率分别比基材降低了41.48%、85.39%，耐磨性能显著提升，这得益于γ相的固溶强化及碳化物的弥散强化效应。结论 K500涂层中的Ni、Cu等元素在腐蚀初期会形成致密的氧化膜，将涂层与腐蚀性介质隔离，有效降低了腐蚀速率。加入WC颗粒后，耐蚀性良好的γ相含量降低，涂层内部微界面增多、腐蚀通道增加，导致K500+WC涂层的耐蚀性略微降低，但仍明显优于基材。