2025年, 第54卷, 第17期　
刊出日期：2025-09-10

  

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研究综述
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  植物缓蚀剂的研究进展及其在金属材料防腐中的应用

  徐姿仪, 陈倚, 韩嘉茹, 魏雅晓, 乔冬升, 邱丽娜, 弓爱君

  表面技术. 2025, 54(17): 1-17. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.001

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  金属材料因其优异的力学性能被广泛应用于建筑、交通及电子制造等领域,但因腐蚀问题导致其寿命缩短、安全隐患增大,并造成了巨大的经济和环境损失。缓蚀剂是一种经济高效的防腐手段,其中植物缓蚀剂（Plant corrosion inhibitors）以绿色友好、原料来源广泛、易于提取等优势成为研究热点。系统综述了植物缓蚀剂的研究进展,重点探讨其活性成分与作用机制的构效关系。通过对比分析发现,部分体系在酸性介质中对碳钢、铜等材料的缓蚀效率超过95%,且利用复配协同效应（如与碘化钾结合）可以显著提升缓蚀效率。采用电化学（EIS、PDP）结合吸附等温线的方法时,植物缓蚀剂多表现为混合型抑制机制,其吸附行为与Langmuir、Freundlich或Temkin等温模型拟合。此外,现代提取技术（超声波、微波辅助）与传统方法相比,在效率和环保性上更具优势。最后,针对现有问题提出优化提取工艺,拓展其在电子制造和航空航天等精密工业中的应用,并利用大数据技术建立缓蚀剂数据库等,旨在为植物缓蚀剂的设计及多领域应用提供参考。
摩擦磨损与润滑
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  微弧氧化涂层对铝合金疲劳性能影响与改进途径研究进展

  戴卫兵, 张册, 郭辰光, 黄文超, 岳海涛, 张建卓

  表面技术. 2025, 54(17): 18-32. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.002

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  热-力-电耦合作用诱发的微观缺陷（微孔、裂纹、界面缺陷）和残余应力是金属微弧氧化的内禀缺陷,引起微弧氧化涂层疲劳裂纹过早萌生和扩展,损伤基体的疲劳性能。内禀缺陷是涂层铝合金疲劳优化的瓶颈障碍,限制微弧氧化技术在“空天地”装备制造领域的应用。阐述微弧氧化涂层影响基体疲劳性能的因素,分析涂层微观缺陷和表面粗糙度及分布、残余应力和基体表面微结构对涂层铝合金疲劳寿命的影响,并研究内禀缺陷以及外加载荷对疲劳性能的耦合影响机制,进而揭示涂层内禀缺陷致基体疲劳劣化机理,明确铝合金微弧氧化的疲劳失效主导机制,在此基础上,基于协同调控内禀缺陷和基体表面微结构,以减少涂层缺陷、弱化残余应力与缺陷耦合作用、抑制涂层裂纹向基体扩展为思想,提出基体预处理-工艺参数-涂层后处理多维度调控的疲劳优化方法,为微弧氧化技术在轻金属表面强化应用面临疲劳寿命差且难以预测的瓶颈问题,提供新见解和解决方法基础。
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  空气动力学表面减阻技术研究进展

  王延青, 张园园, 刘悦, 李牧, 刘涛, 翁鼎, 汪家道

  表面技术. 2025, 54(17): 33-45. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.003

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  表面减阻技术因其较高的应用价值成为空气动力学研究的重要方向之一。本文对气固界面表面减阻相关研究作了系统的分类和概括,从减阻研究方法、表面摩擦减阻和表面压差减阻3个方面进行阐述。在研究方法方面,文中对气动减阻研究中主要的风洞试验方法和阻力测量方法进行了概述,并分析了各研究方法的技术特征,同时分析了计算流体力学技术在气动减阻研究中的应用。表面摩擦减阻主要总结了表面纵向沟槽（肋条）、展向沟槽等结构的研究进展,包括结构形貌及沟槽尺寸的研究、减阻机理研究及应用情况。表面压差减阻部分主要概述了表面结构在钝体上的减阻特点,总结了表面粗糙度、凹坑、沟槽等结构在延迟边界层分离中的作用机理,及影响其减阻效果的结构形貌和尺寸的研究进展。本文针对不同的阻力方式系统地概括了表面减阻技术的研究进展及表面形貌的主要制造方法,为表面减阻应用提供支持。
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  不同配副材料非静态接触热导对多锥形摩擦副温升特性的影响

  刘雨薇, 孙园植, 陈昌辉, 原彦鹏, 衣超, 石嘉炜

  表面技术. 2025, 54(17): 46-57. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.004

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  目的 摩擦副温度对湿式离合器的工作性能和使用寿命具有重要影响,研究不同材料配副下多锥摩擦副在接合过程中的温度分布和温升特性,有助于新型离合器的设计与应用。方法 基于摩擦学和传热学理论,考虑摩擦副接触面间非静态接触导热的影响,分析多锥形摩擦副的热边界条件。通过推导各节点的瞬态传热方程,建立多锥形摩擦副的瞬态温度场数值计算模型,并采用有限差分方法对其进行求解。结果 多锥形摩擦副的温度场数值解与试验测量结果之间的误差小于5%。研究结果表明,在相同的径向尺寸和输出转矩下,多锥形摩擦副的轴向尺寸比盘式摩擦副减小了14.29%,但其表面平均温升增加了约40%。相对速度和接触压力对于多锥形摩擦副表面温度具有显著的正交互作用。材料导热率会影响多锥形摩擦片内部温度场。随着多锥形摩擦片导热率的增大,摩擦片与钢片之间的温差增大。摩擦片锥顶与锥底的温差减小,摩擦片温度梯度下降。结论 相较于盘式摩擦副,多锥形摩擦副需要高导热系数材料来提升其在高能量密度下的传热能力,在降低径向尺寸条件下,避免热应力引起的离合器热失效。研究结果可为新型湿式离合器的设计提供理论参考。
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  具有固液复合润滑单元的织构表面摩擦学性能研究

  汤维冬, 于爱兵, 郭旭峰, 秦拓, 叶家往, 叶玮豪

  表面技术. 2025, 54(17): 58-66. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.005

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  目的 在极端工况下运行的设备常出现乏油现象,容易造成严重的零件磨损,导致设备出现故障。为了提高零件材料表面的摩擦学性能,探索乏油工况下织构表面的减摩润滑方法。方法 设计并制备一种具有固液复合润滑单元的织构表面。利用激光打标机在45^#钢表面制备圆形微坑织构,并填充聚酰亚胺（PI）泡沫、蓖麻油和聚四氟乙烯（PTFE）块,制得具有固液复合润滑单元的织构表面。采用球盘式往复摩擦磨损实验,在乏油工况下对比3种表面的摩擦学性能,即具有固液复合润滑单元织构表面、凹坑含油织构表面和凹坑填充PTFE织构表面。利用扫描电镜和激光共聚焦显微镜分析磨损情况,借助高速摄影机观测3种表面的润滑过程,并分析其润滑机理。结果 具有固液复合润滑单元的织构表面具有优良的减摩润滑功效,与凹坑含油织构表面和凹坑填充PTFE织构表面相比,其摩擦因数分别降低了54.5%、41.7%,其磨损量分别降低了83.5%、58.9%。此外,固液复合润滑单元内的PTFE块磨损较轻。通过高速摄影发现,对偶球与固液复合润滑单元在摩擦过程中能够将润滑油和PTFE粉末带到摩擦副表面。结论 具有固液复合润滑单元的织构表面的润滑机理为摩擦带出的润滑油和PTFE粉末具有固液复合润滑的效果。创新点为微挤压供油和弹性接触减摩的结构特点能够提高单元内的润滑油利用率,减小PTFE块的磨损。具有固液复合润滑单元的织构表面的摩擦因数和表面磨损量均较低,有效改善了乏油工况下织构表面的摩擦学性能。
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  纳米镶嵌式自润滑采煤机滑靴摩擦性能优化

  沈佳兴, 杨景辉, 范林浩, 杨乐冲

  表面技术. 2025, 54(17): 67-79. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.006

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  目的 解决采煤机滑靴摩擦损耗严重的问题,提出纳米镶嵌式自润滑采煤机滑靴。方法 通过制造不同纳米镶嵌自润滑试件,并使用摩擦磨损试验机研究不同纳米自润滑材料的摩擦因数,选取最佳的纳米自润滑材料。通过仿真对比研究不同拓扑形状在镶嵌结构面积比为10%、20%、30%时的滑靴表面摩擦力、体积磨耗和摩擦应力,并选出镶嵌结构的最优拓扑形状。建立了2种圆形镶嵌结构的仿真分布模型,通过响应曲面法优化各分布参数及结构参数。最终通过摩擦磨损试验和超景深三维显微观测试验检验纳米镶嵌自润滑采煤机滑靴的摩擦特性和磨损状态。结果 最佳纳米自润滑材料为石墨烯,其平均摩擦因数为0.1,镶嵌结构的最优拓扑形状为圆形,镶嵌结构最优分布参数和结构参数为长中心距12.3 mm、宽中心距11 mm、半径4.1 mm,镶嵌结构的定位尺寸参数分别为7.2、12.7 mm,交错分布镶嵌结构的减摩润滑效果最佳,交错分布模型的全局平均摩擦因数为0.142 3,表面三维形貌最大划痕为35.76 μm,与无镶嵌结构试件相比分别降低了30.55%、58.58%。结论 圆形交错分布纳米镶嵌式石墨烯自润滑采煤机滑靴具有较佳的减摩润滑效果,能够有效提升采煤机滑靴的耐磨性,延长采煤机滑靴的使用寿。
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  切削GH4169陶瓷刀具的黏结与扩散磨损研究

  范依航, 贾晓羽, 郝兆朋

  表面技术. 2025, 54(17): 80-90. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.007

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  目的 研究氮化硅刀具切削GH4169的黏结扩散磨损机理,以及黏结扩散过程对刀具的摩擦因数、硬度、冲击韧性的影响,为氮化硅刀具的应用提供参考。方法 基于Lammps软件建立氮化硅刀具与镍基高温合金的切削模型,模拟切削过程,分析黏结和扩散情况。通过计算晶界和晶格处的空位形成能、空位迁移能及扩散激活能,得出扩散系数,在此基础上拟合生长因子,确定控制黏结物生长速率的因素。根据刀具径向分布函数判断刀具是否因黏结磨损而产生新化合物,进而研究其对刀具性能的影响。结果 Ni、Fe、Cr等3种原子晶界处的扩散激活能分别为5.29、2.15、0.7 eV,晶格处的扩散激活能分别为5.58、3.42、1.14 eV,且扩散难易程度由大到小依次为Ni、Fe、Cr,扩散系数由大到小依次为Cr、Fe、Ni。在1 200 K下,Cr、Ni、Fe原子的生长因子分别为0.3、0.2、0.28。在刀具径向分布函数中,键长r=0.173 nm处的峰值逐渐降低,同时,键长r=0.235 8 nm和键长r=0.247 5 nm处的峰值增大。新生成的镍硅化合物可承受的压应力为6.541 GPa,Si₃N₄可承受的压应力为18~21 GPa。在扩散前后,2个模型的冲击韧性分别为169.1、187.8 eV/nm。结论 Ni、Fe、Cr原子易在晶界处发生扩散。在黏结物的生长过程中,Ni、Fe的生长速率由反应速率控制,而Cr的生长速率主要由扩散速率控制,且在黏结过程中生成了新的镍硅化合物和硅铁化合物。黏结、扩散磨损导致刀具的摩擦因数增大,刀具的硬度降低,但冲击韧性提高了约11.6%。
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  16MnCr5钢固液冲蚀损伤行为及机理研究

  刘宗敏, 施长成, 周宇航, 黎杰, 龙海洋, 张慧君

  表面技术. 2025, 54(17): 91-103. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.008

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  目的 探究固液混输装备高压过流表面在固液混输流体冲蚀下的损伤行为,揭示固液混输装备高压过流表面冲蚀磨损机理。方法 建立符合真实服役工况的不规则多面体磨料颗粒有限元网格模型,采用SPH-FEM耦合算法,构建固液耦合冲蚀磨损数值模型。开展固液冲蚀磨损实验,通过冲蚀损伤形貌特征和冲蚀损伤长度、深度变化趋势,验证仿真模型的正确性。通过数值模拟,探讨冲蚀磨损参数对固液混输装备常用材料16MnCr5冲蚀磨损的影响机制。结果 在冲蚀角度、速度一定的条件下,随着冲击时间的增加,冲蚀深度不断加深,宽度先增加后趋于稳定。在冲蚀坑形成后,磨料颗粒与冲蚀坑壁面接触后,其速度发生急剧衰减。保持冲蚀角度不变,随着冲蚀速度的增大,冲蚀磨损质量不断增大,而冲蚀损伤形貌变化不显著。冲蚀磨损质量损失在冲蚀角度为30°左右时达到峰值。随着冲蚀角度的增大,材料的损伤长度和深度构成反向关联的损伤演化曲线,表面损伤形貌由浅长划痕向深短凹坑演变。在450~550 m/s的速度范围内,90°时的损伤深度差值达到15°时的损伤深度差值的2.65倍,而其损伤长度仅为15°时的7.2%。结论 在固液冲蚀磨损过程中,冲蚀能量的变化是影响冲蚀损伤行为的主要因素。其中,冲蚀速度主要影响损伤深度,冲蚀角度主要影响损伤形貌,此结论可为固液混输装备抗冲蚀优化设计提供理论依据。
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  不同轧制温度对医用Zn-Li-Er合金组织及磨损行为的影响

  张源, 杨煜卓, 刘芸, 田亚强, 陈连生

  表面技术. 2025, 54(17): 104-116. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.009

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  目的 临床植入件与骨组织间产生的机械磨损行为,极易产生大量细微尺度碎屑,进而造成溶骨症等病理反应,严重威胁人体生命安全,深入探究其生理环境下腐蚀磨损的交互机制显得尤为必要。方法 结合SEM、XRD、3D/CLSM及多功能材料表面性能试验仪（MFT-4000）等表征手段,探究不同轧制温度下医用锌合金组织演变、磨损率、磨损轮廓及腐蚀磨损作用机制。结果 随着热轧温度的提高（240、280、320、360 ℃）,医用Zn-Li-Er合金的晶粒尺寸逐渐变大,在Hanks'模拟体液环境下,其抗磨损能力表现出先升高后降低的趋势,其磨损率分别为0.89×10^-3、0.75×10^-3、0.69×10^-3、0.73×10^-3 g/(N∙m)。造成上述情况的原因,一方面是较高硬度组织会减少磨损接触区域的局部变形缺陷,减少硬质剥落颗粒对基体的磨损,减少活性离子渗入的通道,进而抑制微电偶腐蚀,减少材料发生疲劳脱落等损伤的现象。另一方面,合适的高温形变温度会将更多的第二相/金属间化合物溶入基体,降低第二相对基体的解理效应,并减少磨损过程中第二相/周围界面的应力集中,进而延缓基体磨损破裂的速度。结论 通过轧制温度调控Zn-0.8Li-0.15Er合金的晶粒尺寸和第二相分布,发现轧制温度为320 ℃时显著提升了合金的抗变形能力,并减少了应力集中现象,延缓了锌合金在模拟体液环境下的疲劳失效,以期为可降解医用植入金属材料耐磨强化提供理论指导。
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  石墨烯、氧化铝增强铝合金微弧氧化陶瓷层的耐蚀及耐磨性能

  郭爽, 杨景博, 白玉, 马文, 恩德拉赫-米西格多杰

  表面技术. 2025, 54(17): 117-125. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.010

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  目的 提高6061T6铝合金的耐蚀、耐磨性能,研究纳米GO+α-Al₂O₃颗粒增强相对陶瓷层微观组织形貌和力学性能的影响。方法 在硅酸盐复合电解液中引入氧化石墨烯（GO）和纳米氧化铝（α-Al₂O₃）颗粒,作为电解液添加剂,对6061T6铝合金表面进行微弧氧化（MAO）处理。通过硬度测试、摩擦磨损试验、电化学试验分别评价陶瓷层的硬度、耐磨性、耐蚀性,并通过扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜对陶瓷层的微观形貌、磨损形貌进行分析。结果 添加纳米GO和α-Al₂O₃颗粒能够增大陶瓷层的致密性,从而提升陶瓷层的硬度。其中GO及α-Al₂O₃共掺杂陶瓷层的硬度达到15.73 GPa。在耐磨性方面,纳米GO+α-Al₂O₃能够提升陶瓷层的耐磨能力,其摩擦因数从铝合金的0.649降至0.334,体积磨损率从铝合金的2.43× 10^-2 mm³/(N·m)降至1.63×10^-2 mm³/(N·m)。在耐蚀性方面,GO+α-Al₂O₃增强相的存在使得陶瓷层的耐蚀性能明显提升,GO+α-Al₂O₃共掺杂微弧氧化陶瓷层自腐蚀电位由纯电解液陶瓷层的-0.172 V提高至-0.148 V,而自腐蚀电流密度由7.158×10^-6 A/cm²降至4.067×10^-8 A/cm²。结论 纳米GO和α-Al₂O₃颗粒作为电解液添加剂,能够有效提高6061T6铝合金微弧氧化陶瓷层的硬度、耐磨性、耐蚀性能,具有广阔的工业应用潜力。
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  边界润滑条件下两种异形纹理的润滑特性分析

  姜智耀, 林秉敬, 杜世元, 赵子杰

  表面技术. 2025, 54(17): 126-136. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.011

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  目的 在极端工况下,金属部件的摩擦磨损问题大幅降低了设备的寿命和能效。基于文丘里效应局部负压特性,通过优化传统圆形纹理的前部和中间结构,提出一种新型表面微纹理设计方案,旨在提升其流体动压润滑性能。方法 选用40Cr钢为基底,采用激光表面纹理（LST）技术创建传统的圆形纹理和2种改良纹理。通过两相流空化模型模拟分析不同纹理的摩擦因数演变规律,确定最佳的参数组合。在边界润滑和非共形接触条件下,通过最佳纹理参数的销-盘摩擦磨损试验,研究3种纹理对润滑性能的影响。结果 无纹理表面试样的最小平均摩擦因数为0.141 5,纹理S1（θ=0°,H=17 μm）试样的最小平均摩擦因数为0.087 6,纹理S2（θ=0°,H=17 μm）试样的最小平均摩擦因数为0.103 7,传统圆形纹理C（θ=0°,H=17 μm）试样的最小平均摩擦因数为0.093 6。结论 基于文丘里效应产生的局部负压特性,通过优化表面微纹理设计可显著提高润滑性能,相较于无纹理表面,其摩擦因数降低了约38.2%。其中,优化后的纹理S1试样通过增强流体动压分布和改善油膜厚度均匀性,实现了有效的流体流动控制和油膜调节,获得了最佳的抗磨效果,其摩擦因数降至0.087 6,相较于传统圆形纹理试样降低了约6.4%。这些结果可为降低极端工作条件下金属部件的摩擦和磨损提供参考。
激光表面改性技术
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  脉冲电流对AZ31镁合金激光冲击强化效果的影响

  李进, 胡鸿彪, 李博文, 王文泉, 赵新甜, 郑宏宇, 王宗申

  表面技术. 2025, 54(17): 137-149. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.012

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  目的 改善镁合金的激光冲击强化效果。方法 借助外加电场辅助镁合金的激光冲击强化过程。通过表面形貌分析,显微硬度和残余应力的测量,室温单向拉伸实验及断口分析,金相组织观察和电子背散射衍射等,对比研究预处理和同步处理2种脉冲电流施加方式,分析脉冲电流对激光冲击强化AZ31镁合金的表面完整性、力学性能、微观组织等的影响机理。结果 试样温度随着电流密度的增大而逐渐升高,并在90 A/mm²时达到最大值,约为177.1 ℃。预处理试样的表面粗糙度约为9.1 μm,同步处理试样的表面冲击凹坑分布更均匀,其粗糙度更低（约为7.5 μm）,试样的表面和截面的硬度均得到提高。退火态原始试样的表面残余应力状态表现为拉应力（约为24.8 MPa）,经脉冲电流辅助激光冲击强化后转变为压应力（约为-40.0 MPa）。在电流密度为60 A/mm²时,试样的拉伸性能较优,预处理试样的抗拉强度和屈服强度分别为306.2、273.5 MPa,同步处理试样的抗拉强度和屈服强度分别为298.3、269.5 MPa,断后伸长率分别为11.2%、18.7%。结论 在电-热-力多场耦合条件下,借助脉冲电流的热效应和电子风等非热效应,激光冲击强化AZ31镁合金的表面完整性得到改善,动态回复和再结晶过程得到加强,大角度晶界比例得到提高,晶粒细化效果更显著,残余压应力水平和力学性能进一步提升。
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  激光固态相变贝氏体道岔钢滚动磨损与接触疲劳行为研究

  李鹏, 姚鑫宇, 王梁, 汪渊, 丁昊昊, 张群莉, 王文健

  表面技术. 2025, 54(17): 150-161. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.013

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  目的 探讨激光固态相变提升贝氏体道岔钢耐磨性能和抗滚动接触疲劳性能的可行性。方法 首先,对贝氏体道岔钢进行激光固态相变处理,分析激光固态相变后贝氏体道岔钢的微观组织和力学性能。然后,利用MJP-30A型滚动接触疲劳试验机开展滚动接触模拟试验,分析激光固态相变对贝氏体道岔钢磨损与接触疲劳演变规律的影响。最后,讨论激光固态相变处理贝氏体道岔钢的滚动接触疲劳损伤机理。结果 经激光固态相变处理后,形成了板条状马氏体为主的相变硬化区和回火马氏体为主的回火软化区,相变硬化区的表面硬度为503HV0.2~549HV0.2,相较于基体提升了14.3%,回火软化区的表面硬度为451HV0.2~ 482HV0.2,与基体接近。与未处理贝氏体相比,激光固态相变贝氏体的磨损率降低了83.4%,耐磨性显著提升。此外,裂纹扩展结果表明,未处理贝氏体试样以网状损伤为主,激光固态相变贝氏体试样以单条裂纹损伤为主,当裂纹穿过激光固态相变产生的马氏体层到达基体区域时,裂纹发生偏折,以大角度向基体内部扩展。结论 通过激光固态相变可以提升贝氏体道岔钢的耐磨损和抗滚动接触疲劳性能,相变硬化区的抗疲劳性能最优,回火软化区次之,未处理贝氏体试样的抗疲劳性能最差。
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  热处理对超音速激光沉积CNTs/Cu复合材料微观结构及导热/导电性能的影响

  李波, 姜家涛, 邓家科, 李镐成, 罗准, 耿在明, 张盼盼, 刘少武, 张群莉, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(17): 162-173. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.014

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  目的 提高超音速激光沉积Cu基复合材料的导热/导电性能。方法 利用超音速激光沉积技术制备不同CNTs含量的CNTs/Cu复合材料,采用不同的退火温度对所制备的复合材料进行热处理,采用扫描电子显微镜、激光导热仪等研究热处理对CNTs/Cu复合材料微观结构及导热/导电性能影响。结果 600 W激光辅助制备的SLD-CNTs/Cu复合材料具有较好的界面结合和表面形貌。在相同的后续热处理温度（600 ℃）下,随着CNTs含量的增加,复合材料的热导率先升后降,电导率单调递减。0.1%CNTs/Cu复合材料经过600 ℃退火处理时的热导率可达289.568 W/(m·K),约为常温下的2.43倍。0.05%CNTs/Cu复合材料在500 ℃退火处理后电导率达到最大（47.7 MS/m）,是常温（25 ℃）电导率的2.29倍。结论 随着退火温度的上升,复合材料发生回复再结晶,消除了颗粒塑性变形导致的严重晶格畸变,有效弥合了Cu颗粒之间的界面,使得CNTs能与Cu基体充分接触,有利于导电/导热性能的提升。
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  送粉式增材制造TC4钛合金多激光异步抛光实验研究

  宋宇阳, 周静

  表面技术. 2025, 54(17): 174-182. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.015

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  目的 解决送粉式增材制造TC4波纹度大、粗糙度大的问题。方法 根据皮秒激光、飞秒激光的去除效率差异,以及振镜、物镜瑞利长度的变化对材料峰谷距离去除效果的不同,提出一种多激光异步抛光工艺。首先将皮秒激光与振镜组合进行激光去除,降低材料表面明显的峰谷距离,然后借助飞秒激光与物镜组合进行激光二次去除,进一步降低材料表面残存的峰谷距离,得到较为平整的表面,最后通过连续激光重熔降低材料表面粗糙度。为了直观体现加工过程中材料峰谷距离的变化,首先在TC4表面铣削,形成深度250 μm的凹槽,以此模拟波峰、波谷,并进行参数化实验,得到多激光异步抛光的最优工艺参数,最后使用相同加工参数对送粉式增材制造的TC4进行多激光异步抛光研究,并分析抛光前后材料粗糙度、残余应力的变化。结果 采用多激光异步抛光工艺可以使送粉式增材制造TC4表面粗糙度由7.637 μm降至0.744 μm,同时在多激光异步抛光过程中材料表面残余拉应力呈现先增大后减小的趋势。结论 这种多激光异步抛光工艺解决了送粉式增材制造TC4的表面质量问题,使材料表面可以达到较小的粗糙度。
表面强化技术
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  6061-T6铝合金喷丸表面温度场研究

  辛达蔚, 薛均民, 张朝阳, 赵建, 王相宇, 乔阳, 牛金涛

  表面技术. 2025, 54(17): 183-190. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.016

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  目的 在采用喷丸工艺过程中,高速运动弹丸与靶材表面发生剧烈碰撞,部分动能转化为内能,导致靶材表面温度升高,从而影响靶材表面层的力学性能和喷丸效果。为了预测喷丸过程中靶材表面的温升,针对应用广泛的6061-T6铝合金,采用模拟仿真与喷丸试验相结合的方法,理论推导分析其喷丸表面的温升现象。方法 首先,基于有限元分析软件ABAQUS,构建喷丸工艺仿真模型,分析不同弹丸粒径、材质喷丸对靶材表面温升的影响。其次,利用热电偶测量喷丸过程中靶材表面以下0.7 mm处的温度,基于试验数据,采用高斯分布模型和热力学理论推导喷丸过程中靶材的表面温度,并与仿真所得表面温度进行对比。结果 6061-T6铝合金喷丸表面的温升显著,表面温度场呈高斯分布特征,最高温度可达170 ℃。在相同材质下,采用较小粒径的丸料喷丸,其表面温度更高。在粒径相同时,陶瓷丸的喷丸温度高于铸钢丸。试验测温-理论推导的结果与仿真结果高度一致,验证了仿真模型的有效性和正确性。结论 为喷丸工艺中靶材表面的温升预测提供了解决方案,为其后续的可控利用提供了理论依据和试验基础。
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  喷丸强化及热暴露时间对DZ125合金低周疲劳寿命的影响

  李奎, 金向明, 冷坤, 陈才临, 赵宇, 江龙刚, 郝龙龙, 杨杰

  表面技术. 2025, 54(17): 191-201. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.017

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  目的 镍基高温合金DZ125常用于复杂服役环境的航空发动机的叶片材料。喷丸强化是一种广泛使用的表面处理工艺。本文旨在探索喷丸强化对DZ125合金的疲劳寿命影响。方法 使用S110铸钢丸对DZ125合金试样（光滑试样和缺口试样K_t=2.5）进行喷丸强化处理,同时考虑了热处理时间（100 h和200 h）对试样表面残余应力的影响,并对试样进行拉-拉疲劳试验。结果 常温下,DZ125合金的喷丸试样与非喷丸试样的疲劳寿命相比,表现为光滑试样的疲劳寿命差异不明显,缺口试样的疲劳寿命提高400%;高温下,表现为光滑试样的疲劳寿命大幅降低,缺口试样的疲劳寿命提高565%。喷丸强化引入的残余应力场,随热处理时间延长,表面残余应力逐渐降低。喷丸强化在光滑试样表面引入残余压应力493 MPa,随着热暴露时长增加至100 h和200 h,表面残余应力数值分别降低至267 MPa和248 MPa。结论 喷丸处理显著提高了DZ125合金缺口试样的疲劳寿命,常温下疲劳寿命是未喷丸试样的4倍,高温下疲劳寿命是未喷丸的5.7倍。然而,对于光滑试样,喷丸在常温下的效果不明显,但在高温下会由于氧化损伤导致疲劳寿命降低。热处理虽然对残余应力影响较小,但会导致喷丸试样的疲劳寿命降低。
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  渗铬温度对304不锈钢渗铬层组织结构与性能的影响

  袁梦雨, 韦春贝, 代明江, 陈玲, 林松盛, 石倩

  表面技术. 2025, 54(17): 202-211. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.018

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  目的 通过渗铬处理改善不锈钢表面的耐磨性能和耐腐蚀性能,重点研究不同渗铬温度对渗铬层结构和性能的影响。方法 采用固体包埋粉末渗铬法,在850、900、950、1 000 ℃渗铬温度下进行渗铬处理。通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪对渗铬层的化学成分、组织结构进行分析,利用显微硬度计、洛氏压痕仪、摩擦磨损试验机和盐雾腐蚀试验机对渗铬层的力学性能和耐腐蚀性能进行表征。结果 渗铬层表面分布着不连续的氮化铬凸起晶粒以及在凸起晶粒周围存在大量的孔隙,随着渗铬温度增加凸起晶粒逐渐长大,渗铬层的主要物相为Cr₂₃C₆、Cr₂C、Cr₂N。渗铬层厚度、表面硬度随着渗铬温度的增加逐渐提高,渗铬层厚度在1.77~6.52 µm之间,渗铬层表面硬度受载荷和渗铬层厚度影响较大。900 ℃以下渗铬处理的渗铬层耐磨性能较差;当渗铬温度达到950 ℃以上时,渗铬层的耐磨性能明显提高,在1 000 ℃渗铬层的磨损率降低至3.85×10⁶ mm³/(N·m)。900 ℃和950 ℃渗铬层由于适当的渗铬层厚度和良好的渗层致密性,盐雾腐蚀2 016 h后渗铬层仍未发生腐蚀,大幅度提高了不锈钢的耐腐蚀性能。结论 950 ℃渗铬温度下渗铬层具有合适的厚度、良好的渗层致密性和力学性能,大幅度提高了不锈钢表面的耐磨性能和耐腐蚀性能。
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  气缸套过渡圆角滚压强化下的残余应力测试及数值模拟

  朱正道, 鲍珂, 曹宝生, 向建华

  表面技术. 2025, 54(17): 212-221. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.019

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  目的 针对发动机气缸套圆角在循环载荷下易发生疲劳断裂的问题,探究气缸套圆角在滚压强化工艺作用下的残余应力试验测试及数值模拟方法。方法 基于X射线衍射原理,在PROTO-LXRD应力仪运用侧倾固定ψ法进行气缸套予圆角0°、90°、180°和270°四个方位取样测试,获得周向上残余应力值;构建气缸套-滚轮显式动力学有限元分析模型,分析气缸套圆角在滚轮滚压过程中的塑性变形及残余应力变化特性,探明滚轮端面半径、滚压圈数、滚压力和滚轮倾角等滚压工艺参数对残余应力的作用规律,揭示工艺参数对气缸套圆角残余应力的影响权重。结果 气缸套圆角残余应力的试验测试和数值模拟结果的误差为4.96%;气缸套圆角区域的塑性应变随滚压圈数增加而累积,节点N4955的等效塑性应变在8圈滚压后达到0.067,相应的残余应力也逐渐增大,节点N4955的Min Principal应力达到255 MPa。此外,气缸套圆角残余压应力随着滚轮端面半径增加而减小,随着滚压圈数和滚压力的增加而增大,而随着滚轮倾角的增加呈先增加后减小的趋势,且平均梯度分别为57.92、16.20、357.28、35.00 MPa,滚压力相比其他滚压工艺参数对气缸套圆角残余应力的影响更大。结论 针对气缸套圆角滚压工艺,提出了一种有效的残余应力测试和有限元仿真方法,揭示了工艺参数对圆角残余应力的作用规律及影响权重,可用于气缸套圆角滚压工艺的技术改进。
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  等离子喷涂制备热障涂层及其热循环性能

  周夏凉, 徐群飞, 骆仁智, 袁阳, 张健月, 毛鹏展, 陈利斌, 左都云

  表面技术. 2025, 54(17): 222-229. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.17.020

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  目的 分析Y₂O₃-Yb₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂热障陶瓷材料的稳定性及涂层的循环性能,探讨热循环失效机理。方法 在1 500 ℃下对Y₂O₃-Yb₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂陶瓷粉体和涂层进行24 h恒温热处理,并对粉末进行DT-DSC试验,用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪对涂层的物相、表面形貌、截面形貌、元素组成、元素分布进行表征,用 Image J 软件分析涂层的孔隙,对涂层进行结合强度拉伸试验,在1 100 ℃下对涂层进行水淬试验,分析涂层的热循环寿命和失效行为。结果 在室温至1 500 ℃范围内Y₂O₃-Yb₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂陶瓷粉体和涂层的结构稳定,未发生相变。制备的Y₂O₃-Yb₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂热障涂层的平均孔隙率为17.8%,与基体的平均结合强度为43.1 MPa。在1 100 ℃下对涂层进行水冷热循环处理,涂层的平均循环寿命次数为93。结论 Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃等3种稀土的掺杂可以有效稳定ZrO₂晶体结构,抑制高温下ZrO₂的相变。在水冷热循环过程中,温度的剧烈变化使得陶瓷层内部产生了热应力,导致微裂纹的萌生、扩展,并最终形成裂纹。裂纹的形成和扩展可以释放热循环过程中产生的热应力,从而提高热障涂层的热循环寿命,但裂纹的不断扩展也降低了涂层内部的强度。随着热循环的进行,当热应力大于其内部结合强度时,涂层会加剧剥落,导致其失效。