2016年, 第29卷, 第5期　刊出日期：2016-05-19

  

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特邀论文
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  C_n团簇注入制备石墨烯的研究进展

  王泽松,李慧,付德君

  中国表面工程. 2016, 29(5): 1-15.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.001

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  石墨烯是碳原子构成的单层二维晶体，在高频电子学和光电子器件领域具有广泛应用前景，厚度可控的大面积石墨烯的制备是实现规模化应用的前提。文中在介绍现有石墨烯制备技术优缺点的基础上，重点介绍了近几年离子注入过渡金属镍制备石墨烯的研究成果。研究表明：在低能碳团簇C_n注入制备石墨烯的过程中，离子能量、注入剂量、团簇尺寸、基体材料特性和退火条件是影响石墨烯物理性质的重要因素。团簇离子注入在基体表层引起的辐照损伤具有非线性效应，精确控制剂量的C_n团簇注入到基体中主要起到提供可控掺杂碳源的作用，高质量石墨烯的合成需要进行多晶基体预热处理以减少晶界密度，同时需采取精细的后续热处理工艺，控制碳原子在基体表面横向扩散和偏析，以满足石墨烯形核生长的关键条件。
表面工程
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  电火花沉积制备Fe-8B-Mo非晶涂层的可行性

  魏祥,陈志国,钟掘,黄奇胜,张怡,张雨龙

  中国表面工程. 2016, 29(5): 16-23.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.002

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  为研究Fe-8B-Mo合金的非晶形成能力，采用电火花沉积工艺制备了4种Fe-8B-xMo（x=13.62，23.62，33.62和43.62，w/%）合金涂层。通过X射线衍射仪（XRD）表征涂层的物相组成，探索获得非晶涂层的可行性，并采用扫描电镜（SEM）、显微硬度测试及摩擦磨损试验进一步研究所得涂层的微观组织与性能。结果表明：4种涂层都由非晶相、马氏体相和Fe₂B相组成，其中，13.62% Mo涂层主要含Fe₂B相和马氏体相，而23.62% Mo、33.62% Mo和43.62% Mo涂层主要含非晶相，且随着Mo含量的增加，涂层中非晶相含量逐渐减少。4种涂层的组织结构致密，缺陷少，与基体呈良好的冶金结合。23.62% Mo涂层具有最大的峰值显微硬度（1 138.1 HV_0.05）；同时，该涂层在摩擦磨损的稳定阶段具有最小的平均摩擦因数，且其2 h的磨损质量也最小，表现出更好的摩擦磨损性能。4种涂层的磨损机制均为磨粒磨损和疲劳磨损。
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  脉冲电沉积对低温气体渗氮及耐蚀性能的影响

  张国松,崔洪芝,张洪云,温敬,王珂,王伟

  中国表面工程. 2016, 29(5): 24-33.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.003

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  利用脉冲电沉积（PED）预处理，在纯铁和45钢表面形成由厚度50 nm左右的片状结构组成的含Cr、Ni预处理层，然后再在480℃进行9 h气体渗氮。采用扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）对预处理层和氮化层的表面形貌和成分进行表征，采用X射线衍射（XRD）对氮化层进行物相分析，结果表明：通过脉冲电沉积预处理，纯铁和45钢都实现了低温、快速气体渗氮。通过硬度测量及电化学方法测试表明，脉冲电沉积预处理不仅提高了气体渗氮后纯铁及45钢表面硬度，改善了脆性，引入的Cr、Ni元素及Ni-Cr-Fe合金层还提高了氮化层的耐蚀性能。
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  多巴胺修饰PEEK及其表面化学镀铜

  胡佳勋,吴叔青

  中国表面工程. 2016, 29(5): 34-40.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.004

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  文中报道了一种借助多巴胺在PEEK表面化学镀铜的方法。首先通过非溶剂致相分离法对PEEK表面进行粗化，形成网络状孔洞，然后借助多巴胺的自身氧化聚合在PEEK表面包覆聚多巴胺层，利用聚多巴胺对银离子的吸附和原位还原作用在PEEK表面沉积纳米银颗粒，纳米银颗粒作为催化中心催化化学镀铜反应的进行，从而在PEEK表面镀覆金属铜层。通过SEM、EDS、接触角测试、XRD表征复合材料的形貌、化学组成、润湿性和结晶形态，通过胶带剥离实验评估镀层结合力，使用四探针测试仪测量镀层的方块电阻。结果表明，纳米银可以有效地催化PEEK表面的化学镀铜反应，且镀液稳定，铜层与PEEK的结合力达到5B级；施镀时间为60 min时，由断面图测得的镀层厚度约为3.5 μm，方块电阻低至19 mΩ/□。
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  30CrMnSiNi2A钢紧固件磁控溅射铝膜的腐蚀和氢脆性能

  胡芳,代明江,侯惠君,林松盛,韦春贝,石倩

  中国表面工程. 2016, 29(5): 41-48.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.005

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  为提高30CrMnSiNi2A螺栓紧固件的耐腐蚀性能，采用磁控溅射技术在30CrMnSiNi2A试样和螺栓表面制备铝薄膜。采用SEM观察铝膜层的微观形貌。选取与镀铝薄膜厚度相同的氰化镀锌试样为对比件，采用电化学工作站和中性盐雾试验测试薄膜的耐腐蚀性能；采用氢脆试验测试基体和镀铝后处理试样的氢脆性能。结果表明：螺栓表面铝薄膜的厚度为7.26~10.47 μm，厚度不均匀性为±17.2%；镀铝薄膜的螺栓耐盐雾腐蚀性能比氰化镀锌的耐腐蚀性能好；化学转化后处理和喷丸+化学转化复合后处理的镀铝螺栓的耐盐雾腐蚀性能优异，自腐蚀电流与30CrMnSiNi2A基体相比下降了1~2个数量级；磁控溅射镀铝薄膜和后处理工艺对30CrMnSiNi2A钢基体的氢脆性能没有影响。
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  Al/Cr原子比对AlCrTiSiN多元复合刀具涂层微观结构及切削性能的影响

  董标,毛陶杰,陈汪林,蔡飞,王启民,李明喜,张世宏

  中国表面工程. 2016, 29(5): 49-55.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.006

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  AlCrTiSiN多元复合涂层能显著改善刀具的表面特性，可大幅提高刀具的切削性能，延长刀具使用寿命。在高速钢样品和铣刀表面通过多弧离子镀制备AlCrTiSiN多元复合涂层，并研究了Al/Cr原子比对AlCrTiSiN多元复合涂层微观结构及切削性能的影响。采用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、纳米压痕仪、划痕仪和球盘摩擦磨损试验对涂层的微观结构和力学性能进行研究，并通过切削试验对涂层刀具的寿命进行测试。研究结果表明：当Al/Cr比为0.4时，AlCrTiSiN涂层物相由fcc-AlCrN，fcc-AlTiN，hcp-AlN和非晶态Si₃N₄相组成，涂层呈现（200）AlCrN择优取向；随Al/Cr比由0.4降低至0.2时，涂层物相由fcc-AlCrN，fcc-AlTiN，hcp-Cr₂N和非晶态Si₃N₄相组成，（200）AlCrN择优取向消失。随Al/Cr比由0.4降低至0.2时，AlCrTiSiN涂层硬度和结合力增加，摩擦因数和磨损率降低，与另两组相比，AlCrTiSiN-3涂层具有较好的抗摩擦磨损性能，其涂层刀具具有相对较高的切削寿命。
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  脉冲峰值电流对HIPIMS/DCMS共沉积制备AlCrTiN涂层性能的影响

  贵宾华,周晖,郑军,张延帅,杨拉毛草

  中国表面工程. 2016, 29(5): 56-65.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.007

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  利用HIPIMS与DCMS共沉积技术制备AlCrTiN复合硬质涂层，通过调控AlCr靶脉冲峰值电流来制备不同峰值电流下的AlCrTiN涂层。采用XRD、SEM等分析手段表征不同峰值电流下AlCrTiN涂层的组织结构及微观形貌；通过纳米压痕、真空退火、高温摩擦磨损试验分析涂层的力学性能、热稳定性能及摩擦学性能。结果表明：AlCrTiN涂层为典型的面心立方结构，随峰值电流的增加，（111）及（200）晶面呈现竞争生长的状态；随真空退火温度上升，各涂层硬度值出现明显下降。1 000℃退火后，各涂层硬度维持在17 GPa附近；随摩擦环境温度的上升，各涂层摩擦因数整体呈下降趋势；280 A所制备涂层因高温抗氧化性能及磨屑排出能力的不足导致其高温磨损率迅速增加，800℃下其磨损的主要形式为氧化磨损和粘着磨损。
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  稀土含量对Ca-P陶瓷涂层组织及细胞相容性的影响

  白杨,刘其斌,徐鹏,朱益志,张时维

  中国表面工程. 2016, 29(5): 66-71.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.008

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  利用激光熔覆技术在医用钛合金表面制备一层梯度Ca-P陶瓷涂层，并研究了La₂O₃含量对其微观组织结构及细胞相容性的影响。通过OM，XRD，SEM，MTT法及倒置荧光显微镜对Ca-P陶瓷涂层的结合界面、物相、表面形貌，细胞活性及细胞生长形态进行分析。结果表明：Ca-P陶瓷涂层主要含有CaTiO₃、HA、TiO₂、β-TCP等物相。当Ca-P陶瓷涂层中La₂O₃质量分数为0.6%时，在2θ为32~33°附近其XRD图谱中羟基磷灰石（HA）的特征峰较高，表明其生成的生物活性相最多。并且其在模拟体液（SBF）浸泡14天后的表面上生成的HA最多，分布最广。细胞试验表明当La₂O₃质量分数为0.4%~0.6%时，梯度生物陶瓷涂层具有较佳的细胞相容性，有利于细胞的稳定增殖与生长。
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  激光离散淬火对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

  曹熙,王文健,刘启跃,朱旻昊

  中国表面工程. 2016, 29(5): 72-79.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.009

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  在MJP-30A型滚动接触疲劳试验机上进行激光离散淬火处理前后的轮轨试样的摩擦磨损试验，研究了激光离散淬火处理对轮轨材料的磨损与损伤性能的影响。结果表明：经激光离散淬火后得到致密的马氏体，对轮轨材料的表面硬度具有明显的增强作用，车轮和钢轨试样的表面硬度分别提高了约191.1%和214.5%；轮轨试样经激光离散淬火处理能显著提高轮轨材料的耐磨性，对均经处理的轮轨材料进行实验，发现车轮试样磨损率降低约20.5%，钢轨试样降低约21.9%；而单一处理轮轨试样能大幅降低处理试样的磨损，但其对摩副的磨损有小幅增加；未经处理轮轨试样表面损伤严重，主要表现为剥落损伤；激光离散淬火处理后轮轨试样表面损伤减轻，以小块剥落为主要的磨损形式；淬火区之间的基体表面以剥落损伤为主并伴随一定的疲劳磨损。激光离散淬火处理后轮轨材料组织的抗变形能力得到大幅提高，且淬火区能抑制基体材料的塑性变形。
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  皮秒光纤激光器诱导不锈钢表面着色工艺

  吴勇华,杨保平,刘忠念,黄雪雄

  中国表面工程. 2016, 29(5): 80-86.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.010

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  利用皮秒激光在304不锈钢上进行着色试验研究，分析了皮秒激光对不锈钢表面着色的周期性表面条纹结构机理，分别研究了扫描线间距、激光功率、扫描速度和离焦量等激光工艺参数对着色效果的影响。结果表明：改变扫描速度、线间距和功率均能对着色效果产生很大影响，最佳速度为90~300 mm/s，最佳线间距为0.003~0.01 mm，功率为30%~70%，并且三者对着色有近似的影响效果；而改变离焦量对着色效果的影响没有线间距、功率和速度三者显著。在此基础上，获得了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫对应较为合理的皮秒光纤激光加工参数。腐蚀性试验表明，未着色试样的腐蚀率是着色试样的3倍。
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  煤油流量对HVOF铁基非晶涂层组织与性能的影响

  龚玉兵,王善林,聂贵茂,李宏祥,陈玉华

  中国表面工程. 2016, 29(5): 87-94.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.011

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  以工业原材料制备的FeCoCrMoCBY非晶粉末为喷涂材料，采用超音速火焰喷涂（HVOF）制备铁基非晶合金涂层。通过Ｘ射线衍射仪（XRD）、差示扫描热仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）、维氏显微硬度计等测试方法，探讨煤油流量对涂层显微组织、微观结构及显微硬度的影响，并分析涂层与316 L不锈钢在1 mol/L HCl溶液中的动态极化特征。结果表明：涂层与基体结合良好，呈现典型的层状结构，非晶含量高，表现出比316 L不锈钢更高的耐腐蚀性能。其它参数一定时，煤油流量越高，涂层致密度越高，非晶含量先增多后减少，显微硬度先增大后减小；当氧气流量为50 m³/L，煤油流量为26 L/h时，涂层非晶含量最高，为99.4%，孔隙率为1.51%，自腐蚀电流密度低，为5.62×10^-6 A/cm²，自腐蚀电位为-0.36 V，耐腐蚀性能表现最佳。
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  CNTs含量对微弧等离子喷涂CNTs/AT40涂层力学性能的影响

  刘顾,汪刘应,葛超群,蔡叶平

  中国表面工程. 2016, 29(5): 95-101.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.012

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  采用微弧等离子喷涂成功制备了CNTs/Al₂O₃-40% TiO₂复合吸波涂层，借助扫描电镜、X射线衍射仪、拉伸试验机、显微硬度计等测试手段，对涂层的组织结构、结合强度、显微硬度和热震性能进行了测试分析。结果表明：涂层组织结构致密，孔隙率低；CNTs的含量对复合涂层的力学性能有较大影响，随CNTs含量的增加，CNTs/AT40复合涂层的结合强度、显微硬度和热震性能都先增大后减小。CNTs质量分数为3%时，平均结合强度最高，厚度0.5 mm时结合强度为32.08 MPa，比AT40涂层的结合强度24.09 MPa提高了33.2%，平均显微硬度为821.6 HV_0.1，比AT40涂层提高了20.4%，厚度2.0 mm时热震次数为63次，比AT40涂层增加了16%。
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  电弧喷涂Fe-Cr-B涂层的钨极氩弧重熔处理

  蹤雪梅,王井,员霄,李稳,王光存

  中国表面工程. 2016, 29(5): 102-108.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.013

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  采用高速电弧喷涂技术及钨极氩弧重熔技术分别制备Fe-Cr-B喷涂层及其重熔层，采用X射线衍射仪、金相显微镜、X射线残余应力测试仪、显微硬度仪、动载磨料磨损试验机、扫描电子显微镜分别对喷涂试样及重熔试样的相结构、微观组织、残余应力、纵截面硬度、耐磨性及磨损表面形貌进行观察与测试。结果表明，重熔处理后，电弧喷涂Fe-Cr-B涂层的组成由Fe基非晶和硼化物相转为Cr₂B、（Cr，Fe）₂B、α-Fe相，涂层与基体由机械结合转为冶金结合，重熔试样由表层至基体的显微组织分别是初生硼化物以及共晶组织、共晶硼化物+马氏体+奥氏体、初生奥氏体以及共晶组织、热影响区组织。重熔处理后，涂层显微硬度由689 HV_0.1上升为960 HV_0.1，磨损失重率由0.088 g/（cm²×min^-1）降为0.004 6 g/（cm²×min^-1）。喷涂层的磨粒磨损机制主要是微断裂，重熔层的磨粒磨损机制主要是变形磨损和微切削。
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  磷酸盐浓度对5083铝合金微弧氧化膜组织与耐腐蚀性能的影响

  王红美,尹艳丽,杜军,邱骥,马世宁

  中国表面工程. 2016, 29(5): 109-115.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.014

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  为研究电解液浓度对微弧氧化的影响规律，在磷酸钠电解液中采用恒压模式对5083铝合金进行微弧氧化，采用场发射扫描电镜、划痕仪以及电化学工作站等研究了电解质浓度对膜层生长速率、组织成分、膜基结合强度以及耐腐蚀性能的影响。结果表明：随着磷酸钠浓度的增大，氧化膜厚度线性增加，膜层表面的“火山堆积”状形貌特征愈发明显，但浓度过大时氧化膜出现局部不均匀堆积及较大孔洞，其对氧化膜成分影响不明显；氧化膜与基体结合良好，且随着浓度增加结合强度出现先增后减的趋势。当磷酸钠浓度为10 g/L时，氧化膜的自腐蚀电流最低，为2.96×10^-8 A/cm²，比铝合金基体降低了1个数量级，表现出良好的耐腐蚀性能。
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  4043/6061铝合金-Q235钢的反应润湿行为与前驱膜形成机制

  靳鹏,林巧力,曹睿,陈剑虹

  中国表面工程. 2016, 29(5): 116-121.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.015

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  铝在钢表面的润湿行为及润湿性直接关系到热浸铝工艺所制备涂层的质量。采用座滴法在高真空条件下研究了熔融4043和6061铝合金分别在Q235钢表面的润湿行为及界面结构。结果表明：4043/6061铝-Q235钢为典型的反应润湿体系，且润湿性随着温度的升高而改善。反应过程中生成的金属间化合物替代基板表面的氧化膜，形成洁净的界面进而促进熔滴铺展。铝合金化学成分不同导致界面结构不同，进一步导致铺展动力学规律不同，其中6061和4043铝合金在Q235钢表面润湿的活化能分别为86 kJ/mol和8 kJ/mol。6061铝合金中Mg的挥发可以还原钢表面的氧化膜，使铝熔滴更容易润湿钢板并形成前驱膜，其形成机制为“皮下渗透机制”。4043铝合金中的Si在固-液界面有较高的亲和力，因此在反应层出现了明显的Si富集。
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  FeNi合金镀铁缸套的摩擦磨损性能

  金梅,韩晓光,董文仲,沈岩,朱峰,徐久军

  中国表面工程. 2016, 29(5): 122-128.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.016

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  采用对置往复式摩擦磨损试验机，选用CKS活塞环为配副，以摩擦因数、磨损量、断油摩擦时间为表征参数，以BP合金铸铁缸套为参照对象研究FeNi合金镀铁缸套的摩擦磨损性能，探索FeNi合金镀铁缸套的磨损机制。逐级加载的磨损试验表明：FeNi合金镀铁缸套的摩擦因数较BP合金铸铁缸套增大11%~20%；而磨损量则降低了11%；贫油试验表明两种缸套拉缸时间均随载荷增大而缩短，在40 MPa时FeNi合金镀铁缸套的拉缸时间较BP合金铸铁缸套延长了约6.5倍。与BP合金铸铁缸套的磨损机理为基体碾压平台在反复接触应力作用下脱落，以及犁削/切削形式的磨粒磨损不同，FeNi合金镀铁缸套的磨损机理主要是网状裂纹周围镀铁层的疲劳剥落。
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  超声表面滚压处理铝合金钻杆的高温摩擦学性能

  梁健,岳文,孙建华,侯斌斌,尹浩,刘俊秀

  中国表面工程. 2016, 29(5): 129-137.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.017

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  为了提高铝合金钻杆的耐磨性，利用超声表面滚压技术（USRP）对2219铝合金钻杆材料进行表面强化处理。采用透射电子显微镜（TEM）表征了USRP处理后铝合金的晶粒大小，采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和显微硬度计测量了强化层的微观形貌、相组成和显微硬度，并利用高温摩擦磨损试验机评价了试样的摩擦学性能，对磨副为玛瑙球。结果表明，经USRP处理后2219铝合金表面形成了纳米晶和厚度约500 μm的塑性强化层，表面硬度由120 HV_0.05提高至190 HV_0.05。随着摩擦磨损试验温度的升高，未处理试样和USRP试样的平均摩擦因数和磨损率都逐渐增大。在相同试验温度下，USRP试样的平均摩擦因数和磨损率均小于未处理试样的。未处理试样和USRP试样的磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损。
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  碳纤维/树脂基复合材料高速铣削的刀具磨损机理

  林有希,禹杰,林华

  中国表面工程. 2016, 29(5): 138-145.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.05.018

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  采用涂层（TiCN，TiAlN）与无涂层超细晶粒硬质合金立铣刀对碳纤维/树脂基复合材料进行高速铣削试验，研究了刀具后刀面磨损带扩展及刀具磨损规律，并探讨了切削力、毛刺随着刀具磨损的变化趋势，观察了刀具的微观磨损形貌，分析了刀具的磨损机理。结果表明：在相同的切削条件下，无涂层刀具的后刀面磨损量及切削力最大，毛刺扩展严重，后刀面主要发生磨粒磨损，由于黏着磨损和氧化磨损对切削刃的弱化作用，主切削刃发生了微崩刃；TiCN 涂层刀具后刀面主要发生磨粒磨损，并伴随有黏着磨损和轻微的氧化磨损，失效形式为剥落和微崩刃；TiAlN 涂层刀具的后刀面磨损量及切削力最小，毛刺扩展缓慢，更适合碳纤维复合材料的加工。其后刀面主要发生了磨粒磨损，其失效形式为剥落。