2025年, 第54卷, 第5期　
刊出日期：2025-03-10

  

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研究综述
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  超疏水涂层在防除冰领域的研究进展

  彭健, 周娟, 韦红草, 罗宁康, 汪希奎, 梅益

  表面技术. 2025, 54(5): 1-26. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.001

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  鉴于积冰与霜雪覆盖对户外设备安全构成的严重威胁及导致的巨大经济损失，必须寻求高效的防除冰策略来减少户外设备表面积冰。在众多方法中，超疏水表面因其出色的憎水性能和简便的制备流程，被认为是极具潜力的防除冰手段。阐述了固体表面湿润性的基础理论及防除冰机理，指出超疏水表面可以通过减少固液界面接触面积、延长结冰时间及降低冰层附着力等方式，有效减少冰的生成或促使冰层脱落。重点综述了自修复性、耐磨性、电热及光热超疏水涂层在防除冰领域的研究进展，分析了现存的问题与挑战。此外，归纳了超疏水涂层的常用制备方法，并对不同方法的优劣势进行了评价。鉴于目前超疏水涂层的性能测试都是在实验室中进行的，缺乏大规模的实际应用，最后对超疏水防除冰涂层的未来发展趋势做了展望。通过持续的创新和研究，期待可以有更多经济、环保和高效，并且可大规模制备的仿生超疏水表面出现，为减少户外设备表面的结冰提供有效的解决方案。
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  YSZ基热障涂层研究进展

  杨子毅, 付永强, 王优强, 谷炎琦, 黄淑元, 孟凤云

  表面技术. 2025, 54(5): 27-43. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.002

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  随着航空技术的不断进步，航空发动机涡轮前温度不断攀升，对热端部件的耐高温性能及相应的冷却手段也提出了更高的要求。热障涂层作为热端部件(尤其是涡轮叶片)隔热冷却性能的关键技术之一，其研究和应用受到广泛关注。综述了氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)基热障涂层的研究进展，重点探讨了YSZ涂层的改性方法、制备技术及失效机理。通过涂层设计的材料(如稀土或过渡金属氧化物等)角度，综述了它对YSZ涂层热导率、高温相稳定性和抗烧结等性能的影响，并详细探讨了单元氧化物掺杂和多元氧化物共掺杂对YSZ涂层改性的机理和影响。同时，介绍了大气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)等主要YSZ涂层制备技术，对比了它们的优势和局限性。此外，探讨了热障涂层的主要失效模式，包括热膨胀系数不匹配、热生长氧化物(TGO)、CMAS腐蚀及Na2SO4+V2O5熔盐腐蚀失效，并总结了热障涂层的失效机理。最后对未来YSZ基热障涂层的发展方向进行了展望。
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  热障涂层陶瓷层结构研究现状及发展趋势

  张佩凯, 杨会凯, 张冲, 孙金钊, 殷凤仕

  表面技术. 2025, 54(5): 44-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.003

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  热障涂层(TBC)在先进航空航天发动机的热防护方面发挥着至关重要的作用。新一代航空发动机对温度有着更高的要求，这对当前的热障涂层系统的热防护性能和寿命提出了新的挑战。传统的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层因其自身的局限性，已经无法满足新一代航空发动机的需要。目前，针对热障涂层的研究主要集中于设计新的TBC架构，在各种不同的设计中，层片状结构、双峰结构、柱状结构、双陶瓷层结构和功能梯度结构已经被证实能够有效提升热障涂层的高温性能和使用寿命。以上述几种不同结构的TBC为切入点，对目前研究较为成熟的几种新型TBC架构进行评价。首先，系统介绍了几种陶瓷层结构的微观组织和制备方法;分析了不同陶瓷层结构的优缺点和适用性。进一步揭示了传统热障涂层的失效机理和局限性;详细分析了不同陶瓷层结构对涂层抗烧结性能和抗热震性能的影响。最后对不同的涂层结构提出了性能改进策略，并针对不同的涂层制备工艺及结构优化方向进行了展望，以期提高热障涂层的性能，满足航空发动机、燃气轮机等高精尖领域未来的使用需求。
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  镁合金表面金属有机框架材料的制备及防腐应用研究综述

  王筱月, 王璐瑶, 马晓慧, 王燕华

  表面技术. 2025, 54(5): 61-71. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.004

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  镁合金具有密度小、比强度高、电磁屏蔽性能优异、生物相容性好等优点，是一种具有广阔应用前景的金属结构材料，然而耐腐蚀性差是限制其发展的主要因素。近年来，为了解决镁合金在应用环境中腐蚀严重的问题，新兴材料金属有机框架化合物(Metal-Organic Framework，MOFs)被逐步应用到镁合金表面。MOFs由金属中心及有机配体组成，具有比表面积大、活性位点丰富、结构组成可控、易于功能化等特点，是一种性能优越的新型防腐材料。综述了2020年以来镁合金表面MOFs材料的制备方法及防腐应用。首先根据不同的制备方式，将MOFs在镁合金上的合成分为粉体制备和原位合成，综述了沉积法、溶剂热法、电化学法等常见合成手段;其次从缓蚀剂、保护涂层、填料和纳米容器4个方面介绍了MOFs在镁合金上的防腐应用，探讨了不同功能MOFs在镁合金表面的防腐蚀效果，与传统防腐材料相比，MOFs新型材料具有pH响应、可设计性强等特点，进一步扩展了其应用场景;最后总结了MOFs作为防腐材料时异相制备困难、涂层较薄等不足之处，对其在镁合金表面防腐应用做了进一步展望。
摩擦磨损与润滑
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  仿生鲨鱼皮表面的快速制备和减阻性能研究

  徐成宇, 王永华, 焦远东, 于化东, 弯艳玲, 张倩

  表面技术. 2025, 54(5): 72-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.005

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  目的 探究在铝合金表面制备仿生鲨鱼皮盾鳞结构的方法，检验采用复合加工方法制备的鲨鱼皮盾鳞结构在水下的减阻性能，为构建仿生表面提供一种新的思路。方法 采用激光与电火花线切割复合加工的方法，分2步构建仿生盾鳞结构。第一步，将基体表面与线切割机床的钼丝呈45°夹角接触，仿制盾鳞的轮廓绘制切割路径，设置每个盾鳞的间距为0.65 mm、高度为0.4 mm。第一次切割完成后，将工件旋转90°，继续按照相同的方式切割，至此仿生鲨鱼皮盾鳞一级结构制备完成。第二步，使用纳秒激光打标机在一级结构表面刻蚀微沟槽形貌，设置激光扫描路径间距为0.08 mm、激光功率为12 W、扫描速度为100 mm/s，激光加工完成后，仿生鲨鱼皮盾鳞二级结构制备完成。减阻试验部分基于流动滑移理论，在COMSOL中对阵列的结构模拟计算，对比了光滑表面、一级盾鳞结构表面与仿生盾鳞的二级结构表面，分别观测其壁面切应力、表面黏性应力以及速度流线。结果 盾鳞倾斜角度为13°、盾鳞表面沟槽间距为0.17 mm、沟槽深度为0.08 mm时的壁面切应力最小。一级盾鳞结构表面与二级仿生盾鳞结构表面在速度流线图中均显示一定的减阻性能，二者之间的差异在于后者的流线更加稳定。在减阻试验中，盾鳞倾斜角度16°、盾鳞沟槽间距0.17 mm、沟槽深度0.08 mm，减阻率可达35%左右。结论 通过激光与线切割复合加工方法制备的仿生鲨鱼皮盾鳞结构表面具有优异的水下减阻性能。加工出合适的盾鳞倾斜角度、沟槽间距与沟槽深度能够有效提高仿生表面的减阻性能。
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  稠化剂组分对润滑脂摩擦性能的影响

  潘伶, 吴允李, 连金良, 郑开魁, 郭锦阳

  表面技术. 2025, 54(5): 83-92. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.006

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  目的 研究稠化剂组分中二元酸和硼酸对润滑脂在摩擦副表面润滑性能的影响。方法 分别建立具有正弦曲面凸峰的粗糙面边界润滑系统模型，以及光滑壁面的反应力场边界润滑系统模型，通过分子动力学模拟方法研究12-羟基硬脂酸/壬二酸润滑脂体系(A润滑脂)、12-羟基硬脂酸/十二烷二酸润滑脂体系(B润滑脂)和12-羟基硬脂酸/壬二酸/硼酸润滑脂体系(C润滑脂)的承载能力、抗剪切能力、摩擦性能，并对C润滑脂进行成键和摩擦化学反应膜分析。结合润滑脂的微摩擦磨损试验，揭示二元酸链长和硼酸对润滑脂摩擦性能的影响。结果 在加压阶段，随着压力的增加，润滑脂密度增大，且分层现象越明显。当压力Pz= 50 MPa时，组分中含硼酸的C润滑脂在各处的密度均较小，表现出最佳的承载能力。在剪切过程中，C润滑脂始终将2个粗糙峰隔开，油膜不破裂，承载能力最高;含长链二元酸的B润滑脂和含硼酸的C润滑脂的最大应力相较于A润滑脂，分别降低了27.1%、57.1%。同时，C润滑脂的摩擦因数相对稳定，在0.075~0.095范围内波动，其均值为0.090，相较于B润滑脂和A润滑脂，分别降低了16.7%、22.2%，具有优良的力学性能。摩擦磨损结果表明，在稠化剂组分中添加硼酸后，润滑脂的理化性能得到显著提升，摩擦因数及均值分别为0.085~0.095和0.091，模拟结果与试验结果一致。结论 相较于稠化剂中含短链二元酸的润滑脂，含长链二元酸的润滑脂表现出较好的抗剪切能力和摩擦性能。在稠化剂中添加硼酸后，稠化剂的结构得到强化，润滑脂表现出更为优异的抗磨减摩性能。这是因为在硼酸的作用下，润滑脂中的锂皂和硼酸基团不仅形成了配位键，而且能在固体壁面上形成摩擦反应膜，显著提高了润滑脂的物理化学性能。
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  纯滑条件下网格阵列润湿表面对润滑成膜特性的影响

  王仕进, 刘成龙, 郭峰, 张建军, 朱孔敏

  表面技术. 2025, 54(5): 93-105. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.007

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  目的 利用网格阵列润湿(Grid Array Wettability，GAW)表面构筑离散化油池以提高摩擦副表面的自集油作用，改善摩擦副纯滑(ηSRR=2)条件下的润滑特性和承载能力。方法 利用飞秒激光刻蚀技术制备网格化疏油涂层表面，探究限量供油条件下该表面对润滑状态的影响。利用高黏度聚异丁烯润滑油在纯滑条件下容易产生凹陷油膜的特性，探究GAW表面对油膜形态的调控作用。结果 通过对油池形态及膜厚的分析，GAW表面(30~300 μm)相较于原始表面具有良好的集油效果，扩展了限量供油条件下乏油边界距离。阵列网格尺寸不同，会对凹陷膜厚和最小膜厚产生不同影响。在限量供油条件下，随着网格尺寸的增大，凹陷膜厚逐渐降低，最小膜厚先增加后降低，当网格横纵间距为200 μm时，最小膜厚得到明显提高。其中，小网格尺寸GAW表面集油效果最好，膜厚凹陷特征更加明显。结论 GAW表面随网格尺寸增加油膜凹陷逐渐减弱，油膜凹陷由纺锤形转变为椭圆形。实验表明，GAW表面可以有效降低摩擦因数，150 mm/s速度下最优尺寸(200 μm)GAW表面相较于原始表面摩擦因数降低35.9%。GAW表面增加了摩擦副表面油池的比表面积和油池高度，增加了滚动体与油池的接触，有效提高了润滑效率。
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  火炮身管内壁等离子渗镀Ta-W合金层及性能研究

  石龙, 魏东博, 谷佳慧, 陈小虎, 徐永东, 张平则

  表面技术. 2025, 54(5): 106-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.008

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  目的 通过等离子渗镀技术制备Ta-W合金层，提高火炮身管内壁的耐磨损和抗烧蚀性能。方法 采用等离子渗镀技术在炮钢试样表面制备Ta-W合金层，通过在恒温500 ℃下进行摩擦磨损试验，对比分析基体和Ta-W合金层的耐磨性能，采用氧乙炔烧蚀试验评价Ta-W合金层的抗烧蚀性能。结果 Ta-W合金层表面致密均匀，截面合金层元素呈梯度分布，合金层与基体间实现了冶金结合。Ta-W合金层主要为α-Ta相，存在(211)面择优取向。在500 ℃(恒温)、15 min、3种载荷条件下，基体的磨损率分别为7.49×10^?5、4.2×10^?5、7.7×10^?5 mm³/(N.m)，而Ta-W合金层的磨损率分别为1.77×10^?5、1.53×10^?5、3.38×10^?5 mm³/(N.m);Ta-W合金层的摩擦因数在同一载荷下变化不大，而摩擦因数的上下波动程度明显降低。通过氧乙炔烧蚀15 s后，炮钢基体的质量损失和质量烧蚀率分别为5.78 mg和0.34 mg/s，Ta-W合金层的质量损失和质量烧蚀率分别为5.02 mg和0.28 mg/s。Ta-W合金层的烧蚀产物主要为WO3、Ta2O5。结论 Ta-W合金层的磨损率分别为炮钢基体的23.63%、36.00%、43.84%，耐磨性能显著提高，磨损机理为磨粒磨损和氧化磨损。通过表面等离子渗镀Ta-W合金层，有效提升了炮钢基体的抗烧蚀性能，Ta-W合金层的烧蚀失效机制为高温气流侵蚀导致的WO3、Ta2O5熔化-脱落过程的反复循环。
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  笼套式水下节流阀冲蚀特性与寿命预测研究

  同武军, 王莹莹, 鞠少栋, 李兴业, 王星, 王宝富, 韦琦

  表面技术. 2025, 54(5): 116-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.009

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  目的 针对水下节流阀在携砂油气冲蚀下被破坏现象展开研究，揭示携砂油气冲蚀对水下节流阀不同位置的影响规律，为优化设计和提升水下采油树的安全性和可靠性提供理论依据，保障油气生产过程的稳定性和连续性。方法 使用CFD数值仿真软件，采用欧拉-拉格朗日(Eulerian-Lagrangian)流固耦合方法，针对携砂油气冲击节流阀内壁展开数值模拟研究，通过控制单一影响因素(如颗粒直径、油流速度、颗粒质量流量、节流阀开度等)，揭示笼套式水下节流阀在不同影响因素下的冲蚀变化规律，并预测极端工况下水下节流阀的冲蚀使用寿命。结果 笼套式水下节流阀的冲蚀主要发生在节流孔附近壁面(笼套护套、阀芯壁面的节流孔附近)和节流孔内壁面位置，且随着颗粒直径的增大，冲蚀率逐渐降低;随着油流速度和颗粒质量流量的增大，冲蚀率呈递增趋势;随着节流阀开度的增大，冲蚀率呈递减趋势;在最极端工况下，取1.5倍安全系数，水下节流阀节流孔的使用年限最低可达11 a。结论 通过数值模拟与理论计算相结合的方法预测了水下节流阀的冲蚀寿命，提出了一种工程计算的方法和思路，从而保障水下采油树工作时的安全性和可靠性，以期为实际工程起到一定指导作用。
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  双轴交变载荷作用下TC4钛合金的微动磨损试验研究

  穆星宇, 李欣, 韩怡茗, 杨建伟

  表面技术. 2025, 54(5): 128-142. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.010

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  目的 研究双轴交变载荷作用下TC4钛合金的微动磨损性能。方法 采用双轴加载微动磨损试验系统，开展TC4钛合金在不同法向交变载荷均值和相位差下的微动磨损试验。采用三维形貌仪和扫描电子显微镜对损伤区域进行分析。结果 在法向交变载荷作用下，Ft-D曲线呈近似d形，与恒定法向载荷工况存在显著区别。随着法向交变载荷均值的减小，磨屑更易排出，接触区域面积增大，摩擦表面的磨损程度加剧，磨损体积增大了12.3%~363.7%。随着双轴加载相位差的增大，磨损程度加剧，磨损体积增大了749.2%~ 1 791.3%。在微动初期，接触面积和磨屑较少，在不同工况下起始摩擦因数基本一致，随着微动周次的增加，磨损区面积增大，且产生了大量磨屑，导致摩擦因数增加。当接触表面磨屑的产生和溢出达到动态平衡时，摩擦因数趋于稳定。结论 随着法向载荷均值的增加，微动演化趋于局部滑移;反之，微动演化趋于全局滑移，磨损程度加剧，微动损伤机制由黏着磨损转变为剥层磨损。双轴交变载荷之间的相位差越大，则微动演化越趋于全局滑移，磨损程度加剧。
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  扣件弹条结构和安装参数对地铁短波波磨的影响

  王文静, 吴波文, 潘家保, 崔晓璐, 闫伟, 王力红, 王雪飘, 张翔

  表面技术. 2025, 54(5): 143-153. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.011

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  目的 研究科隆蛋扣件弹条结构和参数对地铁小半径曲线钢轨波磨的影响规律。方法 首先构建轮轨系统三维有限元模型，科隆蛋扣件刚度通过均匀分布在轨底的弹簧和阻尼单元模拟，同时在弹条趾端与钢轨接触点处施加弹簧单元，模拟扣件系统中弹条弯曲变形产生的扣压作用。基于复特征值分析法，探究在饱和蠕滑力激励下轮轨系统的稳定性，然后对比分析考虑弹条和不考虑弹条对轮轨系统不稳定振动的影响。最后探讨弹条扣压刚度、弹条预紧力和弹条扣压点间距对钢轨波磨的影响。结果 考虑弹条和不考虑弹条的轮轨系统，在饱和蠕滑力的激励下分别发生了512 Hz和488 Hz左右的自激振动，出现波长38、39.4 mm的短波长波磨。在1.5~17.5 kN/mm范围内，随着弹条刚度的提高，主导的不稳定振动的等效阻尼比先减小后增大，当弹条刚度增至15 kN/mm以上时，等效阻尼比大于?0.001。在弹条刚度低于12.5 kN/mm时，主导的不稳定振动频率约为512 Hz。在刚度高于12.5 kN/mm时，主导的不稳定振动频率为313 Hz。弹条预紧力和弹条扣压点间距的变化并未导致系统等效阻尼比发生显著变化。结论 不考虑弹条时预测波磨波长略大于考虑弹条时的波长，且不考虑弹条的影响时可能会高估波磨发生概率和发展速度;弹条刚度对地铁小半径曲线段频发的短波长波磨的影响显著，将弹条刚度增至15 kN/mm及以上时，可以抑制钢轨波磨的产生;弹条预紧力和弹条扣压点间距对钢轨波磨的影响较小。
激光表面改性技术
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  激光原位制备多元颗粒增强钛基复合涂层的组织及性能研究

  迟一鸣, 余璐涛, 钱大虎, 王建刚, 韩伯群, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(5): 154-166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.012

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  目的 针对钛合金硬度低、耐磨性差的问题，在钛合金表面制备钛基复合涂层，以扩展它在高负载耐磨环境下的应用。方法 采用激光合金化工艺在钛合金表面原位制备多元颗粒增强钛基复合涂层，研究不同质量分数的B4C与Ni基合金粉末混合后制备的涂层的物相组成、微观组织和耐磨性能。结果 当B4C的质量分数为0时，涂层主要由网状Ni-Ti金属间化合物和β-Ti基底组成，加入B4C后的涂层中原位生成了TiB2、TiB、TiC等多元陶瓷颗粒，且随着B4C含量的增加，原位生成的陶瓷强化相含量显著增加。涂层内出现了板条状组织和块状组织，颗粒状第二相数量明显增加。当B4C的质量分数由0增加到20%时，涂层的显微硬度逐渐提高，涂层的平均显微硬度最高提升至1 006.7HV0.3，约为基体的2.65倍，涂层的耐磨性能随着B4C含量的增加呈先提高后下降的趋势。当B4C的质量分数为15%时，涂层的耐磨性能最佳，相较于基体提高了约6.3倍。结论 原位生成的棒状TiB2为颗粒状TiC提供了有效的异质形核核心，熔池中多元TiB2、TiC可相互依附、相间生长，最终形成颗粒-棒状、颗粒-板条状或颗粒-块状的复合组织，进一步提高了涂层的显微硬度和耐磨性能。
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  Si含量对316L不锈钢激光熔覆层凝固行为和显微组织的影响

  古青, 包海斌, 王永强, 冯敏敏, 董刚, 尤涵潇, 杨高林, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(5): 167-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.013

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  目的 研究Si元素含量对316L不锈钢激光熔覆层凝固行为和显微组织的影响。方法 利用LDF400-2000光纤耦合半导体激光器和ABB机械手组成的激光熔覆系统，在316L不锈钢基体上制备Si元素的质量分数分别为0.8%、1.6%的316L激光熔覆层。使用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)和维氏硬度计，分别从激光束扫描方向(SD)和切向(TD)分析熔覆层的微观组织、晶粒取向、织构和显微硬度。结果 在SD方向，0.8%-Si熔覆层的中下部晶粒呈垂直于底部界面的柱状生长趋势，而顶部晶粒则呈胞状，1.6%-Si熔覆层晶粒的生长模式与0.8%-Si熔覆层类似，但取向更随机。在TD方向，0.8%-Si熔覆层晶粒呈外延状，取向为<100>方向，而1.6%-Si熔覆层则为<111>方向。与0.8%-Si熔覆层相比，1.6%-Si熔覆层内小角度晶界占比更高，超过了50%，在晶粒内部可见被位错缠绕的亚微米颗粒，其硬度也从0.8%-Si熔覆层的199.7HV0.3提升到212.2HV0.3。结论 Si元素的含量对激光熔覆316L凝固行为和组织有着显著影响，改变了熔覆层的凝固模式，使组织结构由粗大外延生长的树枝晶转变为沿温度梯度方向生长的细小晶粒。
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  同步气体冷却下薄板激光熔覆数值模拟及实验研究

  吴志鹏, 乌日开西.艾依提, 张宇涛

  表面技术. 2025, 54(5): 176-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.014

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  目的 解决薄板在激光熔覆过程中产生复杂残余应力、变形及晶粒粗大等问题，提高熔覆层的质量和零件装配可靠性。方法 提出一种液氮冷却氮气的激光熔覆同步气体冷却方法。采用双椭球热源，综合考虑随温度变化的热物性参数、热传导、热辐射、光粉相互影响、凝固过程中相变潜热的作用，建立同步气体冷却的激光熔覆三维数值模型，对不同冷却距离(d)下的瞬态温度场、熔池流场及应力演变过程进行数值计算。同时，利用热电偶对温度场分布进行验证，并采用扫描电子显微镜(SEM)和显微硬度仪分析其显微组织及涂层的硬度。结果 引入冷却氮气增强了熔池表面与外界环境之间的热交换，从而改善了熔池的温度分布，加快了熔池的冷却速度。常规激光熔覆和同步气体冷却激光熔覆的熔池流场变化趋势基本相同，呈现中心向四周流动，中心流速小，边缘流速大，熔池前方的流速大于熔池后方。当冷却距离为5 mm时，基体横向最大残余应力由204 MPa降至181 MPa，熔覆层顶部残余应力从190 MPa降至172 MPa，界面结合区残余应力从234 MPa降至211 MPa，基板两侧翘曲变形量减少了50%。当冷却距离为10 mm时，涂层的晶粒组织明显细化，中部柱状晶的无序排列程度明显增大，涂层的显微硬度从348.2HV0.2提高到375HV0.2。结论 该方法可以有效减小基体的残余应力和变形，为更好控制激光熔覆涂层的晶粒和微观组织提供了一种新方法。
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  送粉速率对激光熔覆内壁FeCoNiCrMo0.2涂层组织及性能的影响

  孙文磊, 任向宇, 田爽, 王秋雨

  表面技术. 2025, 54(5): 188-202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.015

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  目的 改善石化领域管状内壁零件的抗磨损、抗腐蚀性能，延长零件的使用寿命。方法 使用激光熔覆技术在316L钢管内壁制备5种不同送粉速率下的FeCoNiCrMo0.2高熵合金(HEA)涂层。通过物相组成、晶粒结构、硬度测试、磨损试验，分别评价5种HEA涂层中固溶体的分布情况、微观组织细密程度，以及硬度和抗磨损抗犁切性能，并对磨损机制进行分析。最后利用动电位极化曲线表征HEA涂层的抗腐蚀性能。结果 HEA涂层由单相FCC构成，且其微观组织主要由柱状晶、胞状晶组成。涂层的磨损机制均包括黏着磨损和磨粒磨损。在送粉速率为15 g/min时，涂层形成了更多细密的胞状晶粒组织，增加了涂层中硬质相的含量，固溶强化效应较大，涂层的摩擦因数降至0.58，改善了HEA涂层的摩擦学性能。在电化学测试中，送粉速率为15 g/min时HEA涂层拥有最低的自腐蚀电流密度(Jcorr)，该涂层表面原位生成的钝化膜中含有更多的抗腐蚀性物质(例如Cr2O3等)。结论 送粉速率通过影响内壁HEA涂层的物相组成、组织演变和元素分布，显著提升了涂层的硬度和摩擦学性能。通过优化送粉速率，有助于降低HEA涂层的摩擦因数和磨损，也有助于增强涂层在腐蚀过程中形成钝化膜的密度，增大Cr2O3、MoO2等抗腐蚀性物质的含量。
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  渗氮H13钢激光熔覆涂层设计与组织性能分析

  胡琦芸, 王辰阳, 蒋华臻, 占剑, 李正阳

  表面技术. 2025, 54(5): 203-216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.016

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  目的 针对渗氮H13钢激光修复中N容易析出并形成气孔的问题，根据熔池反应热力学原理，设计了含Ti和含Co 2种熔覆材料，研究N的分布和释放机制，在渗氮H13钢基板上获得无明显孔洞、裂纹缺陷且性能优良的激光熔覆复合涂层。方法 试验了2种方案，方案一，对基板渗氮表层进行激光重熔预处理，再熔覆H13钢与Stellite钴基合金的混合粉末;方案二，先以不同配比的H13钢与Ti的混合粉末打底，再熔覆H13钢与Stellite钴基合金的混合粉末。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、背散射电子衍射、X射线衍射等材料表征手段观测涂层的微结构，进行显微硬度测试和电化学腐蚀试验。结果 方案一中，激光重熔预处理会促使N释放，经过激光熔覆后，涂层组织以马氏体为主，存在大片残余奥氏体;方案二中，随着H13钢与Ti混合粉末中Ti元素添加量由0%增加至10%，涂层与基体冶金过渡区存在明显差异，H13+10%Ti涂层组织为马氏体和弥散分布的碳化物，H13+50%Stellite涂层内组织均匀致密，主要为马氏体和残余奥氏体。结论 通过激光熔化沉积技术制备了具有较高硬度和较好耐腐蚀性的激光熔覆涂层，解决了渗氮H13钢强化与修复中氮气孔形成以及涂层与基体结合区成分偏析的问题。
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  基于OOA-RF的H13钢激光表面硬化工艺参数优化

  梁强, 徐彬源, 徐永航, 杜彦斌, 李永亮

  表面技术. 2025, 54(5): 217-232, 275. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.017

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  目的 为提高激光作用于H13钢表面的硬化效果，提出一种基于鱼鹰优化算法(OOA)、优化随机森林算法(RF)的H13钢激光表面硬化工艺参数预测方法。方法 首先采用有限元模型粗选激光功率、扫描速度、搭接率等工艺参数的范围，然后在该工艺参数范围下设计三因素五水平的中心复合试验(CCD)，通过有限元模型得到硬化层参数。然后，分别构建响应面(RSM)、RF和基于OOA-RF的平均淬透深度、峰谷差值、峰值温度的预测模型，并对3种模型的预测精度进行分析对比。通过多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行工艺参数寻优，并结合优劣解距离法(TOPSIS)和熵权法(EWM)对寻优解集重新进行排序，从而得到最佳工艺参数组合。结果 在最优工艺参数功率为517 W、扫描速度为5 mm/s、搭接率为48%下进行试验，得到平均淬透深度为723.3 μm，与预测值的相对误差为11.15%，峰谷差值为58.75 μm，与预测值的相对误差为3.77%，硬化表面平整，无明显凹陷现象，激光表面硬化前的硬度为(165.2±9.2)HV0.5，经表面硬化后提升至(381.4±86.2)HV0.5，平均硬度提高了约1.3倍。结论 可为合金激光表面硬化工艺参数的寻优提供参考。
表面强化技术
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  高性能渗碳齿轮表面完整性特征的试验研究

  王庆志, 陈易明, 吴吉展, 张秀华, 刘怀举

  表面技术. 2025, 54(5): 233-244. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.018

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  目的 针对材料牌号、加工工艺、几何结构与渗碳齿轮表面完整性关联规律不明的问题，探究不同材料、工艺、结构对表面完整性的影响。方法 对18CrNiMo7-6、9310、20Cr2Ni4A、20CrMnTi几种常用渗碳齿轮的渗碳磨削、喷丸强化、二次喷丸、滚磨光整、喷丸光整等工艺状态进行表面粗糙度、残余应力、硬度梯度等表面完整性表征，讨论材料、工艺、结构对表面完整性特征的影响规律。结果 在渗碳磨削、喷丸强化工艺状态下，几种常用渗碳钢的表面残余压应力、表面硬度等参数基本一致。经喷丸强化、二次喷丸、滚磨光整处理后，最大残余压应力幅值范围为1 100~1 400 MPa，表面硬度为660HV~720HV。通过滚磨光整改善表面微观形貌的效果最显著，能够使表面粗糙度Sa降至0.25 μm以下。通过二次喷丸提升次表面最大残余压应力的效果明显，能够使齿轮次表面最大残余压应力提升至1 200 MPa。滚子和齿轮2种几何结构的试件在渗碳磨削、喷丸强化、喷丸光整等工艺状态下，其表面完整性参数基本一致。结论 揭示了不同材料牌号、加工工艺、几何结构对渗碳齿轮表面完整性的影响规律，可为齿轮加工工艺优化和高表面完整性创成提供理论支撑和数据参考。
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  人字形齿轮喷丸残余应力和粗糙度的计算与试验验证

  王长清, 张慧芸, 唐进元, 赵久越, 吕亮亮

  表面技术. 2025, 54(5): 245-256. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.019

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  目的 探究人字形齿轮喷丸强化工艺参数对残余应力和粗糙度的影响。方法 基于离散元方法(Discrete Element Method，DEM)建立人字形齿轮喷丸强化DEM模型，研究人字形齿轮表面不同位置的冲击速度和次数;建立基于有限元方法(Finite Element Method，FEM)的喷丸强化FEM模型，并采用离散元模型耦合有限元模型(DEM-FEM)的方法，将DEM模型的冲击信息导入FEM模型中，采用显示动力学仿真计算，得到喷丸后的残余应力和表面形貌信息;利用X射线衍射仪和白光干涉仪分别对实验试样进行残余应力和表面形貌的表征，以验证模型的准确性。结果 1)弹丸初速度从40 m/s增加到60 m/s时，齿宽方向的表面残余压应力从?906 MPa增加到了?932 MPa;2)弹丸直径从0.30 mm增加到0.60 mm时，齿宽方向的表层残余应力从?906 MPa减小到了?756 MPa;3)当覆盖率＜100%时，表面粗糙度Sa快速增加，残余压应力也快速增加，当覆盖率＞100%时，Sa开始减小，残余压应力增幅降低。结论 人字形齿轮齿面复杂，不同方向的残余应力会有所区别;齿宽和齿高方向的残余压应力均随着弹丸初速度的增加而增加，但同时会增加表面粗糙度、降低表面质量;大尺寸弹丸在带来更深残余应力质变层的同时会显著降低面质量;合理控制覆盖率既能够得到良好的表面质量，也能够降低喷丸成本。
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  磨料水射流强化SLM成形AlSi10Mg合金表面机理分析

  张苗苗, 侯荣国, 吕哲, 孙浩程, 崔焕勇, 云昊

  表面技术. 2025, 54(5): 257-264. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.020

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  目的 利用磨料水射流冲击SLM成形AlSi10Mg合金表面，减少合金材料表面存在的应力集中、微裂纹等缺陷，提升合金的表面性能。方法 基于显式动力学模型，并采用J-C材料本构，建立多磨料水射流冲击强化模型，数值模拟磨料水射流冲击AlSi10Mg合金表面变形过程，获得合金表面应力应变分布规律，并分析工艺参数对应力应变分布规律的影响，计算不同工艺参数下覆盖率为100%时磨料的颗粒数目，通过相关实验验证数值模型的可行性。结果 通过改变磨料水射流强化的工艺参数，获得了工件表面应力应变的变化规律;通过磨料水射流强化实验，获得了强化后的表面残余应力，强化后表面残余压应力随着射流压力和磨料粒径的增加而增大，工件表面残余应力由残余拉应力(34.49 MPa)变为残余压应力(?129.4 MPa)，消除了表面裂纹及拉应力集中的缺陷，合金组织细化，由原来的鱼鳞形状变得平整。通过实验和数值模拟得到的残余应力之间的最大误差为5.02%。结论 证明了所建立的随机多磨料强化模型的可行性，通过磨料水射流强化后，合金的表面缺陷减少，其性能得到提升。
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  电解液添加剂对铝锡铜合金表面微弧氧化陶瓷层的制备和结合强度的影响

  刘勇, 张子钰, 付景国, 刘学, 晁海彬, 马春生

  表面技术. 2025, 54(5): 265-275. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.05.021

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  目的 满足内燃机技术不断进步对轴瓦材料提出的耐更高负荷、更长使用寿命的需求，推动铝锡铜合金表面微弧氧化表面处理技术的推广应用。方法 采用恒压模式，选择碳酸钠和钨酸钠作为微弧氧化电解液添加剂，首先探究碳酸钠浓度对微弧氧化陶瓷层的生长过程、基本特征指标和结合强度的影响，然后以碳酸钠浓度优化结果为基础，进一步分析钨酸钠浓度对微弧氧化陶瓷层的影响。利用微弧氧化电源自带的软件采集反应中的电流数据;利用扫描电镜表征陶瓷层的微观形貌和厚度;通过Image J软件分析陶瓷层表面孔隙率和平均孔径;利用光学轮廓仪表征陶瓷层表面粗糙度;通过划痕试验对陶瓷层结合强度进行测试;利用显微维氏硬度计测量陶瓷层硬度;利用X射线衍射仪分析陶瓷层的物相组成;通过X射线法分析陶瓷层的应力状态;利用微纳米力学测试系统对陶瓷层弹性模量进行分析。结果 碳酸钠和钨酸钠均对微弧氧化反应过程产生一定的影响。随着浓度的升高，陶瓷层厚度、表面粗糙度逐渐增加，但表面微观形貌、孔隙率和平均孔径变化不显著。碳酸钠对陶瓷层结合强度影响较小，但钨酸钠浓度的变化使得陶瓷层结合强度呈现先增加后减小的变化趋势。结论 碳酸钠质量浓度为10 g/L、钨酸钠质量浓度为4 g/L时制备得到的微弧氧化陶瓷层因具有较好的结合状态和较低的平均晶粒尺寸、弹性模量和表面应力展示出较高的结合强度。