2024年, 第53卷, 第3期　
刊出日期：2024-02-10

  

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专题——高性能表面先进磨粒加工技术
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  超精密晶圆减薄砂轮及减薄磨削装备研究进展

  周仁宸, 王哲, 杨远航, 吉佛涛, 刘坚, 李蓉, 尹韶辉

  表面技术. 2024, 53(3): 1-21. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.001

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  在芯片制程的后道阶段，通过超精密晶圆减薄工艺可以有效减小芯片封装体积，导通电阻，改善芯片的热扩散效率，提高其电气性能、力学性能。目前的主流工艺通过超细粒度金刚石砂轮和高稳定性超精密减薄设备对晶圆进行减薄，可实现大尺寸晶圆的高精度、高效率、高稳定性无损伤表面加工。重点综述了目前超精密晶圆减薄砂轮的研究进展，在磨料方面综述了机械磨削用硬磨料和化学机械磨削用软磨料的研究现状，包括泡沫化金刚石、金刚石团聚磨料、表面微刃金刚石的制备方法及磨削性能，同时归纳总结了软磨料砂轮的化学机械磨削机理及材料去除模型。在结合剂研究方面，综述了金属、树脂和陶瓷3种结合剂的优缺点，以及在晶圆减薄砂轮上的应用，重点综述了目前在改善陶瓷结合剂的本征力学强度及与金刚石之间的界面润湿性方面的研究进展。在晶圆减薄超细粒度金刚石砂轮制备方面，由于微纳金刚石的表面能较大，采用传统工艺制备砂轮会导致磨料发生团聚，影响加工质量。在此基础上，总结论述了溶胶–凝胶法、高分子网络凝胶法、电泳沉积法、凝胶注模法、结构化砂轮等新型工艺方法在超细粒度砂轮制备方面的应用研究，同时还综述了目前不同的晶圆减薄工艺及超精密减薄设备的研究进展，并指出未来半导体加工工具及装备的发展方向。
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  弹性磨抛轮加工硅片面形预测模型及试验验证

  高尚, 任佳伟, 康仁科, 张瑜, 李天润

  表面技术. 2024, 53(3): 22-27, 46. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.002

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  目的 为分析弹性磨抛轮磨削硅片面形精度变化的影响因素，优化加工参数以获得良好的磨削面形。 方法 通过建立考虑弹性磨抛轮转速、硅片转速、偏心距等参数的弹性磨抛轮磨粒运动轨迹模型，结合单颗磨粒切削深度，提出了弹性磨抛轮加工硅片的材料去除非均匀性预测方法，建立了基于弹性磨抛轮磨削硅片的面形预测模型，并通过不同转速比下的磨削试验验证了预测模型的准确性。结果 面形预测模型仿真出的面形与弹性磨抛轮加工试验后的硅片面形一致，均呈“凸”形，且PV值随转速比的增大而增大。转速比为1时，磨削后硅片面形PV值为0.54 μm，仿真模型计算出的PV值为0.49 μm，转速比为5时，磨削后硅片面形PV值为2.12 μm，仿真模型计算出的PV值为2.38 μm。结论 磨削试验面形PV值与模型计算面形PV值的预测误差小于13%，建立的面形预测模型能够成功预测硅片的面形规律，可以分析加工参数对硅片面形的影响规律。由面形预测模型分析可知，转速比对硅片面形精度有影响，且随着转速比的增加，硅片面形不断恶化，因此在实际加工中，应选择较小的转速比进行加工，以获得更优的硅片面形精度。
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  金字塔砂带磨损状态的声信号GA-BP识别方法

  赵书东, 禹晓敏, 王文玺, 邹莱

  表面技术. 2024, 53(3): 28-38. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.003

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  目的 金字塔砂带连续磨损会引发钝峰、材料去除能力差和产热多等问题，为避免砂带磨损造成加工效率持续降低和工件表面质量逐渐恶化，需提高金字塔砂带磨损预测能力。方法 在配有声音采集系统的力控机器人磨削系统中对钛合金工件进行了砂带磨损试验;基于Archard模型建立了金字塔砂带磨损模型，并对金字塔砂带磨损程度进行量化;然后利用短时傅里叶和小波包分解分析、提取砂带磨损相关的声音特征;基于声音信号特征建立GA-BP模型，并对金字塔砂带磨损状态进行预测。结果 Kr与R0规律相近，随着磨削速度的增大而略微增大。对磨削声音进行小波包分解，DD2频段的声音特征随磨削时间逐渐降低，相较于其他频段更具有规律性。提取DD2频段的声音信号特征建立GA-BP模型，并对金字塔砂带磨损状态进行预测。结果表明，决定系数(R²)大于0.8，平均绝对误差(MAE)小于0.04，平均偏差误差(MBE)在±0.002之间，均方误差(RMSE)小于0.05。结论 随着砂带的磨损，金字塔尖锐的胞体开始磨平，单颗胞体的局部压力逐渐减小，材料去除能力减弱，产生的微振荡越来越弱，高频信号的声音特征逐渐下降。通过DD2频段声音信号特征建立的GA-BP模型对金字塔砂带磨损状态进行预测，具有准确性和稳定性。
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  整体叶盘叶片加工补偿策略及实验研究

  李响, 巩亚东, 赵吉宾, 丁明祥

  表面技术. 2024, 53(3): 39-46. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.004

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  目的 降低航天发动机整体叶盘的加工误差，实现产品高精度化。方法 建立整体叶盘叶片加工变形量全局分布有限元模型，考虑补偿加工时刀具修正量与变形误差的耦合效应，采用多次迭代法计算叶片变形补偿量;提出反向重构几何模型补偿策略，利用补偿量对叶片几何轮廓进行重构，重新生成包含叶片变形误差信息的刀轨程序。通过某型号航空发动机整体叶盘叶片铣削加工实验和型面精度测量实验，对变形分布预测模型及所提出的反向重构模型补偿策略进行验证。结果 预测结果与实验结果有很好的吻合度，平均误差为7.96%;新的补偿策略数据嵌入方式高效，可显著降低加工过程中产生的变形误差，将成品精度控制在设计的许用公差范围以内。结论 所提方法可以明显提高整体叶盘叶片铣削加工质量，可为后续磨削加工提供更高型面精度的叶片零件。
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  微磨粒对超声空化冲击波衰减作用研究

  宫台, 祝锡晶, 傅迎泽, 李婧

  表面技术. 2024, 53(3): 47-52, 87. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.005

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  目的 研究超声加工过程中微磨粒对冲击波的影响。方法 建立功率超声振动加工下的空化泡动力学方程，以及空化泡溃灭产生冲击波的数学模型，进而建立冲击波在微磨粒与水混合介质中的传播模型。使用六阶Runge-Kutta方法对数学模型进行求解，得到空化泡半径随时间的变化规律，以及空泡内部压强随空化泡半径变化的规律。结果 当空泡半径被压缩至1 μm左右时，空泡内部压强可达1 000 MPa。通过对距离空泡壁1.5R0处的冲击波压力进行求解发现，冲击波的压力仅需0.07 μs就可从初始的1 000 MPa迅速衰减至80 MPa。通过比较纯水介质与混合介质(SiO2微磨粒与水)中冲击波传播速度的结果发现，加入SiO2微磨粒会使冲击波的最大速度由2 976 m/s降至2 681 m/s，降低率约为10%。通过钛钽合金的功率超声振动加工实验验证了数值结果。对比分析了加入SiO2微磨粒前后钛钽合金表面结构和三维表面形貌，发现微磨粒的加入导致材料表面空化坑的投影面积下降了12.5%。结论 证实微磨粒对冲击波的传播起到了明显的衰减作用，是对材料表面产生作用的主要因素。该研究在超声加工领域具有理论意义和工程价值。
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  基于响应面法的钛合金Halbach阵列增强磁流变抛光工艺参数优化

  廖煜晖, 周宏明, 张泽林, 陈卓杰, 张祥雷, 周芬芬, 冯铭

  表面技术. 2024, 53(3): 53-64. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.006

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  目的 提高钛合金磁流变抛光的表面质量和抛光效率。方法 用Halbach磁场阵列强化磁场，通过载液盘与磁铁反向旋转来增强磁流变抛光效率，使抛光头拥有更强的恢复性与自锐性。通过仿真模拟和实际测量对比研究Halbach阵列与N-S阵列的磁场分布和磁场梯度。依照试验结果描述抛光剪切力、表面粗糙度与表面微观形貌随时间的变化规律。采用响应面法优化载液盘转速、磁铁转速和加工间距等3个工艺参数，建立剪切力和表面粗糙度的拟合方程数学预测模型，并对其中的不显著项进行优化。结果 在响应面交互作用分析中，工艺参数对剪切力的影响的大小顺序为加工间距、磁铁转速、载液盘转速;对表面粗糙度影响的大小顺序为载液盘转速、磁铁转速、加工间距。根据不同的需求，确定选定范围内的工艺参数组合，需要快速去除材料时，使剪切力趋于最大值的工艺参数组合为载液盘转速227 r/min，磁铁转速64 r/min，加工间距0.1 mm，通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为34.911 nm的光滑表面。抛光过程中，钛合金抛光所受剪切力τ为0.812 N。需要最优表面质量时，使表面粗糙度值趋于最小值的工艺参数组合为载液盘转速300 r/min，磁铁转速150 r/min，加工间距0.1 mm，通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为26.723 nm的光滑表面。抛光过程中，钛合金抛光所受剪切力τ为0.796 N。结论 Halbach阵列拥有较高的磁场强度和富有空间变化的磁感线，能够使磁流变液中的磁链呈现出更多的姿态变化。根据响应面法优化后的剪切力和表面粗糙度预测模型，预测结果与验证试验结果相差很小，预测模型的准确度与可信度较高。
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  基于模板CAD模型的任意位姿注塑件抛光轨迹生成与重用方法研究

  陈乾宝, 吴雷, 林俊义, 江开勇, 黄常标

  表面技术. 2024, 53(3): 65-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.007

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  目的 提高注塑零件机器人抛光轨迹的生成效率和柔性。方法 以注塑件毛边抛光为对象，首先根据已知的模板CAD模型信息建立局部坐标系，并提取抛光特征线及抛光区域，通过等距截面法计算生成一系列加工轨迹点。为了提高抛光轨迹的生成效率，提出根据模型特征直接计算同类产品加工轨迹的方法，实现相似模型产品抛光轨迹的重用。然后，利用多线结构光技术快速测量当前位姿下的零件三维信息，通过三维点云匹配方法计算出任意当前位姿下的零件模型与模板CAD模型之间的转换关系。最后，结合手眼标定结果，计算出任意位姿零件的机器人抛光轨迹。结果 以注塑件毛边抛光为例，进行模拟仿真和实验验证，结果表明，文中提出的方法只需单次测量即可计算出待加工零件的抛光轨迹，避免了在线完整物体的重构，使得物体测量和轨迹计算效率得到显著提高。此外，通过点云匹配与手眼标定方法，可完成任意位姿零件抛光轨迹的计算。结论 文中提出的方法能够实现基于CAD模型的机器人抛光轨迹高效生成和重用，通过轨迹转换可实现任意位姿的轨迹计算，提高了机器人抛光轨迹生成的效率和柔性。
研究综述
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  碳点在金属腐蚀防护领域的研究进展

  王金科, 吴尚浩, 陈质彬, 王悦, 马菱薇, 张达威

  表面技术. 2024, 53(3): 75-87. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.008

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  综述了碳点的合成路径、改性方法及其在腐蚀防护领域的应用，重点阐述了碳点作为缓蚀剂及其在自修复、自预警等智能防腐涂层方向应用的国内外最新研究进展。首先，分析和探讨了杂原子掺杂型、有机分子修饰型以及生物质衍生型碳点缓蚀剂的缓蚀机理、优势及不足。其次，介绍了基于碳点的本征和外援自修复涂层、腐蚀预警涂层的设计思路及自修复、自预警机制。最后，提出了碳点在缓蚀剂和智能防腐涂层中应用所存在的问题，并对其未来发展前景进行了讨论。未来应秉持绿色、高效理念，进一步优化碳点的制备工艺，深入研究其在缓蚀、涂层自修复及腐蚀预警中的关键作用，以期早日实现工业应用。
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  新型钢抛光液中磨料的种类及其性能研究进展

  陈倚, 张偲淼, 屈蔚然, 郑书佳, 孙一嘉, 弓爱君

  表面技术. 2024, 53(3): 88-100, 122. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.009

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  磨料在抛光液中主要起机械作用，磨料的理化性质，如硬度、粒径、浓度等，是影响化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)性能的重要因素，对抛光效率有较大影响。针对我国抛光液对外依赖、需求量大，但精度等指标达不到市场要求等问题，同时由于磨料在抛光液的抛光性能中起着至关重要的作用，因此寻求效果更好的改性磨料或新型磨料材料，以促进化学机械抛光技术的发展势在必行。故此，归纳汇总近年来国内外研制出的新型钢抛光液，聚焦于抛光液磨料这一重要组分中不同物质的物化性质及其作用，对抛光性能(如材料去除率、表面粗糙度和光泽度等)的影响等，分类别阐述了不同物质的优劣势、复配协同作用以及在现有抛光液中的效果，为之后抛光液配方研究中磨料的选择提供参考。归纳总结发现，混合与复合磨料较单一磨料有较大的提升，稀土掺杂、核/壳结构等改进存在较大的研究价值，组分间的复配协同作用对抛光性能的提升有一定作用。最后，基于目前钢抛光液应用中存在的问题以及现有的具有前景的技术，对钢抛光液中磨料的发展进行了展望。
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  用于柔性电子器件的有机/无机薄膜封装技术研究进展

  冯尔鹏, 董茂进, 韩仙虎, 蔡宇宏, 冯煜东, 王毅, 马敏, 王冠, 秦丽丽, 马凤英

  表面技术. 2024, 53(3): 101-112. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.010

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  有机/无机薄膜封装技术被广泛用于有机发光二极管(OLED)、量子点显示及有机光伏等领域，是一种新型的柔性封装技术。综述近年来有机/无机薄膜封装技术的发展趋势，首先概述了传统硬质盖板封装方式与薄膜封装方式的发展及其优缺点。其次，系统地总结了有机/无机薄膜的制备方法，如原子层沉积、等离子体化学气相沉积等，详细阐述了不同制备方法的原理及其应用。再次，讨论了薄膜的微观缺陷、内应力，以及材料界面工程对有机/无机薄膜封装性能的影响，分析总结了有机/无机封装薄膜制备的技术要点，如采用基底表面预处理、引入中性层、调节层间应力等方式获得优质的封装薄膜。最后，探究了有机/无机封装薄膜的内在阻隔机理，提出气体在有机/无机薄膜中的传输方式以努森扩散为主，并总结了提高薄膜封装的策略，即延长气体扩散路径、“主动”引入阻隔基团及薄膜表面改性。提出了未来薄膜封装技术面临的问题，拟为柔性电子器件封装技术的发展提供一定参考。
摩擦磨损与润滑
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  C2H2流量对反应溅射石墨制备非晶碳膜层结构及性能影响研究

  刘京周, 鞠鹏飞, 周宏, 邢明秀, 吴国华, 张鼎元

  表面技术. 2024, 53(3): 113-122. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.011

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  目的 研究反应溅射石墨制备非晶碳过程中乙炔流量变化对非晶碳微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响规律。方法 通过在乙炔气氛中反应溅射石墨靶，调控乙炔流量，制备不同结构的非晶碳膜层，采用X射线光电子能谱仪、激光共聚焦拉曼光谱仪分析膜层的微观结构，采用纳米压痕仪表征膜层的力学性能，采用球盘式摩擦磨损试验机、白光干涉仪和光学显微镜表征膜层摩擦学性能。结果 通过反应溅射法制备了致密均匀的非晶碳，分析发现，所有薄膜表层均含有一定量O元素(原子数分数为6.36%~13.86%)。经Ar⁺刻蚀后，大部分膜层的O含量可降至1%以下;随着乙炔流量的增加，膜层的硬度(H)、弹性模量(E)和H³/E²均呈先增后减的趋势，在乙炔流量为10 cm³/min时膜层的硬度和弹性模量达到最大值，分别为27.93、233.55 GPa;摩擦学性能测试结果显示，膜层的平均摩擦因数在0.09~0.11之间，在启动阶段摩擦因数随着氢元素(H)含量的增加呈下降趋势，5 cm³/min试样的膜层的耐磨性最高、磨损量最小，其磨损量为0.72× 10^?16 m³/(N.m)。结论 通过调节反应溅射石墨过程中乙炔的流量，可调控非晶碳中sp³/sp²、H含量，进而达到调控非晶碳力学性能、摩擦学性能的目的。
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  高压隔膜泵单向阀阀隙流场的冲蚀磨损特性分析

  陈虹潮, 熊新, 马军, 李祥

  表面技术. 2024, 53(3): 123-131. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.012

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  目的 探究高压隔膜泵单向阀阀隙流场冲蚀磨损产生的原因及主要影响因素。方法 基于固液两相流基本理论和冲蚀模型，考虑颗粒保护效应及磨蚀效应，采用计算流体力学(CFD)方法模拟单向阀阀隙流场的冲蚀磨损行为，探究矿粉颗粒体积分数、颗粒粒径、单向阀半锥角、胶垫突出高度等参数对单向阀冲蚀磨损特性的影响。结果 矿粉颗粒紧贴阀芯壁面的剪切运动是造成阀芯发生冲蚀磨损失效的主要原因。当矿粉的体积分数由0.1增大到0.5时，由冲蚀造成的最大冲蚀磨损速率随之减小，由磨蚀造成的平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径为0.025~0.048 mm时，随着矿粉粒径的增大，平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径超过0.048 mm时，平均冲蚀磨损速率逐渐减小。当单向阀半锥角由30°增大到45°时，阀隙流场的最大流速由12.23 m/s减小至9.19 m/s，矿粉颗粒对阀芯壁面的最大冲蚀磨损速率减小了41.16%。阀隙流场的最大流速和冲蚀磨损速率随着胶垫突出高度h的增大而增大，同时位置也发生了相应变化。结论 矿粉颗粒体积分数的增加会加重粒子对阀芯壁面的损伤程度，随着粒径的增加，泵阀的最大冲蚀磨损速率先增大后减小，增大半锥角可以缓解颗粒对壁面的冲蚀磨损，增大胶垫突出高度会导致冲蚀磨损区域逐渐向胶垫突出位置集中。
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  特高压输电线路磁场对电力金具材料摩擦磨损的影响

  商利, 李新梅, 路国闯, 陈霸, 杨现臣

  表面技术. 2024, 53(3): 132-141, 209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.013

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  目的 通过分析特高压直流线路工频磁场环境对电力金具材料磨损行为的影响，探究其磨损机理，为联接金具的磨损失效预测提供理论依据。方法 分析线路实际运行参数，计算工频磁场强度，采用自制电磁线圈与M-2000型磨损试验机相结合，通过分组控制变量法研究额定工况下金具材料的磨损过程，以及不同磁场强度下材料的磨损行为。结果 在磁场环境中材料的磨损程度远小于无磁场情况下。在0~800 A/m范围内，随着磁场强度的增加，摩擦因数稍降低，质量损失量和磨损率呈下降趋势。在不同磁场强度下磨损试样均呈现越贴近摩擦接触表面区域其显微硬度越高，且随着纵深向后呈递减趋势。在无磁场情况下，磨损接触表面的犁沟较深，遍布锯齿型边缘的凹坑和山脊型微凸峰。在磁场环境中试样的接触表面和磨屑表面更加光滑平整，且氧含量明显升高。结论 在无磁场情况下，接触表面为严重的磨粒磨损和黏着磨损。在磁场环境中，磨损试样在短时间内经历了初期磨合阶段和磨损加剧阶段，从而加速过渡到稳定磨损阶段，由严重的磨粒磨损和黏着磨损加速向轻微磨损转变。稳定阶段的主要磨损机制为氧化磨损，并伴随着轻微的磨粒磨损、黏着磨损，以及两摩擦副与磨屑“阻隔层”之间的三体磨损。工频磁场环境对试样磨损起到了一定的减摩作用，磨损程度减轻。
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  基于热混合润滑的钢/橡胶接触表面水润滑增强调控

  李群, 刘晓玲, 郭峰, 周家傲, 张政

  表面技术. 2024, 53(3): 142-151, 178. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.014

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  目的 增强钢/橡胶摩擦副的润滑性能，为提高混合润滑状态下水润滑轴承的性能提供参考。方法 建立水润滑条件下钢/橡胶摩擦副的热混合润滑模型，讨论热效应对润滑性能的影响，并在此基础上进一步研究表面粗糙度、水基润滑剂黏度和供水压力对水润滑增强调控的作用。结果 与等温解相比，热效应使Stribeck曲线发生了右移，摩擦因数和载荷比增大，膜厚比降低。最高水膜温度随着转速的增加而升高，热效应对混合润滑性能的影响显著。减小摩擦副表面粗糙度，Stribeck曲线向左移动。在相同转速下，载荷比随着表面粗糙度的减小而降低，膜厚比反之。表面粗糙度越大，水膜温度越高，最高温度位于出口区，且钢的表面温度低于水膜和橡胶的表面温度。当水基润滑剂的黏度增大时，膜厚比增大，载荷比和最高水膜温度降低，Stribeck曲线发生左移。增加供水压力可以改善水膜压力分布，使水膜承载区增大、压力减小，粗糙峰接触压力和承载区减小，导致载荷比减小、膜厚比增加，Stribeck曲线向左偏移，水膜最高温度降低。当接触区由边界润滑向混合润滑过渡时，水膜最高温度出现拐点，且水膜最高温度拐点随着供水压力的增加而左移。结论 热效应会降低摩擦副的混合润滑性能，因此在混合润滑中不能忽略。考虑热效应时，通过减小表面粗糙度，或增加水基润滑剂黏度和供水压力，均有利于增强钢/橡胶接触表面水润滑的混合润滑性能。
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  山地城市地铁牵引与制动工况下钢轨波磨成因对比研究

  崔晓璐, 尹越, 徐佳, 漆伟, 杨红娟

  表面技术. 2024, 53(3): 152-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.015

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  目的 探究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。方法 基于摩擦自激振动理论，结合山地城市地铁长大坡道区段现场调研，分别构建上坡牵引和下坡制动工况下车辆?轨道系统的动力学模型，对比研究长大坡道区段牵引与制动工况下车辆?轨道系统的动力学特性。分别构建对应区段的轮对?钢轨?牵引系统和轮对?钢轨?制动系统的有限元模型，并采用复特征值法对比研究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。采用最小二乘法和粒子群算法提出抑制长大坡道区段钢轨波磨的车辆?轨道参数的最优解。结果 在轮对?钢轨?牵引系统中存在不稳定振动频率369.93 Hz，其复特征值实部为19.36。在轮对?钢轨?制动系统中存在不稳定振动频率443.92 Hz，其复特征值实部为4.970 5。结论 在牵引摩擦副与轮轨摩擦副的共同作用下产生的摩擦自激振动，在制动摩擦副与轮轨摩擦副的共同作用下产生的摩擦自激振动，分别是长大坡道牵引与制动区段钢轨波磨的主要诱因，且牵引区段发生的可能性高于制动区段。在制动工况下设置制动压力为5 kN，在牵引工况下设置牵引运行速度为80 km/h，并结合优化后的扣件参数，能有效抑制长大坡道区段钢轨波磨。
激光表面改性技术
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  飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

  吴东江, 刘成, 杨峰, 牛方勇, 董志刚, 马广义, 康仁科

  表面技术. 2024, 53(3): 162-169. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.016

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  目的 揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide，RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法 通过改变激光能量密度和有效脉冲数，研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律，确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果 激光能量密度在0.62~10.48 J/cm²时，Si富集区域形成凹陷结构，SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures，LIPSS)，周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加，凹陷结构扩大加深，表面球形纳米颗粒增多，烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~ 1 379，Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加，烧蚀槽深度显著加深，凹陷结构扩展成深坑结构，飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物，由Si、SiC和非晶态SiO2构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论 降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒，有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生，进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。
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  Mo含量对激光熔覆CoCrFeNiW0.6Mox高熵合金涂层组织与性能的影响

  杨佳伟, 牛伟, 孙荣禄, 张连旺, 马世忠, 蒋廷普

  表面技术. 2024, 53(3): 170-178. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.017

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  目的 研究Mo含量的变化对激光熔覆CoCrFeNiW0.6高熵合金涂层的影响。方法 使用RFL-C1000光纤激光器，在45钢基体表面制备CoCrFeNiW0.6Mox(x=0，0.2，0.4，0.6，0.8)高熵合金涂层，并利用Leica DVM6光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪、显微硬度仪、电化学工作站对熔覆层的宏观形貌与稀释率、相结构、微观组织结构、硬度、耐腐蚀性能进行测试与分析。结果 加入Mo元素后，结合状态与表面形貌良好，当x=0~0.4时，涂层微观组织主要呈树枝晶形态，且晶粒逐渐变细。当x≥0.6时，涂层表面开始有裂纹产生。随着Mo元素的添加，涂层逐渐析出σ相，晶粒尺寸逐渐减小。当x=0.8时，有共晶组织形成。涂层显微硬度随Mo元素的增加而增加，但由于x=0.8时出现较多裂纹，裂纹的出现影响了涂层硬度，导致x=0.8时的硬度减小。当x=0.6时，涂层平均显微硬度最高，达到了959.69HV0.3，约为CoCrFeNiW0.6涂层平均硬度的20.32%。当x=0~0.6时，涂层耐腐蚀性能随着Mo元素含量的增加逐渐提升。当x=0.8时，耐腐蚀性能变差，其原因是裂纹的出现以及σ相的形成使得涂层耐腐蚀性变差。在x=0.6时，涂层耐腐蚀性能最好。结论 Mo元素的加入使得涂层微观组织出现σ相，同时有细化晶粒的作用，可以显著改善涂层的硬度以及耐腐蚀性。
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  Si含量对激光熔覆316L工艺及腐蚀性能的影响

  董刚, 尤涵潇, 毛凯军, 袁能军, 戈民杰, 俞学振, 张群莉, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(3): 179-190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.018

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  目的 提高316L不锈钢粉末中Si元素的含量来改变熔覆层的组织形貌，进而提高熔覆层的耐腐蚀性能。方法 采用激光共聚焦显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、差重-热差测试对熔覆层试样的宏观形貌与微观结构组成进行表征。结果 随着Si含量的提升，激光熔覆层厚度增大，平均单层熔覆层厚度由0.8% Si的700 μm熔高增大至1.2% Si的800 μm与1.6% Si的900 μm，分别增大了14%与29%。其次，Si含量的提升能显著提升熔覆层的抗高温氧化性能，高温下氧化形成的SiO2膜层能够有效阻碍O2对熔池的氧化。TG测试结果表明，0.8% Si在高温下的平均氧化质量增量为32%，而1.6% Si的氧化质量增量仅为19%。同时，原位生成的纳米氧化硅颗粒使得熔覆层组织晶粒出现细化。最后，随着Si元素含量的提升，熔覆层的耐腐蚀性能得到显著提升。Si元素形成的氧化膜层能有效阻碍腐蚀的进行，提升熔覆层的腐蚀性能。熔覆层自腐蚀电位正向偏移，腐蚀电流下降，同时熔覆层阻值提升。结论 随着Si元素的质量分数由0.8%提升至1.6%，熔覆层的工艺性能显著提升，熔覆层厚度增加，且高温抗氧化性能提升，同时熔覆层的耐腐蚀性能得到显著提高。
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  Cr3C2对激光选区熔化316L合金组织及力学性能的影响

  斯松华, 郑孟勤, 徐震霖, 雷进, 严敏容

  表面技术. 2024, 53(3): 191-199. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.019

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  目的 研究添加Cr3C2颗粒对激光选区熔化316L合金的硬度、强度及耐磨性能的影响。方法 采用激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术制备316L合金及10%(质量分数)Cr3C2颗粒增强316L合金(Cr3C2/316L)，通过X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、维氏显微硬度计、双立柱电子万能试验机和摩擦磨损试验机分别对2组合金试样的组织结构、硬度、拉伸性能以及耐磨性能进行测试与分析。结果 316L合金主要由γ-Fe相组成，Cr3C2/316L合金中除γ-Fe相外，还存在Cr23C6和Cr3C2相。316L和Cr3C2/316L合金的显微组织均由柱状晶和等轴晶组成，Cr3C2/316L的组织中等轴晶比例增多，且组织产生了细化。Cr3C2/316L合金的显微硬度为327HV0.1，相比316L合金(265HV0.1)增加了23%。Cr3C2/316L合金的屈服强度和抗拉强度分别为687 MPa和1 029 MPa，较316L合金均提高了约50%。Cr3C2/316L合金的磨损率相比316L合金减小了50%。结论 在SLM过程中，由于添加的Cr3C2颗粒在激光选区熔化316L合金过程中所产生的非自发形核和提高过冷度的作用，促使了316L合金组织发生明显细化和等轴化。添加的Cr3C2颗粒所产生的细晶强化、沉淀强化和固溶强化作用，使316L合金的硬度、强度和耐磨性都得到有效提升。
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  激光除漆对铝合金基材表面质量的影响

  李强, 赵子铭, 刘伟军, 卞宏友, 王蔚, 王慧儒

  表面技术. 2024, 53(3): 200-209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.020

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  目的 研究激光除漆后对铝合金基材表面阳极氧化膜的损伤情况。方法 采用纳秒脉冲激光器对涂覆复合漆层的2A12铝合金表面进行激光清洗试验。采用超景深显微镜对清洗后表面形貌与横截面进行观察，利用扫描电子显微镜与能谱仪观察清洗后的微观形貌，并利用维氏硬度计对表面显微硬度进行检测。结果 选择合适的激光参数能够完全除去复合漆层，当激光功率过高或激光扫描速度较低时，会发生过度清洗现象，清洗后表面的阳极氧化膜层发生损伤，甚至被去除的情况。在激光功率为450、400 W，扫描速度为4.5 mm/s时，清洗后表面的阳极氧化膜层发生破损;在激光功率为450、400 W，扫描速度为4 mm/s时，清洗后表面的阳极氧化膜层已经被去除。在激光功率为500 W，扫描速度为5.5 mm/s，与激光功率为450 W，扫描速度为5 mm/s时，完全去除复合漆层后的阳极氧化膜层表面的平均维氏硬度分别约为211HV与242HV，在工艺参数为450 W、4.5 mm/s时，表面平均维氏硬度约为168HV。结论 在激光除漆的过程中，采用合适的激光工艺参数彻底去除漆层后，铝合金表面阳极氧化膜层的显微硬度并未受到影响。在发生过度清洗时，铝合金表面的阳极氧化膜层会发生烧蚀损伤以及弹性振动剥离。