2014年, 第27卷, 第2期　刊出日期：2014-02-19

  

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摩擦学
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  再制造设计的创新理论与方法

  姚巨坤， 朱胜， 时小军， 王晓明

  中国表面工程. 2014, 27(2): 1-5.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.001

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  再制造设计是提升再制造效益的重要方法途径，是对产品设计和工程设计的创新补充，属于新兴的设计内容。以再制造设计概念与特征分析为基础，提出了面向再制造创新设计的产品梯度寿命设计理论、再制造性设计与评价理论、产品再制造工程设计理论，研究分析了面向再制造的产品材料设计、产品结构设计、再制造产品生产设计等再制造设计的新内容，为再制造设计的理论研究和方法应用提供了借鉴。
表面工程
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  送粉位置对等离子喷涂YSZ粒子熔化状态的影响

  王秋童， 冉健， 乔新义， 汪瑞军

  中国表面工程. 2014, 27(2): 6-12.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.002

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  研究了等离子喷枪采用3个送粉位置时距离喷嘴90 mm处YSZ粒子的熔化状态（包括粒子温度及速度、粒子粒度分布、粒子撞击基体后的扁平形貌），其中送粉位置1和2为枪外送粉，送粉孔轴线距离喷嘴端面分别为9 mm和3.5 mm，送粉位置3为枪内送粉，送粉孔轴线距离喷嘴端面5 mm。结果表明，送粉位置沿等离子射流逆流方向移动时（分别对应送粉位置1、2和3），粒子熔化效果明显增强，粒子扁平化程度提高；涂层中未熔颗粒和孔隙百分比由33.25%减小至10.13%，涂层结合强度由16.25 MPa增加至37.25 MPa，涂层表面剥落20%时经历的热震次数由35次增加至130次；采用送粉位置3时，喷涂功率33.60 kW，低于其他送粉位置的电弧功率（46.75 kW），实现了低功率制备高性能YSZ涂层。
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  等离子喷枪的注气方式对电弧不稳定性的影响

  曹萍丽， 郑允宅， 郑振环， 李强

  中国表面工程. 2014, 27(2): 13-18.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.003

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  基于局域热力学平衡假设，建立三维非稳态的磁流体动力学模型，在给定气流量和工作电流的条件下，采用数值模拟方法研究不同注气方式对直流非转移弧等离子喷枪内ArH2等离子电弧的波动行为和等离子特性的影响。结果表明，与直流进气相比较，采用旋转方式进气时，喷枪内等离子体流的流线呈现出明显的螺旋状分布，电弧波动信号呈现出更高的平均电压和较高波动频率,电弧附着随时间变化呈现出圆周运动现象；喷枪内等离子体的最大温度出现在阴极尖端附近,采用旋转方式注气时等离子平均最大温度较低，而等离子体的速度沿中心轴方向呈现出先增加后减小的趋势。喷枪出口处等离子体的温度与速度同样显示出波动分布，两种进气方式得到的温度分布基本相似，采用旋转方式注气时等离子平均最大速度分布相对较高。
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  回转体零件热喷涂涂层的结合强度

  张甲英， 赵刚， 丁华东， 孙椰望， 杨军伟

  中国表面工程. 2014, 27(2): 19-23.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.004

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  回转体失效零件利用热喷涂技术修复之后需要对其涂层抗拉结合强度进行测量。参考平面热喷涂涂层结合强度测量方法，提出了一种回转体零件涂层抗拉结合强度测量方法，并对该方法进行了理论分析，给出了具体操作要点和步骤。分析了回转体零件涂层结合强度与平面涂层结合强度测量结果之间产生差异的原因，并进行了试验验证。实际测量了相同工艺下基体半径为40 mm的FeAlCrBSiNb回转体涂层和平面涂层的结合强度，测量结果分别为48.3 MPa和51 MPa，两者相差5.3%。结果表明，在试样基体半径尽可能大或涂层实际面积与投影面积相差尽可能小的条件下，利用该方法可以测得较为准确的回转体零件涂层结合强度。
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  不同族金属离子注入对Cr4Mo4V摩擦磨损性能的影响

  金杰， 陈蕴博， 高克玮

  中国表面工程. 2014, 27(2): 24-30.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.005

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  利用直线式离子注入机对抛光后的Cr4Mo4V轴承材料进行变能量的金属元素（Ti、Zr、Cr、Mo、Ta）注入，通过摩擦磨损测试机测试注入前后Cr4Mo4V的耐磨损性能，利用纳米压痕硬度仪、俄歇电子能谱（AES）和X射线光电子能谱（XPS）等检测表征手段，研究不同金属元素注入对Cr4Mo4V耐磨损性能的影响机制。结果表明：以测试条件下维持低摩擦因数0.2~0.3的运行时间看，Ti注入样品耐摩擦磨损性能提升约14倍，Zr注入试样的耐摩擦磨损性能提升超过20倍，ⅣB族Ti、Zr两种元素注入的Cr4Mo4V表现出较高的抗摩擦磨损性能；注入Zr对基材纳米硬度提升20%左右，而具有最佳的抗摩擦磨损性能；不同于其它的注入金属元素，Ti、Zr注入元素在基材内的浓度—深度分布中伴随出现了C、O的浓度峰分布，且Zr注入样品中C浓度峰最强、分布深度最广。
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  Cr离子注入镍钛合金的表面组织结构

  刘峰斌， 李慧萍， 崔岩， 赵全亮， 刘波， 景宝

  中国表面工程. 2014, 27(2): 31-37.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.006

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  针对镍钛合金(NiTi)进行3种不同浓度Cr离子注入，采用扫描电子显微镜、三维白光形貌干涉仪、小角度掠射X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪分析了离子注入前后镍钛合金表面形貌、粗糙度、组织结构及化合态。结果表明，随着注入Cr离子浓度的增大，镍钛合金表面更加平整，粗糙度变小。所有注入试样表面形成了近60 nm厚的注入膜层，主要成分为三氧化二铬和铬碳化合物，并且随Cr离子注入剂量的增加，三氧化二铬和铬碳化合物的含量增加。
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  海洋工程用结构铝合金无铬化学转化膜耐腐蚀及涂装配套性能

  刘斌

  中国表面工程. 2014, 27(2): 38-45.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.007

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  为改善服役于海洋环境下的结构铝合金的耐腐蚀性及其与底漆的配套性能，在两种典型海洋工程用结构铝合金（5083H116和6061T6）基体上制备了一种无铬钛/锆基化学转化膜——Alumnanoceramic coating。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对膜层形貌及组成进行了表征，通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱研究了膜层的电化学性能，利用中性盐雾试验及胶带剥离试验分别对膜层耐蚀性及其与环氧厚浆底漆的配套性进行了考察。结果表明：5083和6061铝合金Alumnanoceramic无铬化学转化膜中性盐雾试验白锈面积达到5%所需时间分别为240 h和168 h；5083铝合金Alumnanoceramic膜层比后者显示出更好的与环氧厚浆底漆的配套性能。
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  Q235钢基体表面微晶玻璃功能梯度涂层接触应力的数值模拟

  龚伟， 周黎明， 王恩泽， 白朝中， 韩腾

  中国表面工程. 2014, 27(2): 46-51.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.008

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  接触应力状态是涂层材料表层破坏、整体分层剥落的重要影响因素。运用有限元软件ANSYS对Q235钢基体表面TiN/LZAS微晶玻璃梯度涂层在法向静载下的接触应力进行了分析，建立了该复合涂层的有限元分析模型，通过比较有限元数值解和Hertz理论解，验证了有限元模型的可靠性，探讨了不同层数和层厚对涂层体系接触应力分布的影响。结果表明： 涂层的径向接触应力和Mises应力的最大值均位于接触区域中心处，最大剪切应力位于接触中心附近；涂层层数和厚度对涂层表面径向应力、界面剪切应力和整体Mises应力均有明显影响。模拟分析的结果可以为该复合材料的设计和制备提供一定的理论依据。
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  尾吹保护对激光熔覆Stellite 6合金涂层组织和力学性能的影响

  王东， 李铸国， 王晓娟， 杨仁杰， 乔尚飞， 刘霞

  中国表面工程. 2014, 27(2): 52-56.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.009

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  为解决激光熔覆Stellite 6涂层的裂纹与气孔问题，利用尾吹保护的特殊工艺，以半导体激光器为光源，氩气为保护气，同轴送粉的方式熔覆制备了合金涂层复合材料。并利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度计分别对尾吹保护工艺下激光熔覆Stellite 6合金涂层的成型性、显微组织和硬度进行测试分析。结果表明：在15 L/min的尾吹气保护下，熔覆所得合金涂层成型良好；熔覆过程中的气孔、热裂纹的缺陷得到抑制；层间、结合处涂层的微观组织得到了细化，晶体生长形态由树枝晶转变为等轴晶；多层多道涂层间的硬度分布均匀；晶粒生长方向发生改变，熔覆层组织与β相Co基本保持一致。由此证明，引入尾吹保护工艺能够改善激光熔覆Stellite 6合金涂层的组织性能。
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  含WC镍基药芯焊丝MIG堆焊层的组织与性能

  田丽纷， 贺定勇， 周正， 刘飞， 蒋建敏， 王智慧

  中国表面工程. 2014, 27(2): 57-62.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.010

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  用MIG堆焊的方法，在Q235上制备WC颗粒增强镍基耐磨堆焊层，利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等方法对堆焊合金的显微组织进行了观察分析，对堆焊层的硬度和耐磨性进行了测试分析。结果表明：堆焊层的基体组织为Ni基固溶体，其上分布着Ni3B、Ni3Si等硬质相，这些硬质相与未熔WC颗粒构成了耐磨相，起到减磨耐磨的作用，镍基基体起到支撑作用，使得堆焊层具有良好的耐磨性。WC含量一定时，随着热输入的增大，WC颗粒的溶解使得堆焊层的硬度从45 HRC降低至35.6 HRC；随着WC含量的增加，堆焊层中WC硬质相的体积分数增多，使其抗磨粒磨损性能较NiBSi基体从7.83倍提高至8.7倍。
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  高强钢大直径内螺纹超声滚压强化技术

  李瑞锋， 张德远， 程明龙

  中国表面工程. 2014, 27(2): 63-68.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.011

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  为改善高强钢内螺纹的表面质量，提升螺纹的疲劳寿命和可靠性能，将超声滚压强化技术应用于高强钢大直径内螺纹。采用光学显微镜、显微硬度仪、应力测试仪和疲劳试验机等仪器对滚压前后的螺纹试件表面的显微形貌、粗糙度、硬度、残余应力和疲劳寿命等进行分析。结果表明：超声滚压后螺纹表面残留的加工痕迹可基本消除，牙底表面粗糙度较未滚压降低约50%，较普通滚压降低约30%；超声滚压后表面硬度较未滚压提升17%，而较普通滚压提升约14%；超声滚压后表面残余压应力较未滚压提升60%，而较普通滚压提升约50%。超声滚压后工件疲劳寿命可达到未强化工件疲劳寿命的5倍以上。综上所述，超声滚压强化对于高强钢大直径内螺纹表面质量具有良好的提升效果。
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  表面完整性对C250型超高强度钢高周疲劳性能的影响

  王欣， 滕佰秋， 曾惠元， 江志华， 汤智慧

  中国表面工程. 2014, 27(2): 69-74.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.012

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  利用圆磨、一次喷丸和二次喷丸3种不同的加工方法，在C250型超高强度钢（C250钢）上引入不同的表面完整性状态。研究了不同表面完整性状态下C250钢试样的表面形貌、表面粗糙度和表面残余应力等表面完整性参数并分析了其在室温下的光滑（应力集中系数，Kt=1）旋转弯曲疲劳SN曲线和缺口（Kt=1.7）旋转弯曲疲劳SN曲线。结果表明：由于表面完整性状态的优化，相比圆磨状态，一次喷丸后C250钢光滑试样和缺口试样的疲劳极限分别提高15.4%和18.1%，二次喷丸后分别提高26.2%和20.1%，在C250钢疲劳性能方面二次喷丸增益更大。然而，二次喷丸后C250钢的缺口敏感性较一次喷丸有所增大，原因是二次喷丸带来的表面平滑化和最大残余压应力外移效果对光滑试样疲劳性能影响明显，但对缺口试样影响相对较小。
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  铝合金超声喷丸残余应力场

  郭超亚， 鲁世红

  中国表面工程. 2014, 27(2): 75-80.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.013

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  为定量探索喷丸工艺参数对超声喷丸后材料表层残余应力场分布和硬化程度的影响规律，采用X射线衍射法研究了撞针式超声喷丸后7055T7751铝合金表层残余应力和半高宽的分布情况。结果表明：超声喷丸残余应力场分布深度（Zo）、最大残余压应力值(σmrs)及其深度(Zm)在一定范围内随冲击振幅(f)和撞针直径(d)的增加而增大。最佳工艺参数有两组，分别为2 mm直径撞针和80%冲击振幅、3 mm直径撞针和70%冲击振幅，两者使最大残余压应力分布深度提高1.31倍以上，且使材料冷作硬化层深度提高0.7 mm以上，并分别将最大残余压应力值提高到喷丸前的6.8倍和8.14倍。分析认为，超声喷丸对优化材料表面残余压应力场方面效果显著，适当强度的超声喷丸能够有效提高材料疲劳极限、表面冷作硬化程度。
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  工业纯铁电极材料表面渗钼的工艺

  吴炜钦， 高原， 张焱， 王成磊

  中国表面工程. 2014, 27(2): 81-87.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.014

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  利用双辉等离子渗金属技术，在工业纯铁电极材料表面进行正交渗钼试验，用极差分析方法研究了极间距、温度、时间、源极电压和气压对合金渗层厚度的影响，并对渗钼的工艺参数进行优化。采用光学显微镜、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度仪、扫描电镜（SEM）和能谱仪观察合金渗层的金相组织及厚度，测定合金渗层的物相组成和渗层硬度，检测合金渗层的形貌、元素分布。结果表明：渗钼工艺优化参数为源极电压800～850 V，保温温度1 020 ℃，保温时间4 h，工作气压35 Pa，极间距20 mm，可获得满足试验要求的80 μm的合金渗层；合金渗层组织为柱状晶，Mo元素在合金渗层中呈梯度分布，合金渗层的物相为Fe（Mo）固溶体和Mo相，合金渗层的硬度呈下降趋势，渗钼后试样的表面硬度为248.5 HV0.05。
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  9310渗碳钢强流脉冲电子束表面钛合金化处理的结构与性能

  吴春雷， 罗甸， 马廷涛， 马欣新， 孙志国

  中国表面工程. 2014, 27(2): 88-94.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.015

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  为进一步提高SAE9310钢表面渗碳层的耐磨性和耐蚀性，采用强流脉冲电子束(HCPEB)技术在不同的能量密度下对SAE9310渗碳钢进行表面钛合金化处理。并通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验及电化学试验等研究了钛合金化试样的表面及截面形貌、相组成及性能等。结果表明：强流脉冲电子束辐照后钛以合金元素形式固溶于基体中，重熔层奥氏体含量增加。钛合金化层腐蚀电位由未处理时的-0.577 V提高至-0.539 V，自腐蚀电流密度降至2×107 A/cm2，较未处理试样低1个数量级。合金化处理后样品表面显微硬度与原始样品接近，硬度约为780 HV0.25，但干摩擦因数由0.8降至0.15，磨损率降低接近3倍。电子束表面钛合金化处理可以提高9310钢渗碳层的耐磨性和耐蚀性。
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  乙醇对低磨料CMP过程中铜膜凹凸处去除速率选择性的影响

  李炎， 刘玉岭， 卜小峰， 王傲尘

  中国表面工程. 2014, 27(2): 95-101.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.016

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  根据相似相容原理，在低磨料浓度CMP过程中，利用乙醇对多羟多胺螯合剂的降黏特性来提高铜膜表面凹凸处抛光速率的选择性。根据抛光液中各组分浓度对动态和静态条件下铜膜去除速率的影响获得乙醇加入量的最大值；通过螯合剂、氧化剂与乙醇对动静态条件下铜膜去除速率的相互作用关系来确定各组分的最佳浓度。最终得出当各组的体积分数为: 磨料0.5%，螯合剂10%，H2O2 0.5%，乙醇1%时，铜膜表面拥有最大的凸处和凹处速率比。在MIT 854铜布线片上进行平坦化试验，结果表明： 该抛光液能够很大程度的减小布线表面的高低差，拥有较强的平坦化能力。红外光谱检测结果表明：在CMP过程中，铜膜表面不会生成副产物乙酸乙酯。上述结果进一步证实了该抛光液的实用性。
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  牙种植体表面喷砂酸蚀工艺的优化

  庞骏德， 王杨， 蔺增

  中国表面工程. 2014, 27(2): 102-109.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.017

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  对钛表面喷砂酸蚀工艺进行优化研究，以用于牙种植体表面改性。采用喷砂酸蚀法对钛片表面进行粗化处理，以粗化的钛片表面中0.5~2 μm孔洞所占比例和表面平均接触角作为正交试验的参考指标，对喷砂酸蚀工艺进行优化。在试验范围内，表面处理的最优参数为：喷砂材料TiO2，酸蚀温度100 ℃，酸蚀时间20 min，混酸 60%H2SO4、10%HCl和去离子水的体积比1∶1∶2。将得到的最优参数应用于钛片和牙种植体，利用扫描电镜、接触角测量仪及能谱仪对其形貌、接触角、成骨细胞粘附及成分进行分析。结果表明：优化工艺处理后，钛片表面平均接触角达67°，且均匀性较好，利于细胞吸附生长；钛片和牙种植体表面都获得了均匀的微米级孔洞结构，但种植体螺纹不同部分的表面形貌不一样。
再制造工程
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  机车内燃机涡轮增压器涡轮盘的激光修复

  陈江， 朴新欣， 张静波， 董志宏

  中国表面工程. 2014, 27(2): 110-114.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.018

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  某机车内燃机涡轮增压器运行时发生故障，其涡轮盘（材质为GH2036合金）明显磨损，提出采用激光熔覆技术进行修复。为验证激光修复的可行性，采用横流连续波CO2激光器在GH2036合金基材表面熔覆厚约1 mm的Ni基合金，并对原始合金及激光熔覆后合金在室温及模拟涡轮盘服役温度（650 ℃）条件下的力学性能进行对比测试。激光熔覆后合金的室温冲击韧性从31.5 J/cm2提高到48.1 J/cm2。冲击韧性的提高使得熔覆后合金在260 MPa时的室温疲劳寿命由3.28×105周次增加到4.91×105周次。650 ℃条件下，激光熔覆对合金的拉伸性能影响不大。激光熔覆后合金的持久寿命略有降低，如320 MPa条件下由68.6 h降低到60.5 h，350 MPa条件下由21.2 h降低到20.5 h。总之，激光熔覆技术对GH2036合金的综合力学性能影响较小，可用于涡轮盘的修复。
中国学者海外论文摘要
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  协同沉积制备图案化疏水金属薄膜取得重要进展

  于全耀

  中国表面工程. 2014, 27(2): 115-115.
  https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.02.019

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