中国表面工程

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徐滨士,夏丹,谭君洋,董世运

中国表面工程. 2018, 31(5): 1-13.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180516001

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智能再制造作为再制造产业的创新发展方向，在先进再制造技术广泛应用的基础上，随着自动化技术、深度学习技术、大数据技术、网络技术和半导体技术的发展而逐渐成熟。文中基于新一代人工智能基础理论体系，以我国再制造发展过程的自动化产业升级为原点，从再制造产业体系及行业关键技术体系相结合的角度，系统阐述发展智能再制造的必要性、必然性和紧迫性，梳理了智能再制造的实现方式、技术体系以及发展目标，总结了智能再制造的总体框架和技术路线，提出了目前智能再制造发展所需解决的关键问题，并对智能再制造体系的建立及未来总体技术发展提出了展望。

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内孔热喷涂技术的研究现状与展望

王海斗,何鹏飞,陈书赢,马国政,刘明,王海军,徐滨士

中国表面工程. 2018, 31(5): 14-38.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180723001

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在机械制造、石油化工、航空航天和钢铁冶金等工业领域，存在着很多关键而重要的内孔类零部件，例如：发动机气缸体、燃气轮机壳体、液压机构仝缸和各种泵送管路等。内孔类零部件常服役于极端温度、腐蚀介质、高比负荷等苛刻工况下，易于发生严重的磨损、腐蚀失效。内孔热喷涂技术是在零件内壁制备涂层的重要方法，可以对内孔类零部件进行强化改性或对报废零件实施再制造。文中首先从技术原理、作业方式、发展历程和工业应用等方面系统介绍了内孔等离子粉末喷涂、内孔等离子丝材喷涂、内孔超音速火焰喷涂和内孔电弧喷涂4种最典型的内孔热喷涂技术。在此基础上，全面对比了各项技术的优、缺点，包括工艺成本、选材范围和涂层性能等。随后分别从涂层结合强度提升、涂层孔隙和厚度控制、涂层残余应力调控等方面指出了内孔喷涂工艺相比于普通外缘喷涂的特殊性，并总结了相应的技术难点，包括喷涂距离受限、局部热量累积、粉尘聚集和污染等等。最后指出，进一步揭示涂层微观成形机理、提升涂层与基体结合强度、发展多种表面技术复合工艺等是内孔热喷涂技术今后的重点研究方向。

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等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展

张啸,刘敏,张小锋,毛杰,邓春明,李润霞,周克崧

中国表面工程. 2018, 31(5): 39-53.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180625001

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等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）是基于低压等离子喷涂发展起来的一种新型多功能薄膜及涂层制备技术。由于其独特的等离子射流特征，可实现气液固多相涂层沉积，获得非视线沉积。文中首先介绍了国内外PS-PVD技术等离子体数值模拟和在线检测技术的研究现状，其次讨论了PS-PVD羽-柱状结构热障涂层的形成机制及与传统热障涂层在热导率、抗冲蚀等性能方面的差异，阐述了PS-PVD技术制备环境障涂层的研究进展，最后对PS-PVD技术沉积高温防护涂层的优势和存在的问题进行了总结。

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面向高端装备零部件的稀土改性MCrAlY涂层

贾近,刘赛月,孟君晟,王铀

中国表面工程. 2018, 31(5): 54-62.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180822003

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长期以来，在高温防护领域广泛应用的MCrAlY系列涂层受到了各国研究者和工程技术人员的持续关注。文中总结了哈尔滨工业大学纳米表面工程课题组近年来将稀土改性技术应用于制备热喷涂MCrAlY系列涂层的有关研究，结果表明：稀土改性可使NiCrAlY涂层的硬度提高30%~40%，涂层和基体间的结合强度达到60 MPa以上。加入稀土的NiCrAlY涂层热震抗力明显增加，其在1000℃的热震循环寿命超过100次以上。在1000℃条件下，加入稀土的NiCrAlY涂层在190 h后依然完整，表面无特殊变化；质量分数0.1%稀土氧化物涂层1000℃氧化250 h增重速率比未加稀土涂层降低了60.53%。加入稀土还可以显著提高NiCrAlY涂层的抗高温硫化能力及抗腐蚀性能。稀土改性可以有效改善MCrAlY系列涂层的高温性能，满足国家对高端装备零部件高温防护涂层的要求。

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超疏水表面耐久性能的研究进展

郭永刚,张鑫,耿铁,吴海宏,徐琴,王迎春,栗正新

中国表面工程. 2018, 31(5): 63-72.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180529001

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超疏水表面由于其独特的表面润湿特性，具有很大的应用前景。但是超疏水表面的微纳米二元粗糙结构和低表面能物质极易受到磨损和油污等影响而遭到破坏或损耗，从而影响了其耐久性能，限制了其实际运用，因此研究超疏水表面的耐久性能具有重要意义。综述首先介绍了超疏水表面耐久性能差的主要原因，然后梳理了超疏水表面耐久性能的测试方法，对如何增强超疏水表面耐久性能的途径进行了总结，最后指出目前超疏水表面耐久性能研究中存在的一些问题，旨在对耐久性超疏水表面的研究进展有一个全面的认识，对耐久性超疏水表面的发展提供一些理论指导，并展望了未来耐久性超疏水研究的发展方向和趋势。

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基于旋转磁场的6061铝合金弯管内表面光整加工

陈燕,赵杨,陈松,李龙邦,韩冰

中国表面工程. 2018, 31(5): 73-81.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180821003

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为解决液压导管内表面缺陷所引起的振动和噪音，通过Ansoft Maxwell软件对不同锥度的聚磁头进行磁场强度分析，得出最佳聚磁头锥度尺寸。利用六自由度机械手臂驱动N-S-S-N四磁极圆周排布所形成的旋转磁场，带动填放在弯管内部的吸附磁性磨粒的圆柱形辅助磁极，经30 min研磨，快速去除弯管内部的沟状及鱼鳞状纹理；旋转磁场带动磁性磨粒继续研磨45 min，管件直管处由原始内表面粗糙度Ra为0.48 μm降低至Ra为0.12 μm；管件弯折处由原始内表面粗糙度Ra为0.67 μm降低至Ra为0.13 μm，完成对6061铝合金弯管内表面的光整加工。对其进行振动试验检测，当振动频率为2482 Hz时，研磨前的弯管加速度为0.3059 m/s²，研磨后降至0.1899 m/s²，振幅和噪音也显著降低，液压油路的稳定性显著提高，从而验证了对弯管内表面光整加工有利于减振降噪，提高液压导管的使役可靠性。

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铁离子掺杂聚苯胺涂层的光热杀菌性能

刘钊,孙亚伟

中国表面工程. 2018, 31(5): 82-91.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180504001

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选用聚苯胺（PANI）作为光热材料，采用三氯化铁作为掺杂剂制备铁离子掺杂PANI纳米线，通过静电吸附将铁离子掺杂PANI纳米线均匀负载于纤维素膜表面，形成了PANI杀菌涂层，采用红外（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）研究材料的结构；通过紫外可见吸收光（UV-vis）和光热升温测试研究材料的吸光和光热性能；通过热重分析仪（TG）研究材料的热稳定性，以闪光灯作光源，选大肠杆菌作为试验菌株，研究涂层的光热杀菌性能。结果表明，铁离子与PANI发生络合，铁离子掺杂PANI的吸光强度、光热转换性能、热稳定性比酸掺杂PANI明显增加，酸掺杂PANI涂层杀菌率为76%，铁离子掺杂PANI涂层杀菌率可达100%。

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活性屏等离子体源渗氮工艺特性及传质机制

李广宇,雷明凯

中国表面工程. 2018, 31(5): 92-98.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180521003

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为揭示活性屏等离子体源渗氮工艺特性（试样偏压电位和试样距屏高度）对AISI 316奥氏体不锈钢渗氮效果的影响规律，利用最小二乘法线性回归拟合了不同工艺条件下渗氮层厚度数据，绘制了活性屏等离子体源渗氮AISI 316奥氏体不锈钢的工艺特性图，以此确定其最佳工艺参数。并通过对金属网屏上溅射颗粒的化学成分和相结构分析，探讨了活性屏等离子体源渗氮的传质机制。结果表明：渗氮层厚度随试样距屏高度增大而降低，当适当降低渗氮气压或试样施加一定负偏压时，均有助于提高渗氮层的厚度，并且证实了"溅射-再沉积"模型是活性屏等离子体源渗氮重要的传质机制。

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占空比对脉冲电弧离子镀AlCrSiN涂层热稳定性和抗氧化性的影响

钟星,王启民,许雨翔,伍一铭,莫锦君,吴正涛

中国表面工程. 2018, 31(5): 99-107.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180620003

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采用脉冲和直流电弧离子镀技术制备AlCrSiN涂层，研究占空比对涂层结构和性能的影响。采用扫描电镜观测涂层的生长形貌和化学成分，利用XRD分析涂层的相组成，结合光电子能谱技术分析涂层中元素化学键价，并通过纳米压痕法检测涂层的硬度和弹性模量。此外，对涂层进行真空退火和氧化处理，以评价涂层的高温结构和力学稳定性以及抗氧化性。结果表明：AlCrSiN涂层均为非晶Si₃N₄包裹纳米晶（Al， Cr）N的纳米复合结构；脉冲电弧沉积可以改善涂层的表面质量、提高组织致密性和硬度。占空比为1%时，AlCrSiN涂层具有最小的表面粗糙度（47 nm）和最高的硬度（31.5 GPa）。AlCrSiN涂层具有良好的热稳定性，950℃退火后其硬度仍高于30 GPa。AlCrSiN涂层的抗氧化温度超过1000℃；占空比的增加涂层的抗氧化性略有提升。

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低Si含量WSiN涂层的结构和摩擦学行为

李科,邵涛,葛芳芳,黄峰,冯庆

中国表面工程. 2018, 31(5): 108-117.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180503005

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利用反应磁控溅射法制备W₂N和WSiN涂层，利用XRD，SEM和AFM研究涂层的显微结构，利用纳米压痕仪测试涂层的力学性能，利用摩擦磨损仪表征涂层的摩擦磨损行为。结果表明，原子数分数2.4% Si掺杂没有引起W₂N涂层相结构和力学性能的明显变化，但降低了涂层的表面粗糙度（从10.56 nm到8.35 nm）。不锈钢基底、W₂N涂层、WSiN涂层与Al₂O₃对偶球的摩擦因数分别为0.62、0.42和0.35，对应的磨损率分别为4.2×10^-14、3.8×10^-16和3×10^-16 m³/N·m。不锈钢基底、W₂N涂层、WSiN涂层与GCr15对偶球的摩擦因数分别为0.56、0.47和0.49，对应的磨损率分别为5.9×10^-15、2.8×10^-16和3.2×10^-16 m³/N·m。在上述两种对偶球情况下，W₂N涂层、WSiN涂层均能够降低不锈钢的摩擦因数10%~40%和磨损率1~2个量级。W₂N涂层和WSiN涂层具有较好的润滑抗磨性，能给不锈钢基底提供防护作用，且WSiN涂层的防护效果更佳。

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钴含量对电铸镍钴合金模芯微纳结构复制质量的影响

强军,蒋炳炎,董彦灼,翁灿

中国表面工程. 2018, 31(5): 118-124.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180402003

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为探明电铸液中钴含量对仿荷叶表面镍钴合金模芯微纳结构复制质量的影响，采用阴极竖直旋转的微电铸技术，制备不同钴含量的仿荷叶表面镍钴合金模芯，采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）分析仿荷叶表面镍钴合金模芯表面的复制质量及成分。结果表明：由于铸层表面内应力的影响，在常规镍电铸中添加钴以后，仿荷叶镍钴合金模芯表面出现了波纹型的褶皱；观测模芯微观形貌发现其表面微米级的孔洞沿特定方向出现不同程度的拉伸，随着电铸液中钴含量（体积分数）的增加，拉伸程度先增加后降低（拉伸程度：钴含量0 g/L<钴含量40 g/L<钴含量10~30 g/L）；铸层中添加元素钴有利于晶粒细化，随电铸液中钴含量的增加，模芯表面微纳结构越细小，复制质量越高。

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超亲水/超疏水镍-纳米三氧化钨复合镀层的制备及特性分析

毕向阳,明平美,申继文,赵西梅

中国表面工程. 2018, 31(5): 125-133.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180527001

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硬度高、寿命长、适用范围广的金属基自清洁表面的制备是国内外研究的热点和难点。以镍为金属基体，纳米三氧化钨（WO₃）作为功能性材料，采用复合电沉积法在金属基底上制备出超亲水或超疏水可选择的镍-纳米三氧化钨自清洁镀层。使用SEM、S-neox 三维光学轮廓仪、EDS、接触角测量仪等测量其表面形貌特征、力学性能、表面润湿性及光催化性能。结果表明：WO₃质量分数为17%时的镍-纳米三氧化钨复合镀层表面呈现典型的微纳米分级结构特征和超亲水润湿特性，并具有光催化降解甲基橙溶液能力；经氟化处理，复合镀层由超亲水转变为超疏水，接触角高达156.5°；经电化学刻蚀-氟化处理，复合镀层的疏水能力更强，光催化性更好；制备的复合镀层具备超亲水或超疏水特性，具有硬度高、与金属基体结合力大、光催化降解有机物等更加优异的自清洁性能。

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微球构筑防污减阻涂层的制备

宋美艳,赵曼,石淑先,陈晓农

中国表面工程. 2018, 31(5): 134-141.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180402002

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通过乳液聚合法制备表面具有聚乙二醇（PEG）支链的聚苯乙烯微球，将所得微球悬浮液与丙烯酸酯聚合物乳液共混，采用涂覆的方式制备仿生减阻涂层。考察微球的组成及其粒度、不同微球含量对涂层表面形貌及润湿性的影响，研究交联对涂层稳定性的影响。采用异硫氰酸荧光素标记的牛血清蛋白（BSA-FITC）考察不同微球含量对涂层抗蛋白吸附性的影响，运用扭矩测定法考察了涂层的减阻性能。结果表明：具有PEG支链的聚苯乙烯微球粒径具有单分散性，所得仿生涂层表面分布着大量的聚合物微球，且随着微球质量分数增大，涂层水接触角减小、亲水性增强；交联反应显著改善涂层的耐水稳定性；与未添加微球的涂层相比，当微球质量分数为15%时，涂层的抗蛋白吸附效率最大可达到97%，当微球质量分数为6%时，涂层的减阻率最大可达到21%。

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基于响应曲面的Ar气氛超音速等离子喷涂钛涂层

刘明,张伟,王海斗,王海军,刘天寅

中国表面工程. 2018, 31(5): 142-149.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180502001

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采用超音速等离子喷涂可低成本、高效率制备钛涂层。采用响应曲面法（RSM）中的Box-Behnken（BBD）设计分析了Ar流量、功率、喷涂距离3个因素与超音速等离子射流中钛粒子飞行速度和温度的交互性，利用SEM和显微硬度计研究了钛涂层的微观结构和显微硬度。结果表明：建立的线性模型可靠，喷涂距离对粒子飞行速度和温度影响最大，且随喷涂距离增加粒子飞行速度减小温度增加，而Ar流量和功率对粒子飞行速度和温度的影响与喷涂距离相反。超音速等离子喷涂制备出的钛涂层硬度较低，且呈多孔结构，随粒子飞行速度增加孔隙率降低。

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感应熔覆原位TiC/Ti复合涂层的结构特征与纳米力学性能

于鹤龙,魏敏,张梦清,王红美,宋占永,张伟

中国表面工程. 2018, 31(5): 150-158.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180329002

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以钛和石墨为原料，采用预置粉末结合高频感应加热熔化的方法在Ti6Al4V基体表面制备了原位自生TiC增强Ti基复合涂层，研究了涂层微观结构、物相构成、纳米力学性能及显微硬度。结果表明，感应熔覆钛基复合涂层表面平整，内部无裂纹和孔隙，与基体形成了冶金结合；熔覆过程中Ti与石墨充分反应生成TiC增强相，涂层基质相由α-Ti和少量β-Ti构成；TiC在涂层内分布均匀，其纳米压痕硬度和弹性模量高达22和280 GPa，较Ti6Al4V基体分别提高18和130 GPa，因此使复合涂层具有较高的硬度。

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超音速激光沉积Ti6Al4V涂层的微观结构及耐蚀性能

李波,吴丽娟,张欣,马春飞,张群莉,姚建华

中国表面工程. 2018, 31(5): 159-166.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180412001

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超音速激光沉积技术是将激光加热与冷喷涂同步耦合的一种新型材料沉积技术。文中利用超音速激光沉积技术在中碳钢基体上制备Ti6Al4V涂层，并采用SEM、XRD、电化学腐蚀测试等手段对涂层厚度、显微组织、相成分以及耐蚀性能进行了表征分析。结果表明，在一定的激光辐照温度（即沉积区温度）范围内，涂层沉积效率、致密性以及涂层与基体之间的结合强度均随激光辐照温度的升高而增加，当激光辐照温度为800℃时，沉积效率是冷喷涂的4倍，涂层中的孔隙率仅为4.38%，涂层与基体的结合强度达75 MPa。由于低热输入的原因，涂层的物相组成与原始钛合金粉末基本一致。随着激光辐照温度的进一步提高，涂层中有TiN相的产生，不利于粉末的沉积，涂层的沉积效率、致密性以及结合强度均下降，但是在酸性腐蚀介质中，TiN的存在提高了涂层的耐蚀性能。

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预置Ti粉对激光氮化TC4涂层组织及性能的影响

童庆,陈泉志,莫秋凤,董婉冰,蒋智秋,李伟洲

中国表面工程. 2018, 31(5): 167-174.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180109004

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采用直接激光氮化及表面预置1 mm钛粉后再激光氮化两种工艺在TC4合金表面制备了涂层。通过XRD和带能谱仪（EDS）的场发射扫描电镜（SEM）分析了涂层的物相结构、微观形貌和局部化学成分。由摩擦磨损试验仪、喷砂机和电化学工作站分别检测了涂层的滑动摩擦性能、抗冲蚀磨损性能以及电化学腐蚀性能。结果表明：两种工艺制备的涂层主要由TiN_x（x=1、0.98和0.90）树枝晶、α-Ti片状晶及表面TiO₂组成。经激光氮化处理后TC4合金的抗滑动摩擦、抗冲蚀磨损和耐酸蚀性能均得到了较大的提升。其中预置粉后再激光氮化由于反应充分，获得的涂层较厚，氮含量高，成分分布均匀，其抗滑动磨擦性能较TC4合金基体及直接激光氮化的样品分别提升了5.3倍和1.3倍，稳定的冲蚀失重率比基体及直接激光氮化的样品分别降低了37%及12%，极化电阻分别提高了18 915和12 537 Ω。

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基于NURBS曲面的汽轮机叶片激光熔覆再制造路径规划

黄海博,孙文磊,张冠,黄勇,刘鹏良

中国表面工程. 2018, 31(5): 175-183.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180831002

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针对汽轮机叶片的复杂造型，提出一种基于NURBS曲面拟合的几何模型重构方法，得到了一种获取稳定的激光功率密度的路径规划方法。通过计算点在曲面上的曲率，将局部NURBS曲面拟合为曲率球，对激光束扫描面积进行简化计算。根据熔覆加工精度要求，调整激光头姿态沿曲面的法矢方向，约束激光束扫描面积，得到熔覆加工插补点，保证了基材表面获取稳定的激光功率密度。根据插补点的法向矢量计算得到机器人对应的位姿，利用CIMOCO软件验证熔覆轨迹的正确性；通过试验得到较好的熔覆层，证明了方法的可靠性和可行性，为复杂曲面的激光熔覆再制造提供了一种新方法。

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