2025年, 第54卷, 第19期　
刊出日期：2025-10-10

  

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研究综述
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  高温固相原位激光冲击技术在再制造领域的研究进展

  李召旭, 胡效东, 董世运

  表面技术. 2025, 54(19): 1-13. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.001

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  高温固相原位激光冲击是一种作用于高温凝固金属的脉冲激光处理技术,通过脉冲激光与增材热源的同步移动,使得冲击波作用于材料熔池后的高温固相区域,在制造/修复过程中完成材料的表面改性和应力调控。针对高温固相原位激光冲击的国内外近期研究成果进行综述,首先基于固有应变理论和经典杆块模型,分析高温固相原位激光冲击的作用原理与优势。同时,借助高温激光冲击强化的研究成果,讨论高温条件下激光冲击对材料微观组织的演变,并系统对比约束层的缺失对激光能量和压缩残余应力的影响,在此基础上说明高温固相原位激光冲击相较于类似流程的层间处理在成型效率上的优势。针对不同的应用场景,分类阐述高温固相原位激光冲击在激光增材和电弧焊接中的应用情况,对工艺流程发展、工艺参数设置、微观机理及仿真计算进行归纳。最后,对高温固相原位激光冲击在再制造中的研究进展进行总结,并对下一阶段的发展方向进行展望。
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  齿轮胶合研究综述：机理、计算方法及优化策略

  郭栋, 邓文丰, 李明, 辛玉, 方川

  表面技术. 2025, 54(19): 14-15. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.002

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  随着新能源汽车的发展,其减速器中的齿轮常处于高速重载等极端工况,易因润滑不良引发胶合失效,表现为齿面温度急剧上升导致润滑油膜破裂,金属表面粘连并撕裂,严重影响着传动系统的可靠性和使用寿命。综述了现目前有关于齿轮胶合的失效机理,包括闪温理论、弹流润滑理论、PVT极限理论以及绝热剪切不稳定性理论。通过对比ISO 6336-20/21与GB/Z 6413.1/2等标准中的计算方法,揭示了积分温度法与闪温法在复杂工况下的适用性差异,探讨了数值计算方法和机器学习算法在齿轮胶合问题中的应用。总结了影响齿轮胶合的关键因素,包括制造工艺、工作条件、几何参数和润滑条件等。合理设计压力角、模数等宏观参数可改善载荷分布,而微观修形则能优化表面接触状态;极压添加剂和合理的供油方式能有效增强油膜稳定性;表面强化处理和涂层技术则能改善残余应力分布,降低摩擦系数。通过优化齿轮制造工艺、改善齿轮工作和润滑条件、合理设计齿轮几何参数,可有效提高齿轮的抗胶合性能。最后对齿轮胶合的发展趋势进行了展望,未来研究应结合多学科交叉技术,融合先进计算方法与实验手段,提升齿轮胶合预测的精度和适用性。同时应针对现代高性能齿轮在极端工况下的应用需求,优化材料、润滑和制造工艺,开发更具针对性的抗胶合设计策略,为高效可靠的齿轮传动系统提供坚实的技术支撑。
摩擦磨损与润滑
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  强流脉冲电子束表面改性TA15钛合金的组织结构和耐磨性能研究

  陈军, 张瑜, 郝胜智, 李伟, 王轶农, 马海涛

  表面技术. 2025, 54(19): 29-39. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.003

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  目的 提高TA15钛合金的耐磨性能。方法 利用强流脉冲电子束（HCPEB）对TA15钛合金进行辐照处理,工作参数包括加速电压（26 kV）、能量密度（4 J/cm²）、脉冲宽度（2 μs）、辐照次数（1、3、8、15、22次）。利用X射线衍射仪对样品的物相组成进行分析,利用金相显微镜、扫描电镜和激光共聚焦显微镜观察样品表面和截面的形貌,利用能谱分析仪分析样品表面元素含量的变化,利用扫描电子显微镜附件电子背散射衍射探头分析样品的位错密度和晶粒尺寸变化,利用数字式显微硬度计测试样品的维氏硬度,利用销盘式可控气氛微型摩擦磨损仪测试样品的耐磨性能。结果 TA15钛合金经HCPEB辐照处理后,其改性层中生成了单一α′马氏体相。样品表面出现了熔坑,随着辐照次数的增加,熔坑数量逐渐减少,粗糙度逐渐下降。经辐照处理后,晶粒明显细化,经过15次辐照处理,平均晶粒尺寸由原始样品的1.5 μm降至0.8 μm,晶粒尺寸范围由原始样品的0.2~9.1 μm降至0.2~4.7 μm。随着辐照次数的增加,位错密度均不同程度地提高,平均硬度降低。TA15钛合金的磨损机制为磨粒磨损,经HCPEB处理后,样品的平均摩擦因数和磨损体积均减小,其中经15次辐照处理的样品的摩擦因数相较于原始样品的摩擦因数降低了约37%,其磨损体积减小了约19%。结论 通过强流脉冲电子束辐照处理提高了TA15钛合金的耐磨性,经过15次辐照处理的样品的耐磨性相对最佳。
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  镍铝青铜切向微动和滑动磨损行为对比研究

  李攀, 张坡, 乐志文, 操子瑞, 蔡召兵, 古乐

  表面技术. 2025, 54(19): 40-52. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.004

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  目的 在服役过程中,可调距桨桨毂结合面等随着外界工况的改变,时而发生微动磨损,时而发生滑动磨损,严重影响了装备的服役性能和使用寿命。对比研究桨毂镍铝青铜（CuNiAl）合金在干摩擦条件下的微动和滑动磨损性能及损伤机理。方法 采用自制的球面接触切向摩擦磨损试验机,开展镍铝青铜合金在5、10、15 N等3种法向载荷下的微动（D=100 µm）和滑动磨损（D=400 µm）性能对比实验。基于F_t-D曲线和摩擦因数分析结果,探讨摩擦界面在不同工况下的动力学行为;结合金相显微镜（OM）、场发射扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）等微观分析手段,系统表征磨损表面和磨屑的微观特征及元素分布,深入揭示表面的损伤机理和磨屑形成机制。结果 研究表明,微动比滑动摩擦因数的波动更大,二者均随着法向载荷的增加呈下降趋势;在低载荷下,微动与滑动摩擦因数接近,但在高载荷下微动摩擦因数约为滑动摩擦因数的1.5倍。当载荷从5 N增至15 N时,微动和滑动的磨损率分别增加了54.8%、81.3%,表明滑动磨损对载荷的变化更加敏感。结论 受到不同位移幅度下摩擦界面第三体行为、动力学行为和热效应等因素的影响,在相同载荷下,微动和滑动的摩擦、磨损、表面损伤机制存在显著差异。微动磨损表现为剥落、犁沟、分层、裂纹,磨损机理主要为疲劳磨损、黏着磨损和氧化磨损。滑动磨损主要表现为沿滑动方向的犁沟和划痕,其磨粒磨损占主导。
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  预氧化处理对锆合金包壳冲击-切向磨损行为的影响

  王俊, 蔡振兵, 雷宇杰, 李正阳, 朱健健, 宁坡

  表面技术. 2025, 54(19): 53-62. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.005

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  目的 流致振动诱发的微动磨损是导致锆合金包壳失效的主要因素,揭示多维度耦合模式下包壳的磨损机理、延长其服役寿命是安全发展核能亟须解决的重点问题。研究核用Zr -Sn-Nb合金包壳在不同冲击能量下的冲-切磨损行为,以及预氧化处理对其耐磨性能的提升机制。方法 采用特制高压釜对锆合金包壳进行预氧化处理,在其表面制备ZrO₂层。利用特制的冲击-切向磨损试验设备进行冲切磨损试验,获取包壳在不同冲击能量下的冲切磨损规律,揭示预氧化处理技术对其抗磨损性能的提升机制。结果 经预氧化处理后,包壳硬度为233.5HV0.2,相较于基体（191.0HV0.2）提高了22.3%,表面粗糙度为0.306 μm,相较于基体（0.458 μm）降低了33.2%。当E_I=3.60 mJ时,预氧化包壳的冲击回弹速度、能量和冲击力略高于基体,而能量吸收率、切向摩擦力、摩擦因数和磨损体积相较于基体分别由39.1%、53.9 N、0.59、8.45×10⁵ μm³降至37.7%、44.90 N、0.39、8.01×10⁵ μm³。结论 随着冲击能量的增加,基体的磨损机制由磨粒磨损和轻微疲劳磨损转变为以分层为主;预氧化涂层有效改善了包壳的表面质量,硬度升高,粗糙度降低,分别降低了冲切过程中的能量吸收率和切向摩擦因数,使其磨损机理转变为以轻微磨粒磨损和疲劳磨损为主,有效提高了其抗冲切磨损性能。
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  不同轧制速率下Zn-Li-Er合金的显微组织及摩擦磨损性能

  张源, 杨煜卓, 刘芸, 田亚强, 陈连生

  表面技术. 2025, 54(19): 63-72. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.006

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  目的 研究不同轧制速率对医用锌合金微观组织结构及摩擦磨损性能的影响规律,为延长人体环境下植入部位的服役寿命提供理论支撑,提高植入安全性。方法 通过真空熔炼制备新型Zn-Li-Er合金,并采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、激光共聚焦分析仪（3D/CLSM）及多功能材料表面性能试验仪对不同轧制速率下医用锌合金的显微组织结构、相组成、力学性能和干/湿摩擦磨损性能进行检测和分析,阐明合金服役过程的摩擦磨损失效机制。结果 在轧制速率30 m/min下,医用锌合金经过形变后在Hank's模拟体液环境下表现出较好的耐磨性能,磨损率仅为0.65×10^-3 g/(N∙m);晶粒细化程度较高,硬度为164.96HV。材料的硬度越高,则抵抗划伤和切削的能力越强,进而其耐磨性得到改善。同时,热能的输入调控了合金内部组织的空间分布,增强了微观组织的机械稳定性,降低了摩擦力及摩擦损耗。当轧制速率增至40 m/min时,晶粒尺寸开始变大,较低的密度晶界网络不利于阻碍摩擦副的相对运动,进而恶化了合金的耐磨性能。结论 在轧制速率为30 m/min时,医用锌合金表现出较优的植入性能,实现了抗磨损能力和耐腐蚀性能的双重提升。
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  电动汽车差速器接触-磨损机理与表面应力调控

  李先平, 周辉, 张本柱, 姜艳军, 甘纯, 张蒙祺, 莫继良

  表面技术. 2025, 54(19): 73-84. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.007

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  目的 电动汽车在起步、急加速、能量回收（正、反转交替）过程中,其差速器承担着较大的瞬时扭矩,其零部件磨损失效概率相较于燃油汽车显著升高。在高载荷作用下零部件接触特征及其引发表面磨损的具体机制尚未完全清楚,针对该问题的表面结构设计相对少见。探索差速器磨损失效机理,进一步提高电动汽车的运行安全性和稳定性。方法 在差速差扭工况下开展某型号电动汽车差速器的耐久性台架试验,获取零部件发生磨损的主要位置,并结合差速器有限元模型,创新地以行星齿轮轴承载变形及其对零件间接触相互作用的影响为切入点,将局部性的表面接触与整体性的结构变形统筹考虑,更为准确地剖析磨损形成机理。结果 实验结果表明,在长时重载运行实验条件下,差速器的行星齿轮轴和行星齿轮内孔出现了犁沟、胶合及塑性变形等磨损失效。通过接触分析发现,行星齿轮轴在多点载荷和约束作用下呈“S”形弯曲变形,轴、孔中线不平行,形成了边缘接触,表面压力集中在狭窄区域内,并出现局部高峰值,导致磨损的发生。对行星齿轮内孔进行圆弧修形可有效缓解边缘接触造成的应力集中,在最佳修形量下行星齿轮轴表面接触压力理论最大值降低了约50%,同时未引起轴体剪应力发生显著变化（仅增大了3.6%）。结论 行星齿轮轴和行星齿轮内孔接触面上的压力集中是造成零件表面磨损的关键因素。对行星齿轮内孔进行修形设计是缓解应力集中问题的有效途径。研究结果可从抗磨损失效角度为差速器零部件表面结构设计提供一定的科学依据。
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  SiO₂-SiC杂化材料协同提升UHMWPE复合材料的摩擦学性能

  郭永刚, 彭江博, 王依

  表面技术. 2025, 54(19): 85-97. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.008

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  目的 通过在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）中添加二氧化硅杂化碳化硅材料（SiO₂-SiC）来提升UHMWPE复合材料在不同摩擦工况下的摩擦磨损性能,以期获得摩擦学性能优异的复合材料。方法 以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源,采用原位生长法制备SiO₂-SiC杂化材料,解决传统机械共混法中纳米相分散不均、界面结合弱等问题,并首次将其引入UHMWPE基体,采用热压成型法制备不同含量的5种UHMWPE/SiO₂-SiC复合材料,采用FTIR、XRD表征分析SiO₂-SiC杂化材料的红外特征峰和物相结构,利用万能试验机、硬度计和DSC表征其力学性能和热性能,采用往复式摩擦试验机评估干摩擦与水润滑条件下其摩擦学行为,结合SEM分析其磨损形貌和机理。结果 即使SiO₂-SiC杂化材料的质量分数不同,熔融峰温度始终出现在约141 ℃处,增强了UHMWPE复合材料的热稳定性;3SC的硬度达到70HD,相较于纯UHMWPE（65 HD）提升了约7.7%。其中,4SC的模量达到192 MPa,相较于基体（77 MPa）提升了约149.4%,3SC的韧性为80.6 MJ/m³,相较于基体（46.5 MJ/m³）提升了约73.3%。在干摩擦条件下,2SC的平均摩擦因数分别为0.06、0.026、0.052,相较于UHMWPE降低了32.4%以上,在水润滑条件下相较于UHMWPE也降低了32%以上。SEM分析结果表明,SiO₂-SiC通过形成连续转移膜和抑制微裂纹扩展,实现了“减摩-抗磨”双效提升。结论 SiO₂-SiC杂化材料的添加可以明显提升UHMWPE复合材料的摩擦学性能,2SC在干/水摩擦条件下均表现出最低的摩擦因数和磨损体积,可为设计具有低摩擦因数、耐磨损的新型水润滑轴承复合材料提供关键理论和实验依据。
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  考虑挠曲的水润滑轴承混合润滑特性分析

  刘时铭, 田佳彬, 解忠良

  表面技术. 2025, 54(19): 98-109. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.009

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  目的 更准确地研究水润滑轴承在实际工况下的润滑性能特性。方法 基于水润滑轴承-转子耦合推进系统,构建综合考虑轴瓦表面形貌效应、弹性变形效应及轴颈挠曲的动力学模型,并提出一种针对该模型的润滑特性求解方法。系统分析挠度对水润滑轴承静态和动态性能的影响规律,阐明不同工况及结构参数下轴承特性的演变机理和影响机制,厘清多因素耦合效应与轴承可靠性之间的内在关联。结果 在小挠度（5.2×10^-4 rad）下,基于转轴的自重作用,水润滑轴承的下端边缘处的变形较大。随着挠度的增长,转轴的质心趋向轴承上方,因此轴承衬层下端的变形趋于0。转速对最大变形区域无显著影响,仅对衬层最大变形量产生影响。转速为1 000 r/min时的变形量为0.056 986 mm,转速为5 000 r/min时的变形量为1.371 5 mm,增长幅度较大。可知转速对最大变形量的影响显著高于挠度因素,其应变及应力的演变规律与变形一致。结论 挠度效应基于接触区域的挤压效应,使得最小水膜厚度减小,流体流速加快,增强了流体内部动态响应,使得压力等参数对流体动力学参数的波动更加敏感,从而改变了润滑性能的分布特性,研究成果为提升考虑多因素耦合效应的水润滑轴承可靠性提供了坚实的理论支撑。
激光表面改性技术
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  激光喷丸复合超声滚压强化2205双相不锈钢抗氢渗透性能

  温锦锦, 黄舒, 盛杰, 朱明亮, 戴峰泽, Agyenim-Boateng Emmanuel, 赵朝俊, 沙秦庆, 孟宪凯, 吴斌, 周建忠

  表面技术. 2025, 54(19): 110-126. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.010

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  目的 为了提高2205双相不锈钢（Duplex stainless steel, DSS）的抗氢渗透性能,提出一种新的材料表面强化工艺,即利用激光喷丸复合超声滚压强化的方式在2205 DSS表层制备纳米级梯度结构,从而抑制有害化学元素,尤其是氢元素的侵入。方法 采用激光喷丸复合超声滚压强化技术对2205双相不锈钢试样进行表面强化处理,分析不同工艺参数下2205双相不锈钢试样的显微组织、表面粗糙度、残余应力,对比研究激光喷丸强化（Laser peening, LP）、超声滚压强化（Ultrasonic surface rolling process, USRP）和激光喷丸复合超声滚压强化（Ultrasonic-assisted laser peening, ULP）技术对2205 DSS表面性能的提升效果,深入分析2205 DSS微观组织演变的机理及其对氢脆敏感性的影响。结果 通过3种表面处理均可使材料表层晶粒发生细化,经ULP处理的晶粒的细化效果相对最好,其表层晶粒平均尺寸为6.125 μm,细化率达到39.51%,并在材料表面制备出深度约为694 μm的纳米级梯度结构;与其他2种方法相比,通过ULP处理可获得高达1 217 MPa的残余压应力,远大于LP（512 MPa）和USRP试样（1 048 MPa）。此外,ULP技术结合了LP和USRP的技术优势,经ULP处理后试样的表面粗糙度仅为0.016 µm。氢渗透试验结果表明,ULP处理能够有效抑制氢元素的渗透和扩散。结论 ULP处理使得试样的表面粗糙度显著降低,产生了幅值大且影响层深的残余压应力,晶粒细化效果更加明显,这种纳米级梯度结构的形成对于氢元素的渗透和扩散具有显著抑制效果,ULP技术的提出有助于拓展表面形变强化技术在抗氢脆领域的应用。
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  激光固态相变U75V材料滚动接触疲劳损伤行为研究

  王彦杰, 王梁, 张沭玥, 丁昊昊, 王春昌, 张群莉, 王文健, 刘启跃

  表面技术. 2025, 54(19): 127-142. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.011

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  目的 铁路道岔的结构复杂,车轮与道岔之间的动态相互作用较剧烈,容易出现磨损和接触疲劳损伤,因此提高道岔的耐磨性和滚动接触疲劳性能成为亟须解决的关键问题。激光固态相变技术在提升材料力学性能和耐损伤性能方面展现出巨大潜力,但该技术尚未在道岔应用中得到系统研究,这里旨在探索该技术在道岔钢轨中的应用可行性,并为激光固态相变U75V材料在道岔上的应用提供理论支撑。方法 首先分析不同搭接率下激光固态相变U75V材料的硬度和微观组织分布,并利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机模拟道岔滚动接触载荷,研究激光固态相变U75V的滚动接触疲劳损伤的演变规律,并讨论滚动接触疲劳损伤机理。结果 激光固态相变能够改变U75V材料的微观组织,并提高材料的硬度。在激光固态相变后,形成了以针状马氏体为主的硬化区和以回火马氏体为主的软化区,硬化区表面硬度分布在800HV0.2左右,相较于基体的平均硬度（339HV0.2）提升了1.36倍;软化区表面硬度分布在650HV0.2左右,介于硬化区与基体之间。通过激光固态相变能够提高U75V材料的耐磨性能和抗塑性变形性能,与未处理U75V相比,在干态10 000 r后,激光固态相变U75V材料的磨损量降低了26.3%,硬化区塑性变形层深度减小了97.7%,软化区塑性变形层深度减小了95%。未处理U75V的疲劳裂纹扩展现象严重,在水态下、5 000 r时就发生了严重的疲劳剥落现象。在循环转数较小时激光固态相变U75V的硬化区主要为细小疲劳裂纹,软化区主要为表层细小密集的多层裂纹。在循环转数（130 000 r）较大时,硬化区和软化区发生了疲劳剥落,软化区表层细小密集的裂纹会被磨掉,部分裂纹会扩展,出现枝裂纹。结论 通过激光固态相变能够提高U75V材料的滚动接触疲劳性能。
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  扫描参数对激光粉末床熔融Ti-6Al-4V表面粗糙度的影响

  王孟达, 丁佳明, 季霞, Steven Y. Liang

  表面技术. 2025, 54(19): 143-152. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.012

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  目的 研究不同扫描参数对激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）加工Ti-6Al-4V合金表面粗糙度的影响,为优化LPBF工艺提供理论依据。方法 采用条纹和棋盘2种扫描路径,并设置0.11、0.14 mm等2种扫描间距制备试样,结合电子背散射衍射（EBSD）和三维轮廓仪对试样的微观组织及表面粗糙度进行定量分析。结果 相较于条纹路径,采用棋盘路径能够优化热输入分布,显著促进晶粒细化和取向随机化,其平均晶粒尺寸降低了10.78%,晶粒长宽比下降了7.29%,晶粒取向散度（Grain orientation spread, GOS）提升了3.03%,表明柱状晶生长受到有效抑制,晶粒趋于等轴化。当棋盘单元由3 mm缩小至1 mm时,晶粒取向进一步趋于均匀,GOS值从0.68°提升至0.8°,提升幅度为17.65%,但平均晶粒尺寸回升18.15%,晶粒长宽比回升1.98%,表明晶粒细化效果趋于稳定。在表面质量方面,条纹路径因往复扫描造成热积累,导致表面粗糙度较高,S_a为(71.978±3.02) µm;棋盘路径显著改善了熔池流动均匀性,使S_a降至(46.325± 2.85) µm,改善幅度达到35.65%。在棋盘单元从3 mm减至1 mm后,表面粗糙度进一步降至(45.131± 2.10) µm,改善幅度为2.58%。此外,虽然缩小扫描间距在一定程度上促进了晶粒细化,但热积累增强,导致晶粒择优生长加剧,表面粗糙度改善效果不明显。结论 通过优化扫描策略,可有效调控熔池稳定性和晶粒组织演化,进而降低成形件的表面粗糙度。
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  (Y_1-xGd_x)₂O₃对WC增强Ni基复合涂层组织结构及性能的影响

  尹自豪, 马兴华, 尹宇, 马名浩, 张树玲, 郭峰

  表面技术. 2025, 54(19): 153-162. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.013

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  目的 为了优化WC增强Ni基复合涂层的成型品质及其耐磨耐蚀性能,研究采用激光熔覆技术制备(Y_1-xGd_x)₂O₃/WC/Ni60A复合涂层。方法 首先,在25% WC/Ni60A的基础涂层中,添加2%的(Y_1-xGd_x)₂O₃（0.0 ≤ x ≤ 1.0）双元稀土氧化物,利用X射线衍射分析仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）等表征工具,对涂层的物相组成、微观结构及元素分布进行分析。运用显微维氏硬度计（HV-1 000）、摩擦磨损试验机（UMT-3）以及电化学工作站（CHI-760）等,对涂层的耐磨耐蚀性进行测试。结果 通过激光熔覆制备的涂层组织致密,且与基体形成了牢固的冶金结合。XRD分析揭示,该复合涂层主要由γ-Ni枝晶和γ相结构的（Fe,Ni）固溶体构成,而在添加(Y_1-xGd_x)₂O₃后,还检测到了Ni₂Y、Gd₂Fe₁₇Si等化合物的析出。由SEM和EDS的观察分析结果可知,涂层厚度约为1.5 mm,熔覆层无孔洞和裂纹等缺陷,组织分布均匀,未出现元素偏析现象。硬度测试数据表明,随着x值的增大,复合涂层的平均显微硬度呈上升趋势,在x = 0.8时达到峰值465.61HV,约为基体硬度的2.3倍。在摩擦磨损测试中,当x = 0.8时,复合涂层展现出最低的摩擦系数（约0.45）和最小的磨损率（约2.09×10^-3 mm³/(N·m)）,较未添加(Y_1-xGd_x)₂O₃的涂层,耐磨损性能提升了58.78%。电化学测试结果则显示,当x = 0.2时,复合涂层的耐蚀性能最为优异,此时的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为-0.387 2 V和2.192×10^-6 A/cm²,但随着x值的继续增大,耐蚀性能逐渐减弱。结论 双元稀土氧化物的掺入能够显著提升WC/Ni60A涂层的耐磨耐蚀性能,预示着该材料在极端海洋环境下的表面防护领域具有广阔的应用前景。
表面强化技术
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  超声强化对34CrNiMo6钢外螺纹根部残余应力的影响

  郭鹏, 刘轩宇, 牛奕霖, 杨旭, 刘治华

  表面技术. 2025, 54(19): 163-172. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.014

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  目的 建立外螺纹根部超声滚压仿真模型,结合试验和仿真,研究超声滚压静压力、超声振幅和滚压遍数对34CrNiMo6钢外螺纹根部表层残余应力的影响。方法 在MTS809.25型250 kN拉扭疲劳试验系统及分离式霍普金森压杆试验系统上,对34CrNiMo6钢的Johnson-Cook（J-C）本构模型参数进行标定,通过Hypermesh、Matlab联合建立带螺纹升角的螺纹有限元模型,基于赫兹接触理论给出静态力压下深度,从而建立外螺纹根部超声滚压仿真模型,通过试验对该模型进行有效性验证,并研究不同工艺参数对强化后螺纹根部残余应力的影响。结果 所建仿真模型残余应力计算结果与试验结果趋势相吻合,平均误差为11.4%。对外螺纹根部进行超声滚压仿真,发现最大残余压应力随着静压力、超声振幅的增大而增大,随着滚压遍数的增加呈先增大后减小的趋势。当其他参数相同时,残余压应力分别在静压力1 kN、振幅10 μm、滚压4遍时达到最大值,分别为-719.54、-723.61、-691.03 MPa。结论 通过超声滚压强化可以显著提高34CrNiMo6钢外螺纹根部的残余压应力,所建仿真模型能够有效预测强化后螺纹根部的应力分布。针对因根部圆角半径较小无法通过试验准确测量残余应力的螺纹,提供了一种仿真分析获取残余应力的方法。
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  喷丸-超声滚压复合强化Cr-Ni-Mo系高强钢摩擦磨损性能研究

  张亚龙, 夏艳飞, 吴鲁纪, 石大鹏, 刘乐, 屈盛官, 何翔

  表面技术. 2025, 54(19): 173-185. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.015

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  目的 探究喷丸与超声滚压协同处理工艺对Cr-Ni-Mo系高强钢表层特性及摩擦学性能的作用机制,通过工艺参数优化提升航空传动部件的抗磨损性能和服役稳定性。方法 首先通过喷丸强化方法在材料试样表层引入较大的残余压应力,然后利用超声滚压的光整效应改善喷丸表面粗糙度,并增强残余压应力场,采用数值模拟与实际试验分析相结合的方法,揭示喷丸冲击-超声滚压复合处理对高强钢材料表面完整性（残余应力、微观结构、显微硬度和表面形貌等）多维度响应的作用机制,重点解析它在塑性变形控制、应力场重构及表面功能化方面的协同强化效应。结果 复合强化处理试样的表面最大残余压应力为-920 MPa,经过超声滚压光整后,冲击弹坑基本消失,其表面粗糙度降至0.377 μm,且经复合强化后试样表层形成了明显的晶粒细化和位错缠结。摩擦因数由原始试样的0.105降至0.064,磨损体积由0.442 mm³降至0.204 mm³,磨损机制由原始试样的疲劳磨损为主转变为氧化磨损、磨粒磨损和黏结磨损的混合失效形式。结论 高强钢试样经过喷丸-超声滚压复合强化后,其表面完整性和摩擦磨损性能得到显著提高。
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  表面纳米处理对高熵合金与不锈钢扩散焊接头组织及力学性能的影响

  李琪, 高海涛, 刘凤美, 李丽坤, 高世一

  表面技术. 2025, 54(19): 186-197. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.016

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  目的 采用机械研磨方法,在CoCrFeMnNi高熵合金表层制备纳米晶粒,以此来应对CoCrFeMnNi高熵合金的扩散迟滞效应。通过在高熵合金表面制备纳米化晶层,利用纳米晶粒的高扩散系数促进界面的有效连接,实现高熵合金与不锈钢的高可靠性连接。方法 采用SEM、XRD、EBSD研究纳米化高熵合金的表面微观形貌、成分组成、厚度及晶粒度大小分布,并采用维氏硬度机、SEM、TEM、万能试验机对表面纳米化前后CoCrFeMnNi高熵合金和304不锈钢扩散连接区域的硬度分布、元素分布、微观结构、相组成、接头的力学性能及断口形貌进行分析研究。结果 经表面机械研磨处理后,高熵合金的表面晶粒尺寸从10~40 μm减小到11~19 nm。通过表面纳米化处理能够有效增大Fe原子在扩散焊中的扩散距离,在焊接温度为900 ℃、保温时间为2 h、压力为20 MPa的扩散连接工艺下,经过4 h表面机械研磨处理后,Fe原子扩散距离从5.6 μm增至19.4 μm。显微硬度结果表明,表面机械研磨处理CoCrFeMnNi/304SS接头界面处不存在因Kirkendall效应而产生的有害硬相和孔隙。经过表面机械研磨,在900 ℃的焊接温度下经4 h机械研磨处理后,扩散焊接头的抗剪强度达到357 MPa,与未机械研磨处理接头（257 MPa）相比,提高了38.9%。结论 通过表面纳米化处理机制可以有效克服高熵合金的扩散迟滞效应,通过纳米化处理可以有效提高高熵合金的扩散速率,从而有效提高了高熵合金和不锈钢接头的力学性能。
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  ZG45铸钢激光淬火-抛光复合工艺参数优化研究

  庹军波, 王晨阳, 梁强, 杜彦斌, 徐彬源

  表面技术. 2025, 54(19): 198-213. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.017

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  目的 在低碳节能的制造背景下,为同步兼顾激光淬火性能提升和激光抛光表面质量提升的特征。方法 提出了一种基于小龙虾优化算法（COA）的ZG45铸钢激光淬火-抛光复合工艺参数寻优方法。以表面粗糙度、平均淬透深度、峰谷差值和激光作用阶段能耗作为响应目标,使用拉丁超立方（LHS）设计试验,并采用贝叶斯优化（BO）的随机森林回归模型（RF）对试验数据进行拟合,进而构建针对4个响应目标的预测模型。通过COA多目标优化算法进行工艺参数寻优,得到相应的Parato解集,利用优劣解距离法（TOPSIS）结合多准则妥协解排序法(VIKOR)对Parato解集进行综合评分排序,得到最佳工艺参数组合,即激光功率为522 W,扫描速度为12 mm/s,搭接率为70%。结果 试验结果可知,模型预测值与试验真实值的误差不超过11.41%,激光淬火-抛光后表面粗糙度Ra由8.477 μm下降至2.585 μm,降幅为69.51%,表面显微硬度由230HV0.5升至515.8HV0.5,提升了2.24倍,表面体积磨损率由24.7×10^-14 m³/(N·m)下降至8.7×10^-14 m³/(N·m),降低64.78%;且最佳工艺参数与常规工艺参数对比时,激光作用阶段能耗由927 J降低至864 J,降幅为6.83%,表面粗糙度降低9.2%,淬透深度提升7.56%,峰谷差值降低29.89%。结论 研究成果可为面向高质量低能耗的ZG45铸钢激光淬火-抛光复合工艺参数优化提供有力的参考。
热喷涂与冷喷涂技术
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  复杂型面涡轮叶片热障涂层厚度模型建立

  李屹洲, 何箐, 张雨生, 梁立康, 黄文

  表面技术. 2025, 54(19): 214-224. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.018

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  目的 提出一种适应涡轮叶片复杂曲面的涂层厚度优化策略,以解决传统热障涂层喷涂路径规划中存在的厚度不均匀、局部过喷与欠喷等问题,实现涡轮叶片涂层厚度的精准控制和均匀分布。方法 基于喷涂过程中能量与物质的高斯分布特征,结合曲面的几何信息,构建了涂层厚度沉积模型,提出并建立了曲率驱动的涂层厚度优化算法。该算法通过分析叶片表面的局部曲率变化,自适应地调整喷涂路径参数,从而实现对不同几何特征区域的动态优化。结果 采用响应面分析方法,选取了不同的曲率半径、喷涂角度和喷涂工艺组合形成响应面数据,并在涡轮叶片复杂曲面上进行了仿真验证。仿真结果表明,所提出的方法能显著降低涂层厚度的波动性,有效抑制了局部区域的过喷与欠喷现象,经优化后的涂层厚度均匀性可达93.8%。结论 本研究提出的基于曲率驱动的涂层厚度优化方法,能够有效解决复杂自由曲面叶片热障涂层厚度不均匀的问题,提升了涂层整体性能与喷涂效率。该方法为涡轮叶片精准涂层控制提供了一种高效可靠的优化策略,并为智能化热喷涂机器人路径规划与智能工艺控制提供了重要的理论依据和实践指导。
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  考虑粒子间碰撞的超音速火焰喷涂粒子飞行与沉积行为的数值分析

  林国锭, 丁坤英, 樊金虎, 姬赟

  表面技术. 2025, 54(19): 225-235. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.019

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  目的 考虑粒子间碰撞对粒子飞行行为的影响,研究超音速火焰喷涂过程中粒子飞行行为。方法 建立超音速火焰喷涂流场中WC-10Co4Cr粒子飞行的CFD-DEM（Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method）模型,通过实验和有限元分析,研究粒子飞行速度和温度特征以及撞击基板时的沉积行为。随后应用该模型研究不同粒径粒子的飞行行为,并结合热喷涂粒子状态和涂层高度分布,测量分析粒径分布对飞行和沉积行为的影响。结果 利用考虑粒子间碰撞的DEM模型计算粒子沉积时的平均速度为658 m/s（误差为3.9%）,平均温度为1 697 K（误差为3.3%）。DEM模型对小粒径粒子平均速度的计算结果更精确,其中,小、中、大粒径粒子在撞击基体时的平均速度分别为683、630、587 m/s,误差分别为3.8%、6.7%、8.0%。DEM模型对于大粒径粒子的速度预测结果相对较差,小、中、大粒径粒子平均温度分别为1 659、1 720、1 666 K,误差分别为6.5%、0.9%、0.5%。粒子间的相互碰撞使撞击基板的粒子分布更均匀,其中,小粒径粒子受粒子间相互作用的影响更大,沉积涂层相比粗粒子更平坦,更利于涂层沉积。结论 CFD-DEM模型可以有效地计算WC-10Co4Cr粒子在超音速火焰流场中的飞行行为,分析粒子在撞击基板时的速度、温度和撞击位置,预测粒子的沉积状态。
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  Y₃Al₅O₁₂掺杂对Y₂Zr₂O₇-Y₃Al₅O1₂陶瓷涂层的微观组织结构和高温烧结行为的影响

  林玥, 郑越, 薛召露, 于海原, 王伟, 刘广华, 巩秀芳, 张振亚, 张世宏

  表面技术. 2025, 54(19): 236-245. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.19.020

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  目的 针对Y₂Zr₂O₇陶瓷涂层断裂韧性不足及高温烧结易导致性能退化的问题,本研究旨在通过引入Y₃Al₅O₁₂（YAG）第二相,调控复合涂层的微观组织与晶界结构,协同提升其力学性能与抗烧结能力。方法 以ZrO₂、Y₂O₃、Al₂O₃为原料,通过喷雾造粒制备不同YAG掺杂量（0、10%、15%、20%,物质的量分数）的团聚喷涂粉末,并利用大气等离子喷涂技术制备(1-x)Y₂Zr₂O₇-xY₃Al₅O₁₂复合涂层,系统表征涂层的物相演变、微观形貌及力学性能;通过1 400 ℃下24~96 h的等温烧结实验,分析YAG对晶粒生长、相稳定性及断裂韧性的影响机制。结果 掺杂YAG后涂层的微观组织更加致密;不掺YAG的涂层主要是由c-ZrO₂物相组成,还有极少量的Y₂O₃物相存在;掺杂YAG的涂层除了c-ZrO₂相外,还有少量的Al₂Y₄O₉和非晶相存在;0.1YAG掺杂的涂层的结合强度达到43.71 MPa。在1 400 ℃烧结后,涂层中Al₂Y₄O₉相消失且涂层中析出了较多细小的YAG晶粒;掺杂YAG后涂层中c-ZrO₂的晶粒也得到了细化。结论 YAG掺杂通过形成细晶结构、抑制氧空位迁移及晶界钉扎效应,显著提高了Y₂Zr₂O₇基涂层的抗烧结性与断裂韧性。其中,0.9Y₂Zr₂O₇-0.1Y₃Al₅O₁₂复合涂层表现出最优的综合性能,表明其作为超高温热障涂层具有工程应用潜力。