2025年, 第54卷, 第23期　
刊出日期：2025-12-10

  

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专题—原子级制造
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  典型光学硬脆材料的原子级抛光技术发展现状

  田英豪, 张振宇, 赵枫, 彭凯, 于志斌

  表面技术. 2025, 54(23): 1-33. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.001

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  随着精密制造技术的发展,光学系统对器件表面质量提出原子级精度要求。典型光学硬脆材料具有硬度高、塑性低及脆性断裂特征,在获得粗糙度低于0.2  nm的原子级光滑表面过程中面临诸多挑战。基于此,系统综述晶体材料（如单晶硅、蓝宝石）与非晶材料（如熔融石英）在加工响应及去除机制方面的差异,梳理化学机械抛光（CMP）、离子束抛光（IBP）、磁流变加工（MRF）、等离子体辅助原子迁移（PAMM）等代表性技术路径。针对单晶硅和蓝宝石,探讨了CMP浆料优化、晶面差异响应、超声辅助等精度提升方法。针对非晶材料熔融石英,归纳了绿色浆料、核壳磨料、多能场辅助及技术联用路径,并对比了多项原子级抛光技术的特点。除粗糙度指标外,还总结了亚表面损伤控制的形成机制和抑制策略,分析了原子级抛光技术在微裂纹抑制和缺陷最小化方面的潜力。最后展望了构建统一去除模型、开发绿色抛光体系、强化能场机制研究及集成多技术联用等未来发展方向,以支撑原子级制造向高效、绿色、智能演进。
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  极紫外光刻用自支撑窗口材料的研究进展

  赵灌中, 赵翀, 刘科海, 刘畅, 刘开辉

  表面技术. 2025, 54(23): 34-46. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.002

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  目前极紫外（EUV）光刻技术已成为突破芯片性能和集成度瓶颈的核心手段,然而极紫外光与绝大多数物质的强烈相互作用对作为极紫外光刻窗口材料的自支撑薄膜提出了极高的要求。综述了国内外相关研究成果,首先回顾了极紫外光刻技术的发展历程及其对窗口材料的要求。在材料体系上,重点聚焦传统硅基、金属基材料和低维材料体系。传统材料（如硅基和金属基薄膜）已实现工程化应用,但存在力学强度受限、热稳定性不足等问题,难以满足先进EUV光刻中不断提升的功率需求。在低维材料中,石墨烯和碳纳米管具有较高的力学强度,同时凭借其原子级厚度展现出超高透射和热管理等优势,但它们也面临着氢等离子体蚀刻的挑战。进一步讨论了复合材料体系在提高氢等离子体耐受性、耐热性能和力学性能方面的研究成果。最后,分别总结了传统材料和低维材料在极紫外环境下的局限性和优势,期望为新型极紫外光刻窗口材料的原子级制造提供有价值的参考,推动半导体工艺的进一步发展与应用。
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  面向原子级平坦化的化学机械抛光技术：后摩尔时代的挑战与进展

  张力飞, 路新春

  表面技术. 2025, 54(23): 47-67. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.003

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  随着集成电路技术步入后摩尔时代,互连层数不断增加,线宽逐渐逼近物理极限,化学机械抛光（CMP）作为实现全局平坦化的关键工艺,正朝着原子级精度、近零损伤和跨尺度协同控制的方向迅速发展。然而,这一进程面临着互连材料多样化、表界面缺陷控制难度增大及工艺指标差异化等多重严峻挑战。为应对这些挑战,本文从机理层面深入剖析了CMP过程中化学腐蚀与机械磨削的协同作用机制,以及后清洗环节中静电排斥、络合刻蚀与lift-off等多级物理化学机制的耦合效应。基于此,本文系统阐述了工艺参数对材料去除行为的影响规律,并进一步分析了抛光液、抛光垫等关键耗材的多组分设计策略,为实现异质材料的选择性去除与表界面缺陷抑制提供了理论依据。最终,本文总结了12英寸CMP装备在多区压力调控、智能监测与高效后清洗等关键模块的集成创新,并探讨了外场辅助技术在提升抛光效率与表面质量方面的应用潜力。通过上述从机理、工艺、耗材到装备的系统性梳理,旨在为突破原子级CMP的技术瓶颈、支撑后摩尔时代集成电路制造提供清晰的理论框架与技术路径。
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  硅/铝氧化物的原子层刻蚀工艺研究

  孙博文, 冯玉群, 杨帆, 曹坤, 陈蓉

  表面技术. 2025, 54(23): 68-77. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.004

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  目的 研究氧化铝（Al₂O₃）与二氧化硅（SiO₂）的原子层刻蚀（ALE）工艺,明确关键工艺参数对刻蚀精度、表面形貌及材料选择性的影响,推动该技术在半导体器件制造中的应用。方法 采用等离子体增强原子层刻蚀工艺,分别以BCl₃气体和CHF₃等离子体为改性物质,对Al₂O₃、SiO₂薄膜进行多循环刻蚀处理。通过控制偏压、时间等参数,结合AFM、TEM、AES等表征手段,对刻蚀速率进行定量分析,并结合形貌、区域选择性图像表征其刻蚀效果。结果 Al₂O₃和SiO₂在96~120 V、59~74 V的偏压范围内分别呈现出自限制刻蚀行为,对应单位循环刻蚀速率分别为0.12、0.11 nm/cycle。改性气体显著降低了反应能垒,提高了刻蚀均匀性和选择性。经多循环处理后,薄膜保持良好的结构完整性,表面粗糙度明显降低,且在区域选择性沉积后具有良好的缺陷去除能力。结论 验证了ALE技术在Al₂O₃、SiO₂等介质材料上的高精度加工潜力,具备原子级厚度控制、高选择性、低损伤特性,为ALE在先进节点半导体器件制造中的刻蚀控制提供了研究基础。
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  基于原位电镜力学的多物理场原子制造

  赵体清, 李意浓, 连易灵, 祝祺, 李嘉祎, 陆洋

  表面技术. 2025, 54(23): 78-91. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.005

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  原子制造的关键在于从原子尺度对物质形态及属性进行精准调控,原位透射电镜因其超高的时空分辨率及多物理场辅助调控能力,成为原子制造及观测的重要平台。基于原位电镜对包括力、电、热、光、磁等物理场的原子操控进行了详细综述,主要介绍通过精确控制透射电子显微镜力场大小和方向实现原子冷焊、纳米切削,以及相转变和原子的定向精准操控方法。阐述了驱动电、热、光、磁等其他物理场间接诱导原子扩散与重构的技术,如热场驱动的原子扩散、材料相转变、电场驱动的原子沉积、原子刻蚀和原子定向排布等。最后,介绍微机电系统的引入对低真空、气相甚至液相等复杂环境中的原子操控技术的发展,包括气相反应中界面原子的运动,以及液相反应中原子的定向生长和原子刻蚀。尽管原位电镜作为机理研究的一种手段,仍与大规模原子级制造存在一定距离,但原位电镜作为原子级表征和场调控平台,通过整合气/液/真空环境与多物理场,实现了原子动态过程的超高时空分辨率观测和控制,为大规模原子制造提供了可量化的机理依据和实验参数,成为多能场辅助原子制造的重要工具。
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  等离子体选择性刻蚀单晶金刚石不同表面形貌的机理研究

  万佳奇, 王成鑫, 黄煜华, 柴智敏, 程洁, 潘伶, 任志英, 林有希

  表面技术. 2025, 54(23): 92-100. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.006

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  目的 为揭示等离子体辅助抛光（Plasma-Assisted Polishing,PAP）过程中单晶金刚石表面微观形貌的演化机理,探明不同种类等离子体对复杂形貌的选择性刻蚀规律,并从原子尺度阐明其物理化学作用机制,以解决金刚石硬脆表面难以实现原子级平坦化的理论难题。方法 采用反应力场分子动力学（ReaxFF MD）模拟方法,构建包含原子阶梯、圆锥凸峰和圆柱凹谷的（001）晶向单晶金刚石复杂表面模型,在室温及低能离子轰击条件下,对比分析氮（N）、氧（O）、氩（Ar）3种等离子体的刻蚀行为差异。进一步建立9种具有不同波峰高度（5~20 Å,1 Å=0.1 nm）和周期（5~20 Å）的二维正弦粗糙表面模型,定量研究氮等离子体刻蚀效率与形貌参数的关联性,并结合原子应变、去除率及粒子撞击通量统计分析微观去除机制。结果 模拟显示,尽管去除方式（化学刻蚀、表面改性或物理溅射）不同,3种等离子体均表现出一致的形貌选择性,优先去除凸峰和阶梯尖端,凹谷区域几乎未受影响。刻蚀效率与波峰高度呈正相关,与周期呈负相关;形貌越陡峭,去除效率越高。其中,波峰20 Å、周期5 Å的模型平坦化效果最佳,刻蚀后表面粗糙度降至8.55 Å。原子结构分析表明,高陡度凸峰侧面暴露出更多具有高悬空键密度的（010）或（100）晶面,反应活性显著高于凹谷区域;同时,长周期模型凹谷处存在明显的粒子撞击遮蔽效应。结论 单晶金刚石的形貌选择性刻蚀机制是宏观“几何遮蔽效应”与微观“表面曲率依赖的原子活性”协同作用的结果。PAP技术对高频高陡度粗糙峰具有极高的去除选择性,但在修正低曲率长周期波纹时存在加工自限制现象。该研究结果明确了表面曲率对原子去除活性的决定性影响,为优化硬脆材料复杂曲面的确定性平坦化工艺参数提供了理论依据。
摩擦磨损与润滑
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  不同摩擦配副对PEEK摩擦学性能的影响

  马洪纤, 王优强, 于焱, 杨子毅

  表面技术. 2025, 54(23): 101-113. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.007

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  目的 采用PEEK、CF/PEEK试块,以及GCr15球、NP球、Si₃N₄球,探究干摩擦和水润滑条件下与PEEK、CF/PEEK复合材料适配性更佳的配副材料。方法 利用自制的摩擦磨损试验机,针对PEEK、CF/PEEK复合材料与GCr15球、NP球、Si₃N₄球这3种对磨球构成的摩擦副,开展不同载荷、干摩擦/水润滑条件下的摩擦磨损试验。结果 经研究发现,CF对PEEK基复合材料的填充改性,显著提升了其摩擦学性能。进一步探究载荷对该性能的影响可知,上述3种对磨球所组成的摩擦副,在固定速度、变载条件下,依旧保持着良好的摩擦磨损性能。具体来看,在干摩擦、水润滑2种条件下,各种摩擦副的摩擦因数随着载荷的增加呈现先增大后减小的趋势,在载荷为100 N时摩擦因数最小,各种摩擦副的磨损率随着载荷的增加逐渐递增。结论 将3种摩擦副材料（GCr15球、NP球、Si₃N₄球）与PEEK配对,其适配性从大到小依次为Si₃N₄- PEEK、GCr15-PEEK、NP-PEEK;与CF/PEEK配对,其适配性从大到小依次为Si₃N₄-CF/PEEK、GCr15-CF/PEEK、NP-CF/PEEK。这主要归因于Si₃N₄陶瓷优异的材料特性（包括超高硬度、卓越耐磨性、良好耐腐蚀性及高温稳定性）,在与聚合物对磨时能够形成最优的转移膜,从而维持稳定的摩擦学性能。该研究可为PEEK复合材料用作水润滑轴承时提供试验依据。
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  润湿界面下Q345B高铁制动盘摩擦磨损性能影响研究

  谢永, 史立, 高和序, 刘宇, 张生芳, 沙智华

  表面技术. 2025, 54(23): 114-126. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.008

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  目的 在冬季雨雪复杂恶劣气候的影响下,高铁制动盘面易出现制动距离延长,甚至制动失效等问题,该问题严重影响了列车运行的安全性和可靠性,有必要开展高铁制动盘Q345B在干燥和水润滑环境下摩擦磨损性能的影响研究。方法 利用COMSOL有限元软件,建立干摩擦和水润滑制动摩擦模型,探究制动摩擦过程中水介质对温度场的影响。同时,基于MMW-1A摩擦磨损试验机,开展不同表面状态（干摩擦、水润滑）及不同压力载荷下的摩擦磨损实验,并对磨损表面展开SEM及三维形貌观测,通过EDS测量磨损表面元素分布。结果 研究发现润湿界面的温度低于干摩擦界面温度,润湿界面温度约降低了33.3%,且温度分布更为均匀。同时,相较于干摩擦环境,在润湿界面下摩擦因数最大降低了约30%。随着载荷的增加,在干摩擦环境下磨损日益严重,在重载工况下润湿表面的磨损深度仅为干摩擦表面的29%,且表面粗糙度仅为干摩擦环境下的57%。干摩擦磨损类型主要为疲劳磨损、黏着磨损、氧化磨损,在润湿界面下磨损类型主要为磨粒磨损。结论 水的冷却和润滑作用降低了热应力,减少了黏着磨损、氧化磨损,且水润滑和摩擦生热环境促进了氧化铁（Fe₃O₄、Fe₂O₃）、氧化铜（Cu₂O、CuO）与水分子混合物的摩擦化学产物的形成,在摩擦过程中形成了一层保护膜,大大降低了摩擦副与水之间的附着力。
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  石蜡/石墨烯复合涂层对单质炸药晶体HMX界面摩擦特性的抑制机理研究

  朱晓, 何洪途, 李国成, 王敬凯, 余家欣, 银颖

  表面技术. 2025, 54(23): 127-140. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.009

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  目的 研究单次滑动摩擦条件下石蜡/石墨烯复合涂层对单质炸药晶体HMX（110）界面摩擦特性及摩擦安全性的抑制机理。方法 采用旋涂法在HMX表面制备石蜡涂层和石蜡/石墨烯复合涂层。通过多功能摩擦磨损试验机和高速红外测温系统测试了HMX表面的摩擦系数和表面最大温度,并通过光学显微镜和拉曼光谱仪分析了HMX磨痕形貌及磨损区域和磨削的化学结构。结果 随着接触压力从30.9 MPa增加到51.7 MPa,石蜡涂层使HMX表面摩擦系数和摩擦温升的降幅分别可达63%和61%。然而,向石蜡中引入石墨烯后,石蜡/石墨烯复合涂层使HMX表面摩擦系数和摩擦温升的降幅分别进一步降低至71%和83%。进一步分析表明,随着界面摩擦功率密度的增加,无涂层HMX表面的摩擦功-热转化系数为38%,石蜡涂层使HMX界面的摩擦功-热转化系数降至31%,而向石蜡涂层引入石墨烯后,HMX界面摩擦功-热转化系数进一步降低至24%。此外,石蜡涂层可使HXM摩擦感度从72%降低至16%,而石蜡/石墨烯复合涂层可进一步将HMX摩擦感度降至10%。结论 石蜡/石墨烯复合涂层在降低摩擦系数与降低摩擦功-热转化系数的双重机制主导下,通过减少直接接触、分散能量积累并加速热量耗散,显著抑制HMX界面摩擦热失控行为,为高能炸药的安全应用提供了理论依据。
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  基于有限元的水轮机组推力轴承润滑特性研究与参数优化

  杨子毅, 薛炳, 徐波, 李湧博, 张智, 向艾军, 王优强

  表面技术. 2025, 54(23): 141-155. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.010

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  目的 研究某水轮发电机组推力轴承的润滑特性,分析润滑油水污染对其物性参数的影响,探究基本工况下油膜特性与瓦块变形,并优化运行参数以提升轴承可靠性和效率。方法 通过实验测定不同含水量润滑油的黏度、密度、比热容和导热系数。基于COMSOL Multiphysics建立双向流固耦合的弹流润滑（EHL）模型,模拟基本工况下油膜压力、厚度及瓦块变形。采用正交试验设计,分析转速、载荷、倾角和含水量对润滑性能的影响,通过极差与方差分析确定参数显著性及最优工况组合。结果 温度低于308 K时,低含水量（5 g/L）润滑油黏度较纯油降低14.4%,高含水量（100 g/L）时接近纯油,高温可弱化含水量对黏度的影响。基本工况下油膜压力与变形呈“中心高、四周低”环状分布,最大油膜压力为8.460 8 MPa,最大变形量为2.69 μm,最小油膜厚度为98.716 μm。正交优化得到最佳工况为转速135 r/min、载荷1 450 kN、倾角0.003°及含水量5 g/L,此时最大油膜压力降至7.430 6 MPa,最小油膜厚度增至133.22 μm。结论 基本工况满足技术规范,材料与结构设计合理。载荷是影响油膜压力与变形的主因,转速主导最小油膜厚度。轻微水污染对润滑性能无显著影响,优化参数可显著提升轴承性能,为实际运维提供了理论依据。
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  展向沟槽减阻微结构的流场分析及优化设计

  唐绮, 翁鼎, 武壮壮, 孙刚, 汪家道, 马国佳

  表面技术. 2025, 54(23): 156-164. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.011

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  目的 分析飞机表面展向三角沟槽微结构的减阻机理,通过参数优化提升其减阻效果,并验证典型飞行条件下的可用性。方法 基于RANS k-ε模型开展微流场数值模拟,量化不同马赫数下展向沟槽对摩擦阻力、压差阻力、总阻力的影响;以沟槽深度、顶角、分布密度为变量进行减阻效果的多参数优化;采用模具热压工艺制备沟槽薄膜,并与翼型复合,在FL-3连续流三声速风洞试验平台上系统开展对比试验研究。结果 模拟结果显示,沟槽通过诱导微涡流降低沟槽区壁面剪切率,从而使摩擦阻力下降;由于迎/背风边缘压力不对称,会产生额外压差阻力,使其在低速下减阻而高速下反而增阻;参数优化结果表明,在沟槽深度20 µm、顶角120°、分布密度1∶2条件下,能有效降低压差阻力系数,获得更好的减阻效果;基于优化后的沟槽参数,采用风洞测得0.35、0.45、0.6、0.8、0.9马赫数下,减阻表面相对于光滑面的减阻率依次为6.35%、4.32%、1.26%、4.60%、4.00%。结论 展向三角沟槽在亚音速条件下可通过降低表面摩擦阻力实现减阻效果,通过参数优化能够有效缓解由沟槽前后压力不对称引起的附加压差阻力,提升综合减阻性能;在超音速条件下,压差阻力成为总阻力增长的主要来源,将降低沟槽减阻效果,需进一步优化沟槽结构,以扩展速度适用范围。
激光表面改性技术
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  Ni含量对38CrMoAl激光熔覆原位氮化裂纹抑制与耐磨性能的影响

  张群莉, 刘聪, 陈智君, 杨高林, 何锦雯, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(23): 165-174. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.012

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  目的 对38CrMoAl进行激光熔覆TC4原位氮化,并研究不同Ni含量对涂层裂纹的影响,进一步提升材料的耐磨性能。方法 针对38CrMoAl传统氮化工艺耗时长、能耗高的问题,在38CrMoAl基体上进行激光熔覆TC4,以实现原位氮化。在激光熔覆过程中,快速冷却凝固过程会导致较大的应力,且熔覆材料与基体材料的热物理性质差异较大,使得涂层很容易产生裂纹。通过在熔覆材料中添加Ni来抑制涂层中的裂纹,研究不同Ni含量对38CrMoAl激光熔覆TC4原位氮化裂纹和耐磨性能的影响。结果 在TC4中加入Ni元素的质量分数达到30%后,涂层中裂纹的数量将减少,对涂层中的裂纹有明显的抑制作用。加入Ni元素后,涂层中TiN的尺寸明显减小。由于涂层中存在镍钛化合物和氮化钛组织,因此涂层的硬度可达949.3HV0.3,约为基体的4倍,涂层的硬度会随着Ni元素含量的增加而降低。对加入Ni的涂层的耐磨性能进行分析,发现涂层的磨损量比基体降低了58.74%,与未加Ni涂层相比稍有降低,涂层中的硬质相氮化物会导致磨痕出现较多的剥落坑。涂层的摩擦磨损性能得到提升,其磨损机制主要是磨粒磨损和黏着磨损。结论 通过在TC4粉末中添加质量分数为30%的Ni,能够有效抑制38CrMoAl激光熔覆原位氮化涂层中的裂纹,显著提升材料的硬度和耐磨性。
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  固溶时效处理对激光熔覆IN625微观组织转变及性能的影响

  姚喆赫, 冯勇辉, 陈健, 隋永枫, 董刚, 张群莉, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(23): 175-187. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.013

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  目的 激光熔覆具有界面结合强度高和热影响区可控等特点,广泛应用于能源动力、航空航天等领域。熔覆过程在快速凝固下易形成Laves相和碳化物等硬脆相,从而降低了熔覆件的力学性能。为此采用固溶-时效热处理方法,优化激光熔覆IN625合金的显微组织和综合性能,为IN625熔覆件热处理方法提供工艺参考。方法 通过设计固溶时效处理方案,研究固溶时效工艺参数对激光熔覆IN625 Laves相溶解及γ″强化相析出行为的影响规律,分析固溶时效对熔覆层硬度、耐磨性能的影响。结果 采用1 200 ℃固溶处理45 min,可实现Laves相的完全溶解,改善元素分布均匀性;采用650 ℃时效处理20 h,可以促使大量的γ″相析出,熔覆层的硬度提升至324HV0.2,相较于未处理试样,提高了17.1%;当时效温度升至750 ℃时,γ″相开始发生转变,经850 ℃时效处理后,基本转变为δ相,导致熔覆层的硬度和耐磨性下降。结论 固溶温度的升高可促进激光熔覆IN625中Laves相的溶解和元素均匀化,但过高的温度（1 300 ℃）将导致晶粒粗大。650 ℃低温时效有利于γ″相的析出,在析出强化作用下,可提升熔覆层的硬度和耐磨性。时效温度过高（850 ℃）将导致γ″相向δ相转变,进而降低熔覆层的性能。
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  无涂层激光冲击强化工艺参数对12Cr2Ni4A钢力学性能和表面完整性的影响

  谢岑超, 于水游, 王珂, 张少华, 王荣平, 陈超

  表面技术. 2025, 54(23): 188-196. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.014

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  目的 探究变激光能量/冲击次数无涂层激光冲击强化对12Cr2Ni4A钢力学性能和表面完整性的影响。方法 采用Nd:YAG激光器对12Cr2Ni4A钢表面进行无涂层激光冲击强化处理,通过表征分析测试,对比分析未强化试样、无涂层激光冲击强化试样的显微硬度、显微组织、残余应力、表面粗糙度和表面形貌的变化规律。结果 经强化处理后,近表层发生了塑性变形,形成了高密度位错,并诱发残余奥氏体向马氏体转变。显微硬度随着能量的增加呈先升后降的趋势,在70、100、130 mJ单次冲击下分别达到574.78HV0.5、605.52HV0.5、591.85HV0.5,相较于基体显微硬度（552.18HV0.5）,分别约提升了4.1%、9.7%、7.2%。在130 mJ条件下,当冲击次数增至2、3时,硬度的增幅分别为6.7%、3.7%,呈非单调变化。残余压应力峰值位于次表面约50 μm处,随着能量的增加,由520.71 MPa升至666.2 MPa。在同一能量下,通过多次冲击可将残余压应力峰值进一步提高至776.2 MPa。此外,强化后试样的表面粗糙度和表面形貌演变受到激光冲击强化的机械-热效应协同调控,演变规律随着激光能量和冲击次数的变化并非呈单调变化。综合来看,130 mJ单次冲击可实现硬度梯度与残余应力的最优匹配。结论 激光能量和冲击次数对12Cr2Ni4A钢力学性能和表面完整性的影响呈非线性,增加激光能量和冲击次数能够提升试样的残余压应力,但是对显微硬度的提升呈非单调递增,这归因于高能量和多冲击次数带来的位错饱和、热损伤效应。为了实现航空齿轮、花键等关键部件的高性能激光冲击强化加工,应综合考虑激光能量和冲击次数的影响,探究最优的强化工艺。
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  激光冲击强化对Cr/CrN复合涂层微动磨损性能的影响

  唐国灿, 曾兵, 周俊波

  表面技术. 2025, 54(23): 197-207. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.015

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  目的 通过激光冲击强化技术增强Cr/CrN复合涂层的耐磨损性能。方法 采用多弧离子镀膜技术在Zr合金表面制备Cr/CrN复合涂层;使用X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱仪等研究激光强化处理后涂层的晶粒尺寸大小、表截面微观形貌和元素分布等;利用微动磨损试验机,研究了不同激光能量对Cr/CrN复合涂层微动磨损性能的影响。结果 经不同能量强化后,样品表截面在激光冲击作用下产生了微裂纹,且裂纹数量随激光能量增加而增多。与未处理基体相比,强化后的涂层在硬度、残余压应力以及平均晶粒尺寸方面均有明显改善,其中纳米硬度从5.81 GPa提升到7.76 GPa,残余应力从‒462.5 MPa提升到‒561.3 MPa,近表面涂层的平均晶粒尺寸从30.26 nm减小到27.06 nm。激光处理前后,Cr/CrN复合涂层微动磨损机制没有发生转变,均以黏着磨损为主,同时伴有氧化磨损和磨粒磨损;60 mJ试样的磨损体积和磨损率均为最低,相比未处理基体分别降低了31.87%和32.71%;100 mJ试样由于过高的激光能量引发了冲击弯曲效应,从而导致涂层表面出现弯曲凸起和裂纹扩展,最终使其耐磨性下降。结论 适当激光能量可以提升Cr/CrN复合涂层耐磨性能,而过高的激光能量会破坏涂层表面完整性,从而降低其耐磨性能。
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  同步激光辐照对6061铝合金电化学抛光的影响

  王晔, 张潇楠, 吴国龙, 杨珍珍, 张群莉, 张根, 朴钟宇, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(23): 208-222. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.016

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  目的 改善6061铝合金单一电化学抛光所存在的抛光表面不均匀、局部杂散腐蚀的问题。方法 将同步激光辐照引入电化学抛光过程,以提高加工质量。利用激光共聚焦显微镜、SEM、EDS、XPS及XRD等测试手段对比研究了有无激光辐照下抛光表面粗糙度与形貌的演变过程、材料的去除情况以及元素组分与相组成变化规律,并对抛光前后试样的润湿与耐蚀性能进行了评估。在此基础上,进一步讨论了同步激光辐照对6061铝合金电化学抛光的影响机制。结果 试样经单一电化学抛光处理后表面粗糙度由729 nm降低至276 nm,较基体减小62%。引入激光同步辐照后,粗糙度进一步降低至207 nm,较基体减小72%。相较于单一电化学抛光,同步激光辐照下所制备抛光表面的O元素含量下降,腐蚀坑和难溶物显著减少,SiO₂含量得到降低。这些结果共同表明抛光不均匀、局部杂散腐蚀的问题得到有效改善。此外,更低粗糙度、更少的局部腐蚀坑以及更高的润湿角,使得同步激光辐照下所制备的抛光试样具有更好的耐蚀性能。结论 同步激光辐照通过提升离子输运效率加快钝化层溶解,改善电流密度分布状态以及减小不同物相间溶解速率差异来提高6061铝合金电化学抛光的表面质量。
表面强化技术
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  超声滚挤压高强度钢表层性能强化机理研究

  王浩杰, 王晓强, 田英健, 凌远非

  表面技术. 2025, 54(23): 223-237. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.017

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  目的 揭示超声滚挤压过程中表层晶粒等微观组织的演变规律,为高强度42CrMo钢表层性能的精准调控提供理论支撑,并为其他高强度钢及金属材料的表层性能优化提供新的思路。方法 利用EBSD分析手段,分别对超声滚挤压强化前后的淬火态42CrMo钢的晶界、位错及织构等演变规律进行深入分析。结果 在超声滚挤压的强化作用下,42CrMo钢的表层力学性能和表面形貌得到明显改善,其表面的残余拉应力转化为残余压应力,且最大残余压应力达到了-1 030 MPa,表层硬度升至697HV,表面粗糙度降至0.179 μm。由EBSD分析结果可知,由超声滚挤压造成的剧烈塑性变形诱导42CrMo钢表层晶粒发生明显取向演化,由原来以<101>为主的取向逐渐转变为以<001><111>为主的择优取向,小角度晶界占比从18.9%升至37.5%,晶粒尺寸从40 μm左右降至10 μm以下。在此过程中发现形成了{112}<110>织构,同时在超声滚挤压过程中发生动态再结晶现象。结论 在超声滚挤压强化过程中,超声能与高频机械动能共同作用于材料表层,诱导晶粒内部产生大量位错和孪晶结构。随着塑性变形的持续进行,位错与孪生相互作用,在晶界及孪晶界处发生缠结与塞积,导致小角度晶界数量增加、晶粒细化现象增强。高应变率变形与局部热积累为动态再结晶的发生创造了有利条件,晶粒取向重排和新晶粒形核在一定程度上表征了动态再结晶行为的演化趋势。动态再结晶进一步优化了材料的组织结构和力学性能,是超声滚挤压显著提升零件表层性能的重要机制之一。
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  深冷处理对GCr15轴承钢磨削变质层及服役性能的影响

  王利虎, 冯硕, 蔡圣阳, 李娜, 乔阳, 刘国梁, 王相宇

  表面技术. 2025, 54(23): 238-252. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.018

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  目的 揭示深冷处理后磨削加工对变质层特性、服役性能的影响规律。方法 以GCr15轴承钢为研究对象,分别进行淬火+回火（QT）、淬火+回火+深冷（QTC）、淬火+深冷+回火（QCT）等3种处理,采用不同磨削深度和工件进给速度对3种试样进行磨削加工,并对磨削加工表面进行表征和服役性能测试。结果 在较低磨削深度下,深冷处理试样的表面粗糙度显著低于QT处理试样,3种不同处理试样的白层厚度均随着磨削深度的增加而递增,其中QCT处理试样的白层厚度最大。QTC和QCT处理试样在磨削加工过程中发生残余奥氏体向马氏体的相变,变质层内碳元素呈局部富集。深冷处理试样的黏着磨损程度显著降低,QTC、QCT处理试样的磨损率相较于QT处理试样降低了30%~50%。经深冷处理的磨削加工试样的自腐蚀电流密度显著降低,其耐腐蚀性能显著提高。结论 深冷处理通过调控磨削过程中的热-力耦合效应,降低了表面粗糙度。在深冷处理后进行磨削加工,变质层白层组织通过抑制磨粒嵌入和裂纹扩展,可显著提高试样的表面硬度,有效提升了磨削加工表面的耐磨损和耐腐蚀性能。
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  搭接率对65Mn钢表面淬火组织性能的影响规律

  曹修全, 何家荣, 王林, 胡光忠, 刘惺

  表面技术. 2025, 54(23): 253-264. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.019

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  目的 以常用的工程机械材料65Mn钢为研究对象,探究层流等离子体作用下搭接率对其表面淬火组织及性能的影响规律,以期为65Mn钢整体表面性能的提升提供原理和方法支撑。方法 基于自制的层流等离子束表面淬火实验平台,结合65Mn钢单道淬火工艺参数,按照多道淬火时相邻两道淬火轨迹的搭接率为0%、20%、40%、60%开展实验,并利用金相显微镜、扫描电子显微镜、维氏硬度测试仪、超景深3D显微镜和白光干涉仪等对硬化前后的微观组织、硬度和耐磨性进行表征与分析,探索搭接率对65Mn钢表面组织特性和力学性能的影响规律。结果 随着搭接率的升高,第1道淬火区域和第2道淬火区域的硬度逐渐下降,而搭接区的硬度呈现先升高后略微下降的趋势。同时,随着搭接率的升高,搭接区域的硬度和耐磨性均呈现先升高后略微下降的趋势,且在搭接率为40%时其体积磨损从2.59×10^-3 mm³降至1.64×10^-3 mm³,磨损体积与搭接率为0%时相比降低了约37%,对应的体积磨损率从5.39×10^-6 mm³/(N·m)降至3.42×10^-6 mm³/(N·m)。结论 层流等离子体表面淬火搭接率会明显影响淬火区域的组织特性、表面耐磨性,采用合理的搭接率有助于65Mn钢表面性能的提升。
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  Ni-Co-Cr三元合金镀层共沉积制备方法及性能研究

  刘鹏, 陈登福, 华倩, 王宇城

  表面技术. 2025, 54(23): 265-275. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.23.020

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  目的 针对Ni-Co-Cr三元合金镀层的制备方法展开系统研究,重点突破三价Cr离子与Ni、Co共沉积的难题。方法 通过优化络合剂体系及工艺参数,获得最佳电沉积工艺。结果 甲酸钠与尿素的协同作用可有效促进Cr³⁺的还原沉积。揭示了共沉积工艺参数对镀层性能的影响规律,镀层中的Cr含量受到络合剂与镀液中Cr³⁺浓度比的调控,通过低温（<40 ℃）和高电流密度（>4 A/dm²）能够显著提升Cr的沉积效率。Ni_73.5Co₂₄Cr_2.5合金镀层保持了单相面心立方（fcc）结构,与Ni₇₅Co₂₅二元合金相比,Cr的掺杂使得晶粒尺寸减小了约63%（从14.29 μm减至5.32 μm）;压痕模量从181 GPa增至205 GPa（提升了约13.3%）,压痕硬度由773HV提升至1247HV（提升了约61.3%）;结合性能临界载荷从13.7 N提高到15.7 N（提升了14.6%）;耐磨性能显著提升。结论 成功制备出高性能Ni-Co-Cr三元合金镀层,能够为其推广应用提供理论及技术支撑。