2025年, 第54卷, 第7期　
刊出日期：2025-04-10

  

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研究综述
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  激光增材制造能耗与碳排放研究进展

  毛华恺, 高森奥, 张国栋, 杨兵

  表面技术. 2025, 54(7): 1-18. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.001

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  激光增材制造是一类先进的增材制造技术，具有加工自由、工序简单、成本低等诸多优势。目前，激光增材制造技术受到学者们的青睐，已广泛应用于航空航天、交通运输、生物医学等领域。随着全球制造业的发展，能源消耗日益增加，大量温室气体的排放，使得环境问题愈发严重。介绍了激光增材制造的主要类型和工艺特点，基于激光金属沉积和激光粉末床熔融2类技术分支，分析了该技术的先进性和发展潜力。总结了激光增材制造能耗建模的主要方法，基于生产系统和能量类型，综述了能耗建模与工艺参数优化的研究进展。对比了现有工业碳排放的测算与建模方式，指出生命周期法在增材制造碳排放研究中的优势，重点分析了运用该方法建立激光增材制造碳排放模型的基本步骤。从模型准确性和工艺参数优化效果等方面出发，介绍了激光增材制造及相关碳排放技术的研究案例。在此基础上，归纳了目前激光增材制造及相关能耗与碳排放研究内容，展望了未来的发展方向，以期为激光增材制造的节能、低碳、绿色生产提供参考。
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  增材制造金属零件超快激光抛光技术研究进展

  王志, 董世运, 闫世兴, 刘晓亭, 李立伟, 夏丹

  表面技术. 2025, 54(7): 19-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.002

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  增材制造(AM)具有加工步骤简单、可原位制造、可定制零件等突出特点，在航空航天、生物医疗、汽车制造等领域获得了广泛认可。但是增材制造的金属零件表面粗糙度较高、成形尺寸精度较差，需要进行表面抛光才能使用，这限制了该技术优势的发挥。如何突破这一技术瓶颈成为当前的研究热点，原位抛光是其中一个分支。基于此，综述了超快激光抛光增材制造金属零件的新进展。概述了金属增材制造的主要工艺、零件表面的主要缺陷以及主要的抛光技术，总结归纳了传统激光抛光的不足和超快激光抛光的加工优势;重点综述了金属的超快激光抛光发展、超快激光抛光机制、金属AM零件的超快激光抛光发展现状、设备集成发展等方面的内容;最后指出了超快激光抛光增材制造零件及其设备的发展方向，对该技术将得到广泛应用的前景进行了展望。本文填补了在增材制造金属零件表面超快激光抛光方面的综述空白。
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  金刚石等离子体刻蚀技术研究进展

  焦硕沛, 张旭芳, 李明坤, 张雪恰, 张静

  表面技术. 2025, 54(7): 34-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.003

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  金刚石因其优越的电学、物理及化学性质，如超宽的禁带宽度、高硬度、高热导率和高稳定性，被广泛应用于电子器件、光学元件及微机电系统(MEMS)等领域。然而，由于其高度稳定的物理和化学性质，使得金刚石的加工具有极大的挑战性。在众多金刚石刻蚀方法中，等离子体刻蚀技术因其高精度和低损伤的优势，成为金刚石微加工的重要手段。综述了不同类型等离子体刻蚀金刚石的研究进展，分别介绍了氧等离子体、氢等离子体以及其他混合气体的刻蚀特点，详细阐明了各种等离子体刻蚀金刚石的刻蚀机理。此外，还分析了影响刻蚀的主要因素，包括气压、功率、温度和金刚石类型等，这些参数共同决定了刻蚀的速率、粗糙度和选择比。最后，探讨了等离子体刻蚀拓展工艺的研究进展，说明了激光诱导等离子体刻蚀的工作原理和其在金刚石加工领域的应用前景，以及金属催化等离子体刻蚀的刻蚀机理及此方法在金刚石薄膜图案化上的应用前景。通过总结不同刻蚀气体及工艺参数对刻蚀效果的影响，本文旨在为实现对金刚石的精确刻蚀提供理论依据，并为不同用途的金刚石器件的制备提供参考。最后，展望了等离子体刻蚀技术在金刚石微纳加工领域的未来发展方向，包括新型刻蚀气体的探索、与其他加工技术的结合以及工艺参数的进一步优化。
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  高性能多孔磨具造孔方法及性能研究进展

  尤锦鸿, 章武林, 成煜, 贾丹, 詹胜鹏, 段海涛

  表面技术. 2025, 54(7): 50-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.004

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  高性能(高强度、高效率、高耐磨、高表面质量等)磨具材料作为磨床装备的“牙齿”，是先进磨削技术(高精度、(超)高速、高载、大切深)高质量发展的基石。磨具材料的孔隙结构可有效促进磨屑迁移、调控磨削产热/散热，因而孔隙结构的科学设计、可控制备是提升磨具材料综合性能的重要途径。针对目前磨具材料在造孔工艺优选、气孔结构控制及气孔调控磨削行为机理等方面存在的不足，重点阐述了不同类型造孔工艺的成孔机理，总结了去除法、空心球法、增材法等3种造孔方法制备气孔结构的特点和优势，讨论了磨具制备过程中不同类型造孔方法与金属、陶瓷、树脂等结合剂磨具在力学性能、磨削性能方面的适配特性。总结了结合剂、气孔类型、气孔率复合作用对多孔磨具力学性能、磨削性能的影响规律;阐明了气孔结构对磨削工件表面质量演变的作用机理。最后展望了高性能多孔磨具的发展方向，指出孔隙精细可控制备、孔隙功能仿真分析技术、多孔磨具标准化评价体系、新型高性能磨具材料智能化有利于高性能磨具的高效设计与研发。
摩擦磨损与润滑
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  环境温度对列车制动界面摩擦磨损及振动噪声的影响

  冯双喜, 余洲, 张棋翔, 唐斌, 莫继良, 金文伟, 朱松

  表面技术. 2025, 54(7): 68-78. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.005

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  目的 探究环境温度对列车制动界面摩擦磨损及振动噪声的影响及其机理。方法 在环境温度可控的列车制动性能模拟试验台上，以环境温度为变量(20、0、?20、?40 ℃)，开展停车制动试验，采集试验过程中的振动加速度、噪声、温度、制动力和制动扭矩信号并进行分析。采用扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)对摩擦块表面形貌和磨屑进行表征，并对试验前后摩擦块进行称量评估其磨损率。结果 在本试验条件下，随着环境温度降低，制动界面的切向振动加速度和噪声声压的RMS(均方根值)分别从20 ℃时的578.6 m/s²和24.4 Pa增加至?40 ℃时的937.0 m/s²和34.0 Pa;摩擦因数从20 ℃时的0.50降低至?40 ℃时的0.44;同时，磨损率从20 ℃时的111.0 μg/s减少至?40 ℃时的54.8 μg/s。结论 在停车制动过程中，随着环境温度降低，制动盘和摩擦块的材料脆性增加，在摩擦作用下更容易破碎产生大颗粒磨屑，从而影响摩擦界面第三体的形成和分布，最终通过接触平台的大小和分布影响制动界面的摩擦磨损和振动噪声特性。
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  滑动速度对钛合金表面TiB2涂层高温抗铝黏着磨损行为的影响

  吴彼, 高禩洋, 薛伟海, 李曙, 段德莉

  表面技术. 2025, 54(7): 79-85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.006

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  目的 研究钛合金表面TiB2涂层在高温条件下与工业纯铝之间的黏着磨损行为，重点分析了不同滑动速度对其影响。通过实验探讨TiB2涂层的抗铝黏着磨损规律及其作用机制，为提升涂层的高温耐磨性能提供理论依据。方法 采用直流脉冲磁控溅射工艺在TC4钛合金表面制备具有致密结构和优异膜基结合强度的TiB2涂层，使用高温销-盘摩擦磨损试验机，探究滑动速度对钛合金表面TiB2涂层与工业纯铝之间黏着磨损行为的影响，揭示涂层在不同速度条件下的磨损特性及其抗铝黏着性能的变化规律。采用扫描电子显微镜、三维超景深光学显微镜和接触式轮廓仪表征涂层与铝销表面磨痕形貌特征和磨损状态，并对摩擦学系统的铝黏着磨损转移程度进行定量计算。结果 在300 ℃高温下，随滑动速度提高，摩擦因数降低，TiB2涂层磨痕内部的铝黏着转移层形貌发生变化，由连续的岛状丘状片层逐渐转变为分散的颗粒状锚点。同时，铝黏着转移层的平均厚度和覆盖率明显减小，表明滑动速度对铝黏着行为具有显著影响。此外，基于TiB2涂层表面铝黏着转移程度与纯铝销磨损量提出归一化的涂层抗黏着能力系数Ac，其可反映滑动速度对TiB2涂层抗铝黏着转移能力的影响。随滑动速度升高，TiB2涂层将体现出更加优异的抗铝黏着转移特性，抗铝黏着能力系数由0.05 m/s时的0.917降低至0.30 m/s时的0.058。结论 300 ℃高温下TiB2涂层能够抑制铝的黏着转移行为。随滑动速度的升高，工业纯铝销对TiB2涂层表面铝黏着转移层的剪切去除作用增强，因此TiB2涂层表面铝黏着转移程度降低。
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  旋耕刀表面铁基涂层摩擦磨损性能研究

  夏进启, 闫龙, 詹华, 汪瑞军, 李善军, 黄永俊, 孟亮, 马文昊, 李宇佳, 万强

  表面技术. 2025, 54(7): 86-97. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.007

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  目的 研究5种不同成分铁基耐磨涂层(记为1^#—5^#)的摩擦磨损性能，优选涂层，提高旋耕刀的耐磨性能。方法 采用等离子堆焊技术在65Mn基体表面沉积5种铁基耐磨涂层，通过扫描电子显微镜(SEM)、Ultima Ⅳ型X射线衍射仪(XRD)、HV-1000B型维氏硬度计、纳米压痕仪和RTEC M500摩擦磨损试验平台分析涂层的表面形貌、组织、显微硬度、力学性能和摩擦因数，并优选涂层，采用MLS-225橡胶轮湿砂磨粒磨损试验机、超景深三维显微镜和田间磨损试验对优选涂层的耐磨性能进行测试，并结合磨损形貌及组织结构分析耐磨内因。结果 涂层主要由马氏体(基体)，以及M7C3、Cr7C3、VC等硬质碳化物组成，其中，碳化物共晶强化涂层(质量分数，C 2%，Si 0.9%，Mn 0.7%，Cr 5%，V 6%，Mo 0.74%，Ni 0.4%，Fe 84.26%)的硬度(1 157.12HV)最高，摩擦因数(0.49)最低，抵抗变形能力(E=239.5 GPa)良好。细小碳化物弥散强化涂层(质量分数，C 0.18%，Si 1.05%，Mn 0.21%，Cr 16.55%，Ni 2.12%，Al 0.042%，Fe 79.85%)的硬度为904.72HV，且弹性恢复能力(We=37.0%)最好，对应的摩擦因数为0.52。在磨粒磨损试验中，碳化物共晶强化涂层和细小碳化物弥散强化涂层的磨损平均值与65Mn试样相比分别减少了93.9%、86.9%。进一步的田间磨损试验结果表明，在砂石地工况下，碳化物共晶强化涂层和细小碳化物弥散强化涂层旋耕刀的磨损量分别减少了51.7%、43.6%;在稻茬地工况下，涂层旋耕刀的磨损量分别减少了64.1%、47.6%。结论 细小碳化物弥散强化使得5^#涂层的组织为高密度硬质碳化物，具有较高的硬度，能有效抵抗磨损，磨损主要表现为划痕和犁沟;4^#共晶结构强化涂层组织形成了抗磨骨架，其抗磨损性能更好，但在冲击作用下会出现剥落现象，留下了表面凹坑。
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  乙炔含量对DLC涂层结构及力学性能的影响

  赵彦辉, 于泽洋, 郭兆信, 于晓明

  表面技术. 2025, 54(7): 98-108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.008

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  目的 研究工作气氛中C2H2气体含量对含氢DLC涂层微观组织结构变化特征、力学性能、摩擦学性能及生物腐蚀性能的影响。方法 采用电弧增强辉光放电(Arc Enhanced Glow Discharge, AEGD)离子源辅助电弧离子镀，在316L不锈钢表面沉积以Cr/CrC为过渡层的含氢DLC复合涂层，利用扫描电镜、激光3D显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱仪表征DLC涂层的微观结构，采用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机研究涂层的力学、摩擦学性能，采用电化学工作站研究涂层的生物腐蚀性能。结果 随着C2H2含量的增加，真空室内离子密度降低，对涂层表面的轰击作用减弱，涂层的表面粗糙度增大，同时水静态接触角降低;拉曼光谱和XPS结果表明，随着C2H2含量的增加，涂层中拉曼谱峰强度ID/IG的比值呈现先降低后增大的趋势，涂层中sp³键含量呈现先增加后降低的趋势，在体积分数33%的C2H2条件下制备的涂层的sp³键含量高达78%;纳米压痕结果表明，涂层硬度、弹性模量、磨损率随着C2H2的含量呈先增加后降低的趋势;在体积分数33%的C2H2条件下制备的涂层的硬度和模量分别可高达61、414 GPa，摩擦磨损结果表明，磨损率随着C2H2含量的增加，呈先降低后略增加的趋势。结论 在体积分数33%的C2H2条件下制备的涂层的硬度和弹性模量最高，摩擦因数最低，磨损率最低，耐磨性能最佳;在70%的C2H2下制备的涂层的腐蚀电流密度最低，自腐蚀电位最高，耐蚀性最佳。
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  石墨烯改性Ni-Cr合金激光钎焊金刚石界面组织与力学性能研究

  崔长春, 李奇林, 谈志东, 单大平, 丁凯, 韩锦锦, 葛源

  表面技术. 2025, 54(7): 109-117. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.009

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  目的 针对采用Ni-Cr合金制备钎焊金刚石砂轮时金刚石表面石墨化严重、内应力较大等热损伤问题，采用不同含量的石墨烯改性Ni-Cr合金，制备钎焊金刚石试样，研究石墨烯含量对激光钎焊金刚石界面组织及力学性能的影响。方法 采用同轴送粉末法制备石墨烯改性钎焊金刚石试样，并分析质量分数为0.00%、0.01%、0.02%、0.03%的石墨烯改性钎焊金刚石试样的界面组织、物相、显微硬度、金刚石石墨化程度及金刚石颗粒的残余应力等，同时在相同工艺条件下制备不添加金刚石的石墨烯改性钎焊试样，并研究石墨烯改性钎焊层的耐磨性能。结果 金刚石表面与钎料的界面处存在显著的元素相互扩散现象，其中Cr元素在金刚石附近明显偏析，界面反应生成的片状化合物主要为Cr3C2。随着石墨烯含量的增加，界面区域的C、Cr元素明显减少，金刚石石墨化程度及残余应力降低。钎焊层晶粒明显细化。钎焊层的显微硬度由866.6HV逐步上升到1 119.0HV，平均摩擦因数从0.71降至0.61，磨损体积从4.03×10^?2 mm³降至1.86×10^?2 mm³。测试结果显示，当石墨烯的质量分数为0.03%时，钎焊金刚石石墨化程度及残余应力较低，且钎焊层具有更好的晶粒结构、耐磨性及更高的显微硬度。结论 在镍铬钎料中适量添加石墨烯，将降低钎焊金刚石石墨化程度及残余应力等，提高钎焊层的显微硬度和摩擦磨损性能。
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  无铅铜基自润滑材料中FeS与Bi相的协同润滑机制

  刘聪, 尹延国, 张国涛, 马世榜, 张聪正, 叶铁

  表面技术. 2025, 54(7): 118-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.010

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  目的 研究无铅铜基固体自润滑材料的多相润滑特性，揭示FeS和Bi相的协同润滑机制。方法 开展含单一润滑剂和FeS/Bi复合润滑剂的材料滑动摩擦学试验研究，通过对摩擦因数、磨损率、摩擦界面微观结构以及化学成分进行表征，分析FeS和Bi相的协同润滑特性。结果 FeS/Cu-Bi材料中低熔点Bi相的引入可以提升FeS与铜基体的界面结合，减少材料表面孔隙，同时FeS的存在也可以细化Bi相在铜基体中的网状分布。FeS的加入能够减缓Bi相与基体间裂纹的形成与扩展，降低Bi相剥落，强化材料磨损表面，促使更多Bi相在摩擦界面富集。同时富Bi相的存在又促进了FeS在摩擦界面的留存和富集，二者相互促进形成富Bi与FeS的润滑膜和富Bi与FeS的转移膜摩擦界面，提升材料减摩耐磨性能。FeS和Bi相在铜基体中共存能降低自身参与摩擦化学反应的程度，提高FeS和Bi在磨损表面的保存率，形成富集FeS和Bi相厚度更佳的润滑膜，更好地发挥FeS和Bi减摩耐磨协同作用。结论 相较于含单一润滑剂的材料，FeS/Cu-Bi材料中FeS/Bi在材料中的协同作用能提升二者在摩擦界面的留存，形成富集润滑剂的摩擦(转移)膜，增强材料的减摩耐磨性能。
激光表面改性技术
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  GCr15钢激光固态相变滚动接触疲劳性能研究

  张群莉, 胡牛楠, 项一侯, 陈智君, 王建刚, 陈凯, 安少刚, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(7): 129-138, 150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.011

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  目的 基于高速列车运行工况的复杂性，更高的转速将导致其轴承滚道发生更严重的磨损，需要硬度更高、深度更深的强化层保护轴承在高周次循环下的正常运行，采用深层强化技术，深入研究强化层深度对其滚动接触疲劳性能的影响，以期指导工程实践。方法 采用平面线接触滚动接触疲劳装置，分析不同强化层深度对GCr15轴承钢滚动接触疲劳性能的影响。使用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计、激光共聚焦显微镜等设备分析不同深度强化层的组织转变和滚动接触疲劳损伤机理。结果 GCr15轴承钢表层因激光固态相变的快速加热和冷却过程，形成隐晶马氏体，碳化物形态由不规则聚集转变为更均匀、更细小的球状碳化物，表层硬度显著增加。同时，激光固态相变引入了最高达373 MPa的残余压应力，残余压应力对抑制裂纹扩展具有显著效果，可使材料在保持较好耐磨性的同时提高其滚动接触疲劳性能。结论 在相同的疲劳试验条件下，强化层深度越大，材料的抗塑性变形能力越强，裂纹扩展更困难，疲劳损伤由表面早期大面积剥落转为局部剥落损伤，该研究可为高速列车轴承的表面强化处理提供参考。
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  Nb对选区激光熔化Zr基非晶合金组织及力学性能的影响

  畅泽欣, 毕文浩, 葛亚琼, 宋月, 王文先

  表面技术. 2025, 54(7): 139-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.012

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  目的 提高锆基块体非晶合金的韧性。方法 将Nb颗粒粉末与锆基非晶粉末均匀混合，采用选区激光熔化技术制备不同含量(质量分数分别为0%、1%、5%、10%)Nb颗粒的锆基块体非晶复合材料。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电镜、纳米压痕及数值模拟等手段，重点研究不同Nb颗粒含量对非晶复合材料不同微区(熔池区、重熔区和热影响区)的微观组织形成机理和纳米压痕力学行为的影响规律。结果 在非晶复合材料中，Nb颗粒均匀分布于非晶基体上，Nb颗粒与非晶基体结合的界面处存在200 nm左右的元素扩散层，未观察到新相产生。Nb颗粒的添加降低了熔池的流动性，导致复合材料内部的气孔增多。复合材料的不同微区呈现不同的微观组织特征，其中，熔池区为完全非晶状态，重熔区和热影响区由纳米晶和非晶基体组成。随着Nb颗粒含量的增加，材料的硬度、弹性模量和断裂韧性逐渐增大，在功率为90 W、Nb的质量分数为10%时，材料的弹性恢复率和断裂韧性达到最大值，分别为0.066、4.852 MPa.m^1/2。结论 通过增加Nb的含量，促进了材料内部剪切带的增殖与分化，试样的硬度、弹性模量、弹性恢复率和断裂韧性明显提高。
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  激光功率对316L/Al2O3熔覆层耐磨耐蚀性能的影响

  冯玉坤, 董会, 张永杰, 李鹏宇, 张三齐, 杨紫辰

  表面技术. 2025, 54(7): 151-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.013

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  目的 针对316L不锈钢激光熔覆层存在的耐磨性不足问题，基于激光功率参数及硬质相Al2O3颗粒共同优化熔覆层性能，制备同时具有低稀释率、高耐磨性及高耐腐蚀性的316L熔覆层，为轨道交通、石油石化等领域提供高性能表面改性解决方案。方法 通过调整热输入量及添加Al2O3陶瓷颗粒的方式制备复合熔覆层，采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对316L/Al2O3(质量分数为6%)复合熔覆层的微观结构及成分进行观察，使用显微硬度计评估其硬度，采用摩擦磨损试验仪测试其耐磨性能，应用电化学工作站测定其耐蚀性能。通过这些方法，系统分析不同激光功率条件下熔覆层的特性。结果 相较于其他功率条件，在激光功率800 W条件下，316L/Al2O3(质量分数为6%)复合熔覆层展现出更佳的综合性能，且显著优于单一的316L熔覆层;该熔覆层内部无明显缺陷，稀释率约为9.6%，仅为316L熔覆层稀释率的50.8%;物相分析结果显示，复合熔覆层主要由铁素体、奥氏体和少量Al2O3组成;在800 W激光功率条件下，Al2O3颗粒的熔化程度最优;其硬度提升了100%以上，摩擦因数降低了25%，耐磨性提升了24倍左右;该熔覆层的电化学自腐蚀电位(Ecorr)为?340 mV，自腐蚀电流密度(Jcorr)为0.96 μA/cm2，相较于单一316L熔覆层的自腐蚀电位高出151 mV，自腐蚀电流密度(6.64 μA/cm2)降低了85.4%。结论 通过添加Al2O3和调整热输入量，能够有效控制熔覆层的稀释率，显著提升熔覆层的耐磨耐蚀性能。
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  CuSn18Ti9合金超声辅助激光熔覆特性的仿真与实验研究

  李亚敏, 杨志波, 赵波, 王蔚, 郭强, 张雁儒

  表面技术. 2025, 54(7): 162-179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.014

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  目的 采用超声辅助激光熔覆技术制备的CBN/CuSnTi砂轮中熔池温度场分布及其流场状态直接影响砂轮质量，揭示熔池温度场、流场对熔覆层形貌的影响机理，从而减少砂轮熔合不良、变形开裂、组织不均匀等缺陷。方法 基于45号钢基体和CuSn18Ti9结合剂的时变热物理属性，建立同轴送粉激光熔覆过程中温度场和流场的耦合仿真模型，考虑超声振动、环境温度和马兰戈尼效应的影响，并基于动网格法形成的温度场拟合熔池的形貌，研究同一工艺参数下单道单层熔覆过程中环境温度和超声振动对熔池温度场和流场的影响规律，以及熔覆过程中由熔池流场流体效应变化导致熔池温度场和形貌变化的规律。结果 与基体室温、无超声作用相比，基体室温下的超声作用使得熔覆初期传导热通量减小了2.19%，熔池回流涡旋中心下移7.8%，熔覆层高、深、宽增幅依次为?1.67%、1.02%、9.69%;与基体预热573.15 K下无超声作用相比，基体预热573.15 K下的超声作用可使同一时刻温升梯度增幅下降3.92%，熔池回流涡旋中心下移11.96%，熔池最低流速增加1.49倍，熔池最高流速增加1.07倍，熔覆层高度、深度、宽度增幅依次为14.3%、14.8%、0.68%。结论 在室温状态下(基体温度为298.15 K)，超声对熔池流场、温度场和熔覆层形貌的影响不显著，基体预热和超声辅助均会对熔池温度场和流场产生影响，其中基体预热和超声的双重耦合作用的影响最为显著。
表面强化技术
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  控压氮化工艺对42CrMo钢渗后组织和性能的影响

  李瑞鑫, 吴重仲, 王一民, 刘大勇, 闫文吉, 丁彦超, 曲明贵, 吕知清

  表面技术. 2025, 54(7): 180-188, 202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.015

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  目的 在较短时间和较低温度下，制备力学性能稳定的均匀氮化层。方法 以合金结构钢42CrMo为研究对象，通过调控气体氮化工艺中的温度和保温时间，同时引入压力参数，研究42CrMo钢的表层力学性能和微观组织的演变。对控压氮化后试样的渗氮层表面硬度、厚度、化合物组成及N元素的分布进行分析和测试。结果 在温度510 ℃、压力0.3 MPa、时间5 h的条件下，采用控压氮化工艺可以达到较优的渗氮效果，硬度最高可达790HV，化合物层分布均匀，N的浓度显示，扩散区的深度超过180 μm。渗氮层受到压力的影响较大，增压状态可以加速氮化过程，并使渗氮层分布更均匀。在温度较低时，增加保温时间可以提高氮化硬度和梯度，在温度较高时则不明显。在短时间氮化时提高温度有助于改善氮化效果，长时间则不明显，提高温度和时间对N浓度的扩散均有较大影响。渗氮层表面存在N浓度较高的由N原子和Fe原子化合形成的Fe2-3N、Fe4N等化合物。经氮化后，工件表面N原子的质量分数最高可达10%以上，随着渗层深度的增加，氮化物含量逐渐降低。结论 与传统气体氮化工艺相比，采用控压氮化工艺在提升氮化效率的同时使得氮化层组织结构分布更加均匀，较大幅度地提升了其综合力学性能。
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  GZO/8YSZ功能梯度热障涂层热冲击过程中裂纹的生长研究

  刘琨, 王九思, 杜康平, 郭小满, 张蕾, 何文斌, 都金光, 明五一

  表面技术. 2025, 54(7): 189-202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.016

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  目的 探究功能梯度热障涂层(FG-TBCs)的裂纹生长机制。方法 通过用户定义材料子程序，建立梯度热障涂层结构模型，并基于响应面优化的扩展有限元法(XFEM)分析TGO/TC界面幅值、热生长氧化物(TGO)厚度和纵向裂纹倾角对裂纹扩展的影响。结果 在忽略TGO层初始应力的条件下，TGO厚度与TGO/TC界面裂纹扩展长度成反比;当TGO厚度从3 μm增至7 μm时，径向应力下降超过300 MPa，裂纹扩展长度和损伤程度显著减小。TGO/TC界面幅值是影响裂纹扩展最关键的因素，其次为TGO厚度，纵向裂纹倾角的影响最小。裂纹扩展与界面幅值呈先减后增的抛物线关系，在界面幅值约为13.6 μm时，对裂纹扩展的影响最小。裂纹扩展主要发生在首次热冲击的加热阶段，此时驱动力主要来源于显著温差引起的热应力，在后续热循环中裂纹扩展和损伤依赖于应力的累积效应。结论 所建立的梯度结构建模方法为更准确分析FG-TBCs内部应力分布提供了新的选择，研究结果为长寿命热障涂层的制备提供了理论和实验支持。
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  涂层剥离的内聚力-离散化虚内键模型与数值模拟

  李玲玲, 张振南, 郭芳威

  表面技术. 2025, 54(7): 203-211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.017

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  目的 涂层剥离涉及大位移大变形问题。为了更好地模拟涂层剥离过程，提出了内聚力界面-离散化虚内键(DVIB)方法。通过数值模拟，研究了涂层和界面特性以及界面裂纹对涂层剥离的影响。方法 在模拟中，涂层和基体之间的界面特性通过双线性黏结法则(Cohesive Law)来描述。涂层看作由离散键元胞组成，每个键元胞由有限条虚内键组成。键元胞的“节点力-位移”关系直接由键势函数(Bond Potential)导出，没有引入任何连续介质假设，因此DVIB可以直接模拟涂层大位移和大变形问题。结果 采用该方法对不同条件下的涂层剥离进行数值模拟，分析不同条件对涂层剥离的影响。涂层厚度和模量影响稳定阶段之前的剥离力，涂层黏附能影响整个过程剥离力。涂层厚度、模量和界面黏附能都与涂层剥离力呈正相关;涂层与基体之间的端部裂纹会使涂层峰值剥离力减小;内部裂纹长度和位置均会对剥离力产生不同的影响。当黏结强度和界面黏附能一定时，黏结法则的几何形状只会影响剥离力的峰前段，对剥离力的峰值和峰后阶段几乎没有影响。结论 本研究为涂层剥离提供了一种新的模拟方法，研究结果为涂层剥离分析提供有意义的借鉴。
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  “砖-泥”结构陶瓷封严涂层横向裂纹扩展抑制机理

  程涛涛, 吴治兵, 蒋家有于, 曹雨函, 马梁, 张莹

  表面技术. 2025, 54(7): 212-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.018

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  目的 热循环下过早的剥落失效是陶瓷基封严涂层目前面临的瓶颈问题。选取“砖-泥”结构涂层为研究对象，基于孔隙“吸引”效应，探究该涂层横向裂纹扩展抑制机理，为解决涂层易于热循环剥落失效的问题提供参考。方法 采用有限元仿真计算方法，建立不同孔隙半径的“泥”层模型，分析不同“泥”层模型在热循环条件下的应力场及横向裂纹扩展行为。结果 在“泥”层中引入的孔隙具有“应力再分布”功能和“应力集中”功能。含孔隙“泥”层的应力集中位置由无孔隙时的“砖”层/“泥”层界面处转移至孔隙周围，并且应力场作用区域显著缩小;与原始“泥”层相比，含孔隙“泥”层模型承受的最大拉伸应力(σ22 max)和最大剪切应力(σ12 max)显著提高。孔隙半径分别为1、2、3、4 μm的“泥”层模型中横向裂纹扩展长度分别减小了84.3%、54.8%、51.5%、59.5%，能量耗散水平分别降低了98.5%、62.7%、91.1%、86.9%。当孔隙半径从0 μm增至1 μm时，针对横向裂纹扩展的抑制效果最为显著。结论 孔隙具有“应力再分布”功能和“应力集中”功能，它在热循环过程中表现出“裂纹吸引”效应，从而改变了裂纹的扩展方向，并且抑制了裂纹的连续扩展。
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  基于平面压入方法的齿轮钢表面硬化层力学性能试验研究

  刘晓坤, 颜世铛, 张衡, 师陆冰, 刘忠明, 裴帮, 何旭

  表面技术. 2025, 54(7): 225-234. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.019

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  目的 实现齿轮钢表面硬化层应力-应变关系等弹塑性力学性能压入测试。方法 基于能量密度等效提出描述材料Hollomon幂律(H律)参数、压头直径、压入功、位移之间关系的平面压入模型，进而提出获取材料H律参数的平面压入试验方法。通过有限元分析，对不同表面粗糙度和表面曲率的平面压入模型进行建模计算，探明2类表面形貌对压入结果的影响规律，并提出修正方法。最后，通过母材的单轴拉伸和平面压入试验对比，验证平面压入试验方法的有效性，并在硬化层材料中应用该方法。结果 通过能量密度等效，提出了用于硬化层弹塑性力学性能获取的平面压入模型和试验方法，结合有限元分析方法，在初始屈服应力和应变硬化指数分别为2 000 MPa和0.4范围内，对平面压入模型参数进行了确定。在被测材料表面粗糙度Ra为3.2 μm以下和表面曲率半径为5 mm以上时，分别提出了修正方法，降低了对材料压入表面形貌的要求。对4种常用齿轮钢的母材进行了平面压入试验，压入试验结果与单轴拉伸结果之间吻合良好，其中，弹性模量和抗拉强度的最大误差不超过3%，屈服强度的最大误差不超过6%。通过平面压入试验方法对4种硬化层材料的应力-应变关系进行了测试，结果具有较好的重复性。结论 针对齿轮钢高强度硬化层，提出了一种对被测材料具有广泛适用性且简便、精确的压入测试方法，可有效获取齿轮钢表面硬化层弹塑性力学性能。
热喷涂与冷喷涂技术
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  正交实验设计法优化大气等离子喷涂氧化铝涂层工艺参数

  宋厚生, 孔令杰, 张伟平, 张峰, 王泽鑫, 陈靓瑜, 章君, Dobuvyy Oleksand, 芦笙

  表面技术. 2025, 54(7): 235-246, 259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.020

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  目的 研究大气等离子喷涂工艺参数对氧化铝涂层性能的影响，并探讨其影响机制，以获得一组优化的喷涂工艺参数。方法 使用大气等离子喷涂技术在GCr15轴承钢表面制备镍-铝黏接层和氧化铝工作层，采用正交实验设计方法，改变喷涂工艺参数中的电流、氩气流量、喷涂距离和预热道次，使用热电偶测量喷涂过程中涂层和基体的温度，并对所制备涂层的物相组成、微观结构、硬度、结合强度进行表征。结果 涂层的温度主要受到电流和氩气流量的影响。在喷涂后期，涂层的温度趋于稳定，预热道次对涂层的平衡温度无显著影响。涂层主要由α-Al2O3、γ-Al2O3组成，涂层中的γ-Al2O3含量与电流、氩气流量呈正相关。较高的电流、较低的氩气流量及较近的喷涂距离可以提高涂层的沉积效率，但过高的电流和氩气流量会增大涂层的孔隙率。涂层的硬度与γ-Al2O3含量、涂层温度呈正相关。结论 综合考虑了涂层的孔隙率、平均硬度和结合强度，确定了一组最佳工艺参数，电流为650 A，氩气流量为30 L/min，喷涂距离为120 mm，预热2道次。
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  铝-氮化硼粉末复合形式对大气等离子喷涂涂层组织及磨损性能的影响研究

  王玉江, 潘王帅, 王旭东, 杨焜

  表面技术. 2025, 54(7): 247-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.07.021

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  目的 研究团聚型(Al-hBN)、镶嵌型(CuAl-hBN)、hBN包Al型(hBN/Al)和Al包hBN型(Al/hBN)等4种不同复合形式的粉末在焰流中的熔化行为，以及对涂层组织和性能的影响。方法 采用胶黏团聚工艺制备粉末，采用XRD进行物相分析，采用SEM对粉体和涂层进行微观分析，采用倒置金相显微镜表征孔隙，采用洛氏硬度仪测量涂层的表面硬度，采用氮氧仪测量hBN烧损率，采用高温摩擦磨损试验机对可磨耗性能进行表征。结果 Al-hBN粉末粒度较小，流动性较差;CuAl-hBN的粉末粒度较大，松装密度较高，流动性较好;hBN/Al粉末粒度大且均匀，球形度高，流动性极佳;Al/hBN粉末粒度分布范围宽，松装密度低，流动性较差。在喷涂过程中，Al-hBN粉末熔化充分，涂层的孔隙率较低，硬度较高;CuAl-hBN粉末中枝晶状Cu有效保护了hBN，使得涂层中hBN含量增加，且分布均匀;hBN/Al中的hBN烧损率高，含量降低，涂层中的未熔化颗粒较多;Al/hBN粉末中的hBN作为核心被保护，烧损率低，含量高。在可磨耗性能方面，CuAl-hBN涂层以叶片摩擦磨损为主，同时伴随着黏着磨损，其余3种涂层与TC4以黏着磨损为主。结论 采用Al/hBN粉末制备的涂层质地软，孔隙率较小，hBN含量较高;在与TC4摩擦销对磨过程中，其黏附量最低，磨痕较平整，可磨耗性能优异。相关结果可为粉末及涂层制备工艺的优化提供有价值的参考，有助于提升涂层的性能和应用效果。