2024年, 第37卷, 第5期　
刊出日期：2024-10-20
  

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    极端条件表面工程专栏
  • 极端条件润滑耐磨表面工程技术的研究与发展
    陈建敏, 陈磊, 李红轩, 周惠娣
    中国表面工程. 2024, 37(5): 1-18. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240408001
    摘要 ( 30 ) PDF全文 ( 12 )   可视化   收藏
    极端条件是高技术装备经常遇到的使役工况，在极端条件下，常规材料将难以满足应用需求，急需发展超高极限性能的材料和技术。针对国家高技术领域装备发展对极端条件润滑耐磨表面工程技术的需求，在综述极端条件润滑耐磨表面工程技术研究与发展的基础上，以粘结固体润滑涂层为主要对象，聚焦关键共性技术难题，以解决实际工程技术难题为目标，重点介绍近年来围绕国家航空航天和核能领域对高极限性能润滑耐磨表面工程关键技术的需求开展相关研究所取得的突破，并列举在此基础上研发的典型产品，展示相关产品在解决高技术领域重大装备极端条件摩擦学问题方面的典型应用成果，体现高极限性能润滑耐磨表面工程技术对国家高技术装备发展的不可替代的重要作用。最后结合国家先进制造未来发展需求，探讨极端条件润滑耐磨表面工程技术的未来发展方向。对全面了解国家高技术领域对极端条件润滑耐磨表面工程技术的需求，推进相关技术和产品的高技术应用，针对未来高技术装备需求发展更高极限性能的润滑耐磨表面工程技术，具有借鉴和参考意义。
  • 电磁轨道发射用电枢表面损伤及其防护研究进展
    林永强, 姚萍屏, 王兴, 周海滨, 康丽, 袁仔豪, 邓敏文
    中国表面工程. 2024, 37(5): 19-36. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231114001
    摘要 ( 17 ) PDF全文 ( 9 )   可视化   收藏
    电磁轨道发射装置处于大电流（~MA 级）、强磁场（~T 级）、高热量（~103 K 级）、强作用力（~106 N 级）等极端服役工况，电枢作为将电能转化为动能的关键部件，在服役过程中会不可避免地发生一系列损伤，导致电枢与轨道（枢轨）载流摩擦副间的接触特性发生显著变化，从而显著影响电磁轨道发射系统效率和精度。综述了近年来国内外研究者对电磁轨道发射用电枢表面损伤与防护的相关研究进展，阐述电枢损伤的典型特征，归纳电枢损伤的机制，梳理电枢损伤的防护优化策略，探讨电枢损伤及防护的研究趋势。研究表明：电磁轨道发射用电枢损伤主要有三种形式：载流摩擦磨损、热熔化和转捩烧蚀，其损伤的严重程度与形貌受到服役变量及电枢自身参数的影响；电枢损伤机制的模拟与仿真基于接触应力集中、电流密度集中、热量集中等三方面展开，着力于枢轨载流摩擦副间接触方式和特性；电枢损伤的防护优化主要考虑枢轨载流摩擦副结构设计、材料选择、表面涂层等多种因素的影响。电磁轨道发射电枢表面损伤形成的极端苛刻性和多场耦合特性，导致电枢表面损伤的形貌研究尚未能形成系统性和完整性的时空演变规律。仿真复现手段以及与轨道损伤特征的对应关系等的理论分析和试验探索仍有待进一步深入研究。研究结论对提高电枢效能、电枢表面损伤与防护研究及新型电枢材料开发与结构设计具有指导意义。
  • 航空发动机压气机转静子高速摩擦机制研究进展
    裴会平, 杨玉磊, 姚利盼, 程冰雪
    中国表面工程. 2024, 37(5): 37-56. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230921001
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏
    航空发动机压气机转静子高速摩擦问题已有大量研究，但缺乏相关研究进展的系统介绍。从高速摩擦磨损和能量耗散机制出发，综述相关研究成果，对先进航空发动机安全设计具有重要意义。压气机转静子工作间隙小、线速度高、气流压力温度高，转静子径向碰磨不可避免，这种高速摩擦轻则造成涂层、叶片损伤，重则导致航空发动机“钛火”等严重事故。转静子高速摩擦受侵入速率、摩擦速度、摩擦深度等工况条件和叶片厚度、涂层硬度、材料热物性参数等摩擦配副自身特点的综合影响，摩擦磨损机制主要表现为黏着磨损、切削磨损或氧化磨损等，诸多因素中，侵入速率和摩擦速度的影响最为显著。 对于高速摩擦热问题，温升预测是关键，而确定热流分配是难点，在早期基本假说基础上发展的不同热流分配计算方法，能够为摩擦温升预测提供理论依据，结合试验结果修正可提高计算可信度。高速摩擦热的产生会对摩擦磨损行为产生显著影响， 而摩擦条件与摩擦机制的改变也会导致明显的能量耗散差别，进而影响摩擦热的生成和摩擦温升。首次从摩擦磨损与摩擦能量耗散角度进行系统综述，讨论引发“钛火”的摩擦热导致的温升计算方法，并提出采用流-热-固多场耦合方法开展研究的新观点。摩擦热的计算、转静子摩擦磨损机制的全面揭示和新型涂层体系的开发具有指导意义。
  • 乏燃料后处理用合金腐蚀行为研究进展
    宋贵康, 王一, 查智博, 公维佳, 王显宗, 李金山, 李中奎
    中国表面工程. 2024, 37(5): 57-76. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240522002
    摘要 ( 22 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏
    核电的快速发展带来大量亟待处理的乏燃料，乏燃料后处理的前端溶解工艺与后端高放废液蒸发浓缩工艺均涉及沸腾浓硝酸的使用。其核心设备溶解器和高放废液蒸发器长期服役于强酸、强氧化性环境，合金的腐蚀损伤严重威胁其安全运行。 因此，在急需提升乏燃料后处理能力的背景下，针对乏燃料后处理用合金腐蚀行为开展综述研究，具有重要的科学和工程意义。围绕后处理用的三种典型合金：低碳不锈钢、钛合金、锆合金，分别对其腐蚀行为研究进展、影响因素以及应用在后处理领域所面临的主要挑战进行详细的分析总结。详细讨论了低碳不锈钢、钛合金和锆合金在后处理环境中的腐蚀行为及其机理。结果表明，三种合金在硝酸中对应的腐蚀速率依次呈数量级降低，锆合金的腐蚀速率低至 10-4 数量级；三种合金在硝酸中的腐蚀行为均受到硝酸温度、浓度、氧化性离子等因素的影响；不锈钢在高温、浓度高于 8 mol / L 或者存在强氧化性离子的硝酸中面临晶间腐蚀问题，钛合金存在三相腐蚀问题，锆合金则在氟化硝酸中腐蚀严重。最后，简要地展望了后处理合金需要重点开展研究的内容。
  • 梯度纳米结构轴承钢的高温摩擦磨损行为
    徐笑笑, 梁斐, 张亚平, 林研, 陈翔, 赵永好
    中国表面工程. 2024, 37(5): 77-87. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240311002
    摘要 ( 21 ) PDF全文 ( 12 )   可视化   收藏
    高温轴承作为航空发动机和高铁转向架等重大机械装备的核心支承构件，其表面高温磨损失效成为制约高温轴承可靠性和耐久性的关键瓶颈问题。因此，实现高温轴承表面减摩耐磨对于国民经济和国防安全具有重要的战略意义。采用表面机械滚压技术在 CSS-42L 轴承钢表面构筑梯度纳米结构（GNG），通过结构表征、高温摩擦磨损测试、磨痕形貌和亚表层结构演化分析研究 GNG CSS-42L 轴承钢的高温摩擦磨损行为。研究发现，轴承钢最表层的平均晶粒尺寸约为 25 nm，并随深度增加而逐渐增大。对 GNG CSS-42L 轴承钢进行室温（25 ℃）至 500 ℃范围内的高温摩擦试验，并与粗晶（CG）CSS-42L 轴承钢的摩擦磨损性能相比较。结果表明，在室温 25 ℃至 350 ℃范围内，相比于 CG CSS-42L 轴承钢，GNG CSS-42L 轴承钢的摩擦因数和磨损率同时降低，而 500 ℃下两种材料的摩擦磨损性能几乎一致。通过对两种材料磨痕表面形貌和亚表层结构分析发现，GNG CSS-42L 轴承钢的高耐磨性归功于梯度纳米层的高硬度和良好的应变协调能力可以有效抑制应变局域化。 500 ℃时，GNG CSS-42L 轴承钢磨痕表面发生明显氧化，氧化层的剥落导致材料磨损加剧。研究结果可以为高温轴承表面延寿提供新的研究思路和试验依据。
  • 环氧树脂改性对聚酰胺酰亚胺涂层抗空蚀性能的影响
    张梓轩, 侯国梁, 万宏启, 马俊凯, 冶银平, 周惠娣, 陈建敏
    中国表面工程. 2024, 37(5): 88-101. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231113001
    摘要 ( 11 ) PDF全文 ( 1 )   可视化   收藏
    空蚀是局部高压和热引起的一种极端条件下的材料损伤现象，广泛存在于泵等过流部件中，严重制约着零部件服役寿命。由于航空航天轻量化要求涉及的轻合金耐受温度较低，常在解决空蚀损伤的聚酰胺酰亚胺（PAI）中添加环氧树脂（EP） 以降低固化温度，然而这对空蚀性能的影响尚不清楚。针对该问题，分别制备纯 PAI 涂层（P-280）和不同含量 EP 改性的 PAI 涂层（P-200 和 P-170），通过加速空蚀试验对比研究样品的空蚀性能，采用 XPS、TGA、纳米压痕、SEM 等表征分析了样品的力学和热学性能以及空蚀作用下的力 / 热响应行为和涂层空蚀前后的形貌，剖析损坏机理。结果表明，添加 EP 可使 PAI 的固化温度显著下降 80~110 ℃，但韧性由 P-280 的 8.21 mJ·m?3逐渐降低到 P-170 的 3.18 mJ·m?3 ，造成涂层在空化载荷冲击下更易发生疲劳开裂。同时，添加 EP 后的 PAI 的热稳定性也明显劣化，空蚀 30 min 后，P-170、P-200 和 P-280 样品材料失重 5%所对应的温度下降幅度约为 15.24%、14.82%和 9.05%，进一步加速涂层表面力学性能劣化及空蚀损坏。因此，P-200 和 P-170 在加速空蚀 30 min 后的质量损失分别为 1.7 和 3.6 mg，是 P-280 的 2.1 和 4.5 倍。综合考虑涂层的固化温度和耐空蚀性能， P-200 更适合在轻合金部件表面应用。探究不同涂层的综合性能与空蚀性能之间的关系为 PAI 涂层的研发提供了新思路。
  • 机器学习在激光熔覆涂层缺陷检测中的研究现状与进展
    陈儒森, 吉小超, 张梦清, 于鹤龙, 尹艳丽, 周俊, 魏敏, 史佩京, 张伟
    中国表面工程. 2024, 37(5): 112-137. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231115002
    摘要 ( 28 ) PDF全文 ( 18 )   可视化   收藏
    机器学习作为人工智能领域的核心分支，通过算法分析数据，从中发现规律和模式，进而做出预测和决策，近年来在激光熔覆领域得到广泛应用。激光熔覆过程中形成的各类缺陷严重影响熔覆层的质量与性能，熔覆质量的可靠性与可重复性是激光熔覆技术面临的最大挑战。数据驱动的机器学习算法可用于激光熔覆过程监测与缺陷检测、反馈调控熔覆工艺、优化抑制熔覆缺陷，已成为本领域的研究热点。综述激光熔覆过程中产生的缺陷类型与成形机制，概述激光熔覆过程中产生的信号特征及其监测原理与手段，总结机器学习方法在激光熔覆过程中信号特征提取、缺陷分类识别与预测的研究进展，归纳缺陷检测的典型机器学习模型与算法。结果表明，机器学习算法可有效用于激光熔覆涂层缺陷检测，构建特征信号与涂层缺陷及熔覆工艺间的关系。目前研究采用的机器学习算法以监督学习算法为主，无监督和半监督学习算法对数据标注要求低，已在激光熔覆过程监测领域获得关注，并展现出巨大的潜力。研究结果为机器学习方法在激光熔覆领域的研究指出了热点与方向。
  • 氟化石墨改性PFPE润滑脂极端环境摩擦学性能
    霍丽霞, 贺颖, 苟世宁, 冯凯, 何成旦, 李宪强, 梁鲁, 周晖
    中国表面工程. 2024, 37(5): 138-146. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231122001
    摘要 ( 15 ) PDF全文 ( 3 )   可视化   收藏
    活动机构在月球等天体表面产生的摩擦热不易消散，造成机构温度大幅升高。现有流体润滑剂在高温下存在抗磨性能不佳、稠化剂易发生相变、粘结等问题。针对空间重载高温活动机构润滑需求，进一步提升流体润滑剂的高温摩擦学性能， 开展氟化石墨改性全氟聚醚（PFPE）润滑脂在真空高温极端环境中的摩擦学性能研究。分别采用不同氟碳比与不同粒径的氟化石墨与聚四氟乙烯（PTFE），制备 PFPE 润滑脂。评价不同的氟化石墨对润滑脂流变性的影响，在 25 ℃大气环境、25 ℃ 真空环境以及 200 ℃真空高温环境中，开展摩擦学性能研究。结果表明：纳米氟化石墨对润滑脂在常温下的静态增稠作用最为明显，但在高剪切作用与高温环境中，其增稠作用与微米级氟化石墨的增稠作用接近。在高温下，剪切速率达到 10~15 s?1 时，氟化石墨由于层间距的增加，将吸附更多的 PFPE 油分子，导致润滑脂剪切黏度增加。氟含量越高，氟化石墨对 PFPE 润滑脂在真空常温以及真空高温环境中降低磨损的作用越明显，主要得益于其较高的热稳定性与对 PFPE 油分子的吸附作用， 能够降低 PFPE 的断链与碳化程度。而粒径的变化并未产生明显降低磨损的作用。研究结果获得了氟化石墨的结构对润滑剂高温真空摩擦学性能的影响，为空间活动机构高温润滑提供技术支撑。
  • 靶电流对磁控溅射制备TiB2薄膜结构及性能的影响
    冷啸, 李红轩, 吉利, 张定军
    中国表面工程. 2024, 37(5): 147-157. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231114002
    摘要 ( 6 ) PDF全文 ( 1 )   可视化   收藏
    机械加工工艺的进步对切削刀具的性能提出了愈发严苛的要求，一方面刀具应具有更高强度及韧性以便应对高速切削带来的冲击载荷；另一方面刀具还应兼具优异的耐高温、抗氧化性能以满足极端工况下的服役需求。然而，传统刀具硬度的提升往往以牺牲韧性为代价，且传统刀具耐高温、抗氧化性能较差。通过在刀具表面沉积一层硬质、耐高温、抗氧化薄膜可有效解决这些问题。TiB2 具有高硬度、耐高温、抗氧化以及同金属间化学亲和力低等特性，因此，通过在零部件表面沉积 TiB2 薄膜可显著改善切削刀具因摩擦磨损而导致的失效问题。采用直流磁控溅射技术在 Inconel 718 表面沉积一系列 TiB2薄膜， 研究在溅射沉积阶段通过调控靶电流（3.0、4.0、5.0 和 6.0 A）对制备 TiB2 薄膜在微观形貌、力学性能及摩擦学性能等方面的影响。结果表明：不同电流条件下沉积薄膜的截面形貌均为柱状结构，随着靶电流增加，薄膜沉积厚度、结晶度及晶粒尺寸增加；弱电流条件下沉积制备薄膜的硬度较低，使得其抗磨损性能较差；强电流条件下沉积制备的薄膜残余应力较大、膜基结合强度较差，从而导致其抗磨损性能较差；靶电流为 4.0 A 时，沉积薄膜拥有最佳综合性能，体现在最低的磨损率 W=6.347× 10?6 mm3 / (N·m)、较高的膜基结合强度 L=36.78 N 以及较低的残余应力 σ=0.145 GPa。探究 TiB2最佳直流磁控溅射制备工艺，揭示 TiB2薄膜在溅射沉积阶段中不同电流强度对其结晶度、硬度及抗磨损性能的影响因素，将其沉积于切削刀具表面可改善切削刀具在高速切削过程中面临的摩擦磨损而导致的凹坑磨损问题。薄膜作为刀具表面涂层可有效防止刀具的高温氧化及元素扩散而导致的切削刀具过快失效问题，延长刀具使用寿命，改善加工精度，同时为高速切削刀具防护薄膜的后续研究提供一定的借鉴。
    • 综述论文
  • 冷喷涂粒子沉积的数值模拟研究现状
    王慧鹏, 胡泽凌, 郭伟玲, 黄艳斐, 朱合法, 周龙龙, 邢志国, 王海斗
    中国表面工程. 2024, 37(5): 158-176. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231008001
    摘要 ( 13 ) PDF全文 ( 2 )   可视化   收藏
    机械、船舶、航空和医学等领域通常采用冷喷涂技术制备表面薄膜和功能性涂层，其中以金属涂层、陶瓷涂层和复合涂层较多，并且冷喷涂能很好的保留材料原有特性。但冷喷涂过程中难以观察到粒子的沉积形式、塑性变形和结合状态，无法探究冷喷涂过程中的机理性问题。因此，通常采用数值模拟建立模型的方式来探讨喷涂过程中粒子的沉积机理。基于数值模拟从金属、陶瓷和金属-陶瓷复合三方面，系统分析模型的差异及适用场景，阐述粒子速度、粒子入射角度和粒子尺寸对冷喷涂沉积行为的影响，概括冷喷涂实际应用场景。结果表明，二维模型与三维模型存在边界条件设置和热传导问题，但在特定的情况下，二维模型与三维模型并无差别，且二维模型是一个简化模型，相比较于准确的三维模型更节约时间成本；单粒子与多粒子在喷涂过程中存在热传导问题，并且单粒子模型适用于沉积形式和结合机理的分析，而多粒子模型适用于沉积形貌和实际验证的分析；三个影响因素对沉积行为都有着不可忽视的影响，优化影响因素可大大提高沉积效率，提升涂层质量； 虽然对冷喷涂的研究以及制备涂层已经进入大发展阶段，但在实际应用方面却极少，未来对冷喷涂的发展应广泛的应用到实际工作中。从数值模拟模型上分析三种材料的模拟结果，并且对影响因素进行总结，从而对冷喷涂技术的微观过程进行研究， 可为冷喷涂沉积机理的研究提供理论认识。
  • 激光熔覆过程数值模拟及裂纹调控研究进展
    谢晓明, 刘秀波, 陈涛, 刘志远, 孟元, 张世宏
    中国表面工程. 2024, 37(5): 177-194. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231103003
    摘要 ( 25 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏
    激光熔覆作为一种先进的表面技术广泛应用于航空航天和军工等领域，然而激光熔覆在短时间内历经多种复杂的物化过程，其中涉及的传热传质和熔池对流行为与涂层质量密切相关，目前仅依靠试验方法难以直观准确地观测到熔覆过程的瞬态演化对涂层质量的影响，且受限于成本高和周期长等问题。而数值模拟为深入分析熔覆过程中的温度变化，应力分布和熔池流动提供了有效途径，为改善涂层质量提供了理论依据，但针对该方面的综述仍然有限。从熔覆过程中热-力-流多场动态演化出发，系统综述多物理场数值模拟方面的相关研究现状。同时针对裂纹调控问题，归纳总结导致裂纹产生的影响因素， 并概述多物理场耦合动态演化-工艺优化-裂纹调控之间的内在关联。准确的模拟结果是有效指导实践的必要条件，但目前的数值模拟研究仍难以精准反映实际熔覆情况。最后指出影响模拟准确性的难点，并对其进行展望。利用数值模拟指导激光熔覆是有效提高涂层质量的可靠手段，对该方面的研究进行系统综述可为后续相关研究和实际应用提供有益参考。
  • 等离子体喷涂致密陶瓷涂层技术研究进展
    刘方圆, 魏连峰, 张薇薇, 郑勇, 商乔, 王亚峰, 张然
    中国表面工程. 2024, 37(5): 195-219. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230920004
    摘要 ( 27 ) PDF全文 ( 10 )   可视化   收藏
    等离子体喷涂陶瓷涂层技术具有加热温度高、沉积速率快、基体受热小、材料范围广和投资成本低等显著优势，广泛应用于航空航天、核能发电和兵器装备等领域。随着现代工业的快速发展，高端装备和部分关键零部件对陶瓷涂层的服役性能提出了更高的使用要求，如何提高等离子体喷涂陶瓷涂层的密度和力学性能成为该领域的研究热点。研究者近年来采用优化的等离子体喷涂技术制备了性能优异的致密陶瓷涂层。系统综述该技术的研究进展，对于其大规模推广应用具有重要意义。 首先，从常规大气等离子体喷涂技术的原理和涂层沉积过程，介绍常规大气等离子体喷涂陶瓷涂层的技术特点、显微特征和瓶颈问题。然后，从等离子体喷枪的结构设计、工作原理和涂层性能，系统综述 8 种用于制备致密陶瓷涂层的等离子体喷枪技术。而后，根据高效能等离子体喷涂工艺的原理、特点和涂层特征，详细阐述超低压、长层流和悬浮溶液 3 种致密陶瓷涂层等离子体喷涂工艺。最后，总结等离子体喷涂致密陶瓷涂层技术的发展现状，并对未来发展趋势进行了展望。主要综述等离子体喷涂致密陶瓷涂层技术的先进喷枪结构和高能效喷涂工艺，可为等离子体喷涂致密陶瓷涂层技术的广泛应用提供借鉴和指导。
  • 长寿命热障涂层失效机制、材料选择及结构设计研究进展
    刘雨薇, 李淳, 冯世钊, 王叶, 周述军, 靳爽
    中国表面工程. 2024, 37(5): 220-237. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231008002
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏
    热障涂层（Thermal barrier coatings, TBCs）是一种应用于航空发动机、地面燃气轮机等动力装备的高效功能性隔热涂层，具有低导热系数、良好的高温相稳定性和断裂韧性等优点。随着动力系统强化程度的不断提高，关键部件常常在极端高温环境下服役，容易导致涂层发生开裂、分层、退化而过早失效。然而，目前关于长寿命热障涂层的失效机制、材料选择及结构设计缺乏相关系统总结。总结几种典型的热障涂层失效机制：残余应力失效、高温烧结失效、钙-镁-铝-硅酸盐（CMAS）渗透腐蚀失效和热生长氧化层（TGO）失效，提出减小涂层内部孔隙率、缩小层间热膨胀系数差、降低表面粗糙度等抑制涂层失效的方法。据此，从顶部涂层的材料选择与结构设计两方面阐述热障涂层的研究进展。从材料选择角度，归纳氧化锆和部分钇稳定氧化锆（YSZ）在长时高温环境下出现的问题，总结近年来的一些先进涂层材料，包括氧化物稳定氧化锆、A2B2O7型氧化物、稀土钽酸盐以及自愈合材料。从结构设计角度，介绍不同涂层结构的制备方法，分别从微观结构、耐腐蚀性、涂层内部热应力、 热循环寿命等方面对层状结构、柱状结构、纳米结构和功能梯度结构进行归纳。综述相关研究现状不仅能指出现有研究的不足及未来研究的发展方向，还能为开发更高抗腐蚀性、更好隔热性和更长寿命的新一代 TBCs 提供理论依据。
  • 类金刚石薄膜的残余应力调控研究进展
    杜乃洲, 付志民, 冯存傲, 郭鹏, 李晓伟
    中国表面工程. 2024, 37(5): 238-252. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220629002
    摘要 ( 12 ) PDF全文 ( 45 )   可视化   收藏
    类金刚石薄膜（Diamond-like carbon，DLC）由于其优异的性能而在诸多领域显示出广阔的应用前景。然而，DLC 薄膜中存在的高残余应力，削弱了膜基结合力，导致薄膜开裂或剥落，严重限制了其使用寿命和可靠性，成为 DLC 薄膜研究领域中亟需解决的关键问题之一，也是基于实际应用的紧迫需求。介绍了 DLC 薄膜应力产生的来源，并结合国内外研究现状从元素掺杂、过渡层和工艺调控 3 个方面分别综述了应力调控方面的试验和理论研究进展。结果表明，元素掺杂主要是通过降低薄膜中扭曲的 C-C 键长和 C-C-C 键角的百分比含量以及缓和键长、键角的扭曲程度来降低薄膜残余应力；添加过渡层主要通过缓解 DLC 薄膜与基体间因热膨胀系数不匹配而引起的内应力，从而达到降低 DLC 薄膜残余应力的目的；不同工艺参数对残余应力的影响较为复杂，且参数的不同组合可能会导致不同的残余应力状态。以上 DLC 薄膜应力来源、调控方法和机理的研究将为高质量 DLC 薄膜的设计和制备提供理论依据。
    • 技术基础
  • 激光熔覆NiCoCrTaAl-TiC复合涂层组织性能及摩擦学性能
    谢玉莹, 刘思思, 刘金刚, 杨正航, 姜胜强, 杨世平
    中国表面工程. 2024, 37(5): 253-262. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220420001
    摘要 ( 14 ) PDF全文 ( 3 )   可视化   收藏
    Ni 基合金因其在高温条件下具有优异的性能，在航空航天、船舶制造、冶金化工等领域受到广泛的关注。为了进一步提高合金在严苛环境下的服役年限，采用激光熔覆技术在 K418 镍基合金表面设计并制备了 NiCoCrTaAl-TiC 复合涂层，探究 Al 含量对复合涂层组织形貌及摩擦学性能的影响，并在雨水、海水和润滑油等严苛工作环境下对涂层性能做进一步分析。 研究结果表明：添加 Al 元素后，复合涂层出现 Al2O3、AlNi3、Al4CrNi15、Al4Ni15Ta 等金属间化合物相，涂层内部组织构成发生改变；随 Al 含量增加，熔池边界逐渐消失，涂层硬度、耐磨性能呈先减小后增加的趋势，并在 Al 含量为 15wt.%时达到最佳，其耐磨性较 NiCoCrTa-TiC 涂层约提高 25%；在雨水、海水介质中浸泡 2 h 后在边界润滑条件下的磨痕深度及磨损量与未经处理涂层的基本相同，表明 Al 元素的添加提高了复合涂层的耐腐蚀性能。
  • 喷涂参数对螺栓表面涂层均匀性的影响
    张云鹏, 李海涛, 鲍思洁, 郭冬妮, 万冰华, 卢文壮
    中国表面工程. 2024, 37(5): 263-274. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230923001
    摘要 ( 14 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏
    工程中螺栓喷涂铝涂层时易出现涂层厚度不均匀，会导致螺栓连接的可靠性下降和涂层电偶腐蚀防护作用削弱问题， 航空钛合金螺栓表面铝涂层均匀性方面缺乏深入的研究。采用欧拉-拉格朗日法建立雾化流场的气液两相流物理模型，分析喷涂距离、进气压力和扇面控制压力对螺栓表面涂层厚度的影响，并搭建喷涂试验系统与模拟结果进行比对。结果表明：喷涂距离大小会影响涂料液滴到达螺栓表面时的速度，进而影响涂层厚度和均匀性。进气压力较小时，涂料雾化不彻底，涂层出现不均匀的斑块；进气压力较大时，涂覆的范围较大，单个螺栓表面涂层过薄。扇面控制压力较小时，喷雾集中，螺栓表面涂层较厚；扇面控制压力则会影响喷雾范围，若喷雾集中，螺栓表面涂层较厚，反之螺栓表面涂层较薄。当喷涂距离在 190 mm 左右，进气压力在 0.4 MPa 左右，扇面控制压力在 0.1 MPa 左右时，螺栓表面涂层厚度均匀性最佳。试验证实气液两相流物理模型用于研究喷雾流场和预测涂层厚度分布是可行的。采用欧拉-拉格朗日法模拟螺栓表面喷涂成膜的过程，获得涂层厚度分布规律，能为航空钛合金螺栓表面铝涂层均匀制备提供可行的方法。
  • 结晶器铜板表面HVOF喷涂NiCrCoBSi多主元合金涂层的高温磨损性能
    黄东保, 周霆伟, 郁海涛, 贾玺泉, 徐震霖, 何宜柱, 董振启, 张慧勇
    中国表面工程. 2024, 37(5): 275-287. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230626001
    摘要 ( 11 ) PDF全文 ( 1 )   可视化   收藏
    针对连铸结晶器铜板在服役过程中的磨损失效问题，采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术在结晶器铜板表面制备了 NiCrCoBSi 自熔性多主元合金涂层，以提高铜板的耐磨性能。利用 XRD、SEM、TEM 等方法研究了 NiCrCoBSi 涂层的微观结构；借助摩擦磨损设备对其耐磨性进行评价，并与市场化占有率最高的电镀 NiCo 涂层进行对比。结果表明：NiCo 涂层为单相面心立方（FCC）固溶体结构，而 NiCrCoBSi 涂层的主要物相包括 FCC 固溶体、CrB 和 M23C6。与 NiCo 涂层相比，NiCrCoBSi 涂层的硬度提高了 95%，而断裂韧性只下降了 5.4%。磨损测试后发现两种涂层的磨损机制均以黏着磨损、疲劳磨损为主，伴随着少量磨料磨损。NiCrCoBSi 涂层表现出优异的耐磨性和较低的摩擦因数，其磨损率较 NiCo 涂层降低了 81%。NiCrCoBSi 涂层耐磨性较高的主要原因是其较高的硬度、内部的各种硬质耐磨相以及磨损表层的加工硬化。这是因为在循环载荷作用下， 涂层产生塑性变形，涂层的硬质相在塑性变形过程中被切割、旋转，导致碳化物及硼化物被细化和球化，从而提升了磨损表层的硬度。制备了具有优异高温耐磨性能的 NiCrCoBSi 自熔性多主元合金涂层，为长寿命铜及其合金涂层的开发提供了理论依据和技术参考。
  • NiRe层对NiAl涂层抗氧化性能的影响
    贺文燮, 李伟, 姜肃猛, 宫骏, 孙超
    中国表面工程. 2024, 37(5): 305-313. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240309001
    摘要 ( 8 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏
    在 β-NiAl 涂层中添加改性元素仍是目前的研究热点，但关于活性元素（Re）改性 β-NiAl 的研究较少。为了探究 NiRe 层对铝化物涂层抗氧化性能的影响，对比评价 Al 扩散涂层和 1Re-NiAl 涂层在 1 100 ℃时的恒温氧化行为。利用扫描电子显微镜和 X 射线衍射仪对涂层的截面、表面形貌以及组织演变过程进行分析。研究结果表明，Al 扩散涂层的 Zone 1 和 Zone 2、 1Re-NiAl 涂层的 Zone 2 基本都由 β-NiAl 相和白色的 α-W 析出相构成，1Re-NiAl 涂层外层的 Zone 1 则由 β-NiAl 相和白色的 γ-Re 析出相构成；恒温氧化 300 h 后，1Re-NiAl 涂层的氧化总增重值为 0.62 mg / cm2 ，低于 Al 扩散涂层的氧化总增重 （2.77 mg / cm2 ）；Al 扩散涂层发生严重的内氧化和氧化膜剥落，1Re-NiAl 涂层仅发生轻微的氧化膜剥落；涂层中添加电镀 NiRe 层后显著提高涂层的抗氧化性能。通过电镀和电弧离子镀相结合的工艺成功引入 Re，并研究 NiRe 层对涂层抗氧化性能的影响，可为后续深入研究 Re 及其他元素改性的 β-NiAl 涂层提供新思路。
  • La2O3对氩弧熔覆制备Ti-BN-G复合涂层组织及性能的影响
    郝晨帆, 孟君晟, 李钦东, 李成硕, 李思捷
    中国表面工程. 2024, 37(5): 314-324. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231023001
    摘要 ( 12 ) PDF全文 ( 4 )   可视化   收藏
    在表面工程领域中，适量添加稀土 La2O3 可以使涂层组织细化硬度耐磨性提升，添加少量或过量的稀土 La2O3 均不能使复合涂层的性能达到最佳。为探究不同质量分数稀土 La2O3对复合涂层组织及性能的影响，利用氩弧熔覆技术在 TC4 表面制备 La2O3 / Ti-BN-G 复合涂层。以 Ti 粉、BN 粉、石墨烯粉和稀土 La2O3 为原料，将配比好的粉末置于玛瑙研体中充分研磨使其混合均匀，预涂敷在 TC4 合金表面，利用氩弧熔覆技术制备出不同 La2O3含量的 Ti-BN-G 涂层。采用 X 射线衍射仪、 扫描电子显微镜及能谱分析仪分析涂层的物相及显微组织，利用显微维氏硬度仪测试涂层的显微硬度；采用摩擦磨损试验机测试涂层的磨损率和摩擦因数分析涂层的耐磨性能。结果表明：涂层物相由颗粒状、枝晶状 Ti(C, N)、针棒状 TiB 和 α-Ti 相构成。随着 La2O3含量的增多，组织发生不同的变化。当 La2O3 质量分数为 4 wt.%时，复合涂层中组织细化效果最佳且分布均匀，通过面扫描分析可知，稀土 La 元素均匀分布在复合涂层中，抑制了组织的生长，从而使性能得到进一步优化，与基体相比复合涂层的显微硬度提高了 3.7 倍，耐磨性提高了 9.6 倍，磨损机制为磨粒磨损；当 La2O3质量分数为 5 wt.%时，复合涂层组织粗大、分布不均匀，硬度与耐磨性均降低。最后得出结论，当稀土 La2O3 质量分数为 4 wt.%时，复合涂层组织致密、细化效果最为显著，表现出较高的硬度和优异的耐磨性，进一步提高了 TC4 合金的力学性能。通过优化复合涂层中稀土 La2O3质量分数得到高性能涂层，研究成果可为解决零部件表面磨损失效问题提供试验依据和理论基础。
  • 加热辅助超声滚压40Cr钢表面织构化
    王明远, 邓建新, 吴佳星, 田润洲, 王军燕, 马苛欣
    中国表面工程. 2024, 37(5): 325-336. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230822003
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    超声滚压织构化技术具有独特的表面强化效果。加热辅助超声滚压技术能够克服单一超声滚压适用范围和强化效果有限的缺点，但当前温度对于织构化表面性能的影响规律尚不清晰。为了克服超声滚压织构化技术的局限性，利用加热辅助超声滚压技术在 40Cr 钢表面进行微织构制备，研究温度对超声滚压织构化表面的形貌和力学性能的影响；建立加热辅助超声滚压制备表面织构的三维有限元模型，对超声滚压过程进行仿真分析。结果显示：加热可以加剧材料表面的塑性变形程度， 获得更大尺度的超声滚压表面织构形貌，但 200 ℃时会因为滚压球与基体之间发生粘附而造成表面损伤；通过截面形貌可以看出，加热辅助超声滚压能够形成更深的塑性变形层；织构化表面的残余压应力和显微硬度随温度升高先增大后减小，在温度为 150 ℃时制备的微织构表面拥有最佳的综合力学性能。XRD 结果显示，残余应力和显微硬度的提高与超声滚压造成的材料表面晶粒细化有关，加热可以加剧塑性变形程度进而促进晶粒细化，但温度升高也会使晶粒呈现生长粗化的趋势，150 ℃ 下制备的超声滚压织构化表面平均晶粒尺寸最小。将加热引入超声滚压表面织构化加工过程，并研究温度对材料表面性能的影响规律，研究结果有助于进一步改善织构化表面性能，也可以为超声滚压技术的研究和应用提供新思路。
    • 工程应用
  • 超高速激光熔覆镍包覆c-BN颗粒增强耐磨复合涂层及摩擦磨损行为
    刘康诚, 娄丽艳, 蔡志海, 邢志国, 王海斗, 李成新
    中国表面工程. 2024, 37(5): 337-345. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230829001
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    钛合金拥有较轻的密度和较高的比强度被广泛应用在航空航天以及航海等领域。然而，较差的耐磨性限制了其在各种工况下的应用。为提升钛合金在极端服役条件下耐磨性能，采用超高速激光熔覆工艺在高温钛合金表面成功制备出完整、致密的镍包覆 c-BN 复合耐磨涂层。利用 XRD、SEM、EDS 和显微硬度计、摩擦磨损试验机等手段分析测试涂层微观组织形貌、 物相组成和力学性能。结果显示，c-BN 颗粒在激光照射下部分分解，并与熔池中的 Ti 反应，原位生成 TiN、TiB 等增强相； 另外在涂层凝固过程中，c-BN 表面包覆的镍进入 Ti 晶格并部分与 Ti 反应生成 Ni-Ti 金属间化合物，对涂层起到固溶强化和弥散强化，使得镍包覆的 c-BN 涂层硬度和耐磨性能相较于钛合金基体和未包覆镍的 c-BN 涂层均显著提升：涂层平均硬度值在 1 200 HV0.3以上，达到钛合金基体 3 倍以上；经过摩擦磨损试验后，其磨损体积相较于钛合金基体和未包覆镍 c-BN 涂层分别减少 72%和 22%。磨损形貌显示，钛合金基体表现出明显的黏着磨损，未包覆镍的 c-BN 涂层表现为磨粒磨损；而镍包覆的 c-BN 涂层磨痕则出现大量“鱼鳞”状磨屑。研究采用镍包覆的方式在熔覆前将 c-BN 颗粒包裹，使得 c-BN 陶瓷粉末流动性提升，并进一步增强复合涂层的显微硬度，从而提升复合涂层的耐磨性能。
  • 超音速微粒轰击对冷轧态Fe-28Mn-8Al-1C低密度钢组织和性能的影响
    熊毅, 吕威, 杜楠, 厉勇, 舒康豪, 任凤章
    中国表面工程. 2024, 37(5): 346-360. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230913001
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    为了实现冷轧态低密度钢强度与塑韧性的良好匹配及优良的表面完整性，提升车辆行驶过程中的可靠性和安全性，延长其在服役环境下的使役寿命，通过超音速微粒轰击（SFPB）技术对冷轧态 Fe-28Mn-8Al-1C 低密度钢进行表面纳米化处理， 借助扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X 射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、万能材料试验机等测试手段，系统研究 SFPB 冲击时间及气体压力对其表面形貌、微观结构和力学性能的影响。研究结果表明：SFPB 处理可在冷轧态 Fe-28Mn-8Al-1C 低密度钢表面形成梯度纳米结构，可将表层晶粒尺寸细化至纳米量级，在气体压力为 1.0 MPa，冲击时间为 120 s 时，相应的强度指标达到最大值。随着冲击时间的延长和气体压力的增大，表层纳米晶尺寸逐渐减小，相应的显微硬度值及严重塑性变形（SPD）层深度也随之增大。然而，冲击时间过长或气体压力过大会导致表层微裂纹的形成，致使其强度指标降低。不同 SFPB 工艺参数下的冷轧态 Fe-28Mn-8Al-1C 低密度钢伸长率未发生明显变化，拉伸断口形貌均表现为韧-脆混合型断裂特征。 SFPB 技术通过在低密度钢表面构筑梯度纳米结构，能实现低密度钢组织性能的可控制备，同时在诱导背应力强化以及残余压应力抑制裂纹萌生和扩展的耦合作用下，能有效提升低密度钢的综合力学性能，可为其在汽车领域的生产及应用提供参考。
  • 低压等离子喷涂CoNiCrAlY粉末颗粒沉积行为及涂层性能
    杨焜, 邓子谦, 牛少鹏, 徐丽萍, 曾威, 戴红亮, 宋进兵
    中国表面工程. 2024, 37(5): 361-372. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220519001
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    低压等离子喷涂 MCrAlY 涂层具有优良的抗高温氧化和热腐蚀性能，广泛应用于涡轮发动机热端部件的防护，但对于喷涂过程中单个熔融 MCrAlY 粉末颗粒的沉积及堆叠过程与涂层结构及性能之间的关联仍不够清晰。采用低压等离子喷涂方法，在镍基高温合金 GH3536 基体及抛光涂层表面收集 CoNiCrAlY 扁平颗粒沉积物及厚度数百微米的涂层，并对单个及堆叠扁平颗粒沉积物的形貌以及涂层的微观结构和性能进行表征。结果表明，喷涂腔室内保护气氛压强降低时， 熔融的 CoNiCrAlY 粉末颗粒在基体表面快速铺展并凝固沉积为边缘存在一定数量溅射物的扁平化盘状物，而熔融粉末颗粒在已沉积涂层表面铺展得更为充分，大量充分熔化并铺展的扁平颗粒沉积物以机械咬合的方式相互结合并逐层堆垛形成致密涂层。涂层的孔隙率可控制在 1%以内，氧含量低至 0.32%，结合强度 75 MPa 以上，涂层经真空热处理后在 1 050 ℃ 时达到完全抗氧化级别，真空热处理还可提高涂层的组织均匀性以及涂层的内聚强度，并在涂层与基体界面处形成厚度数十微米的互扩散层，进一步改善涂层与基体的结合强度。低压等离子喷涂 CoNiCrAlY 厚涂层的组织均匀致密、综合性能优良，与单个熔融粉末颗粒在基体及已沉积涂层表面的沉积堆垛行为密切相关。研究结果可为基于对熔融粉末颗粒沉积堆叠行为调控以实现涂层结构和性能优化提供依据。
  • 高速列车制动摩擦块表面微织构影响粘滑振动的有限元及试验研究
    张棋翔, 莫继良, 项载毓, 王权, 冯双喜, 翟财周, 朱松
    中国表面工程. 2024, 37(5): 373-383. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231101001
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    高速列车在制动过程中出现的低频粘滑振动现象给制动系统的安全性和稳定性构成了极大的挑战，因此，降低或抑制制动过程中的粘滑振动对于提高列车安全运营具有重要意义。为此，通过在摩擦块表面设计了一系列不同数量的平行微织构， 并结合有限元仿真和试验分析，研究了其对粘滑振动的抑制效果。结果表明，表面微织构能改善盘 / 块界面接触状态，增加实际接触面积，使接触应力分布均匀，降低磨损并提高界面贴合稳定性。在所设计的微织构参数范围内，粘滑振动强度随表面微织构数量的增加而降低，其振动形式由不规则粘滑振动逐渐转为近简谐振动。因此，改善摩擦界面接触状态是降低粘滑振动强度的主要因素，良好的界面贴合度和轻微的磨损有助于实现粘滑振动的有效抑制。研究成果可为抑制高速列车制动系统粘滑振动的摩擦界面调控方案提供一定的理论依据和应用指导。
  • 304L不锈钢局部干法水下激光填丝角焊接头的组织及性能
    赵志博, 朱加雷, 李桂新, 李松钊, 赵友亮, 赵亮
    中国表面工程. 2024, 37(5): 384-392. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230919001
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    核电乏燃料池在长期的服役过程中不可避免会出现缺陷，目前针对核电站乏燃料池底面和壁面交界处 L 型拐角位置存在的裂纹缺陷修复研究还鲜有报道。自主设计一款局部干法水下角焊排水罩，并以第二代核电站乏燃料池覆板用的 304L 不锈钢为研究对象，开展局部干法水下激光填丝角焊试验。通过光学显微镜分析多层多道角焊缝的显微组织；用 DPT-5 着色渗透探伤剂对焊缝表面及其横截面进行渗透检测；采用显微硬度计测试不同区域的显微硬度分布情况；使用 VersaSTAT 3F 电化学工作站测定 3.5%NaCl 溶液中不同区域的极化曲线和 Nyquist 图谱。结果表明：焊缝的成型质量高，宏观和微观均无明显缺陷，显微组织主要由奥氏体和铁素体组成；焊缝区域层与层之间有明显的分界，热影响区不明显；搭接区由于多次热积累， 铁素体含量减少，奥氏体晶粒变大；各区域晶粒尺寸大小的不同，致使硬度呈近似“M”形分布；极化曲线和 Nyquist 图谱结果均表明不同区域抗电化学腐蚀能力的顺序为 BM＞WM＞HAZ。利用自主设计的角焊排水罩进行了水下激光填丝角焊修复试验，获得良好的角焊接头工艺性能，可为乏燃料池的裂纹修复提供技术参考。
中国表面工程
China Surface Engineering
ISSN 1007-9289
CN 11-3905/TG

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