2024年, 第53卷, 第7期　
刊出日期：2024-04-10

  

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研究综述
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  激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

  李尧, 寇浩南, 李梦阳, 张阔, 刘源, 虢婷, 张凤英, 宋绪丁

  表面技术. 2024, 53(7): 1-14. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.001

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  针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象，对比了2类热裂纹(即凝固裂纹和液化裂纹)的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度，系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上，从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面，概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后，针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题，提出了进一步研究和发展的建议，为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。
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  医用可降解镁合金应用及表面改性研究进展

  王国庆, 李广芳, 刘宏芳

  表面技术. 2024, 53(7): 15-30. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.002

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  镁及其合金作为新一代生物医用可降解材料，具有良好的经济性、力学性能、生物相容性、可降解性能，在骨科、心血管科、消化科等领域具有广阔的应用前景。镁合金具有较高的化学活性，因此其降解速率较快，力学性能的维持受限，植入时可能发生的细菌感染会引发炎症和腐蚀加速等问题，因此需要通过表面改性来制备多功能一体化的涂层。综述了医用可降解镁合金作为接骨板、螺钉、血管支架、胃肠吻合器、胆管支架等植入材料的应用现状及最新研究成果。讨论了医用可降解镁合金在植入生物体时面临的析氢、pH升高、腐蚀加速、力学性能衰减、稀土元素毒性及内膜增生等具体问题，在此基础上，考察了化学转化、等离子喷涂、微弧氧化、聚合物涂层等4种镁合金表面改性技术的最新研究动态。结合体内试验和体外试验，概述了表面改性对镁合金安全性、耐蚀性、抗菌性、生物相容性等方面的影响，并简要对比了几种表面改性技术的优缺点。最后展望了医用可降解镁合金表面改性技术的发展方向。
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  MCrAlY涂层的研究进展

  门引妮, 李进, 卢金文, 徐研, 郭阳阳

  表面技术. 2024, 53(7): 31-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.003

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  随着发动机的服役温度日益升高，工作环境日益恶劣，涡轮叶片极易在高温环境中氧化，大大降低了叶片的使用寿命。如何在低成本下制备保护性能好的高温防护涂层，是当前国内外研究的重点。MCrAlY包覆涂层可分为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层和NiCoCrAlY涂层，这3类涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能较好，又有很好的塑韧性和抗热疲劳性能，因此可作为涂层或热障涂层的黏结层材料。综述了涂层中主要元素(Al、Cr、Co、Y)、掺杂合金元素(Ta、Re、Si、Pt)、涂层制备工艺和预处理工艺对MCrAlY涂层性能的研究进展。结果表明，可以通过调节MCrAlY涂层的成分来实现涂层性能的调控。向MCrAlY涂层中掺入Si、Ta和Re等活性元素，可显著提高涂层的抗高温氧化性能，以进一步提高发动机的工作效率和满足高温的工作环境需求。总结了采用细化涂层晶粒、掺杂纳米颗粒和制备梯度复合涂层等方法来提高MCrAlY涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能的研究现状，对MCrAlY涂层的发展趋势进行了展望。
摩擦磨损与润滑
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  基于激光熔覆的缸套表面梯度材料制备及其摩擦学性能研究

  刘永琪, 袁成清, 饶响, 郭智威

  表面技术. 2024, 53(7): 40-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.004

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  目的 研究功能梯度材料对缸套表面的抗磨减摩作用，提升缸套-活塞环配副的摩擦学性能。方法 通过激光打标机在缸套表面制备具有30°角规则纹理排布的凹槽，在凹槽内采用同轴送粉的方式熔覆镍含量不同的铁基粉末，分析熔覆合金层的金相组织，并利用往复式摩擦磨损试验机研究在一定载荷压力下功能梯度材料缸套的摩擦学性能。结果 熔覆层金相组织呈现梯度排布，熔覆层与基体材料分子原子交互扩散形成良好的冶金结合。牌号为350、镍质量分数为4.2%、铁质量分数80%的粉末所制备的功能梯度材料，减摩效果最为明显，相比未经处理的对照组，平均摩擦因数降幅为25.4%，且该组在试验中接触电阻的平均值最大，相比对照组提升了63.45%。牌号为330、镍质量分数为9%、铁质量分数为70%的粉末制备的缸套，表面支撑指数最高为0.78，相比于未处理的对照组，增幅达到35%，且试验组活塞环经摩擦后，磨损量均小于对照组。结论 制备了30°角分布的功能梯度材料，能使得缸套-活塞环摩擦学系统在工作过程中摩擦副的润滑油膜厚度更厚，且在运行过程中更稳定，以减少摩擦力和降低摩擦因数。同时，增强其支撑能力和储存润滑油的能力，使所制备的缸套摩擦因数显著降低。牌号为350的材料，改善摩擦学性能的效果最优。
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  GCr15SiMo钢中贝氏体含量对力学性能及干摩擦磨损性能的影响

  毛艳珊, 杜三明, 傅丽华, 张永振, 高元安, 杨军, 魏超凡, 付壁聪

  表面技术. 2024, 53(7): 48-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.005

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  目的 通过控制等温淬火时间，在GCr15SiMo轴承钢中获得不同含量的贝氏体组织，并研究不同含量的贝氏体组织对材料力学性能和干摩擦磨损性能的影响。方法 采用SEM、3D morphology、TEM、EDS、XRD、洛氏硬度计、冲击试验机等仪器观测GCr15SiMo轴承钢经不同等温淬火时间后的微观组织、物相含量和力学性能，并使用HL-R7000重载往复摩擦磨损试验机对不同贝氏体组织含量的试样进行摩擦磨损性能检测。结果 当等温淬火时间由2 h延长至72 h时，材料中贝氏体的体积分数由14.5%增至83.5%。随着GCr15SiMo轴承钢材料中韧性贝氏体含量的增多、脆性马氏体含量的减少，其硬度逐渐降低，冲击功逐渐增大，磨损率呈现先降低再升高的趋势。材料的磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损，随着等温淬火时间的延长，基于韧性贝氏体含量的增加，材料的磨粒磨损减弱、黏着磨损增强。结论 在等温淬火温度为210 ℃、等温淬火时间为8 h时，材料中贝氏体的体积分数约为55.6%，马氏体的体积分数为33.2%，此时马氏体和贝氏体复相组织具有良好的强韧性匹配，材料的耐磨性能较好。
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  17-4PH不锈钢激光气体渗氮层显微组织与摩擦学性能

  刘礼, 邵磊, 孙岩茹, 崔梓烁, 李克伟, 李文生

  表面技术. 2024, 53(7): 57-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.006

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  目的 提高17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的表面硬度及耐磨性。方法 采用光纤激光器对17-4PH不锈钢进行激光气体氮化，采用不同激光功率在其表面制备渗氮层。利用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备分析渗氮层的显微组织和相组成;借助显微硬度仪测试渗氮层截面深度方向的硬度;采用多功能摩擦磨损试验机测试基体、渗氮层的摩擦学性能，并通过SEM分析磨痕形貌，揭示基体与渗氮层的磨损机制。结果 在渗氮前样品组织为回火马氏体，经激光渗氮后样品表面形成了由板条马氏体组成的熔化区和回火马氏体组成的热影响区构成的渗氮层。经渗氮后，样品的硬度均得到提高。在激光功率3 000 W下，渗氮层的表面硬度最高，达到了415HV0.2，约是基体硬度的1.2倍，渗氮层的硬度随着深度的增加呈下降趋势，在深度为2.6 mm处其硬度与基体一致。在回火马氏体向板条马氏体转变的相变强化，以及氮原子(以固溶方式进入基体)的固溶强化作用下，提高了渗氮层的硬度。经渗氮后，样品的摩擦因数均高于基体，但渗氮后其磨损量相较于基体有所减少，在激光功率3 000 W下，其磨损体积最小，相较于基体减少了62%。在激光功率2 500 W下马氏体转变不完全，在激光功率3 500 W下渗氮层出现了裂纹，都降低了渗氮层的硬度，其耐磨性也随之减小，且都略低于在3 000 W下。磨损机制由渗氮前的以黏着磨损为主，转变为渗氮后的以磨粒磨损为主。结论 在17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢表面进行激光渗氮后，其表面硬度和耐磨性均得到提高，在激光功率3 000 W下制备的渗氮层具有较高的表面硬度和优异的耐磨性。
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  宽温域环境环氧/聚氨酯复合材料摩擦学性能研究

  雷雪梅, 齐慧敏, 谷建臻, 余家欣

  表面技术. 2024, 53(7): 64-75.0. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.007

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  目的 考察环氧/聚氨酯(EP/PU)互穿网络复合材料在宽温域环境中的摩擦学性能，以及氧化石墨烯(GO)的添加对其摩擦学性能的影响。方法 制备EP、EP/GO、EP/PU、EP/PU/GO等4种材料，其中EP和PU的质量配比为3︰1，GO的质量分数为1.0%。分别研究4种材料的热力学性能，并采用高低温摩擦试验机对比研究常温和–100、–50、50、100 ℃下GO对EP/PU互穿网络材料摩擦磨损的影响。结果 热力学性能结果表明，PU的加入降低了起始分解温度，而加入GO，热分解起始温度有所提升，EP的拉伸强度最高约为90 MPa。室温条件下，200 r/min时，样品的摩擦因数和磨损率要优于400、500 r/min，其中，EP/PU/GO在200 r/min时的摩擦因数最低，为0.03。同样地，在–50、50、100 ℃时，相对于EP、EP/GO和EP/PU，EP/PU/GO也表现出优异的润滑性和耐磨性。SEM及XPS结果表明，摩擦氧化和螯合反应促进了转移膜的生长，形成了均匀结构的转移膜，可避免摩擦副的直接接触，有利于润滑作用。结论 添加GO可以有效改善材料的力学性能，提高EP/PU的摩擦学性能。
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  基于硬质 WC 涂层的不同摩擦副间的摩擦磨损特性及损伤机制研究

  王晓霞, 郝恩康, 崔烺, 魏连坤, 曹立军

  表面技术. 2024, 53(7): 76-84115.0. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.008

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  目的 探究硬质 WC-12Co 涂层与摩擦副间的力学性能、摩擦磨损特性的对应关系。方法 采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备 WC-12Co 硬质涂层，利用 SEM、XRD、EDS 等分析涂层的微观形貌、物相组成和元素分布规律等，研究该涂层与不同对偶配副的摩擦学性能及摩擦磨损机理等。结果 采用 HVOF 技术制备的 WC-12Co 涂层中各元素及物相分布均匀，涂层的显微硬度约为 1 103.8HV0.3，纳米硬度约为 20.47 GPa。涂层和不同对偶配副的干摩擦因数均在 0.80 以上，磨损率在 10^?6 mm³/(N·m)量级，其中与 Al2O3 对偶球配副时摩擦因数（约0.81）最低，与WC-6Co 对偶球配副时摩擦因数（约 0.85）最大，在与 Al2O3 配副时磨损率最大，约为11.09×10^?6 mm³/(N·m)，与 GCr15 配副时磨损率最小，约为 1.60×10^?6 mm³/(N·m)。结论 硬质WC-12Co 涂层致密均匀，其力学性能优异，与不同材质对偶球配副时其磨损机制有所不同，导致摩擦副间的摩擦因数和磨损率略有差异，但其耐磨性均良好，可以根据实际应用工况特点选择不同的摩擦副，以保证硬质碳化钨涂层的安全稳定长效服役。
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  阿拉尔耕地沙土与65Mn摩擦行为的研究

  表面技术. 2024, 53(7): 85-95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.009

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  目的 探究阿拉尔耕地沙土与65Mn的摩擦学行为，为高速犁结构设计、优化和材料选择提供理论基础。方法 采用摩擦磨损试验机，选择土壤含水率、平均粒径、载荷、转速和摩擦时间等5个参数进行单因素多水平试验，研究沙土对65Mn的摩擦行为，并对各因素水平下金属磨损形貌进行分析。结果 随着含水率的增加，土壤黏附力和润滑水膜的厚度增大，摩擦因数减小，磨损量呈二阶抛物线规律;随着平均粒径的增加，微观接触面积减小，摩擦因数、磨损量与粒径呈负相关;随着载荷的增加，磨料挤压嵌入金属表面，使得微观切削量增加，摩擦因数呈小幅上升趋势，磨损量呈大幅上升趋势;随着转速的增加，摩擦因数、磨损量变化较缓和;随着摩擦时间的增加，因热量的累积，摩擦因数和磨损量呈上升趋势，土壤与金属的摩擦逐渐演变为土壤之间的摩擦。分析磨损形貌发现，65Mn金属磨损表面始终伴随着磨料磨损造成的犁沟、疲劳和剥落，还发现了腐蚀磨损造成的裂纹，表面金属材料被腐蚀成金属盐结晶体，2种形式的磨损交互影响，加剧了65Mn的磨损。结论 方差分析表明，与土壤含水率、载荷、转速相比，平均粒径和摩擦时间对沙土与65Mn的摩擦因数的影响较大，平均粒径对65Mn的磨损的影响最大。
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  Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金材料喷丸强化工艺及摩擦磨损性能研究

  表面技术. 2024, 53(7): 96-106. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.010

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  目的 提高Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金的耐磨性能。方法 通过喷丸强化工艺对Mg-9Gd-3.5Y-2Zn- 0.5Zr合金表面进行处理，在合金表面制备出纳米强化层，随后进行干滑动摩擦磨损试验，探究其喷丸强化后耐磨性能的改变。利用OM、SEM研究合金表层至内部晶粒尺寸及组织特征的变化。利用电子天平秤测量摩擦磨损试验前后质量的损失量。利用维氏显微硬度计测量合金强化层深度方向的硬度分布。利用SEM研究了合金摩擦磨损后的形貌特征，探究其磨损机制。结果 对Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金进行表面喷丸处理后，表面分别出现了200~370 μm厚的晶粒细化层，其中喷丸气压为0.4 MPa、时间为40 s的试样的细晶强化层厚约为250 μm，硬度约为155HV，较原始试样提高了50%左右。结论 经喷丸强化后，镁合金表面发生塑性变形，获得纳米晶。晶粒尺寸从表层到内部逐渐变大，呈现梯度变化，喷丸处理后试样磨损质量普遍降低，耐磨性能得到提高，其中气压为0.4 MPa、喷丸时间为40 s的试样的耐磨性最好。铸态试样的摩擦磨损中，磨粒磨损和黏着磨损发挥主要作用，喷丸强化工艺后，磨损机制发生改变，喷丸时间为60 s时，氧化磨损起主导作用。另外，随着喷丸气压的增大，疲劳磨损由辅助作用逐渐变为主导作用。
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  异质a-C:H/a-C:H:F配副的摩擦学行为研究

  表面技术. 2024, 53(7): 107-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.011

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  目的 研究F元素掺杂非晶碳基薄膜与a-C:H薄膜摩擦配副的摩擦学行为机制。方法 利用PECVD法在Si基底上制备a-C:H:F薄膜，与直径为6.0 mm的a-C:H薄膜摩擦对偶球组成摩擦配副体系，使用往复模式的CSM TRB 3摩擦机研究a-C:H:F薄膜的摩擦学特性，频率为5 Hz，滑动总次数为9 000，外加载荷分别为2、4、6、8、10 N。通过纳米硬度、X射线光电子能谱、傅里叶红外光谱、激光共聚焦拉曼光谱、场发射扫描电镜及CSM摩擦试验机等，分别评价a-C:H:F薄膜的结构、表面形貌、力学性能、摩擦学性能等。结果 在干摩擦环境下，随着载荷的增加，a-C:H:F薄膜的摩擦因数逐渐降低，平稳后摩擦因数低至0.018。通过掺杂F元素，一方面促进了薄膜的sp²-C杂化，另一方面增大了薄膜的无序度。F元素具有钝化薄膜表面和静电排斥的作用，使得a-C:H:F薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率。结论 采用PECVD方法制备的a-C:H:F薄膜具有更好的减摩降损能力。
激光表面改性技术
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  选区激光熔化6511SS/GH3536多材料界面特性和力学性能研究

  表面技术. 2024, 53(7): 116-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.012

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  目的 考虑不同材料对应的最优工艺参数的差异，研究材料的沉积顺序对多材料界面特性的影响，获得界面无明显缺陷、力学性能良好的多材料部件。方法 采用SLM制备6511不锈钢/GH3536高温合金/6511不锈钢多材料试样，研究材料的沉积顺序对界面特性的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、X射线衍射(XRD)观察界面微观结构和元素分布情况。通过显微硬度和拉伸实验表征界面的力学性能。结果 采用SLM制备的多材料试样的界面无明显缺陷，表明6511不锈钢(6511SS)和GH3536高温合金具有良好的冶金结合特性。由于6511SS与GH3536的最优工艺参数存在差异，GH3536/6511SS的界面扩散区(480 μm)宽于6511SS/GH3536的界面扩散区(330 μm)。6511SS/GH3536扩散区的硬度介于6511SS与GH3536之间，而GH35636/6511SS扩散区的硬度小于6511SS和GH3536的硬度。拉伸实验结果表明，多材料试样在GH3536高温合金处断裂，其极限拉伸强度与GH3536高温合金相当，多材料试样的断裂伸长率低于GH3536高温合金试样的断裂伸长率。结论 证明了采用SLM制备6511不锈钢和GH3536高温合金多材料零件的可行性，揭示了沉积顺序对界面微观结构和力学性能的影响，可为SLM制造多材料零件提供指导和参考。
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  Cu含量对激光选区熔化CoCrMoCu合金微观组织及表面摩擦磨损性能的影响

  表面技术. 2024, 53(7): 126-135. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.013

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  目的 阐明不同Cu含量对激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)制备的CoCrMoCu合金微观组织的影响及其在表面摩擦磨损和腐蚀性能使役行为方面的作用。方法 采用CoCrMo合金粉和纯Cu粉通过行星球磨机进行机械混合，制备了Cu质量分数为2%、4%、6%的CoCrMo/Cu混合粉末，并通过SLM技术制备相应的试样。对不同Cu含量的SLM CoCrMoCu的相组成、微观结构、硬度、摩擦磨损和腐蚀性能进行检测和分析。结果 Cu含量对SLM CoCrMoCu的相组成和微观组织没有明显影响，在不同Cu含量的试样中，试样的微观组织均主要为胞状等轴晶。在力学性能方面，随着Cu含量的升高，试样的硬度先提升后降低，在含2% Cu的情况下达到最大值(429.2HV0.2)，在含6% Cu的情况下达到最小值(367.7HV0.2)。CoCrMoCu的摩擦因数和磨损率随着Cu含量的升高而降低，在4%时摩擦因数和磨损率达到最低(2.7×10^?5 mm³/(N.m))，摩擦磨损性能最好。随着Cu质量分数进一步增加到6%，由于硬度降低，磨损性能下降，试样表面出现沟壑，影响Cu自润滑层的附着，磨损机制由黏着磨损向磨粒磨损转变，导致摩擦因数和磨损率增加。在腐蚀性能方面，腐蚀电位随着Cu含量的升高而升高，而腐蚀电流随着Cu含量的升高呈现先下降后上升的趋势，在4%时达到最佳的腐蚀性能。结论 Cu的引入在一定范围内(2%~4%)可以有效提高CoCrMoCu合金的硬度和腐蚀性能。结合Cu的自润滑效应和类钝化效应，实现CoCrMo合金耐磨性能和腐蚀性能的协同提升。
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  无保护层纳秒脉冲激光强化对DD5单晶合金耐磨性能的影响

  表面技术. 2024, 53(7): 136-145. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.014

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  目的 提高发动机涡轮叶片榫头材料DD5单晶高温合金的高温耐磨性能。方法 采用不同能量的无保护层纳秒脉冲激光对DD5单晶合金试样表面进行处理，利用摩擦磨损试验机获得DD5单晶合金在650 ℃下的摩擦磨损性能参数，并通过显微硬度计、扫描电子显微镜、能谱仪、共聚焦三维表面轮廓仪对磨损前后的DD5单晶试件进行表征分析，揭示纳秒脉冲激光强化技术提高单晶高温合金耐磨性能的机理。结果 采用纳秒脉冲激光处理DD5单晶高温合金后，材料表层发生了重熔现象，并在重熔层中生成了弥散分布的铝的氧化物颗粒，其粒径为5~50 nm;纳秒脉冲激光处理后产生的弥散分布的氧化铝颗粒为硬质相，它提升了单晶表面的显微硬度;经纳秒脉冲激光处理后，试样的磨损率降低了19.7%~37.6%，单晶合金的磨损机制以磨粒磨损为主。结论 经纳秒脉冲激光处理后，单晶表面生成了含有弥散分布的纳米氧化铝颗粒的重熔层，在它与激光诱导的等离子体冲击波产生的硬化层的共同作用下，提升了镍基单晶高温合金在高温下的耐磨性能。
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  激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99组织及性能的影响

  表面技术. 2024, 53(7): 146-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.015

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  目的 解决镍基单晶高温合金航空发动机涡轮叶片在服役时发生表面损伤的问题，探究激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99的强化变形机制。方法 采用高功率(8 J)短脉冲激光分别对试样进行1、2、3次表面强化，使用白光干涉仪、显微硬度仪、X射线分析仪对强化前后的镍基单晶高温合金试样表面形貌、粗糙度、显微硬度、残余应力进行测试，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪分析激光冲击强化对镍基单晶高温合金微观组织和物相组成的影响。结果 经过1、2、3次激光冲击后，单晶高温合金试样表面发生了塑性变形，表面凹坑随着冲击次数的增加逐渐加深，表面粗糙度分别为1.566、1.868、2.265 μm，显微硬度分别增加了15.3%、25.8%、32.1%，表面残余压应力分别提高为–790、–870、–917 MPa。经强化后，试样表层形成了畸变层，γ′相的面积和体积分数均增大，合金未发生相变，但两相发生了严重的晶格畸变，晶格常数和晶面间距的变化导致两相晶格发生失配，经强化后在试样表层γ′强化相、γ通道、γ/γ′界面观察到大量位错结构，此外还观察到贯穿γ′相、γ相的位错滑移带和致密的位错网络。结论 激光冲击强化技术可使镍基单晶高温合金SRR99发生塑性变形，在其表层内部形成高密度位错网络结构，加工硬化效果显著，提高了基体表面的显微硬度和残余应力。
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  开放环境下钛合金激光熔覆的表面色差模型研究

  表面技术. 2024, 53(7): 156-163, 199. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.016

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  目的 选择合适的工艺参数范围，在开放环境下获得性能良好的钛合金激光熔覆层。方法 以氧含量衡量熔覆层的氧化程度，研究不同表面色差值下的氧含量的变化规律。以激光功率、扫描速度、送粉速率和气体流量为控制变量，利用分光测色仪检测熔覆层表面色差并以之来量化熔覆层表面颜色，以表面色差作为响应指标，基于响应面法建立熔覆层表面色差与熔覆工艺参数之间的数学模型。结果 随着色差值的增加，熔覆层中的氧含量增加。激光功率对色差的影响要大于扫描速度，激光功率越大，色差值越大;低激光功率和高送粉速率可获得较小的色差值;扫描速度和送粉速率的交互作用对色差的影响较小;气体流量的变化对色差的影响较为显著，为了获得较小的色差，可增大气体流量。根据表面色差模型，当激光功率为950~1 090 W，扫描速度为5~7 mm/s，送粉速率为1.15~1.65 g/min，气体流量为24~32 L/min进行工艺参数组合时，可获得满足熔覆条件的表面色差值。结论 可用色差来表征熔覆层表面颜色，极限表面色差值为5.09，并得到了合适的激光熔覆工艺窗口。通过试验验证了模型所得预测值与实测值相吻合，证明了本文研究方法的有效性。
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  60Si2Mn钢表面激光熔覆铁基涂层的组织及耐磨性研究

  表面技术. 2024, 53(7): 164-170. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.017

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  目的 提高60Si2Mn钢的表面耐磨损性能。方法 采用同步送粉方式在60Si2Mn钢表面进行激光熔覆X1、X2 2种铁基粉末。通过金相显微镜、场发射扫描电镜和X射线衍射仪，观察和分析熔覆层的显微组织、化学元素分布及相组成，采用显微硬度仪、多功能摩擦磨损试验机进行硬度、耐磨损性能测试。结果 2种熔覆层均无裂纹、气孔等缺陷，涂层内部存在大量树枝晶、等轴晶和少量沿基材表面生长的平面晶，其中X1熔覆层的顶部区域等轴晶数量较多，组织更细小均匀。2种熔覆层均由相同物相(α-Fe)固溶体组成，未出现明显的其他物相的衍射峰。基体60Si2Mn钢平均硬度约为300HV，X1熔覆层的硬度为950~1 000HV，平均硬度为975HV。X2熔覆层的硬度为784~821HV，平均硬度为803HV。经过球-盘磨损试验后，X1、X2熔覆层以及基体的体积磨损率分别为1.32×10^?4、1.94×10^?4、3.29×10^?4 mm³/(N.m)。结论 2种熔覆层的硬度和耐磨损性能均优于基体，其中X1熔覆层的平均硬度比X2熔覆层的高约21%，其体积磨损率最小，耐磨损性能更好。
表面强化技术
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  基于分布位错法对涂层裂纹力学行为的研究

  表面技术. 2024, 53(7): 171-179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.018

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  目的 在单轴拉伸载荷下，用理论方法求解弹性涂层中裂纹的力学性质和相互影响。方法 根据叠加原理，将问题分为2个子问题，使用分布位错原理求解裂纹问题，将裂纹建模为沿裂纹线分布的位错阵列，叠加后使用数值求解方法进行求解。结果 得到了不同涂层模量、不同裂纹长度下表面裂纹尖端的应力强度因子(SIF)和涂层界面应力。涂层与基底模量相差越大，表面裂纹越长，其界面应力越大。计算了不同方位下的微裂纹对表面裂纹的影响，给出了60°倾角微裂纹、2l/h=0.2和2l/h=0.04表面裂纹以及2a/h=0.01和2a/h=0.018表面裂纹的影响区域。分析了涂层内部倾斜裂纹对表面裂纹应力强度因子和扩展角的影响。内部倾斜裂纹尖端对表面裂纹尖端的等效应力强度因子(ESIF)有增强作用，两侧有减弱作用。结论 较硬涂层对表面裂纹的扩展有增强作用，裂纹越长，受涂层模量对其应力强度因子的影响越大。微裂纹对表面裂纹的影响跟微裂纹位置、方向、长度和表面裂纹长度有关。表面裂纹附近的倾斜裂纹对表面裂纹的扩展具有吸引作用。
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  喷丸对铝合金亚表面裂纹闭合修复的影响与试验

  表面技术. 2024, 53(7): 180-189. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.019

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  目的 研究喷丸修复7075-T651铝合金亚表面裂纹的愈合机理及修复效果。方法 建立材料亚表面裂纹在喷丸作用下的修复模型，运用Ansys进行数值模拟计算，并预测裂纹深度修复阈值;根据模型，利用线切割制造相应的裂纹，并对其进行喷丸修复，从残余应力、疲劳强度、微观结构等方面分析裂纹愈合的机理，并评估修复效果。结果 仿真结果表明，在弹丸直径D=0.5 mm、弹丸速度v=100 m/s时喷丸修复效果最佳，裂纹修复深度阈值为0.15 mm;裂纹修复区域的表面应力为非裂纹区域的83.17%，实验结果与仿真结果相符;在修复裂纹后，试件的疲劳强度可以达到完好试样的70.32%。剧烈的喷丸冲击使裂纹亚表面材料产生较大的微观形变热，有利于组织形变，促使裂纹两侧的晶粒组织形成闭合挤压，宏观上表现为压应力下组织的紧密闭合，这种闭合起到了修复裂纹的作用，整体上属于物理性修复，但仍无法完全消除裂纹对材料的消极影响。结论 喷丸通过压力作用对亚表面材料的裂纹进行闭合修复，使材料的疲劳强度得到恢复，这对于铝合金结构件裂纹的早期修复和应急性修复具有积极作用。
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  人工淹没空化射流喷丸强化7075铝合金性能分析

  表面技术. 2024, 53(7): 190-199. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.020

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  目的 利用喷丸强化技术提高材料的性能，延长零件的使用寿命。方法 在人工淹没空化射流喷丸中，利用由2个具有大速度差的同心共流射流产生的剪切层引起的空化，在承受疲劳载荷或腐蚀环境的金属部件的表面层中引入压缩残余应力，从而实现冲击性能显著提高的新型喷丸强化技术。为了进一步验证人工淹没空化射流的强化性能，采用人工淹没空化射流喷丸对7075铝合金(Al7075)进行表面强化处理，研究不同扫描速度的人工淹没空化射流喷丸对其微观组织和力学性能的影响。观测不同扫描速度人工淹没空化射流喷丸下Al7075的表面形貌和粗糙度。结果 在扫描速度为3.0 mm/min时，粗糙度值约为1.27 μm;在扫描速度为2.0 mm/min时，粗糙度值约为4.08 μm;在扫描速度为1.0 mm/min时，粗糙度值约为12.35 μm。测量了人工淹没空化射流喷丸冲击前后Al7075的残余应力和显微硬度沿深度方向的分布，研究并讨论了Al7075在人工淹没空化射流喷丸过程中的微观结构演变。结论 人工淹没空化射流喷丸会在Al7075表面发生塑性变形，增加了表面粗糙度，且产生加工硬化。揭示了Al7075在塑性变形过程中的晶粒细化机制，旨在为获得高性能的Al7075提供一种新的表面强化方法。
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  等离子体渗氮气压对合金钢渗氮层微观结构和性能的影响

  表面技术. 2024, 53(7): 200-207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.021

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  目的 选择M50NiL钢(高合金钢)和AISI 4140钢(低合金钢)2种合金钢，研究渗氮气压对合金钢等离子体渗氮层组织结构、渗层厚度、硬度、韧性和摩擦磨损性能的影响规律。方法 根据离子渗氮GB/T 30883—2017，在0~500 Pa渗氮气压范围内选择170、250、350 Pa 3个渗氮气压进行等离子体渗氮，研究渗层微观结构和性能。结果 对于M50NiL和AISI 4140两种合金钢，350 Pa时渗层厚度均最大，170 Pa次之，250 Pa厚度最小。M50NiL钢在350 Pa渗氮和AISI 4140钢在170 Pa渗氮时，表面层具有最优的强韧性。摩擦磨损性能显示，170 Pa和350 Pa气压渗氮的摩擦磨损性能明显优于250 Pa气压渗氮，其中磨损率规律与渗氮层的韧性值测试结果吻合。结论 气压影响了氮离子的能量和分布，从而影响了渗层厚度，钢中的合金元素含量和气压共同影响表面强韧化效果，并且表面强韧化效果直接影响渗氮层的摩擦磨损性能。
热喷涂与冷喷涂技术
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  Y2O3含量对大气等离子喷涂Al2O3-Y2O3复合涂层微观结构和力学性能的影响

  表面技术. 2024, 53(7): 208-216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.022

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  目的 探究掺杂不同质量分数Y2O3对Al2O3-Y2O3复合涂层微观结构及其力学性能的影响。方法 采用大气等离子喷涂制备Al2O3涂层，以及Y2O3质量分数分别为10%、20%、30%、40%的Al2O3-Y2O3复合涂层。利用SEM、EDS对粉末以及不同涂层的形貌、组织结构、元素分布进行分析。使用XRD表征粉末和涂层的物相。使用显微硬度仪、纳米压痕测试仪和电子万能试验机对涂层的显微硬度、弹性模量以及断裂韧性等力学性能进行测试分析。结果 Al2O3喷涂粉末的物相由α-Al2O3组成，而喷涂得到的Al2O3涂层则由α-Al2O3、γ-Al2O3组成。加入Y2O3后，对复合涂层中γ-Al2O3的生成有一定的抑制作用。随着喷涂粉末中Y2O3含量的增多，Al2O3-Y2O3复合涂层表面未充分熔融的颗粒逐渐增加，复合涂层的孔隙率也越来越大，掺杂了10%Y2O3的Al2O3-Y2O3复合涂层的孔隙率最低，涂层最致密。Al2O3涂层具有最高的显微硬度值(1 209HV0.3)和弹性模量(227 GPa)。随着Y2O3含量的增加，Al2O3-Y2O3复合涂层的显微硬度与弹性模量逐渐降低。Al2O3-10%Y2O3复合涂层的弹性恢复率高达48.3%，并且其断裂韧性及抗塑性变形的能力也最好。结论 掺杂了10%Y2O3的Al2O3-Y2O3复合涂层具有最致密的微观组织结构，其综合力学性能最好。
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  等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

  表面技术. 2024, 53(7): 217-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.07.023

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  目的 优化大气等离子喷涂工艺，提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法 设计正交试验，制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征，用Image J软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数，对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验，分析涂层的热震寿命与失效行为。结果 不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异，工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1，孔隙率为9.65%，平均孔隙尺寸为6.18 μm²，未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48 μm，粉末熔化状态较好。热腐蚀之后，涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%，无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后，质量损失率为0.25%，表面完整，无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落，失效次数为172次。结论 等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响，涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径，加速涂层的腐蚀，同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层，内部孔隙分布均匀，且平均孔隙尺寸较小，表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。