中国表面工程

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李成新,王岳鹏,张山林,杨冠军,李长久

中国表面工程. 2017, 30(2): 1-19.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170106003

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等离子喷涂技术可以对陶瓷涂层的微观结构进行调控设计，因此在制备固体氧化物燃料电池方面具有独特的优势。基于等离子喷涂方法，可以直接制备或经过后处理获得致密的电解质涂层。采用等离子喷涂技术也可以制备高性能的多孔阳极和阴极，并可对钙钛矿结构阴极材料的成分和晶体结构进行调控。文中介绍了目前国内外采用涂层制备电池的方法，主要探讨了热喷涂方法制备电解质涂层的特点，对存在的问题和可行思路进行了讨论，并探讨了基于提高三相反应界面长度来制备高性能电极的方法。由于固体氧化物燃料全电池各功能层都有可能通过热喷涂方法制备，因此该方法在固体氧化物燃料电池结构设计具有巨大的潜力。

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锌锶共掺杂TiO₂多孔涂层的抗菌及生物相容性

王会珍,贺晓静,王若云,李建房,张翔宇,唐宾

中国表面工程. 2017, 30(2): 20-26.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161118001

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为改善钛的抗菌性能和生物活性，采用微弧氧化（MAO）技术在纯钛表面制备了锌掺杂TiO₂涂层（M-Zn）、锶掺杂的TiO₂涂层（M-Sr）和锌锶共掺杂TiO₂涂层（M-Zn/Sr）。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对制备的涂层的组织结构和成分进行分析；采用平板计数法研究了涂层的抗菌性能；利用细胞荧光染色和甲基噻唑基四唑（MTT）的方法探究了细胞在材料表面的生长状况。结果表明：形成的TiO₂涂层都是典型的多孔结构，主要由金红石和锐钛矿相组成，锌、锶的掺杂对涂层形貌影响不大。M-Zn/Sr涂层中锌、锶的原子数分数分别为7.9%和1.7%。M-Zn及M-Zn/Sr涂层大肠杆菌展现了良好的抗菌性能，抗菌率接近100%。M-Zn、M-Sr和M-Zn/Sr均能促进成骨细胞增殖，M-Zn/Sr涂层具有抗菌和细胞增殖的双重功能。

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氮气流量对AZ31B镁合金表面MAO/TiN涂层性能的影响

崔学军,魏劲松,宁闯明,金永中,林修洲

中国表面工程. 2017, 30(2): 27-34.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160917001

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为了提高镁合金的装饰性及耐腐抗磨性能，采用微弧氧化（MAO）和多弧离子镀技术制备了MAO/TiN复合涂层。利用SEM、XRD、纳米压痕仪及电化学工作站等考察氮气（N₂）流量对涂层结构及性能的影响。结果表明：随着N₂流量的增加，TiN涂层的颜色由淡黄色到金黄色再到红黄色变化，涂层表面的熔滴粒子数量增多，大尺寸颗粒数量减少，膜层更致密；涂层硬度和耐腐抗磨性能先增大后降低；当N₂流量为130 mL/min时，涂层表现出较高的硬度（13.6 GPa）、较低的磨损量（0.8 mg）和自腐蚀电流密度（约1.6 μA/cm²）。N₂流量通过控制涂层中N/Ti原子的比例决定了涂层的颜色、微结构、物相组成及性能，涂层内部的孔隙、微裂纹等结构缺陷是导致涂层耐腐抗磨性能较差的关键因素。

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微织构自润滑表面在油介质中的摩擦学性能

华希俊,解玄,张培耘,孙建国,王浩,符永宏

中国表面工程. 2017, 30(2): 35-40.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160810001

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为探究不同表面处理方式对试样表面摩擦学性能的影响，分别对GCr15试样表面进行激光微织构加工，光滑表面涂抹润滑油，微织构表面填充固体润滑剂，微织构表面涂抹润滑油，微织构表面填充固体润滑剂并涂抹润滑油等不同表面处理方式，在MMW-1A摩擦磨损机上进行摩擦磨损试验。同时改变试验的载荷及转速，探究在不同转速和载荷工况下，不同表面处理方式对试样摩擦因数的影响。结果表明，在干摩擦条件下，试样表面采用微织构处理并填涂固体润滑剂可使摩擦因数较光滑表面降低47.6%；在油介质中，采用微织构处理可使摩擦因数较光滑表面降低4.8%，采用微织构处理并填充固体润滑剂可使摩擦因数较光滑表面降低17.7%。且在油介质中，采用织构化处理和固体润滑结合的表面处理方法，试样摩擦因数随载荷增大而减少且逐渐趋于稳定，但随转速增大而增大。

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磨料水射流喷丸对渗碳GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响

邹雄,梁益龙,吴泽丽,秦少杰,胡君杰

中国表面工程. 2017, 30(2): 41-47.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161221001

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为研究后混合磨料水射流喷丸对渗碳后GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响规律，利用X射线应力衍射仪、粗糙度仪、显微硬度仪、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等分析了水射流喷丸强化对试样表面残余应力场、粗糙度、硬度、形貌、组织的变化规律，并用升降法测定了抛光及抛光+水喷丸两种状态下渗碳GDL-1钢拉压疲劳性能。结果表明：试样经水喷丸处理后，表面粗糙度有所增加，并且有磨料撞击形成的小凹坑及在表面残留有玻璃磨料，但同时表层脱碳层大部分被去除，硬度得到显著提升、残留奥氏体含量降低，晶粒得到细化，并且在表面形成一定深度的残余压应力层。经水喷丸处理的试样，其较未经水喷丸的疲劳极限提高了19%，且疲劳源全部在远离表面接近1/2R位置形成，这说明水射流喷丸在表层产生的高残余压应力和晶粒细化可以显著提高渗碳钢的疲劳性能。

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超声冲击强化对TC4钛合金拉压疲劳性能的影响

曹小建,片英植,金江,许罗鹏,王宠,王清远

中国表面工程. 2017, 30(2): 48-55.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160718001

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静荷载25 N、振幅30 μm、冲击数36 000次/mm²下对TC4钛合金去应力退火及固溶时效两种状态进行超声表面冲击强化处理，研究其对TC4拉压疲劳性能的影响。对处理后的微观组织、硬度、强塑性变形（SPD）层、残余应力、疲劳性能和断裂特征进行分析。结果表明：处理后在TC4表面均获得约40 μm深的强塑性变形层、表面硬度及残余压应力均被提高、表面粗糙度有较好的维持、两种状态的10⁸周次的疲劳强度分别提升7.0%和10.7%；10⁶周次前裂纹主要由表面萌生，10⁶周次后裂纹源核心表现为SPD层与核心之间的变形α相，其形状狭长且平行于试件边缘。建立经典材料力学模型对其轴向应力进行分析，有助于理解内部裂纹源。

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Cr基及其化合物过渡层对TiCN涂层性能的影响

李方正,王昆仑,赵继凤,郑小燕,辛艳青,杨田林

中国表面工程. 2017, 30(2): 56-62.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160923001

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为研究过渡层材料及结构对TiCN涂层性能的影响，设计3种Cr基及其化合物过渡层，利用多弧离子镀技术制备TiCN涂层。膜系分别为Cr/TiCN、Cr/CrN/TiCN和Cr/CrN/CrCN/TiCN。利用SEM、XRD、纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验机和球磨仪对涂层的微观结构和性能进行表征。结果表明：随着过渡层由单层Cr依次加入CrN和CrCN，涂层原有的柱状晶生长被抑制并最终消除。与具有Ti过渡层的TiCN相比，涂层不再具有明显择优取向，（111）峰强度大大减弱而（200）峰发生宽化。具有CrN和CrCN过渡层的样品硬度和附着力明显高于以单层Cr为过渡层的样品，Cr/CrN/CrCN/TiCN膜系硬度和附着力最高，分别为（30.11±0.34）GPa和（37.21±0.46）N。摩擦磨损试验结果表明：CrCN过渡层的引入显著提升了涂层耐磨性，其对应样品摩擦因数最低，达到0.111，并在球磨测试中表现稳定，而其它膜系均出现不同程度的磨损形貌。

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CrN/CrAlSiN涂层海水环境下的摩擦学性能

刘孟奇,郭惠霞,王永欣,李金龙,鲁侠

中国表面工程. 2017, 30(2): 63-70.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161204002

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为提高海洋装备摩擦零部件的摩擦学性能，采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrN/CrAlSiN涂层。通过XRD、XPS表征涂层的物相及成分，SEM和TEM表征涂层的形貌和微观结构，并用纳米压痕仪测试其硬度，采用摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦磨损性能进行测试。结果表明：CrN/CrAlSiN涂层的微观结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si₃N₄包裹CrN、AlN相，（111）择优取向最为明显；基于微观结构与CrN过渡层的设计，CrAlSiN涂层硬度高达35.5 GPa；较之于316L基底，涂层致密的结构使其在海水环境下表现出更好的耐腐蚀性能；在大气和海水环境下，CrN/CrAlSiN涂层的摩擦因数及磨损率均明显降低，在海水环境下达到最优。

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Mo离子注入和离子渗硫对TiN涂层微观结构和表面性能的影响

田斌,刘宝辉,孟春玲,侯媛媛,岳文

中国表面工程. 2017, 30(2): 71-78.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161114003

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为进一步改善氮化钛涂层的摩擦学性能，分别采用高剂量Mo离子注入和低温离子渗硫技术对TiN涂层表面进行处理。采用扫描电子显微镜（SEM）、光学形貌仪、扫描俄歇系统（SAM）、X射线衍射仪（XRD）和纳米压痕仪等分析TiN涂层处理前后的表面形貌、元素分布、微观结构和纳米硬度。利用球盘摩擦磨损试验机在干摩擦条件下考察涂层的摩擦学性能，并利用光学形貌仪和SEM进行磨损表面分析。结果表明，大剂量Mo离子注入后，TiN涂层表面Mo离子深度接近200 nm，涂层硬度明显降低，涂层磨损剧烈程度得到显著改善，磨损率和摩擦因数分别降低约35%和40%；低温离子渗硫复合处理后，TiN涂层表面溅射明显，Mo的深度降低约50%，摩擦学性能难以进一步明显改善。

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电镀镍及扩散预处理提高渗硼层韧性

邱万奇,熊成,贾磊,莫东强,孙歌

中国表面工程. 2017, 30(2): 79-84.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161020001

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渗硼层高温硬度高，抗氧化性能好，但脆性大，提高渗硼层韧性是扩展实际工程应用的关键。文中在45CrNiMoV钢基体上采用电镀镍+高温扩散预处理，在表层形成γ-（Fe，Ni）层后，再用固体渗硼法制备出含镍渗硼层，并与直接渗硼层进行对比。用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和显微压痕法对镀镍渗硼层的截面形貌，组织结构及硬度分布和断裂韧性进行了研究。结果表明：电镀镍+扩散预处理能显著提高渗硼层的断裂韧性，淬火+低温回火热处理几乎不影响镀镍渗硼层断裂韧性，而对直接渗硼层则有显著降低。镀镍渗硼层中的γ-（Fe，Ni）相能有效缓解冲击载荷，提高渗层断裂韧性。

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电解二氧化锰复合涂层修饰钛基阳极的制备与性能

温玉清,尚伟,谢宝慧,何楚斌,王媛媛,孔丹

中国表面工程. 2017, 30(2): 85-91.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160830006

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在电解二氧化锰体系中，使用的阳极板通常具有易变型，电流密度低，电耗高等缺点。为了解决这些问题，文中选用工业纯钛作为基体，二氧化锰和二氧化锡作为复合活性涂层，采用简易的热分解方法制备出钛基复合涂层阳极。通过SEM测试涂层表面形貌，发现该阳极的涂层致密、呈较平整的层状。采用循环伏安曲线测试并计算积分面积和极化曲线对涂层配方进行研究，发现烧结温度为450℃，锡/锰比为6：4时的阳极性能最优。与铅阳极和铅银合金阳极对比，用该复合涂层阳极电解得到的二氧化锰纯度更高，但其槽压比其它阳极低了约0.2 V左右，电流效率得到了提高，从而节约了电解过程中的能耗。因此，该复合涂层阳极适合做大型电极的阳极板。

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电沉积非晶态Fe-Co-Ni-P镀层的制备及性能

罗婵媛,纪秀林,李泽

中国表面工程. 2017, 30(2): 92-97.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161011001

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通过改变镀液中H₃PO₃的添加量（15~40 g/L）制备不同P含量的Fe-Co-Ni-P镀层，采用XRD衍射仪、交流阻抗谱和超声波气蚀试验，分别研究和分析了P含量对镀层的结构以及腐蚀、气蚀性能的影响。结果表明：该四元合金镀层基本都为非晶态。随着合金镀层中P含量增加，镀层表面的胞状组织越来越细密，其耐腐蚀性能逐渐增强。当镀液中H₃PO₃添加量为40 g/L时，镀层的耐腐蚀性能最好。当镀液中H₃PO₃为15 g/L时，交流阻抗谱表现出Warburg阻抗的特征，溶液状态由电荷迁移、扩散以及化学反应混合。当镀液中H₃PO₃为20~40 g/L时，镀层的交流阻抗谱都只有一个容抗弧，表现出一个时间常数特征，且电极过程存在扩散受阻的现象。当镀液中H₃PO₃为40 g/L时，拟合的等效电路中的镀层电荷转移电阻Rf达到最大值3 494 Ω·cm²。且当镀液中H₃PO₃的添加量为40 g/L时，其镀层抗气蚀性能也最好。

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聚多巴胺修饰六方氮化硼及其环氧复合涂层的腐蚀行为

任思明,崔明君,赵海超,王立平

中国表面工程. 2017, 30(2): 98-105.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161222001

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为了提高六方氮化硼在溶剂和有机涂层中的分散并探究其对环氧涂层耐蚀性能的影响，采用聚多巴胺（PDA）修饰六方氮化硼改善其在溶剂和环氧涂层中分散性的方法，通过SEM、TEM、XPS、Raman、TG表征了改性六方氮化硼的形貌、化学组成和热稳定性；除此之外，采用电化学方法研究了改性六方氮化硼掺入环氧复合涂层在3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明：与环氧涂层相比，h-BN@PDA/环氧复合涂层在长效腐蚀测试过程中表现出更正的腐蚀电位（-0.1 V）、高的阻抗模值和涂层阻抗值（~10¹⁰ Ω·cm²）、低的特征频率值（~0.1 Hz）；且金属基底表面无明显腐蚀，显示优异的抗腐蚀性能。这主要是因为纳米层状六方氮化硼的添加可以降低涂层的孔隙率并且能够延缓腐蚀介质的渗入，进而提高了其耐腐蚀性能。

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添加CeO₂对MoS₂基复合涂层摩擦学性能的影响

邱明,张瑞,李迎春,周占生

中国表面工程. 2017, 30(2): 106-112.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170108001

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针对MoS₂基复合涂层耐磨性差和承载能力低的问题，以不同含量（质量分数）的CeO₂作为添加剂，采用喷涂法在GCr15钢表面制备MoS₂基复合涂层。利用摩擦磨损试验机和划痕仪分别研究涂层摩擦磨损性能和结合强度，并借助金相显微镜对涂层磨损形貌进行表征。结果表明：添加适量CeO₂可以改善涂层的摩擦磨损性能，其最佳含量为2%，此时摩擦因数和磨损量均最小，分别为0.232和0.011 3 mm³；同时结合强度从22 N提高到28.29 N。涂层磨损量随载荷的增大而增大；而载荷小于8 N时，涂层的摩擦因数随载荷的增大而减小，当载荷大于8 N时，摩擦因数又有回升趋势。添加稀土后涂层的承载能力有明显提高。未添加稀土时，涂层产生严重剥离，并发生磨粒磨损；添加2% CeO₂后，涂层发生轻微磨粒磨损，耐磨性得到显著提高。

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AZ31B镁合金表面火焰喷涂Al-Mg₂Si涂层的耐腐蚀性能

范春,龙威,周小平

中国表面工程. 2017, 30(2): 113-118.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160830002

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为提高AZ31B镁合金表面的耐腐蚀性能，用火焰喷涂方法在镁合金表面制备Al-Mg₂Si复合涂层。采用XRD、SEM和EDS分析涂层的物相组成、微观组织及元素分布；通过电化学试验测试样品在3.5% NaCl溶液中的腐蚀电位、腐蚀电流密度；通过3.5% NaCl溶液浸泡试验测试样品的腐蚀速率；并测试涂层的显微硬度。结果表明：涂层中的主要物相有Mg₂Si、Al，组织比较致密，元素分布均匀。Tafel极化曲线测试表明，Al-Mg₂Si涂层样品与AZ31B镁合金样品相比腐蚀电位从-1.489 V正移到-1.366 V，腐蚀电流密度从2.817×10^-3 A/cm²降低到1.198×10^-3 A/cm²。浸泡试验结果表明，喷涂Al-Mg₂Si的镁合金的腐蚀速率明显低于没有喷涂的镁合金。显微硬度测试表明，涂层的显微硬度集中分布在259~308 HV_0.05之间，镁合金为50~60 HV_0.05。因此在AZ31B镁合金表面火焰喷涂Al-Mg₂Si涂层可以提高其耐腐蚀性能，表面硬度显著提高。

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纳米和微米ZrB₂-SiC粉末对涂层高温抗氧化性能的影响

李文生,张一,冯力,安国升,王磊,王裕熙

中国表面工程. 2017, 30(2): 119-127.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161130001

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选用纳米团聚粉末和常规微米商用ZrB₂-SiC粉末，利用超音速等离子喷涂在310S耐热不锈钢基体上制备高温抗氧化ZrB₂-SiC复合涂层。采用XRD、SEM、EDS分析涂层组织结构；拉伸法测定涂层结合强度；静态高温氧化法表征涂层抗高温氧化性能。优化了喷涂距离，研究纳米和微米ZrB₂-SiC粉末对涂层形貌、组织结构及性能的影响。结果表明：纳米团聚粉末（n-ZS）涂层表面孔隙和微裂纹较微米商用粉末（m-ZS）涂层大幅减少，涂层更为致密；n-ZS涂层结合强度达到44.6 MPa，较m-ZS涂层提升了约67%；经过1 100℃、50 h的高温氧化试验，n-ZS涂层增重明显低于m-ZS涂层，氧化倾向低，具有更好的高温抗氧化能力。

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4Cr13钢基表面SiC/Ta复合涂层的制备及摩擦磨损性能

王荣,刘小萍,郑可,高洁,鲁明杰,黑鸿君,于盛旺

中国表面工程. 2017, 30(2): 128-133.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161202002

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针对马氏体不锈钢的表面耐磨性不能满足应用需求，且在钢基表面直接制备SiC涂层会产生与基体结合不良的问题，采用双辉等离子表面冶金技术在4Cr13马氏体不锈钢表面制备SiC/Ta复合涂层，对涂层的组织结构、表面硬度、结合强度和摩擦磨损性能进行研究。结果表明，所制备的SiC/Ta复合涂层厚5~6 μm，由SiC、Ta、Ta₂C和TaC相构成。SiC/Ta/基体各层间以扩散连接，与基体结合良好。经双辉等离子表面冶金技术处理后，表面显微硬度由基材的279 HV_0.2提高到1 738 HV_0.2。4Cr13不锈钢的摩擦学性能也得到明显改善，摩擦因数比基材的平均摩擦因数降低了0.32，磨损率是基材磨损率的4%。

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激光增材制造H13钢及回火处理的组织和性能

严凯,陈长军,张敏,秦兰兰,王晓南,邹涛

中国表面工程. 2017, 30(2): 134-142.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160624001

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利用激光增材制造技术成功制备了H13钢，并研究了回火处理对其显微组织和性能的影响。通过光学显微镜、SEM以及XRD衍射仪对各试样进行分析。结果表明，激光增材制造H13钢显微组织主要为马氏体、残余奥氏体以及细小碳化物，回火处理使得马氏体向回火马氏体转变，同时有细小合金碳化物析出。当回火温度超过550℃时，碳化物开始粗化。随回火温度升高，显微硬度呈先升后降的趋势。550℃回火后，试样硬度达到峰值600 HV_0.3。摩擦磨损测试结果表明，不同处理状态下各试样主要以粘着磨损为主，同时包含轻微氧化磨损。与沉积态试样相比，550℃回火后，试样耐磨性提高了2倍；650℃回火2 h后，由于基体软化，试样的耐磨性能最差。拉伸测试表明，当回火温度低于550℃时，断口主要以解理断裂为主，550℃回火时抗拉强度最大，为1 928.2 MPa，延伸率为6.4%；当回火温度升高到600~650℃时，断口呈现出韧性断裂，抗拉强度降低，延伸率增大。

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镍基合金断弧脉冲氩弧焊堆焊层组织及腐蚀磨损性能

孟令东,谭俊,臧艳,郑晓辉,张庆

中国表面工程. 2017, 30(2): 143-150.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161008002

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采用断弧脉冲氩弧焊技术，在38CrSi钢表面堆焊ERNiCr-3镍基合金，表征了堆焊层显微组织与相结构，通过人工海水腐蚀环境下的腐蚀磨损试验，测定了电位随时间变化曲线以及腐蚀磨损各分量数值，探讨了涂层表面腐蚀磨损性能以及腐蚀与磨损间的交互作用。结果表明：堆焊层表面呈细小的柱状晶奥氏体组织，热影响区与熔合区的宽度分别约150和200 μm，说明基于“一脉一弧”新型电弧特性的断弧脉冲氩弧焊技术，能够实现较小热影响区的冶金结合。镍基合金堆焊层腐蚀与磨损之间，磨损促进腐蚀量为腐蚀磨损交互作用失重的0.12%，说明磨损对腐蚀的促进作用很小；腐蚀促进磨损量占磨损分量的34.88%，说明腐蚀对磨损的促进作用较大。镍基合金堆焊层腐蚀磨损试验的电位随时间呈上升趋势，说明钝化膜破损后的再形成能力提高了其在人工海水中的耐腐蚀磨损性能。镍基合金堆焊层表层金属脆性剥离区域有明显的Cl和O元素分布，说明氯脆是导致堆焊层腐蚀磨损的重要原因之一。

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2017年, 第30卷, 第2期　刊出日期：2017-02-19

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