2016年, 第29卷, 第3期　刊出日期：2016-03-19

  

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高离化磁控溅射技术与应用专辑
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  柔性硬质纳米复合涂层

  金德里奇·缪塞尔(捷克)

  中国表面工程. 2016, 29(3): 1-13.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.001

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  研究了利用磁控溅射方法制备的柔性硬质纳米复合涂层。结果表明柔性硬质纳米复合涂层具有以下优异性能:是一类具有高硬度、高韧性以及抗裂纹性能的新型涂层;具有较高的硬度模量比(H/E*≥0.1, E*=E/(1-ν²))、弹性恢复系数(W_e≥60%)、压应力(σ<0)_L,且少缺陷的微观结构;生长处于Thornton结构区域相图的T区。磁控溅射非常适合制备纳米复合涂层,文中将对其制备柔性纳米复合薄膜的机理做深入阐述。涂层生长主要受以下3个参数影响:涂层生长过程中吸收的能量E_p,其包含沉积原子携带的能量E_ca和轰击离子携带等能量E_bi(E_p=E_ca+E_bi),基体温度T_s和涂层材料的熔点T_m。柔性硬质涂层具有广泛的应用前景,如柔性保护涂层、柔性功能涂层、防脆性涂层开裂的柔性保护涂层以及柔性多层涂层。文中还将详细阐述低温磁控溅射制备柔性纳米复合涂层的原理,并阐述纳米复合涂层及其性能的发展趋势。
表面工程
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  不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性

  王尧,朱晓莹,杜军,刘贵民

  中国表面工程. 2016, 29(3): 14-19.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.002

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  为研究不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性,采用电子束蒸发镀膜技术在Si(100)基片上沉积不同周期(Λ为4,12,20 nm)的Cu/Ni多层膜,在真空条件下对试样进行温度为200℃和400℃,时间为4 h的退火处理,分析了沉积态(未退火态)与退火态Cu/Ni多层膜纳米压痕硬度、弹性模量与微结构的演变,讨论了不同调制周期Cu/Ni多层膜的热稳定性。结果表明:200℃下4 h退火后,Λ为4,12和20 nm 的Cu/Ni多层膜均保持了硬度与弹性模量的热稳定性。而在400℃下4 h退火后,Λ为12 nm的Cu/Ni多层膜出现了硬度和弹性模量的软化现象,硬度由6.21 GPa降低至5.83 GPa,弹性模量由190 GPa降低至182 GPa。这是由于共格界面被破坏,界面共格应力对Cu/Ni多层膜力学性能贡献作用削弱导致的。
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  多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能

  史鑫,戴剑锋,吴贵智,张广安,陈建敏

  中国表面工程. 2016, 29(3): 20-25.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.003

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  软硬交替多层结构的薄膜因其优异的抗摩擦磨损性能和耐腐蚀特性使其在工程领域具有重要的应用价值。利用多弧离子镀在不锈钢和Si(100)表面沉积了TiN单层薄膜和3种不同Ti/TiN调制比的多层膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、CSM摩擦磨损试验机和电化学工作站分别分析了薄膜的结构特征、耐磨损性能和电化学性能。结果表明:多层膜层状结构明显,TiN相出现(111)面择优取向;Ti与TiN沉积时间比为1:5的样品具有较低的摩擦因数(0.26)和磨损率(6.6×10^-7 mm³·N^-1·m^-1);在3.5%NaCl溶液中,多层膜样品的腐蚀电流密度较不锈钢基体降低了两个数量级,腐蚀电位较不锈钢基体明显提高,表明多层膜可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性。
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  IBAD制备WS₂-Ag固体润滑膜在海南湿热环境的耐候性能

  金杰,黄晓林,邱维维,崔华威,孟祥宇

  中国表面工程. 2016, 29(3): 26-33.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.004

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  为了研究固体润滑膜的耐候性失效行为,利用考夫曼离子源与磁控溅射相结合的离子束辅助沉积(IBAD)技术在9310基底材料上制备Ag掺杂WS₂固体润滑膜。通过海南湿热环境挂片、摩擦磨损性能测试以及Pro-XPS、XRD和FESEM检测技术,检测膜层的耐候性能、摩擦磨损性能并表征测试前后的化学态、物相与表面形貌等,分析膜层在海南湿热环境下的失效机理。研究结果表明:制备的WS₂-Ag固体润滑膜实现了纳米级Ag颗粒的掺杂,WS₂与Ag皆为六方层状晶体结构,维持0.05摩擦因数的时间超过600 min。挂片试验后复合膜表层生成WO₃和AgO₂,内部形成非晶AgO₂,WO₃含量降低甚至消失;氧化物的形成影响了转移膜的形成与磨粒磨损过程,进而导致复合膜的润滑性能降低,使其维持低摩擦因数(0.09)的时间降至30 min。
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  太阳能高反射薄膜制备技术对薄膜性能的影响

  李海兵,徐勇军,蔡其文,涂伟萍,廖俊旭

  中国表面工程. 2016, 29(3): 34-40.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.005

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  采用磁过滤阴极真空弧沉积(FCVAD)与磁控溅射(MS)两种技术在玻璃上制备厚度分别为75 nm和165 nm的Glass/Al高反射薄膜,利用Lambda 950分光光度计、扫描电子显微镜、原子力显微镜、附着力测试仪、摩擦试验机和加速老化试验箱分别表征薄膜的反射率、表面形貌、粗糙度、附着力、耐摩擦和耐老化性能,通过薄膜性能评估分析两种技术制备高反射膜性能的差异。结果表明:在双方优化工艺下,FCVAD制备的薄膜表面形貌和附着力优于MS薄膜;FCVAD制备的75 nm和165 nm薄膜反射率比同厚度MS薄膜高出3.3%~4.2%;75 nm厚的薄膜方均根粗糙度明显小于同厚度的MS薄膜;FCVAD制备的75 nm薄膜老化后反射率仅下降1.2%,而MS同厚度薄膜反射率下降了3.3%~4%。说明FCVAD在制备高反射膜方面比磁控溅射更有优势。
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  NaCl盐对Ti₂AlNb合金表面渗镀Al层热腐蚀行为影响

  任蓓蕾,缪强,梁文萍,夏金姣,胡荣耀

  中国表面工程. 2016, 29(3): 41-47.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.006

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  为提高Ti₂AlNb合金的实际使用温度,采用加弧辉光等离子渗镀技术在合金表面制备渗镀Al层,研究渗镀Al层在750℃下涂盐Na₂SO₄和Na₂SO₄+25%NaCl的热腐蚀行为。同时利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对腐蚀产物的形貌进行观察,并结合X射线衍射对相组成进行分析。结果表明:渗镀Al层组织均匀致密,与基体结合良好。涂层可分为明显的3个区域:最外层Al₂O₃薄膜、次表层纯Al沉积层和内层Al-Ti-Nb扩散层。扩散层主要包括Al₃Ti﹑Al₃Nb和AlNb₂等相。渗镀Al层试样在750℃的Na₂SO₄盐热腐蚀100 h后,仅增重约2 mg/cm²,表现出良好的抗热腐蚀性能;而在Na₂SO₄+25%NaCl混合盐中,试样则先增重后逐渐减重,整个涂层出现明显开裂和剥落,其原因是Cl^-的渗入使表面形成的Al₂O₃膜被破坏,进而加速消耗涂层中的Al。
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  7YSZ热障涂层高温氧化过程中的微结构演变和阻抗谱分析

  陈文龙,刘敏,张吉阜

  中国表面工程. 2016, 29(3): 48-56.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.007

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  在大气环境中,测试7YSZ热障涂层抗1 000℃高温氧化性能,以模拟发动机叶片的巡航飞行高温氧化过程。采用交流阻抗技术并结合扫描电镜及X射线衍射系统研究了高温氧化过程中TGO层生长与YSZ层微结构演变。结果表明:随着氧化时间的增加,TGO层厚度增加符合抛物线规律,在中频阶段的阻抗谱响应愈加显著。YSZ熔融颗粒在较低测试温度下表现为容抗特征,随测试温度升高逐步表现为感抗特征。阻抗谱分析显示YSZ晶粒的电阻及电容随氧化时间增加,均呈一定幅度波动变化,高温氧化对熔融颗粒本身的电学特征影响不明显;随着氧化时间的增加,YSZ晶界电阻值不断增加,电容值不断下降,表明YSZ内微裂纹发生了生长和扩展,最终导致YSZ层的剥落失效。
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  燃气热冲击对PS-PVD和APS热障涂层的微结构和隔热性能的影响

  张永,刘敏,张吉阜,许晓嫦,宋进兵

  中国表面工程. 2016, 29(3): 57-64.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.008

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  采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)和大气等离子喷涂(APS)技术分别制备柱状和层状YSZ陶瓷层,在1 250℃的燃气热冲击下对比研究两种涂层体系的微结构演变和隔热性能变化。结果显示,燃气热冲击后PS-PVD和APS制备的两种YSZ层主要由t'相和c相构成。APS制备的YSZ层微裂纹不断生长开裂并出现局部层状剥落,而PS-PVD制备的YSZ层的"菜花头"间隙不断增大并出现局部"菜花头"剥落。同时表明,PS-PVD制备的热障涂层在长期燃气热冲击时抗氧化性及隔热效果均优于APS制备的热障涂层。
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  高频感应重熔处理火焰喷涂NiCrBSi涂层的显微组织与力学性能

  赵锐,杨红军,于鹤龙,张梦清,周克兵,张伟

  中国表面工程. 2016, 29(3): 65-73.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.009

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  采用高频感应加热技术对普通火焰喷涂NiCrBSi涂层进行了重熔处理,分析了重熔后涂层的显微组织与力学性能,探讨了涂层显微组织、单一析出相微/纳力学性能之间的对应关系。结果表明,重熔后NiCrBSi涂层的层状结构与孔隙消失,涂层/基体界面形成了代表涂层冶金结合特征、厚度约为10 μm的"白区"显微组织,涂层成分在原有γ-Ni、Ni₃Fe和M₂₃C₆型碳化物基础上,出现了Fe₃C、Ni₃B、以及Cr₇C₃和CrB析出相;重熔后涂层显微硬度沿表面至基体方向呈近似线性逐渐降低,表层显微硬度约为675 HV_0.2,接近界面区域硬度降至440 HV_0.2,涂层内部Cr₇C₃、CrB、γ-Ni和"白区"纳米压痕硬度分别为19.2、7.0、5.0和4.2 GPa;涂层硬度变化符合"复合材料混合定律",由各物相分布及其硬度共同决定。
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  3D打印铝合金材料的摩擦学性能

  边培莹,尹恩怀

  中国表面工程. 2016, 29(3): 74-79.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.010

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  为测试高速传动件上3D打印铝合金材料的耐磨性能,对3D打印铝合金(EOS:AlSi10Mg)与铸造铝合金(ZL1104 T6:ZAlSi9Mg)进行性能对比测试。采用光学显微镜、电子扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度计、高温摩擦磨损试验机等对两种材料进行微观组织分析,硬度测量,摩擦磨损值测定。结果表明,3D打印铝合金其微观组织下晶粒更精细,并且各合金元素分布均匀性更好;3D打印铝合金硬度平均值略高于ZL1104 T6;3D打印铝合金的摩擦因数曲线更平滑,摩擦因数平均值及磨损失重率均小于ZL1104 T6,证明在相同的摩擦磨损条件下,3D打印铝合金表现出良好的耐磨性。
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  激光表面织构铝基低黏附双疏表面

  李晶,赵言辉,李红,杜锋,鲁树珍

  中国表面工程. 2016, 29(3): 80-86.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.011

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  通过激光表面织构化加工方法在铝合金表面制备出一种微米尺度的特殊凹坑结构,利用扫描电子显微镜(SEM)、超景深三维显微镜观测表面形貌;用接触角测量仪表征液滴在表面的润湿特性;通过高温稳定性、低温抗结冰实验和自清洁实验研究表面的温度特性和自清洁特性。结果表明:表面由规则有序的凹坑结构排列组成,且各凹坑带有一定的凸肩结构。表面对水滴的静态接触角最高达到154.6°,滚动角小于5.2°;对甘油的接触角最高达到150.3°,滚动角小于8.7°。超疏水表面在抗结冰和自清洁方面表现出优异的性能,为表面在油、水或两者的混合介质等领域内的应用提供一定的参考。
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  一步法制备磷铜网超疏水表面及其在油水分离中的应用

  孔令豪,陈新华,张平余

  中国表面工程. 2016, 29(3): 87-95.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.012

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  针对超疏水材料制备过程耗时、耗力或成本高昂的问题,采用一步法制备了磷铜网基超疏水表面。室温下将磷铜网浸入到十二烷基硫醇乙醇溶液(0.01 mol/L)与蒸馏水的混合溶液(体积比1:3)中反应12 h,制备了具有规整珊瑚状Cu₂O纳米结构的磷铜网基超疏水表面。结果表明,该表面呈现对水高的前进角(161.2°±0.7°)和后退角(160.2°±0.3°),极低的接触角滞后(1.1°±0.5°)。另外,该疏水性磷铜网对汽油、柴油、正己烷、氯仿4类油和有机物质分离效率均大于98 %。对比传统的两步法合成过程,该方法具有操作简单、物料损耗少、反应时间短和效率高等优点。这表明该制备方法简单、廉价、节省时间,能够在磷铜网表面制备出规整的Cu₂O纳米结构,从而为超疏水表面的大规模实际应用提供了借鉴和参考。
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  高频电刀电凝模式下304不锈钢和钨两种电极表面的组织粘附行为

  付和林,郝汝飞,郑靖,周仲荣

  中国表面工程. 2016, 29(3): 96-102.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.013

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  为探索电极材料熔点对电极表面组织粘附的影响,采用不同熔点的电极材料(304不锈钢和钨)对离体猪肝脏组织进行电切割试验,研究了电凝模式下电极表面的组织粘附行为。结果表明,在电切割过程中,低熔点的304不锈钢电极表面发生显微熔融、导致电极表面粗糙化,电极基体元素在粘附组织-电极界面出现扩散,粘附组织结合强度大于4.11 MPa;而高熔点的钨电极表面形态无明显变化,电极基体元素在粘附组织-电极界面没有出现扩散,粘附组织结合强度约1.65 MPa。进一步研究发现,钨电极表面粗糙度越大,粘附组织的结合强度越大,这间接证实电切割过程中304不锈钢电极表面显微熔融导致的表面粗糙化是其表面粘附组织结合强度明显大于钨电极的主要原因之一。可见,采用高熔点的电极材料能够避免电极表面显微熔融,从而减轻电极表面的组织粘附。
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  叶片表面硫化腐蚀层弧斑低温等离子体去除

  郎经纬,杜晓东,陈丰君,詹马骥,王夫成,周丹,刘光复

  中国表面工程. 2016, 29(3): 103-108.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.014

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  为研究空气压缩机叶片表面腐蚀层的弧斑低温等离子体去除,利用高温高压反应釜模拟压缩机叶片腐蚀环境条件,在FV(520)B不锈钢表面制备了H₂S腐蚀产物膜;利用玻恩-哈伯循环计算了硫化产物的晶格能,基于弧斑等离子体去除过程中能量计算探讨了腐蚀层去除机理;利用示波器、SEM、EDS等对放电过程的电压信号变化、处理后表面形貌、表面元素分布进行分析,研究了弧斑低温等离子体去除腐蚀层的过程、机制及电流对去除过程的影响。结果表明:表面硫化物层可在弧斑能量作用下脱离键合而去除;其去除过程分层进行,各层去除时的电压信号出现明显差异;弧斑低温等离子去除过程中,当电流为10、20和30 A时,去除时间为127、64和42 s,试样表面粗糙度分别为1.18、1.69和1.76 μm,表明电流增大能使去除效率提高,并使处理后试样表面粗糙度增加。
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  2A14铝合金表面纳米化对第二相颗粒的影响

  杨建海,张玉祥,葛利玲,张鑫,陈家照

  中国表面工程. 2016, 29(3): 109-115.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.015

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  为提高铝合金材料力学性能,采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对2A14铝合金进行表面纳米化处理,利用XRD、SEM和TEM等研究2A14铝合金表层第二相颗粒的弥散分布和形貌变化机理。结果表明:材料表面经强烈塑性变形形成约30 μm厚的纳米层和约120 μm厚的过渡层,表面纳米层晶粒尺寸为50~100 nm,表面显微硬度提高了1倍多,纳米层和过渡层中第二相颗粒得到细化,总体弥散分布比基体更加均匀,距表面距离越近,细化效果和总体弥散分布越好;在过渡层里部分第二相颗粒被亚晶界切分,在纳米层中第二相颗粒均被纳米晶包裹,第二相颗粒的边界与纳米晶晶界部分重合。第二相颗粒被纳米晶包裹影响纳米层晶界迁移机制,对材料表面性能的改善有积极意义。
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  孔挤压强化对Inconel 718高温合金疲劳性能的影响

  罗学昆,王欣,胡仁高,胡博,王强,宋颖刚,汤智慧

  中国表面工程. 2016, 29(3): 116-122.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.016

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  为了提高Inconel 718高温合金螺栓连接孔的疲劳抗力,研究了孔挤压强化对Inconel 718高温合金中心孔试样疲劳寿命的影响,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及金相显微镜等仪器对孔壁表面完整性进行分析,探讨了孔挤压强化机制。结果表明:1.90%挤压过盈量的中心孔试样的中值疲劳寿命是未强化试样中值疲劳寿命的1.16~4.79倍。与2.85%挤压过盈量的试样相比,1.90%挤压过盈量试样取得了更优的疲劳寿命增益效果。分析发现:经1.90%挤压过盈量的孔挤压强化后,孔壁表面完整性得到了显著改善,孔壁表面粗糙度下降了64.2%,孔边形成了较深的残余压应力场,孔边晶粒组织发生了明显的塑性变形,形成了组织强化层。表面完整性的改善对疲劳寿命的增益具有重要作用。
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  钛合金管内表面的电化学磁力研磨复合光整试验

  廖明,韩冰,陈燕,喻正好

  中国表面工程. 2016, 29(3): 123-131.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.017

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  针对热挤压成型对钛合金管的内表面会产生微裂纹、褶皱、毛刺等表面缺陷的问题,提出了一种高效率的电化学磁力研磨复合光整加工方法。设计了电化学磁力研磨复合光整加工的实验装置,分别与纯磁力研磨加工和纯电化学加工进行了光整加工试验对比,检测分析了不同工艺加工前后表面的粗糙度、微观形貌、摩擦磨损行为、表面残余应力和能量谱。结果表明:在相同的加工时间内,与单纯电化学加工和磁力研磨加工相比,电化学磁力研磨复合光整加工的表面粗糙度 Ra 可达到0.2 μm,材料去除量和加工效率显著提高;表面显微形貌要明显优于其他两种加工方式;且加工后表面很好地维持了原有材料的化学成分和表面性质;能够使表面由拉应力转变为约-200 MPa的压应力状态,从而获得更好的表面应力状态。
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  光纤阵列的超声椭圆振动辅助化学机械抛光

  陈涛,刘德福,佘亦曦,严日明

  中国表面工程. 2016, 29(3): 132-138.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.018

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  为了获得平整的光纤阵列端面,设计了一套超声椭圆振动辅助化学抛光系统,并进行常规化学机械抛光和超声椭圆振动辅助化学机械抛光的对照试验。结果表明,应用超声椭圆振动辅助化学机械抛光技术加工光纤阵列,选择合理的抛光工艺参数,可获得质量较好的光纤阵列端面,相比于常规化学机械抛光技术,光纤的表面粗糙度降低了25%。采用单因素试验法,分别研究了抛光粒子材料及抛光液酸碱性对于超声椭圆振动辅助化学机械抛光的作用效果,并利用Vecco表面轮廓仪对抛光后光纤阵列端面进行观察和分析。采用正交试验法获得了一组超声椭圆振动辅助化学机械抛光光纤阵列的优化工艺参数,最佳工艺参数组为:超声振动频率25 kHz,抛光液流量35 mL/min,抛光压力50 kPa,抛光盘转速20 r/min,抛光粒子质量分数0.5%。
中国学者海外论文摘要
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  热障涂层高温失效的有限元模拟计算取得进展

  王亮，王铀

  中国表面工程. 2016, 29(3): 139-139.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.03.019

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