2024年, 第53卷, 第5期　
刊出日期：2024-03-10

  

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研究综述
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  活性炭疏水/超疏水改性技术研究进展

  庄怡凡, 刘星宇, 花颢轩, 苏一凡, 侯泽钟, 周张恒, 季延正, 焦玄, 余新泉, 张友法

  表面技术. 2024, 53(5): 1-17. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.001

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  活性炭具有丰富的孔隙结构和表面官能团，广泛用于吸附污染环境中的各种有机物。由于活性炭表面富含亲水官能团，在潮湿环境下将优先吸附水分子，从而大幅度降低了对目标有机物的吸附容量，因此如何改善活性炭的防潮防水性能是其应用过程中亟待解决的问题。大量研究表明，活性炭经疏水/超疏水改性后，可有效隔绝水汽，显著提高其防潮、防水性能，这种特殊性能使疏水/超疏水活性炭在诸多领域都有着极高的应用前景和市场价值。基于活性炭的吸附机理，从活性炭的物理结构和表面化学性质2个角度出发，概述了活性炭的来源和形貌，着重介绍了不同的疏水/超疏水改性技术，包括高温加热处理、负载金属氧化物、有机分子改性、有机硅涂层、有机无机复合超疏水涂层的改性制备方法及相应的优缺点，并在此基础上分析了不同改性技术对活性炭的防潮、防水能力及吸附目标有机物的影响。进一步讨论了疏水/超疏水活性炭在不同领域(例如废水处理、废气处理及电化学催化等)的实际应用效果，并指出了现有技术存在的局限性，最后对活性炭的发展进行了展望。
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  离子注渗复合表面改性技术研究进展

  赵燕春, 何瑞芳, 张斌, 王欣, 许春玲, 高凯雄

  表面技术. 2024, 53(5): 18-30. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.002

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  综合国内外研究现状，目前针对离子注渗复合表面改性技术已开展了大量的研究工作，然而还缺少对其进行系统介绍的研究报道。首先，对离子渗技术(离子渗氮、离子渗碳和离子渗硫)、离子注入技术(氮离子注入、碳离子注入和金属离子注入)和离子注渗复合技术的原理进行了介绍。其次，对上述表面改性技术的研究进展进行了综述和总结。最后，针对目前离子注渗复合技术的不足之处，从改善硬件设备、强化作用机理、系统研究复合处理工艺和促进其工业化应用等方面进行解决，提出要充分利用注渗和镀膜技术复合的优势来实现材料结构功能一体化，推动多相复合强化技术的研究与开发，为工业化应用奠定理论基础。
摩擦磨损与润滑
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  石墨烯对聚脲脂高温流变和摩擦学性能的影响

  李林燃, 刘豪, 余来贵, 张玉娟, 张平余, 宋宁宁, 张晟卯

  表面技术. 2024, 53(5): 31-40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.003

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  目的 保证轴承体系的安全性和可靠性，研究轴承润滑脂在不同工作温度下的摩擦学性能和流变学性能。方法 用机械剥离法制备的石墨烯作为聚脲脂的润滑添加剂，通过四球摩擦试验机、旋转流变仪，研究石墨烯在不同工作温度下对聚脲润滑脂流变行为和摩擦学性能的影响，并通过三维轮廓仪、扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对磨斑形貌和结构进行分析。结果 添加石墨烯润滑添加剂使聚脲润滑脂的高温硬化现象明显改善，同时提高了聚脲润滑脂的结构稳定性和抗剪切能力。工作温度为75、150 ℃时，与空白聚脲润滑脂相比，含1.0%(质量分数)石墨烯的聚脲润滑脂润滑下的轴承钢摩擦副的摩擦系数和磨斑直径分别降低49%、20%和10%、20%。随着工作温度的升高，含石墨烯的聚脲润滑脂样品在钢滑动表面形成的沉积膜的结构有序化碳的含量稍有下降，但与空白聚脲润滑脂相比，石墨烯-聚脲润滑脂沉积膜的结构有序化碳含量高得多。结论 结构有序化碳的形成对提高基础脂的减摩抗磨性能起至关重要的作用，石墨烯润滑添加剂还可以有效改善聚脲润滑脂的高温硬化性能、胶体稳定性以及稠化剂的结构稳定性。
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  科隆蛋扣件区段双重钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制效果研究

  崔晓璐, 张洪伟, 徐佳, 徐晓天, 杨红娟, 杨芙蓉

  表面技术. 2024, 53(5): 41-51. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.004

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  目的 研究科隆蛋区段双重钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制效果。方法 首先，结合现场建立轮对-钢轨-吸振器系统的有限元模型。然后，基于摩擦自激振动理论，采用复特征值法与瞬时动态法对单重和双重钢轨吸振器的抑制效果进行对比。进而，采用谐响应分析探究双重钢轨吸振器对钢轨波磨抑制效果提高的原理。最后，对双重钢轨吸振器的关键连接参数进行参数化分析，基于最小二乘法对其进行多参数拟合求最优解。结果 轮轨系统有3个不稳定振动频率228.57、480.97、1 181.60 Hz，单重钢轨吸振器对其的抑制效果分别达到了15.20%、100%、20.19%，双重钢轨吸振器对其的抑制效果达到了15.20%、100%、100%。双重钢轨吸振器调谐频率分别为183.64、473.62 Hz。对比参数优化前后，经过优化连接参数后的轮对-钢轨-吸振器系统的复特征值实部较小，为33.683。结论 双重钢轨吸振器因其2个调谐频率能更好地抑制轮轨系统的多个不稳定振动频率，从而对钢轨波磨的抑制效果更好。减小连接刚度和增大连接阻尼能提高其对钢轨波磨的抑制效果。当双重钢轨吸振器的下质量块垂向刚度为22.7×10⁷ N/m、上下质量块垂向刚度为1.856×10⁷ N/m、连接阻尼为6 N.s/m时，能有效地抑制科隆蛋扣件区段钢轨波磨的产生。
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  氮流量对六方氮化硼(hBN)薄膜结构和力学性能的影响

  张丽红, 张斌, 高凯雄, 于元烈, 唐宏亮, 张俊彦

  表面技术. 2024, 53(5): 52-59. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.005

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  目的 研究磁控溅射过程氮气(N2)流量对六方氮化硼(hBN)薄膜结构和力学性能的影响，为设计新型结构hBN薄膜提供新思路。方法 利用中频电源磁控溅射硼靶，调节不同N2流量(6、12、18、24、30、36 mL/min)，沉积4 h后得到hBN薄膜，使用表征工具分析N2流量对hBN薄膜的组成、微观结构、表面形貌以及力学性能的影响。最后使用透射电子显微镜和选区电子衍射对所制备薄膜的纳米晶粒尺寸和晶体点阵结构进行分析。结果 XRD结果显示，薄膜物相主要为hBN。XPS结果说明，所制备薄膜为富硼hBN薄膜。薄膜的硬度和弹性模量随N2引入量的增加呈现先下降、后上升的趋势，最大硬度可达7.21 GPa，对应弹性模量为116.78 GPa。薄膜最低的硬度值为1.2 GPa，弹性模量为32.68 GPa。薄膜弹性破坏应变(H/E^*)和塑性变形抗力(H³/E^*2)随N2引入量的增加也呈现先上升、后下降的趋势，硬度最高薄膜对应的H/E^*值为6.414 ′ 10^–2，H³/E^*2值为29.27 ′ 10^–3 GPa，最低硬度值对应的H/E^*值为3.819 ′ 10^–2，H³/E^*2值为1.77 ′ 10^–3 GPa。透射结果显示，当N2引入量从6 mL/min逐渐增加到36 mL/min时，薄膜微观结构由结晶较差的卷曲结构过渡到局部纳米晶结构，最后形成结晶性较好的卷曲结构，并再次证明所制备薄膜为hBN。结论 在中频磁控溅射沉积hBN薄膜时，通过调整N2流量可以有效调节薄膜的特殊组成，使结构发生转变，进而影响薄膜的力学性能。
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  煤油流量对HVOF喷涂FeCrMoSi-Ti3SiC2涂层高温摩擦磨损性能的影响

  何陶, 刘侠, 张世宏, 常诚, 杨阳, 薛召露, 杨康

  表面技术. 2024, 53(5): 60-68. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.006

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  目的 提高燃煤锅炉四管的耐磨性能。方法 使用喷雾造粒技术制备FeCrMoSi/Ti3SiC2复合粉末，并利用超音速火焰喷涂技术(HVOF)在12CrMoV基体上制备煤油流量分别为26、28、30、32 L/h的复合涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及其自带的能谱仪(EDS)、Raman、维氏显微硬度计和摩擦磨损试验机研究FeCrMoSi/Ti3SiC2粉末及其涂层相组成、组织结构，检测涂层的力学性能，并对涂层在800 ℃下的摩擦学性能和磨损机理进行系统分析。结果 粉末物相主要由Ti3SiC2、Fe-Cr和TiC组成，涂层的物相与粉末类似，但是新产生了SiC相，且随着煤油流量的升高，Ti3SiC2物相逐渐分解。当煤油流量为30、32 L/h时，涂层内Ti3SiC2物相大量分解。涂层的硬度和断裂韧性随着煤油流量的升高表现出先升高、后降低的趋势，孔隙率和磨损率呈现先减小、后增大的趋势。当煤油流量为28 L/h时，涂层磨损率最低，约为5.44 ′ 10^-15 m³/(N.m)。结论 煤油流量为28 L/h时，涂层表面生成的SiO2、TiO2和Fe2O3等氧化物均匀分布在磨痕和对偶球表面，有效阻挡了对偶球和涂层的直接接触，使得涂层显示出最优异的摩擦学性能。涂层的主要磨损机制为氧化磨损和黏着磨损。
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  TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究

  刘畅, 张春晖, 杜鹏程, 许建亮, 高名传, 陈同舟

  表面技术. 2024, 53(5): 69-77. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.007

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  目的 改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损，提升钛合金零部件的使用寿命。方法 采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在TC4钛合金表面上制备Cr3C2-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能，采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与TC4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果 Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3，低于Cr3C2-NiCr涂层硬度1 120HV0.3。在高载荷作用下，由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低，导致其颗粒界面出现裂纹，断裂韧性测试表现低于Cr3C2-NiCr涂层。3种涂层的摩擦系数及波动均大于TC4钛合金基材。Cr3C2-NiCr涂层对TC4的切削和NiCr涂层对TC4的黏着导致了TC4对磨副的严重磨损。中等硬度的Ni50涂层对TC4的切削和黏着作用分别弱于Cr3C2-NiCr和NiCr涂层，TC4对磨副的磨损损失最低。结论 采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失，本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。
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  空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响

  陈赛男, 董志宏, 鲍泽斌

  表面技术. 2024, 53(5): 78-84, 107. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.008

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  目的 改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能，探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。方法 利用空心阴极放电(Hollow Cathode Discharge，HCD)及稀土氧化物(Y2O3纳米颗粒)辅助在720 ℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮处理。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪、往复式摩擦磨损实验仪以及电化学工作站，对比研究常规离子渗氮、HCD辅助离子渗氮以及HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮3种条件下Ti6Al4V合金的渗氮组织和性能。结果 HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮条件下，Ti6Al4V合金表面生成约126 μm厚的渗氮层，分别是常规离子渗氮条件和HCD辅助离子渗氮条件的3.1、2.4倍。化合物层中，TiN含量显著增加，渗氮层表面硬度达到1 067.9HV0.05。渗氮层整体硬度明显提高，且硬度梯度降低。Ti6Al4V合金的摩擦系数从常规离子渗氮时的0.4降至0.2。同时，TiN含量的提高，使Ti6Al4V合金在3.5% NaCl溶液中的自腐蚀电流降低，极化电阻增大，耐蚀性能得到改善。结论 HCD复合Y2O3辅助可显著提高氮势，促进氮向Ti6Al4V合金内快速扩散，提高合金的硬度，改善合金的耐磨性能和耐蚀性能。
激光表面改性技术
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  激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

  付子聪, 杨诗婷, 田宪会, 郎风超, 李继军, 张伟光

  表面技术. 2024, 53(5): 85-95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.009

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  目的 研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法 对原始态合金分别进行600、700、800、900 ℃退火处理，利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果 随着退火温度的升高，原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象，表现出典型的压痕尺寸效应，基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa，弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81，均小于2，均表现为正压痕尺寸效应。结论 激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应，Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系，其拟合结果更接近于试验结果，计算的硬度值也最为准确。
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  42CrMo钢表面激光熔覆钴基金刚石耐磨层组织及性能

  罗亮斌, 梁国星, 刘东刚, 郝新辉, 黄永贵, 赵建

  表面技术. 2024, 53(5): 96-107. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.010

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  目的 增强42CrMo钢的耐磨性，改善其严重的磨损失效情况。方法 采用激光熔覆技术同步送粉的方式在42CrMo钢表面制备金刚石/WC颗粒增强钴基复合熔覆层，借助SEM、EDS、XRD、显微硬度仪和多功能综合性能测试仪，研究了熔覆层宏观形貌与微观组织、物相组成、显微硬度与耐磨性。结果 使用Ti/TiC粉末对金刚石进行预处理可以改善其烧蚀和石墨化;适量ZrH2提升了熔覆层宽厚比，促进了熔池对流传质作用，同时，活性元素Zr改善了金刚石颗粒的润湿性能，提高了黏结相对金刚石的把持力。熔覆层多道搭接过渡均匀，其显微组织主要由细小枝晶及致密网状碳化物共晶组成，熔覆层与基体结合区域反应生成了平面晶组织，进而提高了熔覆层结合强度。激光熔覆热特性使W2C、ZrC、γ-(Co，Fe)、M6W6C、CoZr2、(Ti，Zr)O2、TiCx、Co3Ti等物相存在于熔覆层内，细晶强化及弥散强化作用使得熔覆层的平均显微硬度(1 002HV0.2)是基体的3倍。熔覆层平均磨损量是基体平均磨损量的1/2，熔覆层平均摩擦因数也明显低于基体，表明熔覆层的耐磨性能得到提升，其磨损机制主要为磨粒磨损，熔覆层内金刚石因承担摩擦载荷而钝化，但磨痕中的金刚石完整且未发生脱落。结论 金刚石/WC颗粒增强钴基复合熔覆层的耐磨性显著提高，可用于42CrMo钢表面强化。
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  H13钢表面激光熔覆NbC/Ni60复合涂层组织及高温耐磨损性能

  常倾城, 任利兵, 刘英, 谢咏馨, 李卫

  表面技术. 2024, 53(5): 108-114. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.011

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  目的 研究NbC颗粒的加入量对H13钢表面激光熔覆NbC/Ni60复合涂层的组织、硬度和耐磨性的影响。方法 将Ni60合金粉末与NbC碳化物粉末球磨混合，采用激光熔覆技术，在H13钢基体表面制备不同NbC含量(质量分数分别为0%、10%、20%、30%)增强的NbC/Ni60合金复合涂层。采用电子扫描显微镜(SEM)、X射线衍射仪对复合涂层的微观组织和物相进行分析。借助显微硬度计，研究复合涂层的截面显微硬度分布规律。采用高温摩擦磨损试验机测试复合涂层在真空400 ℃下的摩擦磨损性能。结果 在激光熔覆NbC/Ni60复合涂层中，物相主要由γ-(Ni, Fe)固溶体、Ni2Si、CrB、Cr23C6、NbC组成;熔覆层以胞晶和枝晶为主，NbC含量对复合熔覆层组织及形态具有显著影响，加入少量NbC可使熔覆层组织细化;在NbC的质量分数为20%时，大量弥散的NbC颗粒在枝晶间呈聚集趋势;在NbC的质量分数为30%时，熔覆层中NbC相呈现块状、花瓣状形貌。NbC/Ni60复合涂层的硬度显著高于H13钢基体，随着NbC含量的增加，NbC/Ni60复合熔覆层的显微硬度逐渐升高，NbC的质量分数为30%的NbC/Ni60复合熔覆层的平均硬度高达848HV。在真空400 ℃、压力100 N、转速100 r/min、时间7 200 s磨损工况下，NbC质量分数为20%的NbC/Ni60复合涂层的磨损量最小，因此其高温耐磨性最好。NbC质量分数为10%的NbC/Ni60复合涂层的摩擦因数最小。随着NbC含量的增加，复合涂层的摩擦因数反而升高。结论 NbC/Ni60复合涂层与H13钢基体具有很好的冶金结合，显著提高了高温耐磨性能;NbC颗粒硬质相具有较好的增强作用，能够明显提高NbC/Ni60复合涂层的硬度和耐磨性;粗大NbC相不利于复合涂层耐磨性的进一步提高。NbC/Ni60复合涂层的磨损机制主要为磨粒磨损、疲劳剥落磨损。
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  超音速激光沉积Cu-Al2O3-石墨复合涂层微观结构及耐磨损性能

  孙启帆, 林钟卫, 刘博, 章钢, 李波, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(5): 115-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.012

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  目的 研究不同石墨含量对超音速激光沉积Cu-Al2O3-石墨复合涂层的微观组织、显微硬度、耐磨损性能的影响。方法 利用扫描电子显微镜、能量色谱仪、维氏硬度计、激光共聚焦扫描显微系统、X射线衍射仪、摩擦磨损测试对复合涂层的微观组织、显微硬度、耐磨损性能及磨损机制进行分析。结果 随着原始粉末中镀铜石墨质量占比的增加，Cu-Al2O3-石墨复合涂层的沉积效率逐渐降低。基于Al2O3颗粒的原位喷丸效应及激光辐照的加热软化效应，复合涂层具有致密的微观组织，且复合涂层与基体界面结合良好。单一添加Al2O3颗粒可以将Cu涂层的硬度从108.19HV0.2提高至121.82HV0.2。随着石墨含量的增大，涂层的显微硬度逐渐降低，镀铜石墨在原始粉末中的质量分数从5%增至15%，Cu-Al2O3-石墨复合涂层的硬度从116.09HV0.2降至94.17HV0.2。添加石墨能够在复合涂层表面形成固体润滑层，降低复合涂层的摩擦因数，提升涂层的耐磨损性能。CuAlGr10复合涂层具有最优的耐磨损性能，磨损率为0.7×10^?4 mm³/(N.m)。此外，由于激光辐照促进了复合涂层内部颗粒间的界面结合，均匀分散在石墨润滑相中的Al2O3颗粒作为负载支撑和耐磨相，可进一步降低复合涂层的磨损率。结论 Cu-Al2O3-石墨复合涂层优异的耐磨性能是润滑相石墨颗粒和硬质增强相Al2O3颗粒共同作用的结果，石墨的添加能够降低复合涂层的摩擦因数，提升涂层的耐磨损性能，但过量的石墨颗粒会对涂层产生割裂作用，导致增强相Al2O3颗粒脱离涂层，从而加剧涂层的磨损。
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  斜面多道熔覆涂层平整度的数值模拟与试验研究

  练国富, 李益, 褚梦雅, 陈昌荣, 黄旭, 冯美艳

  表面技术. 2024, 53(5): 126-136. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.013

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  目的 揭示扫描方式、基材倾角、搭接率对斜面熔池成形的影响规律，提高斜面多道搭接涂层的平整度。方法 采用数值模拟探究激光扫描方式、基材倾斜角度、搭接率对倾斜基材表面熔覆涂层平整度的影响机理，并结合正交试验进行验证。结果 模拟所得平整度随扫描方式、倾斜角度、搭接率变化规律与试验一致。激光扫描方式对水平基材的多道搭接平整度无明显影响，但对倾斜基材表面的多道平整度影响显著。相同扫描方式下，不同倾斜角度的基材适应的搭接率不同。结论 相比其他扫描方式，扫描方式1(SM1)和扫描方式5(SM5)得到的熔覆层平整度和熔覆效率相对较高。平整度和熔覆效率随基材倾斜角度的增大而逐渐减小。以扫描方式5进行熔覆时，水平基材最佳搭接率为30%，基材倾斜40°时最合适的搭接率为15%~20%。显然，倾斜角度和搭接率的交互作用对平整度影响显著。
表面强化技术
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  超声纳米晶表面改性对选区激光熔化316L不锈钢微观结构和力学性能的影响

  彭兰, 张宇, 高乐, 叶一璇, 叶畅

  表面技术. 2024, 53(5): 137-148. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.014

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  目的 改善选区激光熔化(Selective laser melting，SLM)316L不锈钢的表面完整性和力学性能。方法 采用超声纳米晶表面改性(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification，UNSM)这一新兴表面塑性变形方法对SLM 316L不锈钢进行超声冲击强化，利用维氏硬度计、扫描电镜、白光干涉仪、EBSD、XRD等对处理前后材料的表面完整性、微观组织演变和塑性变形行为进行表征和分析。结果 经过UNSM处理后，SLM 316L不锈钢的微观缺陷明显减少，初始未熔合孔隙发生闭合，表面粗糙度Ra由5.374 μm降至0.510 μm，表面硬度从230HV增至461.16HV;同时，材料表层发生了剧烈的塑性变形，形变诱导材料微观组织从γ相向α相转变，微观结构由初始不规则柱状粗晶转变为等轴状细晶。从EBSD表征结果可知，在材料表面形成了深度约为20 μm的梯度纳米晶，材料内部存在明显的不均匀变形;与初始SLM试样相比，通过UNSM处理在材料表面引入了最大为932 MPa的残余压应力。结论 超声纳米晶表面改性能够显著改善SLM 316L不锈钢的表面完整性，形成较深的晶粒细化层和残余应力硬化层，从而有效提高其耐腐蚀性和疲劳抗性，是一项有前景的SLM后处理技术。
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  热辅助超声滚压温度场参数影响激光熔覆涂层表面粗糙度研究

  张常胜, 沈学会, 罗辉, 姜永泉

  表面技术. 2024, 53(5): 149-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.015

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  目的 降低激光熔覆涂层的表面粗糙度。方法 采用激光熔覆技术制备铁基激光熔覆涂层，采用超声温滚压耦合热处理工艺对熔覆层进行熔覆后强化加工，重点研究温度场参数对成形表面粗糙度的影响，通过方差分析(ANOVA)确立参数显著性，同时利用响应曲面法(RSM)构建温度场参数影响铁基涂层表面粗糙度的预测模型，并进行参数优化。结果 加热温度和保温时间对成形试样表面粗糙度的影响显著。在实验参数范围内，试样的表面粗糙度与加热温度呈正相关，与保温时间呈负相关。实验结果表明，在相同保温时间下，在加热温度100、250、400 ℃条件下试样的表面粗糙度Ra分别为0.237、0.158、0.096 μm;在相同加热温度下，在保温时间为0.5、1、2 h条件下试样的表面粗糙度Ra分别为0.156、0.164、0.170 μm。可见与保温时间相比，加热温度对涂层表面粗糙度的影响更显著。参数优化分析结果表明，在实验参数范围内，在400 ℃加热温度和0.5 h保温时间条件下，试样具有最小的表面粗糙度Ra(0.089 μm)。结论 相较于车削及常温滚压工艺，采用超声温滚压耦合热处理工艺可进一步降低激光熔覆涂层的表面粗糙度，在实验参数范围内，加热温度400 ℃和保温时间0.5 h是最优的温度场参数组合。
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  超声滚压GCr15表面性能模型建立及工艺参数优化

  黄鹏程, 王燕霜, 程勇杰, 王高峰, 袁锡铭

  表面技术. 2024, 53(5): 156-165. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.016

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  目的 基于超声滚压后GCr15试样表面粗糙度和表面硬度与工艺参数之间的数学模型，获取超声滚压GCr15的最佳工艺参数。方法 首先，通过单因素试验筛选4个工艺参数的取值范围;其次，建立基于响应曲面的超声滚压GCr15表面硬度及表面粗糙度预测模型;再次，基于遗传算法对2个预测模型进行多目标复合优化，得到最佳工艺参数;最后，针对多目标优化结果进行试验验证。结果 在超声滚压处理GCr15时，滚压静压力及滚压次数对试样表面硬度及表面粗糙度的影响极显著，转速的影响不显著;进给量对表面硬度有显著影响，对表面粗糙度的影响不显著。粗糙度模型受到静压力和滚压次数双因子交互作用的影响，硬度模型不受交互作用的影响。基于遗传算法进行多目标优化得到的最佳工艺参数如下:转速为207 r/min，进给量为0.34 mm/ r，静压力为0.49 MPa，滚压次数为3。在最佳工艺参数下得到试样的最低表面粗糙度为0.34 μm、最高硬度为60.5HRC。结论 基于响应曲面法的GCr15超声滚压表面性能预测模型准确有效。采用最优工艺参数能够获得最优表面质量。
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  激光表面处理对工业级锆基块体非晶合金塑性变形能力的影响

  程杨洋, 钟勇, 张星, 陈辰, 余龙, 王鹏飞, 张涛

  表面技术. 2024, 53(5): 166-173, 183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.017

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  目的 针对工业级Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5块体非晶合金受到原材料中杂质元素和制备环境中氧元素的影响，其本征塑性变形能力较差的问题，研究激光表面处理对工业级Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5块体非晶合金在压缩和拉伸条件下塑性变形能力的影响。方法 采用低纯原料制备工业级母合金锭子，利用铜模铸造法在低真空环境下制备工业级非晶合金试样，采用激光法对试样进行表面处理，利用万能试验机对激光处理试样的压缩和拉伸力学性能进行测试。通过X射线衍射仪和电子探针对试样的微观组织结构进行表征，采用扫描电镜对力学测试失效后试样的形貌进行微尺度观察。结果 经激光表面处理后影响区的深度约为150 μm，在影响区内铜元素的含量有所降低，但依然为非晶结构。在压缩条件下，未经激光表面处理的工业级Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5块体非晶合金的塑性应变为0，断裂强度为1 534 MPa。经过激光表面处理后，试样具有1%的塑性应变，屈服强度为1 337 MPa，断裂强度为1 562 MPa。在拉伸条件下，激光表面处理前后工业级块体非晶合金的塑性应变均为0，断裂强度也无明显变化，其平均值为1 379 MPa。结论 通过激光表面处理在工业级Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5块体非晶合金试样表面引起的成分变化和引入的残余应力状态，能够有效促使压缩载荷作用下剪切带的萌生，提高其压缩塑性变形能力。
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  高温对含氢DLC涂层的微观结构及力学性能的影响

  贾伟飞, 梁灿棉, 胡锋

  表面技术. 2024, 53(5): 174-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.018

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  目的 针对含氢DLC涂层热稳定性很差的问题，探究高温下含氢DLC涂层的微观组织变化特征，以及高温对其力学性能的影响。方法 采用等离子体强化化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)在S136模具不锈钢表面沉积以Si为过渡层的含氢DLC复合涂层，利用光学显微镜、扫描电镜、拉曼光谱、X射线电子衍射仪、三维轮廓仪研究DLC涂层的微观结构，采用划痕测试仪、往复式摩擦磨损试验机、纳米压痕仪研究DLC涂层的力学性能，并通过LAMMPS软件，利用液相淬火法建立含氢DLC模型，模拟分析经高温处理后涂层的组织变化特征和纳米压痕行为。结果 在400 ℃、2 h的退火条件下，拉曼谱峰强度ID/IG由未退火的0.7增至1.5，涂层发生了石墨化转变，同时基线斜率下降，H元素析出;XPS结果表明，在此条件下涂层中sp²杂化组织相对增加，氧元素增多，涂层粗糙度增大;在600 ℃、2 h退火条件下，DLC发生了严重氧化，LAMMPS模拟结果表明，在400 ℃高温下涂层的分子键长变短，表明sp³杂化组织在高温下吸收能量，并向sp²杂化转变。纳米压痕模拟结果显示，在400 ℃下退火后，涂层的硬度下降。结论 在400 ℃下退火处理后，涂层中的H元素释放，涂层内应力减小，保证了涂层的强度;在600 ℃退火条件下，过渡层的Si和DLC在高温下形成了C—Si键，使得DLC薄膜部分被保留;LAMMPS模拟结果表明，在高温下涂层发生了石墨化转变，涂层的硬度减小。
热喷涂与冷喷涂技术
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  基于赫兹接触模型的发动机封严涂层碰磨力计算与优化

  丁坤英, 裴祥忠, 刘子剑, 王梦潇, 贾治豪

  表面技术. 2024, 53(5): 184-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.019

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  目的 提高航空发动机的推进效率，在压气机机匣上喷涂可以减少叶尖径向间隙的封严涂层。叶尖与涂层之间的碰磨力会导致涂层脱落，且会击伤叶片，需要对碰磨力进行分析。方法 采用大气等离子喷涂技术制备4种不同硬度的AlSi-PHB(聚苯酯)封严涂层，通过表面硬度测试、弹性模量测试和高速碰磨试验，分别评价封严涂层的硬度、弹性模量，以及在高速碰磨过程中不同工况下涂层受到的碰磨力;基于赫兹接触模型对叶尖与涂层之间的碰磨力进行计算，通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对碰磨后的涂层和叶尖进行分析，同时根据接触面形态特征和温度特征对赫兹模型进行优化。结果 碰磨力与涂层的硬度、叶尖转速、叶尖切入速率有关，复杂的接触表面形貌和摩擦升温会导致理论计算值与实验值之间出现偏差。结论 通过优化叶尖和涂层的接触系数，同时考虑摩擦升温对涂层弹性模量的影响，可将不同工况下碰磨力计算值与测量值之间的偏差控制在1%~11%，这项研究对于指导航空发动机封严涂层的设计具有重要意义。
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  冷喷涂参数对7050高强铝合金轴箱体修复层组织和性能的影响

  韩晓辉, 姚小春, 曹金山, 管益辉, 张志坚, 王雁鑫, 雒晓涛

  表面技术. 2024, 53(5): 194-204. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.020

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  目的 解决热加工技术修复高强铝合金存在的基材易开裂、沉积层易氧化、强度性能下降等问题，针对高速列车7050铝合金轴箱体修复需求，利用高压冷喷涂技术的低温固态沉积特性完成轴箱体同质修复。方法 采用7050铝合金轴箱体样件为基材，在其表面采用高压冷喷涂技术喷涂同质粉末制备出试样，通过SEM、TEM、显微硬度计、球盘摩擦磨损试验机、万能试验机，以及电化学测试等，分别研究喷涂压力、温度对修复层显微组织、硬度、剪切强度、耐蚀耐磨性能的影响规律。结果 修复层组织致密，孔隙率小于0.6%，随着喷涂压力、温度的升高，可进一步降低孔隙率;修复层的平均硬度可达133.1HV0.05，低于基体平均硬度(165.6HV0.05);耐磨性与基体相当，磨损机理为塑性犁削;修复层与基体的剪切强度达到96 MPa以上;修复层的腐蚀电位(?0.77 V，vs. SCE)略低于基体(?0.70 V，vs. SCE)，修复层与基体无电偶腐蚀倾向。结论 通过高压冷喷涂技术制备了组织致密、结合良好、与基体性能相当的修复层，并采用优化的工艺参数完成了损伤轴箱体的再制造修复，经台架试验证明满足服役工况要求。
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  高粗糙度NiCrB打底层对陶瓷颗粒增强聚合物基复合涂层性能的影响

  郎梼, 刘刚, 何伟焕, 李勇, 刘加将

  表面技术. 2024, 53(5): 205-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.05.021

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  目的 提高水电装备过流部件表面聚合物基复合抗空蚀涂层与碳钢基材的结合强度，解决因聚合物涂层局部分层，使得水进入聚合物涂层与碳钢界面，引起碳钢快速氧化膨胀，导致涂层快速剥落的难题。方法 采用电弧喷涂技术在碳钢基材表面制备NiCrB高粗糙度耐腐蚀打底层，然后在其上涂覆聚氨酯基复合涂层。通过激光共聚焦显微镜、扫描电镜，以及结合强度测试、电化学测试和中性盐雾测试，分别表征打底层的表面形貌、致密度，并评价打底层对聚氨酯基复合结合强度和防腐蚀性能的影响。结果 通过调控参数，在NiCrB打底层表面形成由熔滴气化后沉积形成的规则排布凸起颗粒，涂层的表面粗糙度相较于常规热喷涂涂层得到显著提高，在Ra 10.95~37.24 μm内可有效调控，且涂层的孔隙率均低于1.5%。添加高粗糙度致密NiCrB打底层后，聚氨酯基复合涂层的结合强度由13.6 MPa升至30.5 MPa。在基体添加NiCrB打底层后，其开路电位由?0.73 V升至?0.54 V，腐蚀电位(vs. SCE)由?0.76 V升至?0.58 V，电荷转移电阻由1 729 Ω.cm²升至8 425 Ω.cm²。在上层聚合物涂层破损的情况下，带有NiCrB打底层的样品在接受300 h中性盐雾测试后无明显锈点，相较于无打底层样品，其盐雾腐蚀寿命提高了11倍以上。结论 通过电弧喷涂NiCrB打底层可以在较大范围内实现表面粗糙度的调控，打底层的高粗糙度显著提升了聚合物基复合涂层的结合强度，打底层优异的耐腐蚀性能显著提升了聚合物基复合涂层的长效耐腐蚀性能，保障了水力过流部件的长效服役。