2018年, 第31卷, 第6期　刊出日期：2018-06-19

  

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特邀论文
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  能束能场增材再制造技术的研究进展

  王启伟,朱胜,陈春良,王晓明,李卫

  中国表面工程. 2018, 31(6): 1-8.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181017001

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  针对再制造工程在发展和应用中面临的挑战和需求，阐述了增材再制造技术的概念，探讨了基于激光、电子束、电弧的熔敷成形技术以及电弧-激光复合熔敷、电弧-磁场复合熔敷、激光-磁场复合熔敷、双激光复合锻打成形等技术的特点及应用，重点分析了纵向磁场对电弧温度场以及旋转磁场对激光熔敷层组织的影响。结果表明：电弧熔敷成形过程引入纵向磁场，电弧中心温度降低，电弧对基体的热影响减小；激光熔敷成形铝基非晶材料过程加入旋转磁场，有利于非晶相的形成和组织缺陷的减少，熔敷层的耐蚀性和力学性能提高。最后指出能束能场增材再制造技术的发展趋势是向多能束能场及后处理复合、再制造全过程智能化和装备集成移动式方向发展。
表面工程
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  激光冲击催渗快速离子渗氮技术

  唐磊,贾蔚菊,孙斐,胡静

  中国表面工程. 2018, 31(6): 9-13.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180626001

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  采用常用42CrMo钢为研究材料，探索激光冲击预处理对离子渗氮的催渗效果与作用机理，提升离子渗氮效率。采用光学显微镜、粗糙度仪、扫描电镜、维氏显微硬度计研究激光冲击及离子渗氮后表层特性。结果表明，激光冲击对于离子渗氮具有显著的催渗效果。相同离子渗氮条件下，化合物层厚度和有效扩散层厚度都提高到传统离子渗氮的2倍左右。同时激光冲击预处理可显著提高试样表面硬度，并平缓截面硬度的下降趋势。激光冲击预处理对离子渗氮产生的显著作用源于：激光冲击预处理使试样表面粗糙度从0.015 μm提高到0.454 μm，有利于N原子吸附和氮化物形成；表层形成了厚度约200 μm的变形层，为N原子提供扩散通道，有利于提高扩散层氮浓度。
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  表面双尺度结构对304不锈钢的耐磨性和成形性的影响

  郑志军,周驰宇,王文熊,高岩,李浩,陈忠斌

  中国表面工程. 2018, 31(6): 14-21.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180620002

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  首先利用高能喷丸工艺对304不锈钢进行表面纳米化处理，再通过退火处理在表面获得双尺度结构，从而实现耐磨性-成形性间的平衡。通过金相和X射线衍射分析来表征细化层的微观结构，通过横截面的硬度测量和耐磨性实验来表征不锈钢的耐磨性，利用杯突实验和成形极限（FLD）实验来表征不锈钢的成形性。结果表明，0.3 MPa-6 min表面喷丸可以获得平均晶粒尺寸约为36 nm，平均硬度为353 HV_0.2，形变诱发马氏体质量分数50.2%，厚度约为125 μm的细化层。表面喷丸纳米化不锈钢的耐磨性显著提高，但成形性明显下降。表面喷丸纳米化+650 ℃退火30 min可在不锈钢表面获得双尺度结构的细化层，其中粗晶部分的平均晶粒尺寸约为1~2 μm，体积比约66%；细晶部分的平均晶粒尺寸约为58 nm，体积比为34%。这种双尺度结构的表面细化层兼具高耐磨性和高成形性的特性。
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  热处理对超声喷丸TC4疲劳性能的影响

  张聪惠,任海涛,荣花,刘颖

  中国表面工程. 2018, 31(6): 22-27.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180629002

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  对TC4进行超声喷丸（USSP）处理得到表面梯度结构，并于350 ℃分别进行60、120、180和240 min热处理。采用光学显微镜（OM）表征其微观组织，X射线衍射仪（XRD）测得残余应力场分布；通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）分别对其疲劳断口形貌、裂纹源组织进行表征。结果表明，超声喷丸处理引入的残余应力场，随热处理时间的延长，残余应力特征参数值（σ_srs、σ_mrs、Z_m和Z₀）逐渐降低。原始试样疲劳裂纹从表层萌生，超声喷丸试样疲劳裂纹以单一裂纹源形式从次表层萌生，超声喷丸+热处理试样以多源裂纹形式从次表层萌生。
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  γ-TiAl合金表面TiC渗镀层的摩擦磨损性能

  王洪孔,郑可,高洁,于盛旺,黑鸿君,贺志勇

  中国表面工程. 2018, 31(6): 28-34.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180605001

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  为了改善γ-TiAl合金摩擦学性能不理想的问题，采用双辉等离子表面合金化技术在γ-TiAl合金表面制备了TiC渗镀层，并使用扫描电子显微镜（SEM）、辉光放电光谱成分分析仪（GDOES）和X射线衍射仪（XRD）对TiC渗镀层的形貌、化学成分和物相结构进行分析，借助显微硬度计、划痕仪和往复摩擦磨损试验机对渗镀层的表面硬度、结合强度和摩擦磨损性能进行研究。结果表明：在γ-TiAl合金表面形成了纳米结构的TiC渗镀层，其中，沉积层厚约7 μm，扩散层厚约15 μm。渗镀层硬度比基体显著提高，达到2200 HV_0.2。渗镀层的摩擦因数和比磨损率都比基体大幅降低，摩擦因数从基体的0.7下降为0.37，比磨损率仅为基体的6.5%，表明制备的TiC渗镀层有效提高了γ-TiAl合金的耐磨性能。
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  双辉等离子渗钽对TiAlN/Ta复合涂层结构和性能的影响

  徐斌,刘竹波,张志龙,李栓平,于盛旺,周兵

  中国表面工程. 2018, 31(6): 35-43.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180831001

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  采用Ta层作为过渡层，通过双辉等离子渗金属（DGPSA）与射频磁控溅射（RFMS）辅助直流脉冲磁控溅射技术（DCPMS）制备TiAlN/Ta复合涂层。借助掠入射XRD、SEM、AFM、纳米压痕、划痕以及摩擦磨损测试了不同工艺制备的Ta过渡层对复合涂层的相结构、表面（截面）形貌、硬度、结合力、韧性和摩擦磨损性能的影响。结果表明，TiAlN复合涂层在高偏压作用下结构致密，RFMS技术制备的Ta过渡层为柱状晶结构，复合涂层表面粗糙度较小，硬度较大而磨损稳定性和耐磨性较差；而DGPSA技术制备的Ta过渡层为纳米晶结构，复合涂层表面粗糙度较大，硬度降低但磨损稳定性与耐磨性都增强。对比发现，通过DGPSA技术制备Ta过渡层使得TiAlN/Ta复合涂层的结合力与韧性大幅度提高。
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  脉冲电弧沉积TiAlSiN涂层及其干式切削性能

  刘辞海,李季飞,吴正涛,许雨翔,王启民

  中国表面工程. 2018, 31(6): 44-54.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180611001

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  为开发适于切削镍基高温合金的刀具涂层，采用脉冲电弧离子镀沉积TiAlSiN涂层，研究Si添加对TiAlN涂层耐磨性、抗氧化性及车削性能的影响。结果表明：Ti_0.45Al_0.45Si_0.10N涂层具有最高的结合力（100 N）和硬度（35 GPa）。800 ℃高温下，Ti_0.40Al_0.40Si_0.20N涂层已经磨穿，而Ti_0.50Al_0.50N和Ti_0.45Al_0.45Si_0.10N的磨损率分别为4.48×10^-6和2.65×10^-6 mm³·N^-1·m^-1；3种涂层都存在粘着磨损，其中，Ti_0.50Al_0.50N和Ti_0.45Al_0.45Si_0.10N涂层分别还发生了磨粒磨损。此外，Si的合金化显著提高了TiAlN涂层的抗氧化性。使用涂层刀具车削镍基高温合金时的寿命长短依次为Ti_0.50Al_0.50N < Ti_0.40Al_0.40Si_0.20N < Ti_0.45Al_0.45Si_0.10N。3种涂层刀具磨损形式以粘着磨损、氧化磨损及磨粒磨损为主。综上，因其优异的力学和耐磨耐氧化性能，Ti_0.45Al_0.45Si_0.10N涂层具有更好车削性能。
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  SiON/SiO₂复合膜层对太阳能电池阵板间电缆的表面改性及其耐空间环境性能

  曹章轶,吴敏,马聚沙,陈萌炯,王训春,张宗波

  中国表面工程. 2018, 31(6): 55-62.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180726001

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  在空间站工作的太阳电池阵板间电缆上下表面为聚酰亚胺薄膜，在低轨运行时会受到原子氧的强烈侵蚀，需要采取措施对其进行保护。采用射频磁控溅射法在电缆表面制备了颗粒尺寸均匀、排列致密的SiO₂膜层。通过表征空间环境试验前后样品发现由于电缆表面的凸起颗粒等缺陷无法完全被SiO₂膜层覆盖，导致原子氧会对缺陷位置产生侵蚀作用。采用全氢聚硅氮烷溶液对板间电缆基底进行表面改性处理，制备的聚硅氧氮烷涂层（SiON）可以有效地覆盖电缆基底表面的凸起颗粒等缺陷，使得其上溅射的SiO₂膜层表面光滑平整。经原子氧暴露试验，SiON/SiO₂层内部没有受到其侵蚀作用，可以防止原子氧对电缆基底的破坏。经多次冷热循环试验，SiON/SiO₂复合膜层仍然具备良好的结构特性与结合性能。
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  磁致涡流效应对化成铝箔Al₂O₃-TiO₂复合膜结构及性能的影响

  赵静,王天鹏,马坤松,朱德秋,张淮浩

  中国表面工程. 2018, 31(6): 63-72.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180828003

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  以TiCl₄为前驱体溶液，通过磁场辅助电沉积法在腐蚀箔表面形成具有高介电常数的Al₂O₃-TiO₂复合氧化膜。系统研究了磁致涡流效应（MHD效应，Magnetohydrodynamics）对电解液中离子扩散行为及Al₂O₃-TiO₂复合氧化膜结构与性能的影响规律。采用XRD能谱、扫描电镜SEM以及EDS能谱等手段对氧化膜晶相、表面/截面形貌以及Ti元素分布进行表征。结果表明，随着磁感应强度B的增强，电解液中Ti⁴⁺向箔面及蚀孔内的扩散速率增大，复合膜层中锐钛矿型TiO₂含量提高，且其在箔面及蚀孔内部分布均一性提升。另外，氧化膜阳极升压曲线、Tafel极化曲线及交流阻抗曲线的分析结果表明，MHD效应提高了复合氧化膜介电常数，减少了阳极氧化阶段的形成电量，对应的化成箔比电容增大至58.29 μF/cm²，较之无MHD制备的Al₂O₃-TiO₂化成箔，其形成电量减少了24.6%，比电容增加了10.1%。
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  石墨烯改性无铬达克罗涂层的组织及耐腐蚀性能

  任鹏禾,周宏明,许晓嫦,谭騛,朱晴晴

  中国表面工程. 2018, 31(6): 73-80.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180710002

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  达克罗凭借优异的耐腐蚀性能，广泛应用于汽车、航海、风电等领域，但其所含铬酸盐存在严重的污染问题。采用硅烷偶联剂代替铬酸盐的无铬达克罗解决了污染问题，但相对于达克罗，其硬度低、附着力差、耐腐蚀性较差。通过加入硝酸铈铵和石墨烯对无铬达克罗涂料进行改性，并采用X射线衍射仪、扫描电镜、拉曼光谱仪、快速腐蚀试验、极化曲线试验研究了涂层的物相组成、组织形貌、耐腐蚀性能。结果表明：涂层表面主要是片状锌粉、片状铝粉，致密性好；涂层截面层状堆叠结构清晰。石墨烯添加量为200 mg/L时，改性无铬达克罗涂层的耐腐蚀性能最佳，耐腐蚀时间（5 h）最长，腐蚀电流密度（0.124 μA/cm²）最小，腐蚀电压（-0.82 V）最正。硝酸铈铵通过对金属粉的钝化、粘结作用提高涂层的耐腐蚀性能；石墨烯通过物理屏蔽作用、促进牺牲阳极保护作用提高涂层的耐腐蚀性能。
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  熔融模拟灰在h-BN基陶瓷涂层表面的粘附特性

  李锦,王进卿,池作和,张光学,詹明秀,王杰

  中国表面工程. 2018, 31(6): 81-89.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180719001

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  针对锅炉燃烧劣质煤过程中存在的结渣问题，采用料浆法在20G钢材表面制备了h-BN基陶瓷涂层，对熔融模拟灰在钢片及涂层表面的接触角、铺展系数、粘附功等参数进行研究，进而分析熔融模拟灰在两种试样表面的粘附特性。结果表明：涂层表面较为致密，且与基材嵌合紧密，涂层附着力等级为0级，耐冲蚀性能较好，不易脱落。熔融模拟灰在涂层表面的接触角较大、粘附功较小。熔融模拟灰在涂层表面铺展系数较小，而且随着温度升高，熔融灰在涂层和钢片表面铺展系数的差值逐渐增大，在倾斜放置的试样表面，涂层和钢片铺展系数差值随着角度的增加而增大。通过对试样片截面的SEM/EDS分析可知，涂层对熔渣具有化学不亲和性，能有效阻止Pb的扩散，表明在钢片表面喷涂涂层能减弱熔融灰的润湿性和结合强度，提高其防结渣性能。
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  高速刮擦条件下两种铝基封严涂层的可刮削性

  张佳平,高禩洋,李浩宇,段德莉,李曙,王璐

  中国表面工程. 2018, 31(6): 90-97.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180704002

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  目前少有从涂层机械性能角度（如硬度、结合强度等）研究大量应用于我国航空发动机上的Al-BN涂层的材料性能及其在高滑动速度条件下的摩擦学行为。为此，以AlSi-PHb涂层为参比对象，对比了两者的材料性能，并通过自制的高速刮擦试验机对两者与对偶钛合金叶片在高速工况下的摩擦磨损行为进行了研究。结果表明：AlSi-PHb涂层的组织均匀性更好、机械性能更高；Al-BN涂层粘着叶片，AlSi-PHb涂层粘着叶片的同时还强烈地磨损叶片，两种铝基涂层的可刮削性均存在不足；涂层的机械性能对于叶片的损伤形式具有直接影响，机械性能高，则刮擦时摩擦热效应显著，涂层易损伤叶片；反之，则易于粘着叶片。适度的机械性能，是封严涂层获得良好可刮削性的关键所在。
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  冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的组织结构与性能

  王洪涛,姚海龙,易志海,白小波,陈清宇,纪岗昌

  中国表面工程. 2018, 31(6): 98-108.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180901001

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  为制备基体相晶粒细小、增强相均匀分布的SiC/Al纳米复合涂层，以Al、SiC为原料，采用高能球磨法获得SiC颗粒弥散分布的纳米晶Al基复合材料粉末，利用冷喷涂技术低温成型制备了SiC/Al纳米复合涂层，分析了SiC含量对复合涂层相结构、晶粒尺寸、微观结构、硬度及磨损性能的影响规律。结果表明：冷喷涂可实现球磨纳米晶复合粉末结构的原位移植，所制备SiC/Al纳米复合涂层组织致密，微米及亚微米级SiC弥散分布在纳米晶Al（约80 nm）基体之上；SiC颗粒对Al基体有明显强化作用，冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的硬度随SiC体积分数的增加而显著增加，50% SiC/Al纳米复合涂层的硬度高达515 HV_0.3，约为Al块材的13倍；冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的耐磨损性能随着SiC含量增加而显著提高，涂层磨损失效机制为磨粒对基体的切削犁沟变形。
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  Ti6Al4V合金激光熔覆NiMoSi复合涂层的高温抗氧化性能

  柯金,刘秀波,庄宿国,杨霞辉,梁珏,罗迎社

  中国表面工程. 2018, 31(6): 109-117.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180803003

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  为提高Ti6Al4V合金的高温抗氧化性能，以Ni-48%Mo-32%Si混合粉末为原料，采用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表面制备复合涂层，分析涂层物相、组织结构、高温抗氧化性能及抗磨损性能，并讨论相关机理。结果表明：复合涂层中无裂纹，与基体实现了良好的冶金结合；硬质相Ti₅Si₃、MoSi₂和Mo₅Si₃均匀分布于基体α-Ti、NiTi中。经恒温800 ℃氧化100 h后，复合涂层的氧化膜主要由TiO₂、SiO₂和NiO组成，结构连续致密，表现出较好的高温抗氧化性能。而Ti6Al4V合金氧化膜主要为疏松TiO₂，表面氧化严重；氧化后，复合涂层和基体的单位面积增重分别为1.31和23.38 mg/cm²；复合涂层和基体的摩擦因数分为0.44和0.52、磨损率分别为16.2×10^-5和22.6×10^-5mm³/Nm，复合涂层的摩擦学性能亦有明显提高。
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  超声复合磁力研磨加工镍基合金GH4169异形管

  陈燕,曾加恒,胡玉刚,巫昌海

  中国表面工程. 2018, 31(6): 118-124.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180711002

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  为解决镍基合金GH4169异型管内壁难研磨及研磨不均匀问题，采用超声复合磁力研磨光整加工方法进行试验。分析在超声复合磁力研磨条件下，主轴转速、加工间隙、超声频率和超声振幅对异形管内壁表面质量的影响。结果表明：在超声轴向频率为19 kHz、振幅19 μm，主轴转速1000 r/min，磁性磨粒平均粒径250 μm，加工间隙2 mm加工条件下，加工30 min后，管件内壁表面粗糙度Ra由原始的2.4 μm降至0.31 μm。通过在管件内部添加圆柱形辅助磁极，使得内外两磁极形成闭合磁场回路，增加磁场力的作用。辅助磁极连接高频轴向超声振动，使得吸附在磁极上的磁性磨粒在旋转运动和轴向高频振动复合作用下划擦、研磨管件内表面。由于研磨轨迹发生交叉复杂化，使得异型管内壁研磨后的表面质量和表面粗糙度得到明显提高；管件内壁表面残余应力由拉应力+52 MPa转变为压应力-48 MPa，表面应力状态得到较好的改善。
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  磨粒和抛光垫特性对蓝宝石超声化学机械抛光的影响

  钟敏,袁任江,李小兵,陈建锋,许文虎

  中国表面工程. 2018, 31(6): 125-132.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180824002

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  抛光磨粒和抛光垫对蓝宝石超声化学机械抛光起重要作用，为研究磨粒和抛光垫特性对蓝宝石材料抛光效率和质量的影响，利用自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置，研究金刚石、氧化铝和二氧化硅3种不同磨粒，以及表面多孔且无沟槽的聚氨酯抛光垫、IC1000抛光垫、IC1000和SubaⅣ复合抛光垫对蓝宝石材料去除率及抛光后表面粗糙度的影响。由质量损失求得的去除率和原子力显微镜表面形貌测试结果表明：二氧化硅抛光液的去除率3.2 μm/h接近氧化铝抛光液去除率3.8 μm/h，远大于金刚石抛光液去除率0.3 μm/h，且其抛光后的蓝宝石表面光滑、无损伤；3种抛光垫抛光后的蓝宝石粗糙度接近，约0.10 nm，但聚氨酯抛光垫的去除率为3.2 μm/h，远大于IC1000抛光垫的去除率1.9 μm/h及复合垫的去除率1.6 μm/h。二氧化硅抛光液和聚氨酯抛光垫适宜蓝宝石超声化学机械抛光工艺，可获得高去除率和原子级光滑表面。
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  ASTM G134装置的射流空化模拟与空蚀机理分析

  周明明,康灿,刘海霞,陈金豪

  中国表面工程. 2018, 31(6): 133-142.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180704001

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  为解释流动对射流空化和空蚀的影响，以ASTM G134射流空蚀实验台为对象，应用计算流体动力学方法揭示空蚀腔内的空化区形态，进而开展空蚀试验，获得试样表面的空蚀形貌，与模拟结果进行对比分析。结果表明：射流在空蚀腔内保持平稳发展的形态；射流核心段存在高速区，其外围为环形低压区，该环形区是产生射流空化的关键；射流与试样表面接触后，试样表面的空蚀区与环形空化区相对应。试验结果表明，在空蚀试验初期，试样表面的空蚀区呈环形，与模拟结果一致；随着空蚀的发展，环形空蚀区扩大，空蚀由环形区向试样中心区扩散；空蚀时间的继续延长导致试样中心区亦出现严重的材料剥落，此时试样的累积质量损失仍在增长，但累积质量损失率保持稳定。
再制造工程
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  机械设备零部件再制造评价点阵图模型及应用

  任仲贺,武美萍,唐又红,缪小进,匡逸强

  中国表面工程. 2018, 31(6): 143-152.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180710005

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  再制造评价作为绿色再制造工程的设计基础，是开展再制造的前提。为了判断机械设备零部件是否适合进行再制造，在分析机械产品再制造过程的基础上，建立了涵盖技术、经济和环境方面共12个指标的再制造评价指标体系；基于层次分析法，构建了以再制造评价综合指数为目标层的再制造评价层次结构模型。结合专家评分法，创造性地提出了再制造评价点阵图模型，对专家打分结果进行数据可视化处理，然后量化评价指标，计算指标权重和影响系数，从而得到再制造评价综合指数。以汽轮机长叶片为工程案例，利用再制造评价点阵图模型进行再制造评价，得到再制造评价综合指数为0.83，表明该叶片具有良好的可再制造性。结果表明，再制造评价点阵图模型具有指标全面、结果直观和流程规范的特点，可为再制造生产提供重要的信息支撑和决策依据。