2025年, 第54卷, 第13期　
刊出日期：2025-07-10

  

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研究综述
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  轮轨界面摩擦模型与黏着调控技术的研究进展

  徐梦楠, 王文健, 宋辛辛, 程家豪, 张沭玥, 丁昊昊, 郭俊

  表面技术. 2025, 54(13): 1-15. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.001

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  轮轨黏着系数是列车牵引与制动性能的核心影响因素,针对基于轮轨界面摩擦模型的黏着计算和轮轨黏着调控技术进行深入研究,对于保障列车运行的安全、稳定与高效至关重要。全面综述了轮轨界面摩擦模型和黏着调控技术的研究进展。首先,阐述了轮轨黏着现象及其对列车运行的重要性,黏着系数过高或不足均会对列车性能产生不利影响。其次,回顾了轮轨界面摩擦因数模型的发展历程,从早期的库仑摩擦因数模型到更为复杂的衰减模型和大蠕滑摩擦因数模型,分析了各模型的优缺点及适用性。在黏着调控技术方面,重点介绍了机车防滑控制技术和撒砂增黏技术,探讨了其工作原理、应用效果及存在的问题。此外,展望了未来的研究方向,包括结合先进试验设备和方法深入探究大蠕滑黏着恢复机理,构建精准摩擦因数模型;高效利用车辆实时数据,持续提升黏着控制系统自适应性和鲁棒性,精细化撒砂增黏技术,优化撒砂装置和颗粒性能。旨在为相关科研人员和工程技术人员提供参考,推动轮轨黏着相关技术的发展,满足铁路运输日益增长的安全和效率需求。
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  合金共沉积多尺度机理与功能镀层调控进展

  贺颖, 徐子暄, 丁运虎, 张天遂, 李广芳, 刘宏芳

  表面技术. 2025, 54(13): 16-28. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.002

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  合金共沉积技术是一种涉及多种金属离子同步沉积的先进材料制备方法,具有设备简单、工艺灵活、沉积效率高及可实现特定功能特性等优势,应用场景从传统的汽车、航空航天领域,逐渐扩展至生物医学、能源和微电子等新兴前沿领域。基于精确控制合金的成分、结构和性能以提高材料性能的迫切需要,深刻理解合金共沉积的机理显得至关重要。全面梳理了合金共沉积技术的最新研究进展,着重从传统电化学理论和量子力学理论2个维度探讨合金共沉积过程中金属离子的宏观动力学特性和微观沉积行为,并基于上述理论模型进一步阐述溶液成分、溶液浓度、电沉积参数、基底材料及外部刺激等关键因素影响沉积过程的方式,揭示合金镀层性能优化的关键调控机制,并探讨合金共沉积技术及其变体或拓展技术在能源存储与转换、先进微电子器件及材料保护等领域的应用实例。最后,对合金共沉积技术的未来发展进行展望,指出计算模拟与实验相结合的研究方法在合金材料设计和性能优化中发挥着关键作用,开发环境友好型合金共沉积工艺在推动绿色经济中具有潜在价值。
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  虚拟裂纹闭合技术在热障涂层裂纹扩展中的研究进展

  李帅, 何扬, 彭慧璇, 任继华, 蔡厚道, 周启兴

  表面技术. 2025, 54(13): 29-42. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.003

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  热障涂层因其优异的抗氧化、隔热、耐腐蚀性能以及结构简单的特点,被广泛应用于航空发动机等高温热端部件表面。在复杂的服役环境中,涂层的失效通常由裂纹扩展引起。针对裂纹扩展问题,最有效的方法是通过数值模拟对损伤过程进行仿真,从而再现裂纹扩展过程,预测裂纹扩展趋势及寿命。其中,虚拟裂纹闭合技术（Virtual Crack Closure Technique,VCCT）因其只需对热障涂层进行一次完整分析即可获得变形,且无需奇异单元的优点,被广泛应用于裂纹扩展研究。本文系统梳理了VCCT理论的发展及其在热障涂层研究中的应用进展。首先介绍了裂纹扩展的研究现状,随后重点综述了针对裂纹扩展的数值模拟方法,特别是VCCT的基本原理及其在模拟中的拓展。最后,从能量释放率和断裂准则两方面阐述了虚拟裂纹闭合技术在热障涂层裂纹扩展中的研究进展。未来,应发展多裂纹交互精细化建模方法,结合人工智能技术构建数据驱动模型,通过残差神经网络（Residual Neural Network,ResNet）与生成对抗网络（Generative Admissible Network,GAN）实现应力场与约束的模型重构,从而实现裂纹扩展的评估与寿命预测,推动涂层失效分析从离线仿真向实时预测转型。
摩擦磨损与润滑
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  42CrMo合金钢织构表面复合固体润滑剂摩擦学性能研究

  欧阳瑞, 陈文刚, 王海军, Dongyang Li, 王文, 王永康

  表面技术. 2025, 54(13): 43-50. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.004

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  目的 提升42CrMo合金钢摩擦副表面的摩擦学性能。方法 采用激光织构技术在试件表面加工不同面密度的三角织构,以环氧树脂E51为衬垫,将纳米颗粒MoS₂与E51环氧树脂按1∶2比例混合后填充至织构内部,进行摩擦磨损试试验。在不同工况条件下,研究织构不同面积占比的摩擦学性能,并利用SEM扫描电镜和EDS元素能谱分析仪对试样表面磨痕进行表征。最后,通过应力仿真分析不同织构密度的等效应力大小及分布规律。结果 与未织构表面相比,纯织构表面的摩擦系数在一定程度上降低,从约0.8降至0.6左右;微织构与MoS₂纳米颗粒结合形成的复合润滑结构的摩擦学性能明显优于未织构表面和纯织构表面。当织构凹坑面积占有率为16%时,复合润滑结构的摩擦系数最低,约为0.19;随着织构密度的增加,复合润滑结构的摩擦系数逐渐上升,当织构密度达到36%时,摩擦系数达到最大值,约为0.3。密度为16%的织构表面等效应力峰值为3.553 8 MPa,随着织构密度的增加,等效应力峰值呈现先增大后减小的趋势。结论 表面微织构与填充的MoS₂纳米颗粒的协同作用,显著改善了42CrMo合金钢表面的摩擦学性能。MoS₂纳米颗粒在摩擦副表面形成固体润滑膜,而微织构能够捕获磨屑并储存润滑剂,为破损的润滑膜提供补充,从而实现减摩抗磨的效果。
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  低添加量离子氮掺杂碳点的润滑成膜性能研究

  郭杨, 刘晓玲, 王浩成, 孙晓薇, 孔薪茹

  表面技术. 2025, 54(13): 51-61. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.005

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  目的 探究离子氮掺杂碳点（[NCD_S][DEHP]）添加剂在非极性基础油中的润滑增效作用。方法 通过在基础油PAO4中添加少量质量分数为0.002 5%、0.005%、0.01%的[NCD_S][DEHP]来配制润滑剂,采用点接触球-盘润滑油膜测量仪对油膜厚度进行测试,在润滑油膜演变过程中,研究了低添加量[NCD_S][DEHP]的润滑增益作用。利用原子力显微镜（AFM）和能谱仪（EDS）对基体表面形貌和化学组成进行分析,揭示其润滑成膜机制。结果 在充分供油条件下,[NCD_S][DEHP]对成膜性能影响不大。然而,在限量供油条件下,由于[NCD_S][DEHP]中氮掺杂碳点（NCD）阳离子与磷酸酯（DEHP）阴离子的相互作用,能够促进润滑油卷吸进入接触区,使得油膜厚度增加、乏油程度降低,从而提高了基础油的润滑成膜性能。特别地,当添加[NCD_S][DEHP]质量分数为0.005%时,润滑成膜性能最佳。结论 限量供油条件下,加入少量[NCD_S][DEHP]能提高PAO4的润滑性能,改善接触区的乏油程度;机理分析表明,DEHP阴离子在静电作用下会吸附在钢表面;同时,促进NCD阳离子吸附,生成一层吸附膜,提高了润滑成膜能力。
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  仿生喷嘴内壁微织构对浆料流动特性的影响

  张锦程, 胡焰, 潘家保

  表面技术. 2025, 54(13): 62-71. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.006

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  目的 探究具有不同形状、尺寸及方向的微织构内壁对浆体射流中浆料流动特性的影响,为优化喷嘴结构和提高加工效率提供理论支持。方法 在喷嘴内壁设计不同形状、尺寸和方向的微织构,采用理论分析和有限元仿真方法探究不同微织构对浆料及颗粒流速的影响。结果 浆料在无织构喷嘴内的流速为62.67 m/s,在带有矩形、三角形和弧形织构的喷嘴中的流速分别提升至62.95、63.24、65.37 m/s。在不同形状的微织构中,流畅的弧形与稳定的三角形及规则的矩形相比,表现出更为显著的减阻增速效果。通过探究弧形微织构尺寸发现,结构尺寸较小,则形成的涡旋不明显、增速效果较差;选择适中的织构尺寸时,能够更有效地达到减阻增速效果,浆料流速可达到71.3 m/s。在相同条件下进一步研究微织构方向对浆料流速的影响时发现,当微织构向轴线内凸时,涡旋分布更为均匀,对浆料的增速效益更明显。结论 喷嘴内壁微织构的存在可以减小浆料流动时受到的阻力,提高浆料的流速。光滑弧形对流经喷嘴内壁的浆料的增益效果最为显著,选择适中的微织构尺寸对涡旋增速的效果更好。与此同时,当微织构向轴线内凸时,均匀的涡旋分布增益效果更优。设计一定形状、尺寸和方向的喷嘴内壁微织构表面,有利于提高浆体射流速度,降低磨料对喷嘴内壁的贴附和磨损,从而延长喷嘴的使用寿命。
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  改性聚氨酯材料在含砂水质中的摩擦学和振动特性研究

  劳绩东, 董从林, 郑占模, 袁成清, 白秀琴

  表面技术. 2025, 54(13): 72-84. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.007

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  目的 研究二硫化钨（WS₂）和碳纳米管（MWCNTs）改性热塑性聚氨酯（TPU）复合材料在不同含砂水质条件下的摩擦磨损机制,揭示改性复合材料摩擦学特征和振动信号特征之间的映射关系。方法 采用物理共混的方法制备WS₂和MWCNTs改性TPU复合材料,在RTEC摩擦磨损试验机上模拟改性复合材料在不同含砂水质（平均粒径为15 μm的石英粉,体积分数分别为0.0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%）的磨损状态,通过分析摩擦因数（COF）、磨痕轮廓、磨损率、表面形貌等摩擦学特征,以及振动信号时域特征和频域特征的演化规律,揭示改性复合材料在不同砂粒浓度下的磨损机理及磨损状态与特征参数之间的响应关系。结果 随着水中砂粒浓度的提升,磨损程度逐渐加剧,摩擦因数、磨损率和振动信号等特征参数均呈现明显的上升趋势。相较于纯水润滑,在砂粒体积分数为1.2%下,改性复合材料的平均摩擦因数和体积行程磨损率分别增加了308.8%、4 020%,各振动信号特征参数也不同程度地增加（最少增加了137.7%）。值得注意的是,磨损率与其他特征参数之间显示出高度相关的线性关系,相关系数最小值为0.879（磨损率与频域能量值）,最大值为0.997（磨损率与时域有效值）,增大了13.4%,说明磨损率与其他特征参数之间均存在显著的正相关关系。结论 通过检测摩擦过程中的状态信息,提取和分析摩擦因数及振动信号的特征参数,能够有效预测复合材料的磨损率,进而对材料的磨损状态进行评估,为预测摩擦材料磨损状态提供了新思路。研究结果为实现水润滑轴承的状态监测和故障诊断提供了重要的参考依据。
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  航空轮胎胎面橡胶滑动摩擦试验与顺序热力耦合仿真研究

  胡月, 李英杰, 孙文博, 代振帮, 谭德强, 贺强, 王晓建

  表面技术. 2025, 54(13): 85-95. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.008

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  目的 针对航空轮胎在滑行过程中温度场实测难度高、误差大的现状,以某型号航空轮胎胎面橡胶材料为研究对象,探究航空轮胎胎面橡胶在不同滑动工况下的力学及热学变化规律。方法 通过环-块接触模拟航空轮胎胎面与道面的滑动摩擦过程,使用红外热成像仪实时记录橡胶温度场变化。依据摩擦试验台建立环-块仿真模型,使用顺序热力耦合有限元法进行求解,结合试验与仿真结果得到胎面橡胶在不同载荷和滑动速度下的力学与热学变化规律。结果 静态接触和滑动工况下,随载荷从40 N增大到90 N,橡胶块-砂轮的接触面积和接触压强都增加,静载条件下,接触面积从51.097 mm²增大到80.570 mm²,接触压强从0.783 MPa增加到1.117 MPa。与静载相比,滑动工况下接触面积和最大接触压强都明显减小。滑动工况下,胎面橡胶温度先急剧增加再趋于稳定,以80 N载荷、200 r/min转速工况为例,10 s前橡胶块温度由26.4 ℃迅速增加至76.3 ℃,10~60 s橡胶块温度缓慢上升至102.1 ℃。随着载荷和滑动速度的增加,橡胶温度增大,滑动速度对温度场影响更显著,在相同载荷下,400 r/min转速最高温度近似于200 r/min转速下的2倍。仿真和试验在2种滑动速度下最高温度的平均误差仅为0.606%和0.974%,试验和仿真结果有较高的一致性。结论 载荷与滑动速度都会使橡胶温度场快速上升,但速度影响更大。基于环-块仿真模型采用顺序热力耦合法对航空轮胎胎面橡胶滑动摩擦试验的力学及温度场求解具有较高准确率。
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  2Cr13基体表面粗糙度对Ti掺杂MoS₂薄膜摩擦磨损性能的影响

  丁子珊, 赖泽标, 李一治, 江小辉, 刘京周, 吉利, Ermakov Boris Sergeevich

  表面技术. 2025, 54(13): 96-106. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.009

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  目的 探究基体表面粗糙度对Ti掺杂MoS₂薄膜摩擦磨损性能的影响及其磨损机理,为后续2Cr13基体配磨副表面状态设计提供参考。方法 通过磁控溅射法在表面粗糙度（Ra）范围为0.2~0.7 μm的2Cr13基体表面制备Ti掺杂的MoS₂薄膜,并在大气环境下进行干摩擦摩擦磨损实验。通过扫描电子显微镜、金相显微镜、能谱仪、白光干涉仪对实验后的薄膜磨痕形貌及对摩球的磨斑形貌进行观察分析。结果 通过分析基体粗糙度为0.2 μm的薄膜的磨痕表面形貌可知,主要为黏着磨损,其平均摩擦因数和对摩球磨斑面积最大,而其磨损率在所有试样中处于居中位置;当基体的粗糙度增至0.5~0.6 μm范围时,其平均摩擦因数、薄膜磨损率及对摩球磨斑面积都最小;当基体粗糙度进一步升至0.7 μm时,薄膜的磨损率（8.793 01× 10^-7 mm³·N^-1·m^-1）最大,而其平均摩擦因数（0.092）较小,对摩球磨斑面积（4.125×10⁴ μm²）略有升高,但比Ra 0.2 μm下的对摩球的磨斑面积小。结论 基于分子-机械摩擦理论,揭示了基体不同粗糙度对镀膜后表面摩擦磨损的影响机制,在低粗糙度（0.2 μm）下,分子间的作用力主导摩擦阻力,黏着磨损显著;在中粗糙度（0.4~0.6 μm）,工件在不同摩擦阻力的作用下,其磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损,其中Ra 0.4 μm的工件仍以黏着磨损为主。随着基体粗糙度的增加,Ra 0.6 μm工件表面的磨损机制逐渐转变为以磨粒磨损为主,在Ra 0.5~0.6 μm范围内制备的Ti掺杂MoS₂薄膜展现出最优的综合性能;在高粗糙度（0.7 μm）下,由机械啮合阻力主导,薄膜磨损剧烈,磨损机制主要为磨粒磨损。在不同基体表面粗糙度状态下,薄膜的摩擦磨损机制存在显著差别,为提升以摩擦磨损性能为目标的基体表面状态提供了关键依据。
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  真空退火对Zr-B-N/ZrO₂多层复合涂层结构及性能的影响

  叶佳妮, 马莉莎, 张纪福, 刘艳梅, 曹凤婷, 范其香, 王铁钢

  表面技术. 2025, 54(13): 107-120. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.010

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  目的 针对Zr-B-N涂层耐热性较差的问题,制备高硬度、高韧性且耐高温的Zr-B-N/ZrO₂多层复合涂层。通过真空退火处理强化Zr-B-N/ZrO₂多层复合涂层性能,探究高温下涂层界面扩散行为、微观结构、力学性能及摩擦学性能的变化机理。方法 采用复合磁控溅射技术制备Zr-B-N/ZrO₂多层复合涂层,并在真空管式炉内进行500~800 ℃真空退火试验（<10^‒3 Pa,1 h）。利用XRD、FESEM、HRTEM、纳米压痕仪、大载荷划痕仪及高温摩擦磨损试验机对涂层的相组成、微观结构、力学性能和摩擦学性能进行表征。结果 Zr-B-N/ZrO₂多层复合涂层主要由t-ZrO₂相和fcc-ZrN相组成。随着退火温度升高,t-ZrO₂相的衍射峰逐渐增强并发生向大角度偏移的现象。当退火温度为600 ℃时,涂层表面相对致密,纳米多层结构保持完整,硬度（32.75 GPa）和弹性模量（391.70 GPa）达到最大值,结合强度为47.95 N,摩擦系数为0.658,磨损率为1.11×10^‒5 mm³/(N·m)。当退火温度达到800 ℃时,涂层中析出fcc-ZrO相和hcp-ZrB₂相,摩擦系数（0.507）和磨损率（4.54×10^‒6 mm³/(N·m)）降至最低值,分别比真空退火前下降43.29%和69.97%。然而,晶粒粗化导致微裂纹扩展及严重界面互溶,硬度和弹性模量降至最低值,涂层与基体间出现明显开裂。结论 适当的真空退火能够显著影响涂层性能。当退火温度为600 ℃时,涂层综合性能达到最优水平;800 ℃退火虽然提高了耐磨性,但因结构破坏,其整体性能显著下降。
激光表面改性技术
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  Mo含量对18Ni300熔覆层耐磨性和强度的影响

  董刚, 王建鹏, 齐欢, 蒋智月, 胡勇, 姚喆赫, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(13): 121-134. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.011

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  目的 研究钼（Mo）含量对18Ni300激光熔覆固溶时效、沉积态18Ni300组织及力学性能的影响。进一步提高18Ni300马氏体钢的耐磨性和强度。方法 通过混合Mo粉末和18Ni300球形粉末,采用激光熔覆技术制备不同Mo含量（质量分数分别为0%、3%、5%）的熔覆层后,得到沉积态和经固溶（840 ℃/1 h）+时效处理（450 ℃/5 h）后的熔覆层,使用扫描电子显微镜（SEM）、金相显微镜、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪（XRD）、摩擦磨损机等设备对18Ni300熔覆层的物相组成、元素分布及力学性能进行表征。结果 在沉积态下,随着钼含量的增加,胞状组织的晶界逐渐变细,熔覆层的硬度由378HV0.3升至478HV0.3,摩擦因数从0.490降至0.398,抗拉强度从708 MPa升至1 023 MPa。在Mo的质量分数为3%时,熔覆层的抗拉强度最大,为1 127 MPa,平均晶粒尺寸由0.88 μm降至0.56 μm。经固溶时效处理后,枝晶基本消失,各元素在晶体内部分布更加均匀,摩擦因数从0.382降至0.261,抗拉强度从879 MPa提升至1 140 MPa。在Mo的质量分数为3%时,熔覆层的抗拉强度最大,为1 340 MPa。结论 无论是通过沉积态处理,还是采用固溶时效处理,在18Ni300中增加适量的Mo元素均能够析出较多的强化相Ni₃Mo,进一步提升18Ni300马氏体钢的耐磨性能、抗拉强度。
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  铝合金激光清洗漆层后表面形貌和性能的演变研究

  王世宇, 王思捷, 赵凯, 侯良朋, 李哲, 殷凤仕

  表面技术. 2025, 54(13): 135-150. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.012

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  激光清洗具有绿色环保、劳动强度低、精确可控、灵活性好、非接触式清洗、易实现自动化等优点,在制造、维修与再制造领域的应用越来越广泛。激光清洗可发挥光压力、热烧蚀、振动波、等离子体冲击等多种效应的综合作用,实现基体表面优质高效清洁。激光在去除基体表面覆层的同时,覆层烧蚀和激光残余辐照作用会在基体表面产生热聚集和应力累积,不可避免地引起基体表面微观形貌、组织结构及性能的变化,并进一步影响基体的表面质量。采用纳秒激光对6061铝合金表面漆层进行清洗,分别采用高能量密度单次清洗和低能量密度二次清洗等2种方法,通过优化激光能量密度和光斑重叠率等工艺参数,研究激光清洗后铝合金表面形貌和性能的演变规律。结果表明,虽然单次清洗的效率较高,但易在铝合金表面形成氧化膜和非晶纳米改性层,显著提高了表面的耐蚀性和耐磨性;二次清洗在较低能量密度下能够更彻底地去除漆层,且对基体表面的损伤较小,表面粗糙度更低,保留了更多的原始成分。通过SEM、EDS、XPS、TEM等表征手段证实,二次清洗能够有效减少表面氧化,形成更均匀的表面形貌。电化学腐蚀测试结果表明,经单次清洗后,显著提升了铝合金表面形成的氧化膜的耐腐蚀性,其腐蚀电流密度最低达到2.221 3× 10^-6 A/cm²;经二次清洗后,腐蚀电流密度为4.126 5×10^-6 A/cm²,表明其耐腐蚀性有所提升。摩擦学性能测试结果显示,经二次清洗后,表面的摩擦因数较低,表明其耐磨性更好。本研究为铝合金表面激光清洗工艺的优化提供了理论依据,并展示了激光清洗从无损清洗到表面强化的潜力。
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  LDED扫描策略对Ti6Al4V涂层沉积缺陷、微宏观组织和性能的影响

  吴迪, 刘钢, 赵嫚

  表面技术. 2025, 54(13): 151-160. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.013

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  目的 激光定向能量沉积（LDED）以其沉积速率高和成本低在制造大型钛航空部件方面具有良好的应用前景,然而制造过程中热量的集聚,使得熔池附近产生了巨大的温度梯度,会诱导Ti6Al4V涂层微观组织及宏观性能发生演变,为了减少沉积层的制造缺陷,获得更好的材料性能,提出一种扫描策略。方法 研究扫描策略对Ti6Al4V涂层沉积缺陷、微宏观组织和性能的影响,采用LDED技术制备10层Ti6Al4V熔覆层,以激光功率、扫描速度、沉积方向3个重要工艺参数为基准,设计二水平三因素正交实验,研究沉积策略对涂层缺陷的影响,并对涂层的物相及显微硬度进行分析和测量。结果 通过4种策略制备的Ti6Al4V沉积层的物相成分相近,沉积层主要由针状α/α′马氏体和网篮状魏氏体相组成,显微硬度在373HV10~388HV10内波动,沉积层的硬度显著高于基板和热影响区。沉积策略会对温度历史产生显著影响,基板的温度越高,则α′针状相的尺寸越小,组织越细化,硬度越高。结论 通过实验和后续的材料表征证明沉积策略是温度变化的关键因素,会显著影响沉积质量。变功率激光通过对温度历史进行优化,可以改善沉积层内部的组织结构,从而获得更少的沉积缺陷和更好的材料性能。
表面强化技术
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  喷丸强化对TC4钛合金风扇盘疲劳裂纹扩展行为的影响

  韩雪纯, 蔡培, 徐鹤鸣, 张屹尚, 王卫泽

  表面技术. 2025, 54(13): 161-170. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.014

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  目的 研究喷丸强化对航空发动机风扇盘裂纹扩展行为的影响,为后续全尺寸风扇盘旋转疲劳裂纹扩展试验提供数据支持,以延长航空发动机风扇盘的服役寿命。方法 考虑某型涡扇航空发动机风扇盘的实际结构及其服役工况,设计并制备含初始缺陷的TC4钛合金模拟件,通过开展不同残余应力场下含缺陷模拟件的裂纹扩展试验,获得材料的裂纹萌生和扩展特性。在Paris公式的基础上,考虑了由残余应力引起的裂纹闭合效应,并通过FRANC3D软件构建一种考虑喷丸强化的疲劳裂纹扩展分析方法,预测裂纹的扩展路径和扩展寿命。结果 随着喷丸强度的增大,模拟件的表面裂纹萌生寿命逐渐延长,而裂纹扩展寿命却明显降低;采用仿真分析方法成功描述了喷丸强化后“口袋”型裂纹的演化过程,以及裂纹扩展寿命的下降过程,且裂纹扩展预测寿命在试验扩展寿命的两倍分散带内。结论 由喷丸处理引起的残余应力,改变了材料近表面的裂纹扩展行为,形成了“口袋”形裂纹,在裂纹形态、外部载荷及残余应力等多重因素的影响下,延长了模拟件裂纹萌生的寿命,缩短了其扩展寿命。
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  激光冲击诱导镍基高温合金极端应变率拉伸变形行为的分子动力学研究

  盛湘飞, 袁文志, 苟江龙, 朱明晋, 李智

  表面技术. 2025, 54(13): 171-183. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.015

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  目的 揭示镍基高温合金（GH4169）在激光冲击诱导极端应变率下拉伸变形力学响应的变化规律,以及材料微观组织结构的演变机制。方法 采用分子动力学建立极端应变率条件下不同合金元素组分及晶体结构的拉伸变形仿真分析模型。结果 在10⁹ s^-1应变率条件下拉伸,3种合金元素组分单晶模型的弹性模量分别为240、237、217 GPa,极限抗拉强度分别为28.3、27.1、17.6 GPa;对于8种合金元素组分的模型,在10⁸、10⁹、10¹⁰ s^-1等3种应变率条件下拉伸,单晶模型的弹性模量均为217 GPa,极限抗拉强度分别为17.1、17.6、18.7 GPa;多晶模型的弹性模量分别为213、220、226 GPa,极限抗拉强度分别为9.6、10.3、11.8 GPa。结论 8种合金元素组分对应单晶模型的弹性模量和极限抗拉强度与实验结果更接近。在相同拉伸变形条件和特定晶体取向前提下,晶体类型对材料弹性模量的影响较小。另外,单晶模型在极端应变率条件下表现出更高的塑性变形抗力。多晶模型因晶粒尺寸低于10 nm,在变形过程中其位错形态及其分布均表明存在逆Hall-Petch效应,且该效应的形成与材料在极端应变率条件下发生塑性变形时晶粒内部出现的位错增殖导致位错塞积,以及位错滑移至晶界附近并被其吸收这2种现象的进行速度之间的竞争机制有关;在极端应变率拉伸变形过程中,弹性模量对应变率变化的敏感度不高。极限抗拉强度随着应变率的增加而增加,表现出明显的应变率强化现象。此外,当应变率达到10¹⁰ s^-1时,因位错滑移时间较短,单晶与多晶模型晶粒内部均出现了位错增殖和由位错墙组成的亚晶界。多晶模型因晶粒内部位错增殖速度大于滑移至晶界被吸收的速度,这在一定程度上削弱了逆Hall-Petch效应导致材料塑性变形抗力降低的影响。
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  超声滚压对2024-T3铝合金表面完整性及疲劳性能的影响

  梁浩, 刘鹏涛, 白雪飘, 刘文博, 赵秀娟

  表面技术. 2025, 54(13): 184-192. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.016

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  目的 研究不同超声滚压参数下2024-T3铝合金表面完整性的变化规律,并研究超声滚压处理对其疲劳性能的影响规律,为提升航空铝合金构件的表面完整性和疲劳强度提供依据。方法 使用超声滚压设备对铝合金试样进行强化处理,通过旋转弯曲疲劳性能试验,分析不同工艺参数下铝合金试样超声滚压处理前后的表面粗糙度、表层微观组织、表面硬度、硬化层深度和残余应力,并研究铝合金超声滚压处理的强化改性机理。结果 经超声滚压后,试样的表面粗糙度均远低于原始试样,其最低粗糙度达到0.197 μm,降幅达到85.6%;表面硬度最高达到192.47HV,与原始试样相比提高了57.6%。经超声滚压后,试样表层发生了明显的塑性流变和晶粒细化现象,未滚压原始晶粒的平均尺寸为36.68 μm,而经超声滚压后表层晶粒的平均尺寸为10.28 μm。经超声滚压后铝合金试样的疲劳强度从130 MPa提高至180 MPa,提高幅度约为38.5%。在相同应力水平下,试样的疲劳寿命比原始试样提高7倍,原始试样的裂纹源位于试样表面,而经超声滚压后试样的疲劳源萌生于次表层。结论 随着超声滚压静压力的增大,试样的表面粗糙度先减小后增大,但均远低于原始试样。试样的表面硬度、硬化层深度、残余压应力均随着静压力的增大而增大。经过超声滚压后,铝合金试样的疲劳强度大幅提高。
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  镀铬和滚压处理对35Cr2Ni4MoA钢微动疲劳性能的影响

  杨廷勇, 邓文, 张超, 钟翔福, 兰智云

  表面技术. 2025, 54(13): 193-202. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.017

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  目的 研究不同表面处理的35Cr2Ni4MoA高强钢螺栓在模拟服役工况下的微动疲劳性能。方法 采用扫描电子显微镜（SEM）、轮廓仪、显微硬度计、金相显微镜等测试手段分析不同表面处理方式对35Cr2Ni4MoA高强钢螺栓表面完整性的影响,运用步进法对螺栓进行疲劳试验,得到疲劳强度,最后探讨表面完整性与疲劳性能之间的内在联系。结果 采用镀铬、滚压或镀铬后滚压复合处理均能够改善35Cr2Ni4MoA高强钢螺栓的表面形貌,降低其表面粗糙度,提高其近表层硬度,其中采用滚压或镀铬处理后其表面粗糙度Ra、R_z相较于基材分别降低了87.56%、82.53%,56.70%、62.77%。采用镀铬后滚压处理方式能够改善镀层的致密性,但容易出现表面微裂纹。采用滚压及镀铬后滚压复合处理能够提高35Cr2Ni4MoA高强钢螺栓的疲劳强度,相较于基材分别提高了14.2%、7.2%,采用镀铬处理则会降低疲劳强度,相较于基材降低了3.9%。结论 疲劳失效形式表现为微动疲劳,通过滚压、镀铬及滚压复合处理给试样带来的粗糙度降低、硬度增大等有利因素,能够有效抑制35Cr2Ni4MoA高强钢螺栓微动疲劳源的萌生和扩展,提高微动疲劳强度抗力;经镀铬处理后,镀层的致密性较差,且出现了微裂纹,这些是影响微动疲劳抗力的不利因素,有利因素与不利因素共同决定了35Cr2Ni4MoA高强钢螺栓的微动疲劳强度。
热喷涂与冷喷涂技术
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  热喷涂WC-Ni粒子沉积速度对涂层组织及力学特性的影响

  苑菁茹, 朱小鹏, 何晋, 胡培培, 雷明凯

  表面技术. 2025, 54(13): 203-213. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.018

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  目的 以超音速火焰喷涂WC-Ni涂层的氧气/煤油化学计量比λ为特征工艺参数,研究工艺参数对涂层组织结构与力学特性的影响机理。方法 固定λ值为1.05,调节煤油与氧气流量,在相同喷距下实现WC-Ni粒子沉积温度相近、沉积速度不同的条件,制备涂层并分析其孔隙率、相结构及显微硬度、弹性模量、断裂韧性的变化规律。结果 当煤油流量从19.3 L/h增至23.8 L/h,喷枪燃烧室压力从0.66 MPa增至0.76 MPa时,在喷距350 mm处粒子温度为(1 682±6) ℃,粒子平均速度从847 m/s增至916 m/s。随着粒子沉积速度的增加,涂层表面和横截面的微观孔隙率呈下降趋势,且表面孔隙率低于横截面;WC相保留率呈上升趋势,从71.4%增至82.3%,其氧化分解产物金属W含量（质量分数）从9.5%降至3.4%。涂层表面与横截面显微硬度值均随粒子沉积速度的增加而增大,范围为7.8~10.3 GPa,且横截面与表面硬度值逐渐趋于一致,弹性模量从313 GPa增至405 GPa。此外,采用大载荷维氏硬度计测量涂层表面断裂韧性,结合压痕尖端与棱边裂纹特征,分析了喷涂粒子沉积速度与涂层断裂力学行为的相关性。结论 在该WC-Ni粒子沉积温度与速度区间内,更高的粒子沉积速度增加了沉积撞击动能,使沉积粒子扁平化变形更加充分,显著减少了扁平粒子间界面微观缺陷,提高了涂层致密度及粒子间结合强度;飞行粒子速度的增加缩短了其在焰流中的加热时间,减少了WC相的氧化分解,使涂层中WC相保留率升高;这些因素共同促进了涂层显微硬度和弹性模量的提升。
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  掺氦对射频感应耦合等离子体制备碳化硼涂层的影响

  苏毅, 吴曦, 胡娟, 赵鹏, 朱海龙

  表面技术. 2025, 54(13): 214-224. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.019

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  目的 利用射频感应耦合等离子体喷涂（RF-ICPS）技术在第一壁材料钨（W）表面制备碳化硼（B₄C）涂层,研究等离子体工作气体中掺氦（He）对涂层质量的影响。方法 采用实验表征与数值模拟相结合的方法,通过在工作气体中掺入不同体积分数的He,制备B₄C涂层,表征涂层表面形貌和组成变化。采用Ansys Fluent模拟软件,建立三维射频等离子体与B₄C颗粒之间的有限元模型,探究在等离子体中加入He,通过调控等离子体属性参数,进而影响涂层制备的内在机理。结果 随着等离子体工作气体中He的体积分数的提升,可明显降低涂层的孔隙率,当He的体积分数升高到7.2%时,孔隙率降至1.1%,且涂层的主要组成未发生变化。模拟结果显示,当He的体积分数从0%升高到7.2%时,等离子体焓值提高了38%,同时颗粒加热熔融效果明显提升;当He的体积分数升高到7.2%时,B₄C颗粒温度达到2 800 K以上的占65.5%。结论 在等离子体工作气体中加入 He,不仅具有提高等离子体热导率的作用,还可以提高等离子体的焓值,促进飞行B₄C颗粒在等离子体中的加热效果,从而提升涂层的致密度。
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  添加Mo、Nb₂O₅对等离子喷涂氧化铬基涂层微观组织和力学性能的影响

  曹驰, 李侃涛, 叶建中, 郭飞胜, 於启鹏

  表面技术. 2025, 54(13): 225-237. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.13.020

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  目的 旨在提高采用超音速等离子喷涂制备的Cr₂O₃-5%SiO₂-3%TiO₂涂层的耐磨等性能,探索其应用于锁渣阀工况中的可行性。方法 在Cr₂O₃-5%SiO₂-3%TiO₂复合材料中分别引入质量分数为4%的Mo和质量分数为4%的Nb₂O₅等2种添加剂,通过超音速等离子喷涂技术将这2种粉末沉积到316L不锈钢表面,进而制备2种新型涂层。评估涂层的微观组织和力学性能,与316L不锈钢球,通过往复摩擦实验评估其耐磨性能,并在氯化物酸性环境下进行电化学测试,评价涂层的耐腐蚀性能。结果 在Cr₂O₃-5%SiO₂-3%TiO₂涂层中加入Mo、Nb₂O₅后,添加Mo的涂层的断裂韧性明显提升,添加Nb₂O₅的涂层的硬度有所提升,其平均摩擦因数由0.576 2分别降至0.525 6、0.431 1,对磨副的整体磨损情况得到有效改善,其比磨损率由原涂层的6.4×10^-5 mm³/(N·m)分别降至1.53×10^-5、1.35×10^-5 mm³/(N·m),涂层的耐磨性显著提高。此外,通过电化学腐蚀试验测试了涂层的耐腐蚀性,结果表明,Mo和Nb₂O₅的添加使得其自腐蚀电流密度从2.275×10^-5 A/cm²分别降至1.103×10^-6、5.937×10^-7 A/cm²。EIS分析结果表明,添加Nb₂O₅后,其容抗弧半径最大,低频区|Z|最高。结论 Mo和Nb₂O₅粉末的加入有效增强了涂层的耐磨性和耐腐蚀性,改善了与316L不锈钢摩擦磨损时的性能。尤其是添加Nb₂O₅的涂层,其综合性能最佳,对其耐磨性提升尤为显著,涂层的磨损破坏机制主要表现为疲劳磨损与磨粒磨损共存,涂层的耐氯离子腐蚀性能得以提升,抵抗电荷转移能力增强。