2019年, 第32卷, 第2期　刊出日期：2019-02-19

  

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特邀论文
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  关注疲劳再评表面纳米化

  何家文

  中国表面工程. 2019, 32(2): 1-15.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190306002

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  前文《追溯历史评表面形变纳米化》指出变形的细化结构早在20世纪七八十年代已有研究，21世纪初的纳米晶仅冠以新潮名称。文中从测定方法进一步说明一种结构两个名称的原因。位错胞以错角为参数，纳米晶只强调大小未涉及错角，两者的尺度属同一数量级。近年用滚压加大错角，虽实现纳米晶，却是将30年前的磨损表面当作强化。比较大小和错角对性能的影响，表面纳米化以H-P关系为准则，认为细化晶粒可以提高强度。这个关系是统计工厂中日用材料所得，属经验规律，并无理论依据。近年试验表明形变层位错胞大小对力学性能影响不大，错角却起关键作用。H-P关系不能用于形变层结构，表面纳米化的理论依据不成立。
  喷丸的主要贡献是提高疲劳强度，公认残余压应力起主导作用。表面纳米化认为结构细化，屈服强度提高，相应延缓疲劳裂纹萌生，提高了疲劳强度。却没有试验证实此机理的正确性。实际上，获得纳米化的强喷丸表面伴随有裂纹，不存在裂纹萌生阶段。文中展示了喷丸强度和出现微裂纹几率的关系。明确强变形表面属裂纹体，应该用断裂力学而非经典力学的连续体处理。介绍表面形变各影响因素对疲劳裂纹扩展作用的试验，结果表明残余压应力仍是提高疲劳性能的主导因素。追求纳米化的加工硬化，牺牲塑性换取强度，导致裂纹扩展加速，对疲劳有害无益。
综述论文
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  热障涂层无损检测技术研究进展

  李建超,何箐,吕玉芬,梁立康

  中国表面工程. 2019, 32(2): 16-26.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181107001

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  为提高发动机的涡轮前温度和热端部件服役寿命，热障涂层（TBCs）被广泛应用于燃气涡轮发动机。热障涂层具有多相、多界面和非均质特性，且其服役工况恶劣复杂。寻找一种可以表征涂层显微组织、缺陷、热物性、应力等反映涂层质量和剩余寿命的无损检测方法，对发动机的热端部件安全性和可靠性至关重要。文中综述了超声检测技术（UT）、声发射技术（AE）、红外热成像技术（IRT）、阻抗谱技术（IS）和光激发荧光压电光谱技术（PLPS）的原理以及其在热障涂层无损检测中的研究应用，并详细介绍了太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术及其在热障涂层中的应用。最后总结了上述无损检测方法的检测能力，并对热障涂层无损检测方法进行展望。
表面工程
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  新型多弧磁过滤系统对TiAlN薄膜的组分调控

  黄杰,史学伟,廖斌,吴先映

  中国表面工程. 2019, 32(2): 27-33.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181201001

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  针对磁过滤阴极真空电弧沉积技术制备多元复合薄膜的不足，设计研制一种新型的多弧磁过滤系统。该多弧磁过滤系统由两个支线管和一个干线管组成“Y”型的三通管结构。通过有限元分析和试验测量确定该新型多弧磁过滤器的最佳运行参数为：支线管和干线管的长度分别为180和230 mm，内径为200 mm。支线管和干线管的磁场强度分别为40和90 mT。采用该新型多弧磁过滤系统制备TiAlN多元复合薄膜，结果表明：该新型多弧磁过滤系统可实现多元复合薄膜的组分调控，并且膜层的表面形貌光洁，膜层元素分布均匀。
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  多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能

  汪鹏,许昌庆,蔡飞,斯松华,张世宏,梁加刚

  中国表面工程. 2019, 32(2): 34-43.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181107003

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  针对含Si超硬涂层与基体结合强度不足，切削过程中涂层易发生剥落从而导致涂层刀具切削性能低的问题，采用离子源增强的多弧离子镀技术在硬质合金刀具上制备了不同含Si层梯度结构的TiAlSiN梯度涂层。利用XRD、SEM、OM以及切削试验探讨不同含Si层梯度结构对涂层物相、表面形貌、膜基结合强度、摩擦磨损以及切削性能的影响。结果显示：不同含Si层梯度结构的TiAlSiN涂层主要由固溶的（Ti，Al） N和（Al，Ti） N相组成。其中，低Si直接过渡的TiAlSiN涂层（S3）呈现出较高的硬度、良好的膜基结合力、较低的涂层残余应力和摩擦因数。铣削结果显示，涂层刀具的切削磨损机理主要表现为粘着磨损。当切削速度为80 m/min时，低Si过渡涂层（S3涂层）表现出更高的切削长度（925 m），显著高于S1涂层的525 m；当切削速度由80 m/min增加至110 m/min时，S3涂层切削长度增加到1650 m。对含Si刀具涂层进行梯度设计，可有效提高涂层的膜-基结合强度和涂层刀具的切削性能。
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  锆合金表面CrAl涂层的高温氧化与拉伸行为

  位东辉,吴亚文,贺秀杰,马显锋,王辉,施惠基

  中国表面工程. 2019, 32(2): 44-53.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181212001

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  为研究CrAl涂层的高温氧化和拉伸行为，提高锆合金的抗高温氧化性能，采用多弧离子镀技术在锆合金表面制备CrAl涂层。利用高温热处理炉在360~1160℃和860~1160℃下分别对原始锆合金和带CrAl涂层锆合金进行氧化测试，研究二者的氧化增重行为。采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对氧化前后样品的微观形貌、成分与相结构进行系统表征分析。通过原位拉伸测试对原始锆合金和带CrAl涂层试样的力学性能进行研究。结果表明：CrAl涂层氧化时通过形成致密的Al₂O₃和Cr₂O₃氧化层，显著降低了氧化增重，在1060℃高温下基体未被明显氧化。原位拉伸时CrAl涂层直到4%应变时才出现少量微裂纹，显示出较好的塑性变形能力，样品断裂前未见涂层剥落。多弧离子镀制备的CrAl涂层表现出优异的抗氧化性能，涂层与锆合金具有较好的力学相容性，该涂层具有发展成为事故容错燃料（ATF）包壳涂层的潜力。
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  脉冲偏压对直流磁控溅射沉积MoN薄膜结构及性能的影响

  徐星,苏峰华,李助军

  中国表面工程. 2019, 32(2): 54-62.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181106003

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  MoN薄膜是一种具有潜在应用价值的薄膜材料，但对于其结构和性能的研究还较少。采用直流磁控溅射技术在304不锈钢基体表面沉积MoN薄膜，研究了脉冲偏压对MoN薄膜结构和性能的影响，并系统研究了MoN薄膜在不同摩擦条件下的摩擦磨损行为。采用X射线衍射仪和扫描电镜分析薄膜的晶相结构、晶粒尺寸、表面及断面形貌，采用HMV-2T显微硬度仪测试薄膜的显微硬度。采用UMT-TriboLab多功能摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能，并用扫描电镜观察磨损表面，分析其磨损机制。结果表明：脉冲偏压显著影响直流磁控沉积的MoN薄膜的晶相结构、表面形貌、断面结构、硬度和摩擦磨损性能；随脉冲偏压的增大，MoN薄膜的膜厚、硬度都先增大后减小，而薄膜的磨损率却先减小后增大，其中-500 V脉冲偏压下沉积的MoN薄膜具有最高硬度为7731 N/mm²，以及最低的磨损率为5.8×10^-7 mm³/（N·m）。此外，MoN薄膜在不同载荷和转速的摩擦条件下表现出不同的摩擦学行为。
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  C17200铍铜合金表面等离子制备Ta涂层的组织及耐腐蚀性能

  席雯,丁文强,孟天旭,郭麒,于盛旺,刘小萍

  中国表面工程. 2019, 32(2): 63-69.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181114004

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  用双层辉光等离子渗金属技术在C17200铍铜合金表面制备Ta涂层，以提高其抗腐蚀性能。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、划痕仪等分别研究Ta涂层组织结构、成分以及与基体的结合强度，并用三电极体系测量C17200合金及其制备Ta涂层后的腐蚀性能。研究表明，保温0.5~3 h后，在C17200表面形成表面Ta沉积层/Ta-Cu-Be过渡层的复合Ta涂层，该复合涂层由Ta、Ta₂Be、Cu （Be）等相组成。涂层由岛状组织融合生长，Ta涂层随保温时间的延长而增厚。保温2 h的Ta涂层表面平整致密，与基体结合良好，在10% H₂SO₄溶液中较未处理C17200基材的自腐蚀电位升高，自腐蚀电流下降，腐蚀速率降低，表现出良好的耐蚀性能，有效地保护铍铜基体不受腐蚀液侵蚀。
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  掺Ag含量对金刚石薄膜场发射性能的影响

  麻根旺,于盛旺,黑鸿君,贾志轩,吴艳霞,申艳艳

  中国表面工程. 2019, 32(2): 70-78.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181119003

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  采用电泳沉积的方法在钛基体上沉积了不同含量Ag纳米颗粒掺杂的金刚石复合薄膜，利用扫描电子显微镜、X射线衍射光谱和拉曼光谱对样品的结构和形貌进行表征，最后进行场发射特性的测试。SEM试验结果表明，制备得到的薄膜连续、致密且纳米颗粒均匀的分布在其中。场发射测试结果显示样品的场发射性能随着复合膜中Ag含量的增加呈现先增强后降低的趋势，在Ag纳米颗粒的掺杂含量为7.5 mg （0.18 g/L）时，复合膜的场发射性能最优。此时，开启电场（E₀）低至1.55 V/μm，在1.96 V/μm的电场强度下可以得到22.69 μA/cm²的场发射电流密度，这表明适量的Ag纳米颗粒掺杂可以显著提升样品场发射性能。同时，文中结合F-N理论进一步讨论了Ag纳米颗粒掺杂含量的变化对金刚石场膜发射性能影响的作用机理。
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  铝熔体与镀铬氧化铝的润湿行为

  徐前刚,徐雪源

  中国表面工程. 2019, 32(2): 79-87.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181019001

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  为了探究镀层对金属熔体与陶瓷基底润湿行为的作用机理，采用座滴法测试了700~800℃高真空条件下铝熔体与氧化铝、镀铬氧化铝基底及铬块的润湿性，研究了镀铬层厚度及润湿温度对润湿行为的影响。结果表明，铬镀层能够明显改善铝熔体与氧化铝基底的润湿性，随着镀层厚度的增加（260~1200 nm），终态接触角逐渐减小，铺展速率明显增大，且铝熔体在1200 nm镀铬层上比在铬块上具有更好的润湿性。800℃下铝熔体在镀铬氧化铝基底上会形成明显的前驱膜。铝熔体与镀铬层在界面反应形成了非连续反应产物颗粒，700℃时为Al₇Cr，800℃时为Al₁₁Cr₂，而铝熔体与铬块在界面形成了连续的反应层。结合润湿界面反应及铺展前沿组态变化对上述结果进行了分析。
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  不同冷却速率下硅钢氧化皮结构与酸洗动力学关系

  边美华,彭家宁,尹立群,梁庆国,张兴森

  中国表面工程. 2019, 32(2): 88-97.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181017003

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  研究热轧硅钢卷板各部位因其冷却速度不同造成相结构差异，为热轧硅钢板氧化皮结构调控以及工业酸洗工艺提供理论依据和数据积累。采用场发射扫描电子显微镜、背散射成像、X射线能谱仪以及XRD等方法，结合工业酸洗和实验室模拟酸洗，研究了不同冷却速率下热轧硅钢板氧化皮显微组织结构与酸洗动力学之间的关系，初步探讨了其酸洗机理。结果表明：热轧硅钢卷板快、慢冷部位氧化皮分为两层，主要由Fe、Fe₂O₃和Fe₃O₄相组成，而相对含量有明显差异。卷头慢冷部位氧化皮厚度分布不均，表面存在许多裂纹，与基体结合界面平滑；卷尾快冷部位氧化皮均匀致密且较厚，与基体结合界面较粗糙，显微结构差异造成快冷部位氧化皮酸洗动力学更慢。快、慢冷部位氧化皮酸洗机制相似，前期以化学溶解过程为主，后期以两阶段电化学腐蚀过程进行。
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  等离子喷涂过程基体温度场分布的数值模拟

  丁述宇,马国政,丁发军,王海斗,吴治永,徐滨士

  中国表面工程. 2019, 32(2): 98-108.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190116001

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  等离子喷涂的热源温度高，涂层成形区域温度梯度大、热量累积快，涂层中常存在较大的残余应力。研究通过数值模拟并辅以必要的试验测试研究了等离子喷涂过程基体表面热量累积行为：建立了二维静态喷枪加热模型，研究了在不同喷涂距离时基体表面温度场分布规律；建立了移动热源加热模型，研究了在不同喷枪移动速度和扫描遍数时基体热量累积规律。结果表明：在静态喷枪加热作用下，基体温度场呈中间高两端低的对称分布状态；随着喷涂距离减小，基体表面最高温度与平均温度显著升高，温度梯度变化明显，高温区域半径显著增大。在动态喷枪加热过程中，基体左右边界热量累积现象明显，且喷枪移动速度越快，基体表面热量累积越少，温度分布梯度越小；随着喷枪扫描遍数的增加，基体中心区域温度呈波浪式上升，温度增长幅度逐渐变小。
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  超音速等离子喷涂Mo涂层的载流摩擦磨损性能

  惠阳,刘贵民,闫涛,杜林飞,刘明

  中国表面工程. 2019, 32(2): 109-119.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181218001

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  采用超音速等离子喷涂技术在45CrNiMoVA钢表面制备Mo涂层，利用场发射扫描显微镜（SEM）、X射线能谱分析仪（EDS）观测涂层显微形貌与组织成分，分析了载流摩擦中的电接触模型及电弧成因，利用滑动式摩擦试验机研究了电流强度对涂层粗糙度、表面温升及摩擦磨损性能的影响。结果表明：制备的Mo涂层组织致密、氧化程度低，与基体结合方式为“机械铆合”；随电流增加，摩擦副间电弧能量急剧升高，起弧率与表面粗糙度先降低，后上升。其中收缩电阻和微电容产生的自感电动势促进了电弧形成；摩擦副表面的温升由摩擦热、焦耳热、电弧热共同决定，与电流强度呈正相关；摩擦因数受表面粗糙度、材料剪切强度、表面膜等因素共同影响，随电流增加呈下降趋势。此外，载流条件下会出现黏着磨损、氧化磨损、电弧烧蚀等磨损，加剧了涂层剥落与磨粒磨损，但形成的摩擦膜可以有效保护涂层，降低磨损率。
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  磁力搅拌电火花加工工艺对镍钛合金表面特征及疏水性的影响

  冯超超,李丽,赵玉刚,白雪,崔程,张岩

  中国表面工程. 2019, 32(2): 120-127.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181109001

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  采用磁力搅拌电火花加工工艺在镍钛合金表面制备疏水性表面来提高其生物相容性，研究工艺参数对表面特征及疏水性的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）对工件表面形貌进行分析，使用光学接触角测量仪和TR200粗糙度仪分别测量接触角和表面粗糙度值。结果表明：磁力搅拌电火花加工参数对表面形貌特征及疏水性影响显著。当电流为1.5 A时，表面熔凝凸起随脉宽的增大而增大，在脉宽为60 μs时其表面含有尺寸合适的熔凝凸起，接触角达到峰值为138.2°；当电流为4.5 A时，表面富含气孔特征，表面气孔的深度在脉宽为60 μs时达到最大值，其表面接触角为133.6°。表面粗糙度对疏水性能无直接影响。采用磁力搅拌电火花加工工艺，可以大幅提升镍钛合金表面的疏水性。
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  超声辅助磁性磨料光整加工工艺对钛合金表面完整性的影响

  马付建,栾诗宇,罗奇超,刘宇,沙智华,张生芳

  中国表面工程. 2019, 32(2): 128-136.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181105001

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  为了研究超声辅助磁性磨料光整加工工艺对钛合金表面完整性的影响，采用对比试验和建立切削力和材料去除模型理论分析相结合的方法，分析加工后的表面形貌、粗糙度、显微硬度、残余应力和亚表面组织，并讨论了加工中超声的作用机理。结果表明：在超声频率为21.91 kHz、振幅10 μm，主轴转速1000 r/min，加工间隙1.5 mm，磁性磨料粒径300 μm条件下，经过40 min加工后，表面粗糙度Ra降低到0.075 μm，与普通磁性磨料光整加工相比降低近60%。超声的引入，增大了切削力和材料去除率，由于加工的尖点效应，使超声辅助磁性磨料光整加工的表面粗糙度快速降低；同时超声振动的碰撞作用使加工后的表面更加均匀光滑，在亚表面可形成一层近20 μm的组织细化层，表面显微硬度可达到450.6 HV_0.2，与普通磁性磨料光整加工相比提高了15%，表面残余应力由普通磁性磨料光整加工的+68 MPa的拉应力变为-34.1 MPa的压应力，可有效改善工件表面完整性，提高加工表面的综合性能。
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  复合喷丸强化对A-100钢旋转弯曲疲劳寿命的影响

  华程,姚兰,李国庆,邵洋

  中国表面工程. 2019, 32(2): 137-142.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180812001

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  对未喷丸、一次喷丸和复合喷丸的A-100钢试样进行了表面形貌、表面粗糙度、残余应力场及旋转弯曲疲劳寿命的测试，研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场和旋转弯曲疲劳寿命的关系，揭示A-100钢复合喷丸强化机理。结果表明：与一次喷丸相比，在表面形貌方面，复合喷丸可获得更为平整的表面形貌和更低的表面粗糙度值，复合喷丸后，Rz值较一次喷丸降低24%~47%；在残余应力方面，复合喷丸的最大残余压应力值、最大残余应力值深度和最大残余应力场深度基本无变化，而近表层（0~100 μm）的残余压应力值增大。表面形貌的改善及残余压应力场是复合喷丸强化效果的两个主要成因。在一次喷丸的基础上，复合喷丸可进一步提高A-100钢的疲劳寿命，且可以在较低的喷丸强度下获得更优的强化效果。在σ_max=1000 MPa，R=-1条件下，其旋转弯曲疲劳寿命较未喷丸试样可提高50倍以上，较一次喷丸试样可提高5倍以上。
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  高温喷丸强化Ti6Al4V合金的热力耦合数值模拟

  王成,王龙

  中国表面工程. 2019, 32(2): 143-153.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180614001

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  发展一种连接喷丸强化与高温加载传热的热力耦合有限元方法，模拟高温喷丸强化Ti6Al4V合金的过程。首先建立一圆盘模型模拟待喷材料的高温加载传热过程。然后将圆盘模型的受热部分取出一小块建立对称胞元喷丸模型，并且将高温加载所致的温度场和热应力场通过解析场的方式导入到对称胞元喷丸模型，模拟高温喷丸强化过程。最后通过回弹计算获得稳定的残余应力场和温度场。创建4种模拟工况：常温喷丸、单独导入温度场的喷丸、单独导入热应力场的喷丸和高温喷丸，探究高温喷丸的残余压应力强化机理。结果表明：在常温环境下，对称胞元喷丸模型模拟的Ti6Al4V表层残余应力与试验结果具有很好的一致性。在高温加载作用下，随着热流密度的增加，受喷材料表层残余压应力有所减小，材料亚表层的残余压应力逐渐增大。影响高温喷丸强化的残余压应力的主要因素是高温加载所致的温度场，热应力场对残余压应力强化起次要作用。
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  涂层孔隙对基体碳/碳材料的氧化损伤模拟

  周述光,刘骁,国义军

  中国表面工程. 2019, 32(2): 154-162.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181130001

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  碳/碳（C/C）复合材料广泛应用于高超声速飞行器，其表面有碳化硅（SiC）基的保护涂层，旨在将氧气与底层基体C/C隔离。涂层中存在的孔隙成为氧气直达底层C/C材料的通道。C/C材料被氧化，侵蚀出空穴，严重时造成局部热防护失效。针对原有的气体扩散两步模型进行了改进，去掉了O₂/CO反应界面固定的限制，考虑了空穴中扩散的影响，提出了折合孔隙深度与弯曲因子的处理方法。采用改进模型模拟涂层下面C/C材料氧化空穴半径，计算值与试验测量值吻合良好，验证了模型的有效性。改进模型可用于预测涂层保护的基体C/C材料的氧化空穴尺寸和评估氧化损伤。
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  含氮双相不锈钢激光成型试样的力学与腐蚀性能

  张聪,张振远,李胜,邱长军,朱胜

  中国表面工程. 2019, 32(2): 163-169.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181107002

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  针对大型装备现场增材修复与再制造的需要，设计制备了一种集约化双相不锈钢粉末，用于Q345、Q460以及EQ56等海工结构钢和18-8等奥氏体不锈钢大型承力部件现场修复。采用99.999%高纯氮气保护在Q345和1Cr18Ni9Ti基材上制备了激光成型试样，采用试验方法研究了试样的组织结构、力学性能、电化学性能和氮含量的变化规律。结果表明：采用高纯氮气保护，可以制备出含氮的双相不锈钢成型层，成型层中奥氏体和铁素体晶粒分布较均匀，氮含量比粉末中氮含量下降了45%。试样抗拉强度为940~1040 MPa，屈服强度为800~910 MPa，断后延伸率为21%~25%，显微硬度为275~285 HV_0.1。在20 Hz交变载荷、试验应力范围330~600 MPa的试验条件下，成型试样的平均断前循环次数大约为标准冷轧棒材1Cr18Ni9Ti的7倍。磨损量分别为基材Q345和1Cr18Ni9Ti的0.3和0.5倍。试样腐蚀电位比1Cr18Ni9Ti增加0.364 V，腐蚀电流密度减少4.34×10^-7A/cm²，成型试样有良好的综合性能。