2022年, 第33卷, 第12期　
刊出日期：2022-06-25

  

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极端环境表面工程的科学问题
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  极端环境表面工程及其共性科学问题研究进展

  常可可, 陈雷雷, 周若男, 肖雪莲, 王方明, 王立平

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1388-1417. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.001

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  “三深一极”(深空、深海、深地、极地)典型极端环境的多因素强耦合作用，导致材料腐蚀、磨损、疲劳、断裂等多模式损伤失效共存，给机械系统的高精度、高可靠性和超长寿命服役带来了严峻挑战。表面工程技术是最有效的表面强化和延寿途径之一，相关方法和基础科学问题的研究是极端环境高安全、高可靠机械工程装备结构优化和材料设计的重要支撑。介绍了常用的表面工程技术方法及其在极端环境相关领域中的应用，分析了极端环境表面工程的共性基础科学问题，着重探讨了理论计算方法在解决问题中的实践，评述了极端环境表面工程的发展方向。
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  激光熔覆工艺参数对铁基双层涂层组织和残余应力的影响

  周嘉利, 程延海, 陈永雄, 梁秀兵, 白成杰, 杜望

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1418-1426，1434. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.002

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  针对激光熔覆过程中剧烈的温度场变化伴随着应力、应变演化，进而导致零件具有高裂纹敏感性的问题，对不同激光扫描路径及工艺参数下残余应力演变规律进行研究。采用激光熔覆在Q345钢上制备了Fe基双层多道涂层，并以X射线衍射法结合电化学腐蚀剥层法测量沿涂层深度方向的残余应力分布，探究激光扫描路径、功率以及扫描速度对涂层显微组织和应力分布的影响。结果表明：涂层表面和内部为残余压应力，在涂层基体熔合线处残余应力发生突变，热影响区表现为残余拉应力；激光熔覆工艺对涂层残余应力的大小和分布规律有显著影响，当激光扫描路径为轮廓偏置式、激光功率为1.8 kW、扫描速度为0.02 m/s时，涂层具有最优的残余应力分布和成形质量；残余应力的产生主要与激光束对熔池的冲击作用以及熔覆层的非平衡凝固特性有关。
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  织构化可控界面对汽轮机调节阀泄漏影响规律及机制

  廖毅弘, 张桂明, 许静

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1427-1434. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.003

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  基于流体润滑理论，应用有限元法计算了汽轮机调节阀压力分布及泄漏量，分析了织构化可控界面对调节阀泄漏影响的规律，明确了织构化调节阀的作用机理，实现了界面调控。结果表明：所设计的亲水、疏水织构满足预期的润湿性能；微凹坑流体动压润滑效果较差，动压平衡织构具备动压楔形效应，存在明显的涡流，有效改善了阀杆阀套间隙动压润滑效应，但动压平衡织构增大了上下壁面的联通面积，不利于密封。织构的减漏率影响从大到小依次为：疏水织构、组合织构、亲水织构、动压平衡织构。当调节阀所受压力超过3.5 MPa时，减漏率变化变得平缓。动压效应、密封坝效应以及凹槽内涡流能量交换与能量耗散的协同，使得组合织构在提高阀杆稳定性及降低泄漏方面优于其他织构。
海洋极端环境表面工程
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  AlNiZr非晶纳米晶复合涂层的腐蚀磨损行为研究

  张志彬, 张舒研, , 鲁楠, 陈永雄, 梁秀兵

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1435-1443. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.004

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  为提高海洋极端环境下钢结构材料的耐腐蚀磨损性能，采用高速电弧喷涂技术制备了一种AlNiZr非晶纳米晶复合涂层，并研究了该涂层在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的腐蚀磨损行为。结果发现，AlNiZr涂层组织较为均匀，致密性较好，相结构由非晶、纳米晶及晶化相共同组成，涂层非晶体积分数约为64.93%，平均显微硬度值为363HV0.1，与45钢基体之间的平均结合强度约为30.8 MPa；在干摩擦条件下其平均摩擦因数约为0.125，磨损体积约为0.134 mm3，磨痕宽度约为882.4 μm，磨损失效机制以氧化磨损和脆性剥层磨损为主，并伴有轻微磨粒磨损；在腐蚀介质条件下，由于受到腐蚀介质的润滑减摩作用，导致涂层的平均摩擦因数、磨损体积、磨痕宽度均有明显减小，其平均摩擦因数约为0.058，磨损体积约为0.02216 mm3，磨痕宽度约为314 μm，腐蚀磨损失效机制主要表现为剥层磨损形式，同时磨损起主导作用、腐蚀次之。与纯铝涂层相比，AlNiZr涂层表现出优异的耐腐蚀磨损性能。
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  薄壁结构加强的纳米复合涂层深海高压吸声性能

  付宜风, 王虎鸣, 曹攀

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1444-1451. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.005

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  研究了压力对纳米复合涂层PSM的影响，发现它仅在常压下具有很好的水下吸声性能。为提高PSM在高压下的吸声性能，提出了一种能够消除压力对PSM影响的硬壳软内衬薄壁结构。FEM仿真和压缩试验发现，2 mm厚的环氧树脂硬壳增强了PSM的抗压性能，2 mm厚的软硅橡胶Ecoflex内衬可以进一步减小中间区域形变。水声测试验证表明，在静水压力1.5 MPa下，带环氧树脂硬壳和Ecoflex软内衬的PSM在1500~7000 Hz区间的平均吸声系数从0.2提高到0.7。
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  轮缘推进器水润滑聚晶金刚石推力轴承承载性能试验研究

  梁兴鑫, 张森, 齐世煌, 靳栓宝

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1452-1458，1467. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.006

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  为解决舰船轮缘推进器（RDT）水润滑推力轴承承载能力差、使用寿命短等问题，提出采用超硬材料聚晶金刚石（PCD）为摩擦副的重载水润滑推力轴承设计方案。研制了金刚石粒度分别为10 μm，25 μm和35 μm的PCD推力轴承并开展了台架试验和RDT样机试验。台架试验结果表明，粒度为10 μm的轴承在重载工况下的摩擦因数波动剧烈，而粒度为25 μm和35 μm的轴承在20 MPa比压下可以稳定工作。该比压比现有RDT采用常规软/硬材料配副的水润滑推力轴承比压提高了40倍。转速为400 r/min时轴承的稳定摩擦因数约为0.015，且在数十小时的试验中无磨损迹象。粒度为35 μm的轴承通过了在RDT样机上开展的为期1个月的启停、加减速、高速重载等严苛工况下的试验考核，证明水润滑PCD推力轴承可以胜任RDT极端恶劣环境的工作。
航空航天极端环境表面工程
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  抗水氧腐蚀致密环境障涂层研究进展

  董琳, 杨冠军, 张小锋, 刘梅军, 周克崧, 李璞, 朱昌发, 徐向毅, 刘坤

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1459-1467. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.007

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  环境障涂层（EBCs）涂敷在碳化硅陶瓷基复合材料（SiC-CMCs）表面，能够有效隔绝发动机腐蚀环境，避免基体的快速腐蚀失效，成为SiC-CMCs材料在航空航天发动机热端部件应用的关键。然而，涂层内不可避免地存在贯通孔隙，导致EBCs在发动机高温水氧环境下快速腐蚀失效。从EBCs材料特性、制备工艺及工艺参数等方面总结了国内外研究进展，阐述了孔隙结构对涂层抗高温水氧腐蚀性能的影响规律，分析了等离子体法制备的涂层中孔隙的形成机制，总结了提高涂层致密性的方法，并展望了获得高抗水氧腐蚀的致密EBCs的后续重点研究方向。
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  MoS2/WS2复合薄膜的环境适应性和摩擦学性能

  范昕, 任思明, 王海新, 蒲吉斌

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1468-1476. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.008

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  湿热大气环境对MoS2润滑薄膜的摩擦学性能有严重的劣化作用。采用非平衡磁控溅射技术成功制备了WS2掺杂MoS2复合薄膜，研究发现，MoS2基体中掺入少量WS2可以诱导MoS2沿（002）晶面择优生长，薄膜结构变得更加致密，显著抑制腐蚀介质的渗透和扩散，使MoS2/WS2复合薄膜展现出高盐雾耐蚀性、小摩擦因数和低磨损率。成分优化的MoS2-1.6%WS2（原子分数）复合薄膜在经历4天的盐雾试验后仅表层被氧化，仍能保持0.16的小摩擦因数和3.80 × 10-6 mm3/（N·m）的低磨损率。
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  Mo/MoS2-Pb-PbS复合薄膜的真空摩擦学行为研究

  韩翠红, 马国政, 李国禄, 石佳东, 王海斗,

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1477-1483. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.009

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  多组元复合是提高润滑薄膜苛刻工况下服役性能的有效方法。采用“射频磁控溅射+低温离子渗硫”复合工艺，在9Cr18轴承钢表面制备了Mo/MoS2-Pb-PbS复合固体润滑薄膜；利用自主研制的MSTS-1型多功能真空摩擦磨损试验机研究了8×10-5 Pa真空条件下法向载荷和滑动速率对Mo/MoS2-Pb-PbS复合薄膜摩擦学性能的影响。结果表明，在所设定的5种滑动速率下，Mo/MoS2-Pb-PbS薄膜的摩擦因数随滑动速率的增大而缓慢减小，磨损率经一定周次的跑合后逐渐趋于稳定；在不同的法向载荷下，随着载荷的增大，薄膜的摩擦因数呈近似抛物线增大，变化范围在0.03～0.24之间;薄膜表面的磨痕宽度同样随着载荷的增大而增大。
极端环境表面工程与摩擦学
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  聚四氟乙烯填充含量对钢背超高分子量聚乙烯纤维织物复合材料摩擦学性能的影响

  林羽东, 郭智威, 袁成清,

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1484-1492，1503. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.010

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  为改善广泛应用于船舶苛刻环境无油/脂润滑摩擦配副材料的摩擦学性能，将聚四氟乙烯（PTFE）按不同质量分数与钢背超高分子量聚乙烯纤维织物复合材料结合，研究它与45钢盘在变转速环环端面干摩擦状态下的摩擦学特性。对试验过程中摩擦因数及磨损量进行测量，利用表面轮廓仪、扫描电子显微镜与超景深显微镜对复合材料及对磨件磨损表面形貌进行了观察与分析。结果表明：所有填充PTFE的复合材料摩擦学性能均表现优异，随着PTFE含量的增加，复合材料摩擦性能变差，其中1 %（质量分数） PTFE填充复合材料综合摩擦性能最好，在试验工况下主要发生磨粒磨损，PTFE填充量较高的复合材料在高速下由于团聚及摩擦热量积聚主要经历黏着磨损与疲劳磨损。
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  TiVN涂层的耐磨性与切削性能的关联研究

  范庆波, 杨帆, 关晓艳, 李浩, 樊小强, 朱旻昊

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1493-1503. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.011

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  通过多弧离子镀沉积技术制备了TiN和TiVN涂层，对比了两种涂层在不同工况下的摩擦磨损性能和切削性能，并指出影响刀具涂层服役性能的主要因素。结果表明，V元素掺杂有效提高了TiN涂层的硬度和结合力、减小了TiN涂层的摩擦因数和低温下的磨损率，但V容易氧化的特性导致500 ℃及以上温度TiVN涂层产生较高的磨损率。切削测试表明，在麻花钻的主切削刃和横刃区域两种涂层发生明显的剥落，而在后刀面涂层未发生明显剥落，TiVN涂层较高的膜基结合强度和耐磨性能使得它对刀具的防护效果更佳；刀具涂层的服役性能与其耐磨性能和膜基结合强度有关，刀具的主切削刃和横刃区域对涂层的耐磨性能和膜基结合强度有着苛刻的要求，且切削刃尖端温度较高，对涂层的高温耐磨性能和膜基结合强度要求也高。
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  高寒地区列车遭遇暖湿气流后轮轨界面黏着与车轮损伤响应行为研究

  沈明学, 李圣鑫, 余梦, 皇甫立志, 容彬, 熊光耀

  中国机械工程. 2022, 33(12): 1504-1511. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.12.012

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  利用轮轨滚动试验机模拟了-40℃环境工况下不同湿度（10%～99%）暖湿气流对高速轮轨界面黏着与车轮表面损伤的响应行为。低温环境下轮轨界面遭遇暖湿气流时，黏着系数会迅速减小，且随着气流湿度的增大，黏着系数减小的幅度和恢复时间均增加；同时，与未遭遇暖湿的轮轨界面相比，黏着系数、磨损量、塑性变形层厚度均明显增大，且随着气流湿度的增大，平均黏着系数减小，磨损量和塑性变形层厚度增大。在低温无湿气作用工况下，车轮磨损机制主要为疲劳磨损，剖面裂纹以表层裂纹为主；低温间歇暖湿气流作用下，车轮磨损机制主要以氧化磨损和黏着磨损为主，磨损表面出现氧化磨屑堆积而成的第三体层，剖面裂纹出现了多层裂纹和次表层裂纹。低温环境下，暖湿气流对列车的轮轨界面黏着和车轮损伤影响显著，主要体现在黏着系数的瞬时大幅减小以及车轮材料更为严重的磨耗和疲劳损伤。因此，高寒地区应特别注意暖湿气流对列车轮轨损伤和黏着的影响，以保证列车的安全运行。