中国表面工程

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何家文

中国表面工程. 2014, 27(5): 1-13.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.001

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回顾了20世纪70年代表面形变的研究成果，并和21世纪表面形变纳米化作比较。结构方面，上世纪所提的位错胞可以在电镜下直接观察到，而且由动态回复试验得到旁证。21世纪表面纳米化的晶粒碎化，小角晶界变成大角晶界则未见直接的实验结果，也无充分理论依据。此外，20世纪注重定量分析的结构参数是位错胞间错角，21世纪表面纳米化则强调细化的尺度，用谢乐公式计算出晶粒大小及其分布。但位错胞不是晶粒，不能简单套用谢乐公式，文中详述了其理论依据。性能方面，形变强化以牺牲塑性为代价。20世纪将磨损和切削形成的纳米尺度白亮层视作损伤，21世纪的表面纳米化不是用性能优化作导向，而是以纳米化为目标，也即趋向白亮层的损伤程度，显然有悖材料学常理。工程应用方面，20世纪喷丸参数选择已有定量的规范和标准。21世纪为达到纳米化，喷丸必须超高强度，导致塑性大幅下降，粗糙度急剧提高，旋转弯曲疲劳试验表明，过喷使疲劳强度明显下降。即使对抗磨而言，强变形也只是在有限条件下起作用。至于形变后易于氮化的说法，上世纪初就发现在含氮环境中的磨损件易生成氮化物。实践表明，并非一个利于扩散的因素就可以认定工艺全过程具有可行性。强喷丸缺陷易于在氮化中扩大而萌生裂纹，应用效果存疑。

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绿色海洋防污材料的表面构筑研究进展

赵文杰¹，陈子飞¹,²，莫梦婷¹,²，曾志翔¹，乌学东¹，薛群基¹

中国表面工程. 2014, 27(5): 14-31.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.002

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海洋生物污损已成为影响船只与装备在海洋环境中服役性能的全球性问题。因此，发展高效、广谱、环境友好的防污材料势在必行。借鉴海洋生物表皮具有的天然防污特性，人们通过对材料的表界面组分、形貌设计，获得了一系列环境友好型防污材料。文中系统归纳和评述了低表面能材料、表面亲水性材料、表面织构化材料和表面植绒材料等依靠表面物化性能调控来获得具有优异防污表现的绿色防污材料的研究进展，最后指出当前绿色防污材料存在的问题及未来的发展方向。

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复合离子束制备氮化物多层膜的抗冲蚀性能

金杰¹，王丽叶¹，黄晓林¹，孟祥宇¹，陈蕴博²，高克玮³

中国表面工程. 2014, 27(5): 32-38.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.003

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为了在TC4钛合金上获得抗冲蚀性能优良的膜层，利用金属蒸发真空多弧（Metal evaporation vacuum arc，MEVVA）离子源和阴极真空磁过滤弧复合离子束沉积技术在TC4钛合金基材表面制备Cr/CrN、Ti/TiN、CrTi/CrTiN、TiAl/TiAlN 4种体系的多层膜。采用努普显微硬度计、划痕仪、微粒喷浆冲蚀试验机、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、体式显微镜等仪器对不同体系膜层的力学性能及形貌进行测试表征，对比研究各膜层体系抗冲蚀性能的机理。结果表明：该技术制备的膜层致密、交替层结构明显；不同膜层体系的抗冲蚀性能差异较大，尤以二元金属及其氮化物交替复合多层膜具有较好的抗冲蚀性能，其中CrTi/CrTiN体系的膜层抗冲蚀性能相比基体提高10.1倍以上，其次为TiAl/TiAlN、Ti/TiN、Cr/CrN，分别提高6.1倍、4.1倍和2.3倍。

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丁二酰亚胺体系银的电沉积过程

朱雅平，王为

中国表面工程. 2014, 27(5): 39-44.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.004

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采用循环伏安法（CV）测试，结合量子化学计算和扫描电子显微镜(SEM)分析，研究了配位剂丁二酰亚胺对银电沉积过程的影响。结果表明： Ag+与丁二酰亚胺配位后，还原电位负移。不同丁二酰亚胺浓度和pH值条件下，丁二酰亚胺与Ag 形成的配合物形式以及配合物稳定性均不同。随着丁二酰亚胺浓度增大以及pH值升高，形成的配合物也更稳定。当pH为10时，丁二酰亚胺与Ag 能够形成稳定的配合物［Ag(C4H4NO2)2］-、［Ag(C4H4NO2)3］2-和［Ag2(C4H4NO2)4］2-。在适宜的电位范围内能够制备出结构致密、表面平整的银镀层。

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高铼酸锌宽温度混杂润滑行为探索

王俊海，刘阳，段德莉，李曙

中国表面工程. 2014, 27(5): 45-51.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.005

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采用水溶液法制备了高铼酸锌粉末，并通过表面活性剂将一定质量分数的高铼酸锌分散到聚α烯烃基础油中。利用MMW10四球试验机和UMT2M摩擦试验机分别测试了高铼酸锌作为油品添加剂的极压性能和宽温域的减摩性能。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等分析了高铼酸锌物相、磨痕形貌及磨痕表面元素价态。四球试验结果表明：经含质量分数0.5%高铼酸锌添加剂油品润滑的摩擦因数以及磨斑直径较纯基础油分别降低了13.3% 和16.8%，高铼酸锌可以提高油品的润滑性能。宽温度摩擦试验表明：随着温度上升，含有高铼酸锌添加剂油品润滑的摩擦副摩擦因数较纯基础油润滑的摩擦因数均有不同程度的降低。这主要是因为高铼酸锌固有的质软属性，以及在高温段发生晶形转变，在摩擦表面与基体自生的氧化物共同形成了减摩层，降低了摩擦因数。

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油/水双相流体中碳钢表面水润湿率对其纯磨损行为的影响

胡紫阳，段德莉，李曙

中国表面工程. 2014, 27(5): 52-58.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.006

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为更好的研究碳钢在油/水双相流体中的腐蚀磨损问题，解决抽油杆/管之间的腐蚀磨损问题。利用自制的金属表面水润湿测定装置测定了油/水流体中碳钢表面水润湿率随含水量和流速的变化。利用往复磨损试验机和扫描电镜，在牺牲阳极保护条件下，研究了碳钢在不同流体中的纯磨损失重和表面破坏情况，探究表面水润湿率与碳钢纯磨损行为之间的关系。结果表明：随着水含量的增加，碳钢表面水润湿率提高；但是其表面水润湿率在含水量35%的流体中随着流动速度的提高而降低，在含水量45%和60%的流体中随含水量的提高而升高。碳钢在油/水流体中的纯磨损失重和摩擦因数均随着其表面水润湿率的提高而增加，碳钢的纯磨损行为受到表面水润湿率的影响。在油/水双相流体中碳钢发生磨粒磨损，表面水润湿率低的条件下以塑性去除机制为主；表面水润湿率高的条件下，以脆性去除机制为主。

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缸套磨损表面波纹度和粗糙度形貌特征变化规律

朱亚琼，沈岩，金梅，徐久军

中国表面工程. 2014, 27(5): 59-64.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.007

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以硼磷合金铸铁缸套与氮化铬活塞环为研究对象，通过设计贫油试验，获得了缸套从磨合磨损到正常磨损直至异常磨损的三维表面形貌。基于多分辨率二维离散小波获得三维表面形貌的各层高频系数，以二维功率谱密度进行高频系数分类，重构出磨损表面的形状误差、波纹度和粗糙度形貌。采用算术平均偏差、坡度参数、峰顶曲率参数，量化描述波纹度和粗糙度形貌几何特征的变化规律。结果表明：多分辨率二维离散小波可以提取不同磨损阶段的波纹度和粗糙度形貌；随着磨损的进行，波纹度和粗糙度形貌的算术平均偏差、坡度参数、峰顶曲率参数均增大；当出现异常磨损时，波纹度形貌的算术平均偏差变化幅度大于粗糙度形貌，粗糙度形貌的坡度变化幅度大于波纹度形貌，波纹度和粗糙度形貌的峰顶曲率参数变化幅度相近。

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高速刮擦下Ni-G封严涂层与Ti6Al4V叶片间的材料转移行为

薛伟海，高禩洋，段德莉，刘阳，李曙

中国表面工程. 2014, 27(5): 65-73.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.008

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利用高速刮擦试验机研究了NiG（镍石墨）封严涂层与Ti6Al4V叶片在线速度30~150 m/s下刮擦时的材料转移行为。根据对叶片重量和高度变化、叶片和涂层磨痕的形貌、能谱分析发现，NiG封严涂层与Ti6Al4V叶片高速刮擦时主要发生叶片材料向涂层的转移。进一步通过对转移层表面和截面形貌、能谱和XRD分析，以及对分段收集的高速刮擦中的磨屑的观察，阐明了涂层磨痕中叶片材料转移层的结构、物相、转移位置和形成过程。

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电火花加工NdFeB材料的表面性能

朱翠雯，李丽，毕方淇，吴亚州

中国表面工程. 2014, 27(5): 80-86.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.010

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为在NdFeB材料成型加工的同时实现其表面改性，研究了电火花加工对钕铁硼材料的影响。利用电火花成型加工技术，在不同电参数下，用紫铜电极对钕铁硼材料在绝缘介质中进行负极性加工。用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等分析了材料的表面层成分、表面形貌及组织结构。通过显微硬度分析及盐雾试验，测试了材料表面硬度和耐蚀性能。结果显示：在大脉冲宽度24 μs、小峰值电流5.6 A下，电火花加工材料的表面质量较好。在其他参数相同的条件下，峰值电流从25.6 A增大到50 A，脉冲宽度从4.2 μs增大到13 μs时，时，硬度最大值均超过900 HV0.3，比基体高出近300 HV0.3。盐雾试验中加工前后材料开始出现斑点的时间差为20 h，耐腐蚀性能明显发生变化。电火花加工后的钕铁硼材料表面组织中晶粒尺寸减小，并存在非晶合金相。表层非晶合金使钕铁硼材料的硬度及耐腐蚀性能得到明显地改善。

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滚压工艺对EA4T车轴表面质量完整性的影响及预测模型建立

于鑫¹，孙杰¹，李世涛²，李剑峰¹

中国表面工程. 2014, 27(5): 87-95.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.011

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表面质量完整性是决定车轴使用寿命和机车行驶安全的关键因素，滚压工艺对车轴表面质量完整性产生重要影响。通过EA4T车轴滚压正交试验，研究了工艺参数对表面质量完整性影响规律，建立了滚压表面粗糙度与残余应力预测模型，并进行回归方程方差分析与残差分析，验证了预测模型的有效性。结果表明：工艺参数中进给速度对表面粗糙度和残余应力的作用最为显著，贡献率分别为粗糙度91.70%、周向残余应力48.95%、轴向残余应力48.18%。此外，滚压道次与滚压深度分别对周向和轴向残余应力有较大影响，贡献率分别为39.15%和33.19%；与其它因素相比，滚压速度对表面硬度影响较大，贡献率达到54.7%。

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表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响

陈利钦^1a，项彬²，任学冲^1b，刘鑫贵²，林国标^1a

中国表面工程. 2014, 27(5): 96-101.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.012

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为提高高速列车车轴钢的疲劳性能，对车轴钢EA4T进行了表面超声滚压处理(SURP)。综合运用了粗糙度测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射应力分析仪、显微硬度仪以及金相显微镜研究了表面超声滚压处理工艺参数中静压力和进给速度对高速列车车轴钢表面粗糙度、表面残余应力状态、表层显微硬度及微观组织的影响规律。结果表明：在试验参数范围内，静压力和进给速度越低，车轴钢的表面粗糙度越低；SURP后，试样表面轴向残余压应力得到大幅度提高，并且随着静压力的增加而增加，随着进给速度的增加而减小；表面硬度以及塑性变形层厚度随两参数的变化规律与残余应力的变化规律相似。

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多弧离子镀制备TiN/TiBN纳米复合涂层的结构和性能

刘丹¹，韩滨¹，闫少健¹，柯贤文¹，付德君¹，王浪平²

中国表面工程. 2014, 27(5): 102-108.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.013

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为了满足复合材料高速切削加工的需要，用金属Ti靶和纯TiB2靶作为靶材料，在N2气氛下用多弧离子镀方法制备了TiN/TiBN纳米复合涂层。利用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析涂层的组织结构、成分和表面形貌；利用显微硬度计、划痕仪和球盘摩擦仪分析调制周期对涂层力学性能的影响。结果表明： TiN/TiBN纳米复合涂层的调制周期范围为5.5~21 nm，主要成分为晶相TiN、非晶BN和TiB2；调制周期对涂层的力学性能有较大的影响，随着调制周期的减小，硬度增加，调制周期最小时最大硬度达到29 GPa；最大膜基结合力为88 N，且所有样品均表现出较高的膜基结合力。随着转速的增大，摩擦因数与表面粗糙度两者表现出相同的变化趋势，摩擦因数最大值为0.31，其低摩擦因数与自润滑的BN相的存在有关。调制周期减少，界面积增加，TiN/TiBN纳米复合涂层的力学性能增强。

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磁控溅射ZrAlCuN薄膜的微观组织与力学性能

杜军^a，杨班权^b，孟凡军^a

中国表面工程. 2014, 27(5): 109-114.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.014

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采用磁控溅射技术制备不同原子比的ZrAlCuN薄膜。采用场发射扫描电镜(FESEM)观察截面形貌，高分辨透射电镜分析微观组织结构，纳米压入法测定薄膜的硬度，压入法(维氏压头)测定薄膜的韧性。结果表明： Zr0.36Al0.15Cu0.01N0.48薄膜截面呈纳米尺度柱状晶，沿沉积方向生长，仅存在［111］、［200］、［220］、［311］取向的5~10 nm ZrN晶粒，未发现AlN及Cu独立相，硬度约41.7 GPa(载荷10 mN)，弹性模量约257.8 GPa。Zr0.29Al0.24Cu0.08N0.39薄膜呈纳米尺度柱状晶，存在10~20 nm ZrN纳米晶以及Cu［111］纳米晶，硬度约27 GPa(载荷10 mN)，弹性模量约225.8 GPa。由于前者具备较高的硬度/弹性模量比，从而表现出较好的韧性。

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化学复合镀镍封/微孔铬工艺试验

尹国光¹，瞿波¹，崔侠²，许锦泉¹

中国表面工程. 2014, 27(5): 115-124.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.015

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为提高装饰铬耐蚀性能，试验了化学复合镀镍封工艺和循环超声分散装置，比较了Cu/Ni/（NiP）SiO2 /Cr与Cu/Ni/Ni/Cr两种装饰铬的微观形貌和耐蚀性。用紫外/可见分光光度计和钯盐法测试镍封镀液吸光度和稳定性，扫描电子显微镜测试镀层形貌，粒径分布仪、电化学工作站和盐雾试验评价镀层耐蚀性。结果表明：循环超声分散装置对镍封镀液的间歇分散效果明显，镀覆7 h后镀液吸光度基本不变。镍封镀液中SiO2微粒粒径约100 nm，工艺温度68～71 ℃，钯盐试验稳定时间18～25 min。SiO2微粒占镍封镀层质量分数为2.4%，镍封镀层的硬度为620 HV0.2，厚度为0.4～0.7 μm。得到的微孔铬结晶细致，微孔密度为5 万～8 万个/cm2。比普通装饰铬的镍层厚度减少30 %后,微孔铬组合镀层腐蚀电位仍正移0.19 V，盐雾试验耐蚀等级还高1级。说明化学复合镀镍封工艺可以提高装饰铬的耐蚀性能。

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干燥和沉积工艺对钛基羟基磷灰石涂层性能的影响

曹鑫，党新安，杨立军

中国表面工程. 2014, 27(5): 125-130.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.016

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为了制备生物活性与表面质量良好HA/TC4钙磷复合涂层，对仿生矿化法制备钛基羟基磷灰石过程中，干燥和沉积次数对涂层表面的影响进行了研究。试验采用划分相同温度梯度的干燥方案，以24 h为总沉积时间，划分2次、3次干燥和沉积，利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）对涂层形貌进行分析。结果表明： 3次干燥和沉积后，HA钙磷涂层表面裂纹尺寸控制在宽5～13 μm、长71～269 μm的范围内，同时涂层均匀性也得到改善；3次沉积后钙磷比为5.81，HA的结晶度得到提高。同时，利用薄膜测厚仪测得3次沉积后涂层的厚度从33 μm依次增加至39 μm，拉伸试验结果显示3次沉积后结合强度可以增加至12.41 MPa。采用仿生法、选择3次干燥和沉积后得到的涂层在表面形貌、涂层厚度、生物活性以及表面结合强度等方面均有利于临床应用。

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类蝴蝶翅膀表面微纳结构的制备及其疏水性

张洪敏，汪涛，鱼银虎，张度宝，潘剑锋

中国表面工程. 2014, 27(5): 131-136.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.017

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在金属表面构筑微纳米粗糙结构后以低表面能物质修饰，可以获得超疏水的金属表面，对实现防水、防腐及表面自清洁等功能具有重要的意义。以钛片为基底，利用简单易行且低成本的喷砂酸蚀法，对其进行粗糙化处理，并使用低表面能物质氟碳树脂进行表面改性，获得了超疏水性表面。测量了试样表面与蒸馏水的静态接触角，将试样置于空气、模拟海水、质量分数为3%的NaOH和HCl溶液中进行了耐环境测试，观察了试样表面的微观形貌。结果表明：在光滑的钛基底上用氟碳树脂修饰后，得到的疏水表面接触角仅为103°；而钛片表面经喷砂酸蚀后，再利用氟碳树脂进行疏水化修饰，得到与水接触角为156°的超疏水表面。经表面粗糙化处理和低表面能物质修饰后得到的钛基底上形成了类蝴蝶翅膀表面微纳结构的蜂窝状超疏水表面，具有优异的耐环境性和良好的自清洁效果。

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铁磁材料磁记忆信号与切口宽度的相关性

王慧鹏¹，董丽虹¹，董世运¹，徐滨士¹，刘辉²

中国表面工程. 2014, 27(5): 137-142.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.018

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为探索裂纹宽度与磁记忆信号之间的关系，以45CrNiMoVA钢为试验材料，对具有不同预置切口宽度的试件进行静载拉伸试验，并采用磁记忆检测仪检测试件表面的磁记忆信号，研究了不同外加载荷下试件表面磁记忆信号的变化，并对各预置切口位置处磁记忆信号梯度变化进行分析。结果表明：随着外加载荷的增加，试件表面磁记忆信号不断增强，矩形槽位置处磁记忆信号梯度变化加剧，磁记忆信号梯度值随外加载荷的增加而单调增大；外加载荷值相同时，磁记忆信号梯度随裂纹宽度先减小后增大，而非简单的线性关系。

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基于材料性能的冷喷涂临界速度预测窗口研究取得新进展

李文亚

中国表面工程. 2014, 27(5): 143-143.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.05.019

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