2017年, 第30卷, 第5期 刊出日期:2017-05-19
  

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    表面工程
  • 时龙,辛丽,王福会,陈庆,田爱华,吕雪飞
    中国表面工程. 2017, 30(5): 1-9.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170511001
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    为了研究纳米化对DD98M合金热腐蚀行为的影响,采用磁控溅射的方法制备了与其成分相同的纳米晶涂层。运用XRD、SEM/EDS、TEM分别分析了涂层的结构和热腐蚀性能。结果表明:沉积态的纳米晶涂层呈柱状晶结构,有大量沿沉积方向的柱状晶界,晶粒宽度为30~100 nm。涂层为单一的γ相且具有明显的(111)择优取向。在900 ℃Na2SO4+25%K2SO4以及Na2SO4+25%NaCl盐中,DD98M合金在5 h内就发生了严重腐蚀。纳米晶涂层在熔融Na2SO4+25%K2SO4中表现出了良好的热腐蚀性能,但在Na2SO4+25%NaCl盐中,纳米晶及其预氧化涂层对DD98M合金的抗热腐蚀性能的提高并不明显。纳米晶促进了涂层表面Al2O3膜在空气中和熔融Na2SO4+25%K2SO4盐中的快速形成,显著提高了DD98M合金在硫酸盐中的抗热腐蚀性能,预氧化处理则使涂层的抗热腐蚀能力进一步提高。
  • 龚小玲,聂朝胤,金秋,周阳
    中国表面工程. 2017, 30(5): 10-16.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170204001
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    为了研究深冷处理后GLC多层薄膜界面结构及结合强度的变化,采用非平衡直流磁控溅射技术,在W9高速钢上沉积了含GLC功能层、Cr/C梯度层及Cr底层的类石墨碳多层薄膜,厚度约为4 μm。采用液氮(-197 ℃)对GLC/高速钢复合体系进行深冷处理,借助XPS、SEM及TEM表征了GLC薄膜的表面、断面结构及界面微观组织;采用洛氏硬度仪定性考察了薄膜的膜基结合强度。结果表明:复合体系经深冷处理后除基体的硬度及承载能力得以提高外,多层膜各层及基体中裂纹的萌生及传播受到抑制,界面结合强度明显增强。其作用机理在于深冷处理后,Cr底层的柱状晶结构被“打破”,纤维状结构消除,组织更加致密均匀;同时,Cr/C梯度层中Cr晶粒碎化平均尺寸由20 nm减小为5 nm,达到细晶强化效果。因此,膜基及层间界面结构得以改善,界面失配减小,基体及多层膜各层间的变形协调性能增强。
  • 冯长杰,陈恩
    中国表面工程. 2017, 30(5): 17-27.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170407004
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    采用电弧离子镀技术在AISI304不锈钢表面制备TiAlN和TiAlSiN涂层。以Al2O3球为对摩材料,使用球-盘式摩擦磨损试验机测试涂层在室温(RT)、300 ℃、600 ℃恒温和RT~600 ℃、600→300 ℃变温环境中的摩擦学性能。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计研究涂层的表面形貌、微观结构、硬度和摩擦学性能。结果表明:TiAlN和TiAlSiN涂层的主要结构为面心立方TiAlN相,硬度值分别为1 631 HV0.05和2 044 HV0.05。在300 ℃恒温和RT~600 ℃升温环境中,涂层磨损剧烈,均被磨穿,磨损机理以粘着磨损和疲劳断裂为主。600 ℃条件下,TiAlN涂层发生了以“点蚀”为主的氧化磨损,氧化产物起到了很好的润滑作用,摩擦因数为0.5。Si元素的加入使涂层的抗氧化性增强,在600 ℃和600→300 ℃的环境中,磨痕表面生成具有保护作用的氧化膜,涂层的耐磨性提高。
  • 徐伟胜,何光宇,蔡振兵,廖斌,曹鑫,何卫锋
    中国表面工程. 2017, 30(5): 28-35.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170406003
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    航空发动机压气机叶片表面制备硬质涂层可显著提高其抗砂尘冲蚀性能,但砂粒高角度冲击对涂层损伤严重,易出现脆性裂纹。采用受控动能型重复冲击设备模拟硬质颗粒对涂层的高角度冲击,研究调制比、层数结构对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响,并根据涂层损伤特征、冲击力学响应以及应力分布分析涂层的破坏机理。结果表明,TiN/Ti涂层出现剥落和圆周裂纹;硬质层内部、硬质层与结合层/过渡层界面存在高的应力梯度,而冲击坑点边缘硬质层上表层受到拉应力且由于材料堆起,在重复冲击下将导致涂层的疲劳剥落和圆周疲劳裂纹。调制比、层数显著影响涂层冲击响应过程,其中不同调制比的2层涂层,调制比为3:1的抗冲击性能较好;调制比为9:1的不同层数涂层,4层结构的抗冲击性能较好。
  • 张琪,梅显秀,张小楠,马雪,王友年
    中国表面工程. 2017, 30(5): 36-43.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170407005
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    为研究金属玻璃作为航空航天领域材料的可能性。采用能量为3 MeV,不同剂量的Ar12+离子辐照金属玻璃Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8,研究金属玻璃的耐高电荷态离子的辐照行为,并与金属钨做比较。经SRIM模拟计算得出,3 MeV Ar12+离子在金属玻璃Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8和金属钨中的射程分别为1.19 μm和0.77 μm;金属玻璃和金属钨的原子平均离位(DPA)峰值均出现在离子射程附近。不同剂量Ar12+离子辐照后,金属玻璃Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8均保持非晶特性,均方根粗糙度随着辐照剂量的增加而增大。剂量1×1016 ions/cm2时,金属玻璃表面没有明显的辐照损伤;剂量为1×1016 ions/cm2时,波长1 400 nm对应的金属玻璃的反射率降低了约28%。而剂量1×1015 ions/cm2时,金属钨的反射率就降低了30%,剂量为1×1016 ions/cm2时,金属钨表面有大面积孔洞产生。
  • 王健,唐焱,王岩,徐晋勇
    中国表面工程. 2017, 30(5): 44-51.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170424001
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    利用双辉渗金属技术在304不锈钢表面进行铜铪共渗,使用光学显微镜、X射线衍射仪和扫描电镜研究铜铪共渗合金层的显微组织、相结构、形貌、成分和表面硬度,采用薄膜密贴法对合金层进行抗菌性能的检测。结果表明:铜铪共渗合金层由扩散层和沉积层构成,合金层表面组织致密、分布连续、无明显裂纹和孔隙。铜、铪含量由表至里逐渐减少,渗铜铪试样中的铬和碳都出现向渗层表面迁移的现象。抗菌检测中,铜铪合金层表面对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有优良的抗菌性能,抗菌率均达到99%以上。当铜在源极棒中比例达到80%和90%时,所得到的渗铜铪试样抗菌率分别为99.83%和99.12%,当铜比例为70%时得到渗后试样的抗菌率仅为93%。渗后试样表面硬度约为605 HV0.1,大于渗铜试样和304不锈钢表面硬度。
  • 吴长军,冯子跞,刘亚,涂浩,王建华,苏旭平
    中国表面工程. 2017, 30(5): 52-59.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170329004
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    为在结构钢件表面获得质量优良的高耐蚀性Galfan合金镀层,尝试在450 ℃先预镀纯锌再浸镀Galfan合金的双镀方法,并研究预镀时间和浸镀时间对镀层组织及耐蚀性的影响。结果表明,450 ℃预镀5 s以上的纯锌后再浸镀Galfan合金,镀层表面质量优良。镀层主要由Fe2Al5-Znx、FeAl3-Znx和合金液的凝固组织组成,没有Fe-Zn化合物。随预镀时间增加,FeAl3-Znx+G(液相凝固组织)层变厚;随浸镀时间的增加,Fe2Al5-Znx层厚度逐渐增加,并逐渐形成FeAl3-Znx层。FeAl3-Znx+G两相层在浸镀60 s以下均能稳定存在。通过电化学测试发现,双镀Galfan合金镀层耐蚀性明显优于纯锌镀层,但延长浸镀Galfan合金时间会降低镀层的耐蚀性。
  • 程琪,许哲峰,于晓华,付天琳,刘成,刘建雄,詹肇麟
    中国表面工程. 2017, 30(5): 60-66.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170228001
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    为更好地指导新型硅烷-钼复合无铬钝化膜的工业化生产,研究钝化膜的耐蚀性能,构建皮膜量标准曲线。分别使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)分析钝化膜的物相组成和表面元素价态。利用中性盐雾试验和电化学测试,探讨钝化膜的耐蚀性能。采用X射线荧光光谱法(XRF),绘制和构建皮膜量标准曲线。结果表明:硅烷-钼复合无铬钝化膜层中Si、Mo元素能分别与Zn形成化学键,膜层结合性较好。膜层耐蚀性在一定范围内随着膜层皮膜量升高而升高,当皮膜量高于800 mg/m2时,耐蚀性趋于稳定,其耐蚀性与稳定性接近Cr6+。此外,皮膜量与XRF射线强度呈线性关系,斜率为3.413。
  • 文陈,郝雪龙,崔庆新,白晶莹,张立功,李思振
    中国表面工程. 2017, 30(5): 67-73.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170329003
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    为分析掺杂元素对微弧氧化膜热控性能的影响,获得更高太阳吸收比和发射率的热控膜层,采用磷酸盐体系、Fe2+盐添加剂制备了微弧氧化(Micro anodic oxidation,MAO)膜,并研究了不同浓度Fe2+盐添加剂对MAO膜层热控性能的影响;采用扫描电镜观察了MAO膜微观结构,结合EDS、XRD,分析了Fe2+浓度对MAO膜层微观形貌、膜层成分、相组成、耐盐雾腐蚀性的影响规律。结果表明:Fe2+进入了膜层,Fe元素含量随着添加剂中Fe2+浓度升高而增加,太阳吸收比和发射率均先升后降,且在Fe2+浓度为20 g/L时出现峰值0.89和0.83;掺杂Fe2+进入膜层生成Fe3O4,显著提高了MAO膜的热控性能和耐盐雾性能;Fe2+浓度在20 g/L时微弧氧化膜具有优异的热控性能(其太阳吸收比达αS0.89、发射率达εH0.83)和耐盐雾腐蚀性能。
  • 李月,郭俊德,王伟,董光能
    中国表面工程. 2017, 30(5): 74-80.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170410001
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    通过开环聚合法制备了可在37 ℃下实现溶胶-凝胶相变的PCEC温敏水溶胶;采用原位交联聚合包埋技术将牛血清白蛋白(BSA)和壳聚糖(CS)包裹在凝胶中,进行体外缓释试验,并通过摩擦磨损试验测试了缓释液的润滑性能,采用SEM,AFM对磨损表面进行了检测分析。结果表明:载有BSA/CS的PCEC水凝胶在37 ℃条件下缓释35 d,BSA的累积释放量仅为凝胶所载BSA含量的15%;提取不同天数缓释液中,最大摩擦因数仅约为生理盐水的37%,为模拟体液的64%,为牛血清白蛋白溶液的82%;缓释液的摩擦因数随着载荷、往复频率的增加而降低,表现出较好的润滑性能,且缓释液在摩擦副表面形成的蛋白吸附,有效降低了摩擦副材料的磨损。
  • 黄润,张兰,黄雷,胡东
    中国表面工程. 2017, 30(5): 81-88.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170304002
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    采用表面机械研磨(SMAT)方法对Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn(TLM)钛合金进行处理,并将处理前后的钛合金样品表面机械抛光成镜面,制备出UnSMATed及SMATed两组样品。XRD、OM、TEM、AFM及接触角试验结果显示,两组样品表面具有相同的物相组成、相近的拓扑结构及粗糙度,最表层的晶粒尺度分别为(82±9)μm及(48±7)nm,且晶粒细化后的SMATed样品表面具有更好的亲水性;体外试验结果显示,SMATed样品的纳米晶表面能从血清中吸附更高的蛋白量,从而促进其上成骨细胞的黏附、增殖与分化。结果表明,SMAT诱发的表层晶粒细化改善了TLM钛合金表面的细胞生长环境,从而有望应用于新型医用硬组织替代材料的开发。
  • 李承娣,金梅,徐久军,沈岩
    中国表面工程. 2017, 30(5): 89-94.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170418004
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    切取高硅铝合金缸套试样,并对工作面进行激光光整,研究其对摩擦磨损性能的影响。结果表明,激光扫描速度为600 mm/min,离焦量2 mm,功率为1 000 W时硅颗粒最大凸出高度为1.243 μm,与未处理试样相比,摩擦因数从0.141降到0.113,降幅达19.9%,磨损量从0.7 mg降到0.2 mg,降幅达71.4%;激光光整使高硅铝合金缸套工作面上的硅颗粒凸出且边角圆化,硅颗粒的凸出,避免了铝基体与活塞环的直接接触,并增大了储油润滑的效果,减少了粘着磨损的风险,也降低了摩擦力,从而改善了高硅铝合金缸套材料的摩擦磨损性能。
  • 李晶,姜虹宇,杜锋,刘利强,赵世才
    中国表面工程. 2017, 30(5): 95-101.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170426003
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    针对仿生润湿性研究中喷砂工艺常作为获取粗糙表面方法被学者使用的现状,为喷砂处理基底表面提供数据基础,文中利用试验优化方法,分析不同参数下喷砂工艺对304不锈钢表面润湿性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)和X射线衍射仪(XRD)分析喷砂表面的微观形态和化学成分,使用接触角测试仪(OCA)测试分析喷砂试样表面润湿特性。结果表明:在优化喷砂工艺参数下(砂粒尺寸180 μm;喷砂压力0.6~0.65 MPa;喷砂时间1 min),能够在304不锈钢基底表面获得粗糙结构,使润湿性能由亲水性向疏水性发生转变,获得静态接触角达到120°,动态滞后角降至13.9°的特性。
  • 周小龙,曾德长,王刚,张友生
    中国表面工程. 2017, 30(5): 102-109.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170214001
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    为提高热作模具的高温氧化和高温耐磨性能,采用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)技术于H13钢基体上分别制备了Cr3C2-25CoNiCrAlY和Cr3C2-25NiCr涂层,并对比研究两种涂层的高温氧化和摩擦磨损行为,利用SEM、EDS和XRD分析其组织形貌与结构。结果表明:在800 ℃循环氧化100 h后, Cr3C2-25CoNiCrAlY涂层比Cr3C2-25NiCr涂层表面生成的氧化保护膜更致密,并生成大量高温稳定性好的尖晶石相,前者的氧化增重(0.80 mg/cm2)略小于后者(0.87 mg/cm2),说明Cr3C2-25CoNiCrAlY涂层的抗高温氧化能力略优;在700 ℃下,Cr3C2-25CoNiCrAlY涂层也具有更低的摩擦因数和磨损率,这归因于γ-matrix相(Co-Ni-Cr固溶体)具有很好的高温强度和热疲劳性能,对碳化物硬质相起到更强的联结支撑作用,提高了涂层的抗剥落能力。
  • 邓雯,赵晓琴,李双建,安宇龙,周惠娣,陈建敏
    中国表面工程. 2017, 30(5): 110-118.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170324001
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    以大气等离子喷涂工艺制备的Al2O3陶瓷涂层为模板,利用陶瓷涂层中存在的孔隙和微裂纹,采用水热反应在其内部原位合成具有润滑特性的MoS2,制备出Al2O3/MoS2的复合涂层。结果表明,通过水热反应在陶瓷涂层原有的微观缺陷中成功合成了MoS2,合成的MoS2固体粉末呈类球形状,并且这球状的粉末是由纳米片层状的MoS2搭建组成的。摩擦试验结果表明,与纯Al2O3涂层相比,复合涂层中由于MoS2润滑膜的形成,其摩擦因数和磨损率都显著降低,且载荷越大,复合涂层的摩擦性能越好。
  • 杨德明,高阳,周起帆,蔡林
    中国表面工程. 2017, 30(5): 119-125.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170404001
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    利用低压等离子喷涂(LPPS)和超音速火焰喷涂(HVOF)分别制备出具有两种典型组织的NiCrAlY涂层,分别为层片状组织和粉末颗粒堆积结构。两种涂层的耐高温氧化性能试验在空气条件下进行,1 100 ℃分别保温5、10和20 h,以及在1 200 ℃和1 300 ℃分别保温10 h。结果表明,在1 100 ℃等温氧化条件下,层片状结构的LPPS涂层的抗高温性能优于颗粒堆积结构的HVOF涂层,并且随着保温时间的增加,氧化增重呈现抛物线形式增长。在1 200 ℃和1 300 ℃变温氧化过程中,颗粒堆积结构的HVOF涂层的抗高温氧化性能高于LPPS涂层。
  • 商俊超,梁秀兵,陈永雄,范建文,王慧,徐滨士
    中国表面工程. 2017, 30(5): 126-132.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170301003
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    为了减小热喷涂层残余应力对涂层质量的不利影响,采用喷丸(砂)微粒轰击与高速电弧喷涂相互循环交替的工艺制备了Fe基非晶涂层,使涂层残余拉应力变为残余压应力,喷丸(砂)强化涂层表面残余应力由未处理涂层表面残余拉应力277 MPa分别变为残余压应力-177 MPa (-91 MPa)。利用电子扫描显微镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等分别对涂层的微观形貌、力学性能和摩擦磨损性能进行了测试。结果表明:经过微粒轰击后的涂层表面致密平整,组织结构密实,喷丸(砂)强化涂层的孔隙率仅为1.0% (1.5%),结合强度可达44.6 MPa (56.4 MPa),经过微粒轰击后涂层硬度、弹性模量及摩擦磨损性能都有所提升。喷丸强化涂层局部过度的轰击会使涂层结合强度及摩擦磨损性能略有下降。
  • 张时维,刘其斌,李龙,徐鹏,白杨
    中国表面工程. 2017, 30(5): 133-140.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170418002
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    采用激光熔覆技术,利用CaHPO4·2H2O,CaCO3,La2O3,SiO2粉末和Ti粉在医用钛合金Ti-6Al-4V表面制备掺杂的质量分数分别为0%,5%,10%,15% SiO2的含La2O3梯度生物陶瓷涂层,并研究了SiO2含量对涂层性能的影响。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线分析仪分别对涂层进行显微结构、表面元素、物相组成分析,利用MTT细胞活性检测法对涂层上种植的小鼠破骨前体细胞(RAW264.7)进行细胞活性分析。结果显示:掺杂10%~15%的SiO2后,涂层的裂纹明显减少,且厚度变均匀。涂层在模拟体液(SBF)中浸泡2周后,羟基磷灰石(HA)在掺杂10% SiO2涂层表面的沉积量最多,涂层表面的金属元素含量稀少,这表明含10% SiO2涂层在SBF中具备更加优良的沉积HA的能力,同时有效的阻碍了基体中重金属离子的析出。MTT结果表明,掺杂SiO2的涂层对破骨前体细胞的活性有更加明显的抑制作用。
  • 张健,张津超,潘晓铭,曹宇,冯爱新
    中国表面工程. 2017, 30(5): 141-149.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170331003
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    利用高功率宽带平顶光束进行熔覆试验,采用高速摄像机和图像处理软件,建立了宽带光束-同轴粉末流耦合模型,研究了不同送粉器粉盘转速和载气流量下激光束与同轴粉末流的耦合特性和规律,并通过金相显微镜和体视显微镜分析不同光粉耦合形态下熔覆涂层的成形特征与规律,构建了光粉耦合特性与熔覆层成形的关系。结果表明:在载气流量不变的条件下,随粉盘转速增加,粉末流与激光束的耦合位置逐渐由宽带光束内变成宽带光束外,粉末流汇聚点焦距增大,汇聚直径先增大后保持不变;在基体处的区域由焦柱粉流区变为环状粉流区,熔覆层宽度略减小,高度和接触角增大,粉末利用率先增大后减小,稀释率减小。在粉盘转速不变的条件下,随载气流量增加,粉末流与激光束的耦合形态不变,粉末流位于宽带光束外,粉末流汇聚点焦距先增大后减小,汇聚直径先增大后保持不变;在基体处的区域由环状粉流区变为焦柱粉流区,熔覆层宽度先增大后减小,高度和接触角先增大后保持不变,粉末利用率先增大后减小,稀释率减小。当粉盘转速为1.2 r/min,载气流量为4 L/min时,能够获得较好的成形质量。
  • 再制造工程
  • 黄勇,孙文磊,陈影,黄海博,刘金朵
    中国表面工程. 2017, 30(5): 150-158.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170429001
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    对于曲面塑料模具,在其表面快速生成激光熔覆加工路径非常困难。针对这种情况,直接以零件的逆向点云模型为研究对象,通过平面与点云求交得到以密集离散点表示的近似激光扫描路径,避免了反求建模的过程。以离焦量变化极限为约束条件,在路径上搜索插补点。提出利用插补点的最近点来计算插补点曲面法向矢量作为激光束姿态的近似快速算法。应用镍基自熔性合金粉对P20材质的模具零件曲面表面进行了试验。金相分析表明所形成熔覆层组织均匀、致密,缺陷稀少;熔覆层与基体之间形成冶金结合。熔覆层中部组织出现了垂直于界面生长的柱状树枝晶,而在顶部许多的柱状树枝晶发育成等轴树枝晶。熔覆层的平均显微硬度达到330~350 HV0.2。路径中段的熔覆层厚度比起始点增加了10%。