2013年, 第26卷, 第2期　刊出日期：2013-02-19

  

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高离化磁控溅射技术与应用专辑
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  硅晶片金刚石线切割的表面特征及其力学性能

  （美）杨业元

  中国表面工程. 2013, 26(2): 1-5.

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  分析了金刚石线切割硅晶片的表面形貌和断裂性能，并在此基础上探讨金刚石线切割原理以及一些技术挑战。金刚石线切割具有表面粗糙度低，硅片厚度均匀等优点，但却存在断裂强度各项异性。与切割划痕垂直方向的力学性能很高，然而与划痕平行方向的力学性能较低，这种性能差异是由表面单方向裂纹引起的，其裂纹的产生又与切割机理密切有关。金刚石线切割属于二体磨料磨损，其切割方式通常为塑性划痕，加之有少量脆性剥落。由于切割线的柔性，以及金刚石磨粒大小、形态、及分布的差异，切割过程则会出现切割的不连续性和不稳定性，并由此引起一些较大的表面裂纹。此外，划痕沟槽局部还会出现非晶态结构。提高金刚石线切割性能应从切割线磨粒角度来考虑。
摩擦学
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  聚合物对微/纳米铝粉表面包覆改性的研究进展

  李鑫，赵凤起，樊学忠，姚二岗，安亭，仪建华，李猛

  中国表面工程. 2013, 26(2): 6-13.

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  介绍了聚合物对微/纳米铝粉表面改性的四种包覆机理，分析认为化学键作用机理、吸附层媒介作用机理相对于库仑静电引力作用机理、过饱和度机理具有作用力强、包覆性好的优点。分析并比较了聚合物包覆微/纳米铝粉常用的几种聚合方法的优缺点及适应性，为后续开展研究工作提供了有益的选择依据。综述了几种常用聚合物包覆微/纳米铝粉的研究进展，指出含能聚合物包覆微/纳米铝粉在固体推进剂中的应用具有广阔的前景。
表面工程
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  WC-Co-Cr涂层和0Cr13Ni5Mo基材的气体喷砂冲蚀行为

  李阳^1,2，刘阳¹，段德莉¹，李曙¹

  中国表面工程. 2013, 26(2): 14-20.

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  研究不同结构HVOF热喷WC-Co-Cr涂层和0Cr13Ni5Mo基材的冲蚀行为，重点分析高速粒子冲击下涂层孔洞和层状结构等缺陷在不同攻角下的作用，提出高攻角气体喷砂冲蚀模型，解释了WC-Co-Cr涂层和0Cr13Ni5Mo基材的冲蚀行为规律。结果表明：低攻角时，涂层与基材的损伤机制均以微切削去除为主，涂层还伴有少量剥落，WC-Co-Cr涂层的耐冲蚀性能一般优于基材，但高孔隙率涂层更易切削导致冲蚀率比基材高。随攻角增大，涂层冲蚀率呈上升趋势而基材冲蚀率下降。高攻角时，层状结构明显的涂层其裂纹更易在层间萌生和扩展导致片状剥落，高孔隙率反而有利于吸收冲击能量和抑制裂纹扩展；基材则出现严重塑性变形。在气体喷砂条件下，涂层的层状结构对法向冲击极为敏感，攻角高于45°后，WC-Co-Cr涂层的冲蚀率为基材的1.3～4.1倍。
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  TC4钛合金表面等离子喷涂Ni基WC涂层的组织及性能分析

  郭华锋^1,2，孙涛^1,2，李菊丽¹，杨海峰³

  中国表面工程. 2013, 26(2): 21-28.

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  采用等离子喷涂技术在TC4钛合金表面制备了Ni基WC耐磨涂层，利用扫描电镜、能谱仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验机、X射线应力仪等研究了涂层的微观组织、成分、硬度、磨损量、磨损机制及残余应力特性等。结果表明：涂层呈现典型的层状结构，与基体结合良好，面层孔隙率为4.7%。显微硬度由表及里呈梯度变化，在798~990 HV_0.3之间波动，同载荷下基体体积磨损量是涂层的8.9倍，基体磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损，涂层磨损机制以磨粒磨损为主。涂层表面无裂纹存在，分布着压应力状态的残余应力。
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  等离子喷涂氧化铝碳纤维复合涂层的结构及耐磨性能

  赵岩^1,2，吴志生¹，李华²

  中国表面工程. 2013, 26(2): 29-34.

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  采用机械球磨方法制备了短线碳纤维，并与氧化铝粉末充分混合，利用等离子喷涂工艺制备了碳纤维质量分数为4%的复合涂层。利用场发射扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射、拉伸试验、摩擦磨损试验等对复合涂层的结构和性能进行了表征和测试分析。结果表明，碳纤维在等离子喷涂过程中较好地保持了原有结构和形貌，主要存在于氧化铝扁平粒子界面，碳纤维的加入使氧化铝涂层与基体之间的结合强度增加了38%，复合涂层耐磨性能比纯氧化铝涂层提高了64%，摩擦因数降低了50%。涂层耐磨性能的改善主要归功于参与磨损的碳纤维本身优异的润滑性能及其对氧化铝扁平粒子界面的结合作用，该复合涂层在低载荷摩擦磨损环境中具有潜在的应用价值。
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  添加氧化镧的纳米Al₂O₃-13%TiO₂等离子喷涂涂层高速摩擦磨损性能

  王延彦^a，杜三明^a,b，肖宏滨^b，张永振^b

  中国表面工程. 2013, 26(2): 35-39.

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  以添加了少量氧化镧的团聚纳米Al₂O₃-13%TiO₂粉末为原料，利用等离子喷涂技术制备了纳米陶瓷涂层。在MMS-1G型高速摩擦磨损试验机进行了摩擦磨损试验，利用扫描电镜和能谱仪对磨损表面进行了表征。结果表明：涂层组织呈现出典型的层状结构特征，界面结合良好。在高速摩擦磨损试验中，随着载荷的增加，涂层摩擦因数下降,而涂层微裂纹扩展引起涂层剥落，导致磨损率升高。
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  基于数字图像处理的等离子喷涂NiCr-Cr₃C₂涂层纳米压痕有限元模拟

  张永昂，王引真，冯涛，郁振其，李春鹏

  中国表面工程. 2013, 26(2): 40-44.

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  以等离子喷涂NiCr-Cr₃C₂涂层为研究对象，应用数字图像处理技术提取涂层孔隙分布形态，生成了包含孔隙在内的涂层有限元模型，并模拟计算了涂层纳米压痕压入过程。通过阈值迭代法、小波变换法和边界图形几何矢量化，提取了涂层真实细观结构的几何矢量图，并根据该结构图计算涂层孔隙率为6.88%。以提取的涂层矢量结构图为有限元模型基础，模拟纳米压痕试验加载过程，其载荷位移曲线与试验曲线匹配性较好，表明该方法可将涂层微观结构和宏观力学性能结合起来。
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  纳米石墨改性ZM5镁合金微弧氧化陶瓷层摩擦磨损性能

  杨志成，吴向清，谢发勤，姚小飞

  中国表面工程. 2013, 26(2): 45-50.

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  添加纳米石墨颗粒的硅酸盐溶液中制备ZM5合金微弧氧化陶瓷层，利用SEM、EDS和XRD分析了涂层的微观形貌、成分及物相组成，用球盘干磨损试验对涂层的室温摩擦磨损行为进行研究。结果表明，纳米石墨改性微弧氧化陶瓷层主要由Mg₂SiO₄、少量的MgO、Mg和C相组成，石墨以机械形式分散于陶瓷层中并起到减摩作用。4.9 N载荷下体积磨损率为9.19×10^-5 mm³/Nm，是无石墨微弧氧化陶瓷层的1/3，ZM5基体的1/14；9.8 N载荷下体积磨损率为1.44×10^-4 mm³/Nm，是无石墨微弧氧化陶瓷层的2/5，ZM5基体的1/8，与无石墨微弧氧化陶瓷层相比显著提高了镁合金基体的耐磨性，且其室温干摩擦磨损机理为疲劳磨损，磨痕呈疲劳剥落形貌。
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  钢领表面电弧离子镀TiAlCN薄膜

  杨立军¹，张泽辉¹，党新安¹，李林²

  中国表面工程. 2013, 26(2): 51-55.

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  在低温（145 ℃）条件下，采用真空电弧离子镀技术在GCr15钢领表面制备TiAlCN薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）、X射线衍射仪（XRD）、附着力测试仪和显微硬度计分析测试薄膜形貌和性质。结果表明，负偏压较小，液滴尺寸大；负偏压过高，液滴脱落后留下很多凹坑，薄膜组织性能恶化。随着弧电流的增大，液滴发生细化。当弧电流为50 A、负偏压为-100 V和镀膜时间为50 min时，薄膜的均匀性和致密性好，薄膜表面的液滴分布均匀且尺寸小，液滴最大尺寸小于2 μm，膜层平均厚度为2.2 μm，膜层中有Fe_0.975Ti_0.025(110)、Ti₂N(112)和AlTi₃(CN)_0.6等多种物质的存在，改善了膜层的组织结构，薄膜的附着力达到最大值39.8 N，薄膜的硬度达到最大值1 776 HV_0.01，显著提高了钢领的表面硬度。
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  磁控溅射法制备TiN/TiO₂周期薄膜

  刘莹，胡云龙

  中国表面工程. 2013, 26(2): 56-60.

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  采用直流反应磁控溅射法在Si(111)衬底上制备了不同周期数的TiN/TiO₂周期薄膜。采用X射线衍射分析仪分析了薄膜的物相结构、原子力显微镜表征了薄膜的表面微观形貌，采用光催化降解甲基橙溶液来评价薄膜光催化性能。结果表明：所制备的TiN/TiO₂周期薄膜结晶良好，薄膜由TiO₂和TiN两种物相组成，TiO₂均属于锐钛矿型。薄膜表面均匀致密，随着周期数的增加，薄膜表面粗糙度增加，1周期薄膜表面粗糙度(Ra)为1.652 nm，5周期则为4.339 nm，1周期薄膜均方根粗糙度（Rms）为2.138 nm，5周期达5.738 nm。薄膜具有显著的光催化性能，随着周期数的增加，TiN/TiO₂薄膜的光催化性能逐渐增强，5周期薄膜对甲基橙溶液的降解率达到74%。结晶良好、表面均匀致密的具有光催化性能的TiN/TiO₂周期薄膜的制备，为高质量TiN/TiO₂周期薄膜的制备提供了参考。
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  直流磁控溅射法在玻璃基片上制备TiN薄膜

  王有欣¹，毛明旭¹，王英才¹，单玉桥²

  中国表面工程. 2013, 26(2): 61-65.

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  采用直流反应磁控溅射法在玻璃片上制备了TiN薄膜，研究不同制备工艺条件与薄膜性能之间的关系。用紫外可见光分光光度计测试了不同沉积时间和N2流量条件下TiN薄膜透光率；用X射线衍射仪分析了不同N2流量和溅射功率条件下TiN薄膜结构；用扫描电镜（SEM）观察了TiN薄膜的表面腐蚀形貌，用恒电位仪对TiN薄膜的耐腐蚀性进行了分析。结果表明：当沉积时间为2 min，N₂流量为15 mL/min时，在可见光区有较高的透光率，在近红外区的透光率很低；当N2流量为15 mL/min，溅射功率为4 kW时，TiN薄膜的结晶最致密；当溅射功率为4 kW时，TiN薄膜具有较好的耐腐蚀性。
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  氟含量对类金刚石薄膜结构及摩擦学性能的影响

  魏利，张斌，曹忠跃，张俊彦

  中国表面工程. 2013, 26(2): 66-71.

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  采用直流等离子体沉积的方法制备了具有不同氟含量的类金刚石薄膜。并利用多功能X射线光电子能谱仪（XPS）、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、应力测试仪和摩擦磨损试验机等手段分析和研究了含氟类金刚石薄膜的结构、力学性能以及摩擦学性能，并利用场发射扫描电镜（SEM）观察了薄膜断面形貌。结果表明：所制备薄膜的力学性能和摩擦学性能均受到薄膜中氟含量的影响，当F含量（原子数分数）为5.92% 时，薄膜显示了优异的力学性能及摩擦学性能，硬度值高达21 GPa，压应力低至0.75 GPa，摩擦因数为0.013，磨损率为9×10^-19 m³/(N·m)。
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  热障涂层隔热性能测试方法分析

  陈东，褚作明，张强，郑慧超

  中国表面工程. 2013, 26(2): 72-75.

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  分别利用4种不同的隔热性能测试方法，对氧乙炔火焰喷涂工艺制备的ZrO₂陶瓷热障涂层的隔热性能进行了测试，通过红外测温仪和热电偶连接温度记录仪两种不同方式，测试试样金属基体温度，获得4组不同涂层厚度试样金属基体的温度变化曲线，并结合陶瓷涂层的服役工况对测试结果进行了分析，结果表明，测试方法不同，隔热性能测试所得数据也有所差异，但这4种测试方法均可不同程度的反映热障涂层的隔热效果及变化趋势，在接近实际服役工况条件下，可定性评估涂层隔热性能。
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  表面陶瓷层厚度对Sm₂Zr₂O₇/8YSZ热障涂层热冲击性能的影响

  张红松¹，时蕾²

  中国表面工程. 2013, 26(2): 76-81.

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  稀土锆酸盐与8YSZ所组成的双陶瓷层涂层是目前热障涂层领域研究的热点，而陶瓷层厚度对其热冲击性能有着显著影响。采用有限元软件ANSYS研究了表层厚度对Sm₂Zr₂O₇/8YSZ热障涂层淬冲击热应力的影响，并与单一Sm₂Zr₂O₇涂层进行了比较。结果表明，在Sm₂Zr₂O₇/8YSZ涂层的表面处具有最大的径向热冲击应力，最大轴向应力则存在于陶瓷层/金属粘结层界面处，涂层各处剪应力基本相当。涂层表面及两陶瓷层界面处的径向热应力随表层厚度的增加而减小，陶瓷层/粘结层界面处径向应力则随表层厚度增加而增大。每个界面处的轴向应力随表层厚度增加而降低，而剪应力绝对值则随表层厚度增加而增大。与单一Sm₂Zr₂O₇涂层相比，Sm₂Zr₂O₇/8YSZ涂层的热应力明显偏小，说明增加涂层的层数有利益改善涂层的抗热冲击性能。
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  液相脉冲放电制备Ti(C,N)多元陶瓷涂层

  李国亮，肖厚群，揭晓华，张艳梅

  中国表面工程. 2013, 26(2): 82-86.

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  TiN类涂层目前主要采用物理气相沉积方法进行制备，本文提出了一种TiN类涂层的低成本制备方法，该方法将Ti块体材料作为工具电极置入乙醇胺液相介质中，通过液相脉冲放电涂层技术在45钢表面制备出Ti(C,N)陶瓷多元涂层。对涂层组织形貌、物相结构等进行了分析。结果表明，所制备的陶瓷涂层厚度约为20 μm，主要物相为Ti(C_0.3,N_0.7)；涂层表面显微硬度可达1 780 HV以上，涂层表面有不规则的放射状突起边缘。透射电镜分析结果表明，涂层晶粒尺寸均匀细小，选区花样谱图揭示了涂层等轴晶粒具有晶体学上的随机取向，晶体结构为面心立方。
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  空心微珠改性无机硅酸锌涂层的防护性能

  杨恬¹，陈华辉¹，陈平²

  中国表面工程. 2013, 26(2): 87-91.

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  用粉煤灰中提取的空心微珠对无机硅酸锌涂层进行改性，通过电化学测试和盐雾试验对比研究无机硅酸锌涂层改性前后的耐腐蚀性能，并利用扫描电镜观察涂层的微观结构。结果表明：经预处理后的空心微珠改善了涂层的耐腐蚀性能，空心微珠的加入显著提高了涂层的致密度。此外，在腐蚀过程中生成的腐蚀产物与涂层微孔结构结合良好，有效提高了腐蚀介质向涂层内部渗透的阻力，对基体起到了良好的保护作用。
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  超低载荷下亚微米聚苯乙烯球阵列摩擦性能的表面形貌依存性

  曲姣^a，葛世荣^a,b

  中国表面工程. 2013, 26(2): 92-96.

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  将尺寸均匀的亚微米聚苯乙烯球（Φ 750 nm）自组装排列于硅基板表面，形成具有不同表面形貌特征的单层阵列薄膜。研究发现基板表面的微球在载荷作用下可发生滚动，实现滑动摩擦向滚动摩擦的转变，从而明显减小摩擦力，且聚苯乙烯球自身的弹性变形也是摩擦力减小的重要因素。3种典型样品即密排球阵列、非密排球阵列和硅基板的摩擦性能呈现明显的表面形貌依存性。其中非密排球阵列呈现最佳摩擦性能，在1 200 μN载荷下，非密排球阵列的摩擦因数为0.056，分别是密排球阵列和硅基板摩擦因数的73% 和63%。
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  奥氏体不锈钢低温气体渗碳的组织性能

  李朋，潘邻，张良界，杨闽红，朱云峰，马飞

  中国表面工程. 2013, 26(2): 97-101.

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  低温盐浴渗碳、等离子渗碳等低温渗碳工艺在提高奥氏体不锈钢表面强度的同时，会降低其耐蚀性能。为克服上述缺陷，开发了一种高效兼顾表面强度与耐蚀性能的表面强化工艺的低温气体渗碳技术。采用该工艺对304、316奥氏体不锈钢进行渗碳处理，并对得到的奥氏体不锈钢低温渗碳组织性能进行分析。结果表明，随着温度升高，试样表面强度提高，而腐蚀性能下降。470℃是兼顾强化与耐蚀性能的低温气体渗碳工艺参数。
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  整体加筋壁板轴压强度设计方法

  闫亚斌¹，陈群志²，王建邦¹，李超¹

  中国表面工程. 2013, 26(2): 102-106.

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  基于JohnsonEuler公式建立了中长柱整体加筋壁板压缩强度工程计算方法，经过7050铝合金整体加筋壁板的轴向压缩试验验证是合理的，压缩失稳载荷计算误差满足设计要求。在整体加筋壁板总面积相同的条件下，压缩失稳载荷随蒙皮与长桁的面积比λ增加呈现出先增加后降低的变化规律，据此通过调整λ可获得整体加筋壁板较佳的设计方案。
再制造工程
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  工程机械液压阀再制造及其效益分析

  黄伟¹， 杨军¹， 洪旗²， 江代祥²， 许桂伟²， 吴慧¹

  中国表面工程. 2013, 26(2): 107-111.

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  液压阀是控制工程机械行动与工作的关键元件。由于工程机械结构复杂、工作条件恶劣、工作环境和工作介质多变，每年发生故障失效的液压阀数量巨大。这些失效的液压阀往往被当作废品进行回炉再利用，其中的附加值绝大部分被浪费掉，同时消耗大量资源。再制造产业的日益成熟可以有效的解决这一问题。通过回收大量失效的液压阀，利用专业化的处理方式对其进行批量化修复、性能升级，使得失效的液压阀恢复原有的性能。文章对工程机械液压阀的失效模式以及再制造工艺流程进行了介绍，并对再制造液压阀的经济效益、资源效益和环境效益三方面进行深入分析。结果表明，工程机械再制造液压阀不仅可以恢复原产品的质量和性能，缩短生产周期，并且能够节约成本55%，节能85%，节材90%。