2013年, 第26卷, 第1期　刊出日期：2013-01-19

  

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摩擦学
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  船用钛合金微弧氧化膜的性能及其研究进展

  白清友， 刘海萍， 毕四富， 马志强， 曹立新， 屠振密

  中国表面工程. 2013, 26(1): 1-5.

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  钛合金密度小、比强度高、可加工性好及耐海水腐蚀性强，是一种优秀的船舶材料。然而钛合金较低的耐磨性能、耐高温氧化性能及其对异种金属的电偶腐蚀等制约了其在船舶中实际应用。通过微弧氧化在钛合金表面原位生长氧化物陶瓷层，可显著改善钛合金的以上性能。文中综述了国内外船用钛合金微弧氧化研究进展及微弧氧化对钛合金的耐磨性、耐蚀性、结合强度及抗高温氧化性能的研究现状，展望了微弧氧化技术改善船用钛合金表面性能的发展趋势。
表面工程
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  P20模具钢的双层回火激光熔覆修复技术

  刘京， 李铸国， 姚成武

  中国表面工程. 2013, 26(1): 6-12.

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  传统的焊接方法修复失效模具，易造成较大的热输入，导致热影响区性能恶化，需要进行后续高温回火热处理。利用双层回火激光熔覆修复技术，通过充分利用后道熔覆层对前道熔覆层的回火作用，可免去后续回火热处理步骤。采用3.5 kW半导体激光器对P20模具钢进行了双层回火熔覆，基于修正后的Higuchi模型确定了最优层间能量密度组合，利用光学显微镜和显微硬度仪表征了修复部位热影响区的微观组织和硬度分布。结果表明，P20模具钢最优的双层回火激光熔覆层间能量密度组合为5&10 kJ/cm²；采用该能量密度组合的双层回火激光熔覆修复工艺，可获得组织为均匀回火索氏体、平均硬度约400 HV的修复热影响区，其修复效果优于需要进行后续回火热处理的传统单层模具修复工艺。
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  WC颗粒对激光熔覆FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织与硬度的影响

  黄祖凤¹， 张冲¹， 唐群华¹， 戴品强^1,2， 吴波¹

  中国表面工程. 2013, 26(1): 13-19.

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  采用CO₂横流激光器制备添加WC颗粒的FeCoCrNiCu高熵合金涂层，研究WC含量对涂层的组织结构及硬度的影响。结果表明：不同WC含量的高熵合金涂层均由简单的面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）两相组成。随着WC含量的提高，涂层中FCC相含量不断减少，BCC相含量不断增加。WC颗粒在激光熔覆过程中发生溶解并完全溶入FCC相和BCC相中，并未引起复杂碳化物相的生成。不同WC含量的涂层均为树枝晶组织。激光熔覆过程中的快速凝固条件有利于抑制枝晶和枝晶间的成分偏聚。WC含量的提高使枝晶细化，硬度提高。
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  CrAlTiN及CrAlTiSiN纳米多层复合涂层的制备及力学性能

  付酮程^a， 闫少健^a， 田灿鑫^a， 杨兵^b， 黄志宏^a， 付德君^a

  中国表面工程. 2013, 26(1): 20-26.

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  以金属Cr和AlTi合金为靶材料，在沉积过程中引入SiH4气体，用自行设计的多靶阴极电弧离子镀系统在单晶硅和硬质合金衬底上沉积了CrAlTiN和CrAlTiSiN硬质涂层。通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析涂层的组织和形貌，结果表明：衬底偏压和反应气体流量对膜层的力学性能有较大影响，在优化条件下得到CrAlTiN涂层的硬度为29 GPa。且CrAlTiSiN涂层为CrSiN和AlTiSiN组成的纳米多层复合涂层，随着SiH4流量的增加，薄膜中的硅含量明显增加，在优化条件下，涂层的显微硬度达到37 GPa，摩擦因数为0.58。刀具涂层检测试验表明，涂覆CrAlTiN涂层的铣刀使用寿命可提高3倍，而CrAlTiSiN涂层较CrAlTiN 涂层还会进一步提高刀具使用寿命。
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  基体材料对TiN薄膜表面液滴及薄膜结合力的影响

  龚才^1,2， 代明江²， 陈明安¹， 韦春贝²， 侯惠君²

  中国表面工程. 2013, 26(1): 27-33.

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  采用真空阴极电弧离子镀技术分别在4Cr5MoSiV1(H13)模具钢、Cr18Ni9Ti(304)不锈钢、YG6硬质合金、Ti6Al4V(TC4)钛合金4种基体表面沉积TiN薄膜。利用扫描电镜(SEM)对薄膜表面液滴进行观察分析，通过划痕仪对薄膜的膜/基结合力进行表征。结果表明：基体材料不同，TiN薄膜上液滴的密度、尺寸存在明显的区别。其中，镀膜后H13钢和304不锈钢表面的液滴数量最多，YG6硬质合金次之，TC4钛合金最少；薄膜的膜/基结合强度依次为YG6硬质合金>H13钢>304不锈钢>TC4钛合金。
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  直流磁控溅射制备二氧化硅薄膜及其性能

  张剑， 陈文革

  中国表面工程. 2013, 26(1): 34-39.

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  采用直流反应磁控溅射法在单晶硅上制备二氧化硅薄膜。利用Ｘ射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）以及傅里叶交换红外光谱仪（FTIR）等研究制备过程中氧含量和溅射功率对薄膜的微结构、表面形貌以及红外吸收等性能的影响。结果表明，室温下溅射出的SiO₂薄膜是非晶结构的；随着氧含量的增加，折射率、沉积速率、粗糙度都逐渐减小；沉积速率和粗糙度随着溅射功率的增加而增加；当氧气含量为40%时，薄膜的折射率接近二氧化硅的折射率(1.46)。退火后薄膜的压电常数随氧含量的增加先增大再减小，介电常数随着频率的增大而减小。
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  磁控溅射沉积氧化铝薄膜的迟滞效应

  徐化冰¹， 徐香坤²

  中国表面工程. 2013, 26(1): 40-44.

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  利用光发射谱(OES)技术，对反应磁控溅射过程的氧化铝薄膜的迟滞效应进行了研究。对等离子体中的铝(396 nm)谱线和氧化铝(484 nm)谱线随氧气流量的变化进行了实时测量，获得了其迟滞曲线。在迟滞曲线的不同位置分别进行了氧化铝薄膜的沉积试验。采用X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）和紫外可见吸收光谱仪（UVVIS）对薄膜的晶体结构、成分和透光性进行了分析。结果表明：由于磁控靶表面的氧化铝沉积影响了铝靶材的溅射，导致Al(396 nm)谱线的强度对氧化铝薄膜的晶体结构、原子比以及样品的透光性有明显的影响。同时，由迟滞曲线可知在氧气流量为1.5~2.0 mL/min的过渡区内存在着一个最优沉积带。在这个沉积带获得的样品，其成分具有最佳的化学原子量配比，为0.689。这说明沉积出了高质量的氧化铝薄膜。
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  不同介电质层对弹性体表面形貌的调控作用

  王斌， 徐欢欢， 周振婷

  中国表面工程. 2013, 26(1): 45-50.

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  利用涂饰技术调控弹性体材料的表面形貌，有助于提高表面材料的稳定性及相关器件的运行性能，同时为微纳米尺寸的图形制备提供参考。通过物理气相沉积法在弹性体PDMS(聚二甲基硅氧烷)衬底表面分别沉积了SiO₂、MgF₂及ZnS三种介电质材料并对各形貌的形成进行了分析。结果表明，通过在PDMS衬底表面蒸镀不同的介电质材料，可以形成褶皱、龟裂及平坦的表面形貌；通过光刻及软光刻技术在衬底表面预制具有周期性的凹状图形，可以对褶皱、龟裂的方向进行调控，使褶皱、龟裂等形貌呈有序性分布；通过对比介电质材料在加热冷却过程中所受的应力与临界应力的大小，可以方便地选择合适的介电质材料来制备所需的弹性体表面形貌。
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  酸根离子对镨盐化学转化膜的组成及性能的影响

  李玲莉^a, 杨雨云^b, 崔秀芳^b, 金国^b, 赵刚^a

  中国表面工程. 2013, 26(1): 51-56.

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  为探究转化液主盐酸根在成膜过程中的重要作用，采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线光电子谱仪结合电化学测试对两种常见酸根对应镨盐在镁合金表面形成转化膜后的形貌、成分、元素化学状态以及耐腐蚀性能进行比较，并基于酸根离子在水溶液中的反应过程分析其对转化膜成分及性能的作用机制。结果表明，以PrCl₃作为主盐比以Pr(NO₃)₃作为主盐形成的化学转化膜更加致密；且前者受基体成分的影响较小，形成膜层的 Pr、O含量(质量分数)明显高于后者；前者的耐腐蚀性能优于后者。酸根离子对转化膜成分及性能的影响主要体现在镨盐电离后在转化液中形成的相应稀酸与基体合金的作用机制及其对转化膜形成过程的影响。
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  乙烯基酯树脂粘结固体润滑涂层的制备及摩擦学性能

  彭仁苹^1,2， 陈磊²， 冶银平²， 陈建敏^1,2

  中国表面工程. 2013, 26(1): 57-62.

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  以双酚A型环氧树脂E51和丙烯酸（AA）为原料合成了乙烯基酯树脂（VER），用红外光谱（FTIR）表征了不同反应时间反应体系中基团的变化情况。用过氧化苯甲酰（BPO）为催化剂， N, N二甲基苯胺（DMA）为促进剂实现了该树脂的室温固化，并制备了以该乙烯基酯树脂为粘结剂，聚四氟乙烯（PTFE）为固体润滑剂的粘结固体润滑涂层。在CSM栓盘摩擦试验机上考察了不同聚四氟乙烯添加量对涂层摩擦学性能的影响，分别采用扫描电子显微镜（SEM）和光学电子显微镜分析了润滑涂层和对偶钢球的磨损表面形貌。结果表明：以乙烯基酯树脂为粘结剂的聚四氟乙烯固体润滑涂层具有优异的减摩抗磨性能。
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  靶基距对脉冲激光沉积CN_x薄膜微结构和摩擦学性能的影响

  宋建强¹， 郑晓华¹， 杨芳儿¹， 陈乐生²， 郑晋翔¹， 沈涛¹

  中国表面工程. 2013, 26(1): 63-68.

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  用脉冲激光沉积法制备CN_x靶材在氮气中进行烧蚀，在不同靶基距下制备了CN_x薄膜。用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子谱（XPS）和 Raman光谱等对薄膜的表面形貌、化学成分以及元素化学状态进行了表征。用球盘式微型摩擦磨损试验仪测试了薄膜在大气中的摩擦学特性。结果表明：随着靶基距增大到45 mm时，CN_x薄膜中的含氮量(原子数分数)上升至23.9%，有利于sp³C-C键和N-sp³C键的形成。当靶基距从45 mm增大至51 mm时，薄膜的含氮量下降至15.5%，薄膜中sp³C-N键和N-sp³C键的相对原子数分数亦随之减少，薄膜中的sp²C-C键的相对原子数分数从45.2%增加至55.9%，磨损率从4.3×10¹⁵ m³ /Nm上升至3.1×10¹⁴ m³ /Nm。CN_x薄膜的平均摩擦因数随着靶基距的增大从0.25下降到0.18。
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  亚音速火焰喷涂HA/BG仿生生物涂层

  庄明辉， 李慕勤， 尹柯

  中国表面工程. 2013, 26(1): 69-73.

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  为提高HA涂层结合强度，避免涂层在使用过程中开裂及溶解脱落等问题，采用亚音速火焰喷涂方法及涂层晶化处理，以Ti6Al4V为基体，引入热膨胀系数与基体相近的Ti/G过渡层缓解应力，工作层以HA为主，辅以生物活性玻璃（BG），喷涂制备HA/BG仿生生物涂层。通过调整BG含量，观测涂层形貌、相组成及结构的变化，进而分析HA/BG仿生生物涂层作为骨组织替代材料的适用性。结果表明：亚音速火焰喷涂HA/BG仿生生物涂层具有典型的热喷涂涂层形貌特征，与基体结合较好，没有明显的开裂脱落现象，涂层经700 ℃晶化处理后析出纳米和微米级HA，可增加与宿主骨组织接触面积，加快其反应，增加生物活性。添加BG后，涂层中有新相Na₂Ca(PO₄)F析出；当改变BG含量后，可改变HA、Na₂Ca(PO₄)F晶相的含量，进而来调控涂层的溶解性和稳定性。
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  三维点式感应淬火电磁热耦合场数值模拟

  陈浩^a,c， 秦训鹏^b,c， 汪舟^b， 高恺^a

  中国表面工程. 2013, 26(1): 74-78.

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  针对45钢三维点式感应淬火工艺进行参数设计，建立点式感应淬火过程的电磁场及温度场的非线性偏微分方程组，在有限元软件ANSYS中使用耦合场分析的方法实现了对加热功率为36 kW,电流频率为50 kHz的感应热处理工艺的数值模拟。结果表明，在综合考虑表面组织完全奥氏体化及感应加热效率的情况下，该工艺的最佳加热时间约为2 s。通过模拟分别得到使用冷却水和冷却油作为冷却介质时的感应淬火过程中的温度变化规律，结合45钢的连续冷却转变曲线，以马氏体转变临界冷却速度为判断依据，对淬火后工件表面组织进行预测，结果表明两种淬火条件均可以实现表面组织马氏体转变，实现工件的表面强化，且淬硬深度均约为1.0 mm。
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  介质作用下轮轨增粘特性

  刘腾飞， 王文健， 郭火明， 刘启跃

  中国表面工程. 2013, 26(1): 79-85.

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  利用MMS-2A滚动摩擦磨损试验机研究了水、油和落叶介质作用下轮轨粘着特性，分析了介质工况下砂、氧化铝和研磨块对轮轨增粘效果的影响。结果表明，水、油和落叶介质会使轮轨粘着系数明显下降，相比干态，水、油和落叶介质工况下，轮轨粘着系数分别降低约53%、83%和86%；落叶与水混合物形成良好的润滑剂，此工况下粘着系数最小；3种介质工况下，撒砂、撒氧化铝颗粒和使用研磨块均能提高粘着系数；水和油介质工况下，氧化铝颗粒提高粘着系数最为明显，砂次之，研磨块最差；落叶介质工况下，由于落叶浆较厚，砂颗粒较大，能迅速穿透增大接触面积，故其最为明显，氧化铝次之，研磨块最差。
再制造工程
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  重型车辆发动机电镀Cr活塞环的摩擦学性能

  李奇^a， 王宪成^a， 蔡志海^b， 底月兰^b， 何星^a

  中国表面工程. 2013, 26(1): 91-97.

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  利用SRV试验机模拟重型车辆发动机电镀Cr活塞环/缸套摩擦副的工作状态，测试了不同条件下摩擦副的摩擦因数和磨损量。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析了磨痕形貌和表面化学成分，研究了电镀Cr活塞环的磨损机制。结果表明，随载荷的增加，摩擦副的摩擦因数减小，总失重量增加。随滑动频率的增加，摩擦副的摩擦因数减小，总失重量先减小后增加，滑动频率为20 Hz时，总失重量达到最小值。随温度的升高，摩擦副的摩擦因数增大，总失重量增加。活塞环和缸套的磨损机理以磨粒磨损为主，在高载荷，高频率或高温条件下，活塞环的磨损机理转变为磨粒磨损和黏着磨损。