中国表面工程

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André Anders (美)

中国表面工程. 2016, 29(1): 1-6.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.001

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文中提出一种扩展的薄膜微观结构的区域相图，可以用其来表征过滤阴极弧以及高功率脉冲磁控溅射镀膜过程中含有大量离子流的动态沉积过程。其坐标轴包括广义同系温度，标量化动能以及可以表征离子刻蚀作用的净膜厚。需要强调的是，由于影响薄膜生长的实际参数要远超相图中有限的坐标轴数，因此该结构区域相图展示的生长条件与薄膜结构之间的关系是近似和简化过的。

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仿生表面减阻的研究现状与进展

马付良，曾志翔，高义民，刘二勇，薛群基

中国表面工程. 2016, 29(1): 7-15.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.002

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仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻，其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果，综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状，探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能，但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果，因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。

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热喷涂纳米结构La₂Zr₂O₇(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层

王铀，王亮，刘赛月，刘勇，王超会，邹志伟

中国表面工程. 2016, 29(1): 16-24.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.003

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为了满足发动机以及涡轮机越来越高的性能要求，双陶瓷热障涂层逐渐取代单陶瓷层的8YSZ涂层，成为可以长期使用温度高于1 200 ℃的新型陶瓷涂层。采用等离子喷涂方法制备了La2Zr2O7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层，并同时制备了微米结构和纳米结构的单层8YSZ陶瓷涂层作为对比。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了粉体喂料和涂层的组织结构。采用对偶拉伸试验法、水淬方法和日本工业标准等研究了涂层的结合强度、隔热效果、热震行为以及高温抗氧化行为。结果表明，与单层的8YSZ陶瓷层相比，双陶瓷型nLZ/8YSZ涂层的隔热效果提高了35%，热震次数增加了一倍，热氧化失效时间延长了100多小时，具有较佳的隔热效果、抗热震性能以及抗高温氧化性能。

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热生长下热障涂层残余应力及失效分析

孙戬，徐颖强，李万钟，陈亚亚，吕凯

中国表面工程. 2016, 29(1): 25-31.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.004

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针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式，考虑界面凹凸微观形貌特征，借助材料转换的方法实现氧化生长，利用粘弹塑性有限元法，研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响，并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明，随着氧化层厚度的增大，垂直于界面方向的残余应力迅速增大；材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著；从残余应力和应变演化的角度进行评价，结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置，仿真分析结果与试验结果一致。

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铬含量对FeCoCr_xNiB高熵合金涂层氧化行为的影响

张冲，黄标，戴品强

中国表面工程. 2016, 29(1): 32-38.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.005

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在45钢基体上用激光熔覆方法制备FeCoCrxNiB（x=0.5～3）高熵合金涂层。不同Cr含量(原子数分数)的FeCoCrxNiB高熵合金涂层在900 ℃下进行高温氧化实验，测定其氧化动力曲线，并采用XRD、SEM和EDS等方法分析氧化层结构和形貌。结果表明，不同Cr含量的FeCoCrxNiB涂层氧化动力学曲线基本都符合抛物线规律。随着Cr含量的增加，FeCoCrxNiB涂层的氧化膜由富Fe的氧化物逐渐向富Cr氧化物转变，并最终生成稳定、连续的Cr2O3氧化膜。富Fe的氧化物表面形貌为针状且较为疏松，而富Cr的氧化物则为较为致密颗粒状。涂层的抗氧化性能随Cr含量的增加而增强。当Cr含量超过x=2后，FeCoCrxNiB涂层获得了较好的抗氧化性能。

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感应熔覆铁基合金涂层的显微组织与性能

张攀，张伟，于鹤龙，张梦清，赵锐

中国表面工程. 2016, 29(1): 39-45.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.006

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采用感应熔覆技术在奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti基体上制备了Fe基合金涂层。利用带有能谱仪的场发射扫描电镜(FESEM)分析了熔覆层的显微组织形貌和元素组成，使用X射线衍射仪分析了涂层的物相组成，采用差热分析仪对合金粉末进行了热分析，用显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了涂层的显微硬度及干摩擦条件下的滑动磨损性能。结果表明，感应熔覆铁基合金涂层组织致密，内部和界面无孔隙，涂层与基体形成了良好的冶金结合；涂层主要由αFe、(Cr,Fe)7C3、Cr7C3、Ni3Fe和Fe3C等组成，且αFe中均匀分布颗粒细小的 (Cr,Fe)7C3、Cr7C3析出相；涂层显微硬度约为250 HV0.1；在不同载荷下，感应熔覆Fe基合金涂层的耐磨损性能均优于1Cr18Ni9Ti基体，涂层磨损机理为典型的层状剥落和粘着磨损。

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感应重熔-热处理对镍基碳化钨涂层的影响

张生欣，狄平，徐梦廓，朱世根

中国表面工程. 2016, 29(1): 46-50.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.007

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为了进一步挖掘镍基碳化钨涂层的潜能，在40Cr基材上利用火焰喷涂制备Ni60+35%WC复合涂层并对涂层进行感应重熔及热处理，利用扫描电镜（SEM）、显微硬度计和摩擦磨损试验机分析测定了涂层的显微组织、显微硬度及摩擦磨损性能。结果表明，感应重熔使涂层与基材形成良好的冶金结合，涂层致密，硬度、耐磨性显著优于基材。经淬火及回火后，涂层硬度有所提高。850 ℃淬火，400 ℃回火的涂层硬度最高，达到866 HV0.1，耐磨性也最好，磨损量仅为基材的43%。

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类富勒烯/非晶多层碳膜的制备及性能

刘广桥，董丽梅，张俊彦

中国表面工程. 2016, 29(1): 51-57.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.008

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针对碳基薄膜存在的高应力问题，利用单极脉冲等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上制备了含氢类富勒烯/非晶层交替构成的类金刚石多层膜。采用高分辨透射电子显微镜和激光拉曼光谱仪分析了多层膜的结构特征；用X射线光电子能谱分析了薄膜的化学键状态；用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度和弹性模量；在CSM往复式摩擦磨损试验机上考察了薄膜在大气下的摩擦学性能，同时比较了多层膜与非晶、类富勒烯薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明：多层膜的硬度高于非晶和类富勒烯单层薄膜，达到28.78 GPa；在大气环境下与Si3N4球对摩时平均摩擦因数略低于类富勒烯单层膜，耐磨性明显优于单层非晶和类富勒烯薄膜。

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磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能

王云锋，张广安，吴志国

中国表面工程. 2016, 29(1): 58-63.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.009

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纳米多层膜因具有优异的力学性能与抗摩擦磨损性能使其在摩擦学领域具有重要的应用价值。采用磁控溅射沉积法制备了Al、AlN单层薄膜与Al/AlN纳米多层膜，探讨了纳米多层化对薄膜的力学性能和摩擦学性能的影响。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测量评价薄膜的纳米硬度和摩擦学性能。结果表明：Al/AlN纳米多层膜具有良好的周期调制结构，多层膜中的大量界面能显著提高薄膜的力学性能与摩擦学性能。多层膜的硬度为8.8 GPa，高于采用混合法则计算出的硬度值6.6 GPa；多层膜具有软质Al层和硬质AlN层的交替结构，在摩擦过程中，硬质AlN层可以起到良好的承载作用，软质层可以起到良好的减摩作用。相对于Al单层薄膜或AlN单层薄膜，Al/AlN纳米多层膜具有较低的摩擦因数(0.15)和优异的抗磨损性能。

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磁控溅射-热处理两步法制备Cr₂AlC涂层及力学性能

刘培，王振玉，柯培玲，李晓伟，吴晓春，汪爱英

中国表面工程. 2016, 29(1): 64-72.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.010

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Cr2AlC属于三元层状化合物MAX相，其兼具金属和陶瓷的综合性能，如金属的导热、导电、可加工性，陶瓷的抗氧化、耐腐蚀等性能。利用直流磁控溅射技术和后续退火工艺在高速钢基体上制备了Cr2AlC涂层，采用XRD、SEM等研究了气体流量及热处理工艺对涂层成分和物相组成的影响。结果表明：气体流量和退火温度对Cr2AlC相的形成至关重要，气体流量比过大和退火温度过高均不利于Cr2AlC的形成。不同气体流量下沉积态涂层主要由CrC化合物、非晶或者纳米晶等组成，均没有发现Cr2AlC相；涂层经750 ℃退火后不同气体流量比涂层均有一定量Cr2AlC相形成；且Cr2AlC相形成的温度范围随CH4/Ar气体流量比增加而变窄。含Cr2AlC MAX相涂层的硬度为10.6~17.6 GPa，弹性模量为255.3~323.4 GPa。

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阴极等离子体电解沉积工艺参数对放电与沉积过程的影响

杨建明，陈田，陈劲松，张迪湦，马超

中国表面工程. 2016, 29(1): 73-79.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.011

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为进一步认识和控制阴极等离子体电解沉积过程，研究了工艺条件对锌沉积时放电和沉积过程的影响，用扫描电镜和金相显微镜分别观察沉积层的表面和截面形貌，用能谱仪和X射线衍射仪进行沉积层元素和物相分析。结果表明，极间电压增大到约200 V以上的某一电压值时阴极上发生等离子放电，初始放电电压与电解槽中的溶剂种类、氯化钠添加量有关，随乙醇和氯化钠添加量的增大而降低。要在阴极上实现锌的沉积，就应控制工艺条件使初始放电电压尽量低，且极间电压宜维持在初始放电电压以上10~20 V。采用水和乙醇混合作溶剂比只用水作溶剂容易实现稳定的阴极沉积，沉积层厚度明显大，但沉积物表面的颗粒较粗大，致密性要差。

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陶瓷颗粒含量对Cr-Al₂O₃复合镀活塞环摩擦磨损性能的影响

徐佳子，李承娣，朱峰，沈岩，徐涛，徐久军

中国表面工程. 2016, 29(1): 80-86.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.012

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为了研究陶瓷颗粒含量对Cr-Al₂O₃复合镀活塞环摩擦磨损性能的影响，采用镀铬活塞环和4种Al2O3陶瓷颗粒含量不同的Cr-Al₂O₃活塞环与CuNiCr合金铸铁缸套组成配对副，对其进行摩擦磨损试验，对比各配对副摩擦因数及磨损量。结果表明，镀铬活塞环缸套配对副摩擦因数较大，约为其它4种含Al2O3陶瓷颗粒的Cr-Al₂O₃活塞环缸套配对副的1.2倍，磨损也比其它4种配对副严重，摩擦副的表面均已经发生严重的粘着磨损现象；其它4种含陶瓷颗粒的Cr-Al₂O₃活塞环缸套配对副的摩擦因数相近，缸套的磨损量也相近，活塞环的磨损量随着陶瓷含量的增加而先减小后增加。陶瓷颗粒的镶嵌提高了活塞环的耐磨性能，陶瓷含量过少，活塞环表面承载能力不足；陶瓷颗粒含量过多，陶瓷颗粒易脱落，这些都会增大活塞环的磨损量。

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Ti6Al4V钛合金超声波冷锻/微弧氧化涂层的制备及耐磨性能

顾艳红，马慧娟，陈玲玲，杨远航，刘琦，刘家浚

中国表面工程. 2016, 29(1): 87-95.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.013

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为了提高生物医用钛合金的耐磨性，利用超声波冷锻技术（UCFT）作为预处理，采用微弧氧化（MAO）技术制备出具有生物活性的MAO涂层。采用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)测量钛合金UCFT处理后表面纳米晶粒大小和表面粗糙度，采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计测量涂层的微观形貌、相组成和显微硬度，并在高速往复摩擦磨损试验机上对试样进行摩擦学性能测试。结果表明：超声波冷锻后的钛合金表面晶粒得到细化，平均表面粗糙度仅为36.98 nm；UCFTMAO涂层的显微硬度从330 HV0.05提高到518 HV0.05, 经超声波冷锻预处理后的微弧氧化涂层的摩擦因数降低，UCFTMAO试样在仿生液中的磨损量仅为基体试样的1/3。超声波冷锻技术作为预处理，显著提高了钛合金微弧氧化涂层的耐磨性能。

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强流脉冲离子束辐照WC-Ni硬质合金的摩擦磨损性能

张锋刚，朱小鹏，雷明凯

中国表面工程. 2016, 29(1): 96-102.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.014

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为进一步提高WCNi硬质合金的表面耐磨性，采用强流脉冲离子束（HIPIB）对其表面进行辐照处理。利用扫描电子显微镜、显微硬度计和环块式摩擦磨损试验机研究了HIPIB辐照WCNi硬质合金的微观组织、硬度分布和摩擦磨损性能。结果表明：HIPIB辐照WCNi硬质合金表面发生快速重熔与烧蚀，组织显著细化、致密化；随着束流密度和辐照次数的增加，熔层厚度与硬化层深度增加、摩擦因数和磨损率降低，束流密度300 A/cm2辐照10次，熔层厚度约4 μm，硬化层深度可达160 μm，摩擦因数和磨损率分别降低45%和70%。辐照硬质合金表面重熔层的磨损主要表现为以均匀微观切削为主的磨粒磨损，近表层冲击硬化区的磨损仍以Ni粘结相的微观磨损和WC晶粒脱落为主，但辐照应力波的长程硬化作用使硬质合金中WC晶粒与Ni粘结相之间的结合力增强以及Ni粘结相自身强化有效抑制了这类磨损。

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超声表面加工和硫氮共渗复合处理对35CrMo钢表面性能的影响

田斌，岳文

中国表面工程. 2016, 29(1): 103-110.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.015

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为了同时减少钻杆接头和对磨套管的磨损，采用超声表面加工技术和硫氮共渗技术对钻杆接头材料35CrMo钢进行复合处理。利用光学三维形貌仪、扫描电子显微镜、EDS能谱仪、显微硬度计和X射线衍射仪分别研究了试样的表面形貌、粗糙度、成分、硬度和相结构，并在水基钻井液润滑条件下采用环块磨损试验机考察了35CrMo钢和套管对磨副的磨损性能。结果表明，超声表面加工可以使35CrMo钢和硫氮共渗复合处理改性层的表面粗糙度均显著降低，进一步提高硫氮共渗改性层硬度，显著改善35CrMo钢的耐磨性能，并使对磨副套管的磨损率明显降低，钻杆接头和套管的磨损表面形貌也得到显著改善。

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喷丸处理对机翼加筋壁板压缩强度的影响

刘存，李健，赵谋周

中国表面工程. 2016, 29(1): 111-117.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.016

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现代大型飞机机翼壁板广泛采用喷丸成形和强化工艺，但喷丸处理对加筋壁板静强度性能的影响研究较少，目前工程上还难以定量评估。通过对壁板失效模式的分析，梳理了喷丸处理影响机翼壁板压缩强度的主要因素，即剖面压损强度以及压缩模量，规划了典型机翼上壁板喷丸试件和未喷丸试件的压损对比试验，研究了喷丸处理对压损强度和局部屈曲载荷的影响。试验结果表明：喷丸后壁板的压损强度和局部屈曲载荷均有所降低。根据试验结果提出了采用基于喷丸处理前后压损应力下降幅度确定的喷丸影响系数κ1，以及压缩模量下降幅度确定的喷丸影响系数κ2修正JOHNSONEULER方程的方法。该方法客观准确地将喷丸处理影响计入到加筋壁板的压缩强度设计中，实现了对喷丸处理影响的定量评估，工程应用简便易行。

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碳纤维/环氧树脂复合材料表面激光选择性消融预处理

李长青，许艺，任攀，周雷

中国表面工程. 2016, 29(1): 118-124.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.017

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补片修复方法已经成为复合材料表面损伤修复的主要手段，补片与待修表面的粘接性能是影响修复效果的主要因素，表面预处理则是提高粘接修复强度的重要途径。采用Nd∶YAG激光器，对碳纤维/环氧树脂复合材料表面进行选择性激光消融处理，测试了补片粘接后的拉剪性能，分别采用电子显微镜、三维形貌仪、X射线光电子能谱分析仪、拉曼光谱仪，分析了激光消融表面的显微形貌和物相特征。结果表明，激光消融能够在不破坏碳纤维结构的情况下有效消除复合材料表面的环氧树脂，提升表面活性及粘接修复性能。与未进行激光消融处理的复合材料相比，激光处理后表面活性提高，含氧官能团CO数量增加约87%，补片粘接修补后的拉剪强度最大提升了近36%。

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氟基硅酸钙对碳酸饮料酸蚀后的牙釉质修复作用

董志红，宋慧瑾，朱晓东，周长春，聂志萍

中国表面工程. 2016, 29(1): 125-129.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.018

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针对碳酸饮料对牙釉质的软化及脱矿，选用氟基硅酸钙（FCaSiO3）生物活性材料进行修复。以可乐、苹果醋、冰红茶3种常规饮料对正常的牙釉质进行浸泡处理后，在模拟人工唾液的环境中浸泡30 min，测试其硬度值的恢复状况。对酸蚀较严重，口腔唾液难以自修复的牙釉质，使用FCaSiO3进行修复，通过显微硬度仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线能谱(EDS)进行测试分析。结果表明，碳酸饮料在不同时间内均对牙釉质有一定的损害，随时间的延长，饮料对牙齿的脱矿越显著，其中可口可乐表现为最严重，浸泡30 min后钙磷摩尔比降到1.32。在模拟口腔唾液中浸泡30 min后，硬度值有一定的提高；酸蚀严重的可口可乐样品，通过模拟刷牙的形式使用FCaSiO3进行修复，在口腔唾液环境中仿生矿化3 d后，表面形成一层矿化层，成分和牙釉质基体接近，钙磷比恢复到1.58，接近于牙釉质，且表面硬度值优于酸蚀的牙釉质，补充了矿物质的流失。FCaSiO3生物活性材料，可作为一种修复牙齿脱矿的试剂，保护牙齿及预防龋齿发生。

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细管内壁沉积薄膜取得重要进展

李刘合，许亿

中国表面工程. 2016, 29(1): 130-130.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.01.019

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