中国表面工程

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肖强，徐睿

中国表面工程. 2020, 33(1): 1-17.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200227001

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超快激光具有脉冲宽度短、峰值功率高的特点,相对于长脉冲对材料造成的热影响几乎为零,这使得利用超快激光加工材料逐渐受到科学界的重视。文中综述了超快激光辐照材料表面产生微纳结构的机理,总结了超快激光制备材料表面微纳结构的主要特点以及特殊性能的表现,针对超快激光加工不同种材料和采取不同种加工工艺两个方面进行论述,对材料表面结构的形貌形成、展现的性能及研究结论加以说明,并对各个工艺的优缺进行了讨论。最后对超快激光制备仿生功能表面和生物医学材料表面等最新发展趋势进行了总结,并对超快激光制备材料表面微纳结构在未来研究发展中会遇到的问题进行了展望。

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喷丸成形弹坑尺寸对2324铝合金疲劳性能的影响

王强，张炜

中国表面工程. 2020, 33(1): 18-23.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190331001

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定性和定量分析喷丸成形弹坑尺寸对 2324 铝合金疲劳性能的影响,研究改善喷丸成形零件疲劳性能的工艺方法。采用白光干涉仪测试不同喷丸成形工艺下的弹坑尺寸,测试分析其对应的轴向拉伸疲劳寿命。结果表明:喷丸能量越大,则弹丸深度(H)越大、弹坑直径(R)也越大,喷丸成形后再进行喷丸强化处理,则弹坑直径增大 19%,弹坑深度减小 58%。喷丸成形引入深弹坑使疲劳裂纹源过早的形成和发展,造成预拉伸处理的喷丸成形上限试样疲劳寿命降低 61%,成形上限+喷丸强化试样疲劳寿命比仅喷丸成形试样提高 140%。 H/ R 值与机械加工状态试样平均疲劳寿命(L0 ) / 喷丸状态试样平均疲劳寿命(L)值呈现较好地线性关系,说明 H/ R 值可较好的表征喷丸成形造成的表面应力集中程度。

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AZ31镁合金表面含纳米SiC氟化镁膜层的制备及耐腐蚀性能

安景花，齐玉明，彭振军，梁军

中国表面工程. 2020, 33(1): 24-33.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190915001

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为了提高 MgF2 膜层的耐腐蚀性能,利用微弧氧化工艺,通过在 NH4F-EG 电解液中添加纳米 SiC 颗粒,在 AZ31 镁合金表面制备含 SiC 的 MgF2 -SiC 膜层,并探究纳米 SiC 颗粒的浓度对 MgF2 膜层组成、结构和耐腐蚀性能的影响。采用 SEM、EDS、XRD、XPS 等测试方法对含 SiC 的 MgF2 膜层的微观组织、元素含量和物相组成进行分析,利用电化学工作站对膜层的耐腐蚀性能进行测试。结果表明:电解液中的纳米 SiC 颗粒成功进入 MgF2 膜层中。随着电解液中纳米 SiC 浓度的增加,膜层中的 Si、C 元素含量增加,Mg、F 元素含量减少,膜层变得致密平整,孔隙率减少,膜层缺陷得到有效改善,膜层厚度减小;MgF2 膜层的耐腐蚀性能先增大后减小,当电解液中纳米 SiC 的浓度为 5 g / L 时,膜层的耐腐蚀性能最优。因此,在 NH4F-EG 电解液中添加纳米 SiC 颗粒,可以在 AZ31 镁合金表面制备出含 SiC 的 MgF2 -SiC 膜层, 且耐腐蚀性能优于不含 SiC 的 MgF2 膜层。

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微量钛对离子渗氮渗层特性及性能的影响

毛长军，魏坤霞，刘细良，周正华，胡静

中国表面工程. 2020, 33(1): 34-38.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190729003

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为调控离子渗氮渗层特性,获得少脆性化合物层、厚韧性扩散层的渗氮层,提高离子渗氮渗层抗冲击性和重载下的耐磨性,对 42CrMo 钢进行了添加微量钛的创新离子渗氮处理。利用光学显微镜、SEM、XRD 和显微硬度计对渗层的截面显微组织、表面形貌和成分、物相和截面硬度进行了测试和分析。结果表明:添加微量钛离子渗氮可显著改善渗层特性,获得少化合物层的高硬高韧渗氮层,同时显著提高离子渗氮效率。在 540 ℃ ×4 h 工艺条件下,添加微量钛可使离子渗氮有效硬化层厚度显著增加,由常规离子渗氮的 225 μm 增加到 380 μm,即渗氮效率提高近 70%;有效硬化层厚度提高的情况下,化合物层厚度反而减薄,由常规离子渗氮的 19 μm 降低到 10 μm,即化合物层厚度降低了约 50%;渗层中化合物层与有效硬化层之比值由常规离子渗氮的 8. 5%降低到 2. 6%。同时添加微量钛离子渗氮渗层中形成了高硬度强化相 TiN,使渗层表面硬度由 703 HV0. 05 提高至 895 HV0. 05 。添加微量钛离子渗氮获得了薄化合物层、高硬高韧、厚有效硬化层的优良渗氮层特性,该渗层特性对改善离子渗氮零部件抗冲击性和重载下的耐磨性具有重要研究和应用价值。

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氮气对纳米金刚石膜的生长结构及晶界处H含量的影响

王振湉，翁俊，汪建华，刘繁

中国表面工程. 2020, 33(1): 39-46.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190616001

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采用 MPCVD 技术,研究了 CO₂ -CH₄ -N₂ 体系中 N₂ 对纳米金刚石膜生长状态及晶界处 H 含量的影响。利用 SEM,XRD,Raman,FTIR 及 TEM 对纳米金刚石膜的形貌、结构和质量进行研究,并利用 Raman 及 FTIR 对晶界处 H 的含量进行计算分析。结果表明,N₂ 流量的增加会在促使纳米金刚石膜的晶粒团聚体从球状逐渐转变为针状的同时减小晶粒尺寸,并使择优取向由<111>转变为<110>。随着 N₂ 流量的增加,纳米金刚石膜的质量也随之降低,但晶界处的 H 含量逐渐上升。具有针状晶粒团聚体的纳米金刚石膜具有明显的金刚石相和晶体石墨相。 N₂ 流量的增加不仅可以有效降低纳米金刚石膜的晶粒尺寸,改变晶粒的团聚形态及择优取向,还可以显著增加晶界处 H 的含量,促进石墨相的生成。

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a-C∶H和ta-C涂层对7075铝合金的摩擦学特性

黄志宏，杨豆，杨兵，刘传胜

中国表面工程. 2020, 33(1): 47-54.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190905001

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为了评估 a-C ∶H 和 ta-C 涂层应用于铝合金干式切削刀具表面防护的可行性,在 M2 高速钢基底上,用 RFPECVD 方法沉积 a-C ∶H 涂层,用磁过滤阴极真空电弧方法沉积了 ta-C 涂层。通过热重试验观测两种涂层在升温过程中的质量变化。将这两种涂层在大气环境退火,用拉曼光谱等方法表征涂层的结构,用纳米压痕法测量涂层硬度。通过大气环境下的球盘摩擦磨损试验,比较 a-C ∶H 和 ta-C 涂层的对7075 铝合金摩擦学性能。结果显示:经过 400 ℃退火,a-C ∶H 涂层硬度从24. 8 GPa 下降至 20. 0 GPa,ta-C 涂层硬度从 28. 7 GPa 增加至 30. 8 GPa;a-C ∶H 涂层对7075 铝合金的摩擦因数从 0. 17 下降至 0. 14,ta-C 涂层摩擦因数保持不变为 0. 12;a-C ∶H 涂层磨损率从1. 9×10^-15 m ²·N^-1上升至 2. 4×10 ^-15 m ²·N ^-1 ,ta-C 涂层磨损率从 8. 0×10 ^-16 m ²·N ^-1上升至 9. 2×10^-16 m ²·N ^-1 。当采用 7075 铝合金为对偶摩擦件时,ta-C 具有比 a-C ∶H 涂层更低的摩擦因数和磨损率,而且随温度变化更稳定,因此 ta-C 是一种更有前途的铝合金干式切削刀具防护涂层。

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聚酰亚胺基自润滑材料与WS₂-Ag固体润滑膜的相容性

邱维维，孟祥宇，王非，孟晖，包知迪

中国表面工程. 2020, 33(1): 55-62.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20191101001

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为研究聚酰亚胺基新型润滑材料与钢表面固体润滑膜的相容性,采用离子束辅助沉积技术在 9Cr18 轴承钢材料上制备掺杂 Ag 的 WS₂ 固体润滑膜,并在摩擦磨损试验机(MS-T3000)上进行聚酰亚胺基自润滑保持架材料做成的球面销(简称:PI 基销)与 9Cr18 钢,以及 PI 基销与 WS2 -Ag 膜的摩擦试验。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、光学显微镜、激光共聚焦显微镜及红外光谱仪检测 WS₂ -Ag 固体润滑膜与 PI 基销的表面和磨痕形貌、成分和官能团。结果显示:摩擦磨损后,WS₂ -Ag 膜与 PI 基材料均未发生化学反应,各自保持固有的润滑性能,并表现出了良好的相容性。

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磁控溅射Cr/CrN和Cr/CrN/CrAlN涂层的抗高温氧化性能

宋肖肖，李柯，赵婕宇，董艇舰，胡登科，陈亚军

中国表面工程. 2020, 33(1): 63-72.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190801001

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为了提高航空紧固件涂层的高温工况防护能力,采用磁控溅射技术在钛合金表面分别制备 Cr/ CrN 交替涂层和 Cr/ CrN / CrAlN 涂层,研究氧化时间和氧化温度对涂层高温氧化性能影响。利用 SEM、EDS 和 XRD 进行微观形貌和物相成分分析,采用热重法分析氧化增重量( w) 和氧化速率常数( k) ,使用显微硬度计测试涂层高温氧化后硬度。结果表明:随着氧化时间和氧化温度的增加,涂层硬度均降低,但 Cr/ CrN / CrAlN 涂层下降趋势更缓; 两种涂层的 w 和 k 均上升,其中 Cr/ CrN / CrAlN 涂层 w 和 k 增幅均低于 Cr/ CrN 交替涂层,950 ℃ 氧化 96 h 后 Cr/ CrN / CrAlN 涂层和 Cr/ CrN 交替涂层的 w 值分别为 40 mg / cm ² 和 135. 7 mg / cm ² ,其对应的 k 分别为 0. 1996 和 0. 4092,说明 Cr/ CrN / CrAlN 涂层抗高温氧化性更好。 Cr/ CrN / CrAlN 涂层活化能 E_a 值比 Cr/ CrN 交替涂层高 48. 5%,Cr/ CrN / CrAlN 涂层在高温下产生 Cr₂O₃ 和 Al ₂O₃ 的混合氧化物,结构更致密,Cr/ CrN / CrAlN 涂层抗高温氧化性能高于 Cr/ CrN 交替涂层。

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基体、过渡层偏压和涂层厚度对氧化铬涂层结晶取向的影响

黄凯，李刘合

中国表面工程. 2020, 33(1): 73-83.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190822001

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硬质涂层的结晶取向会受多种因素的影响,其影响机制存在很多争议。采用电弧离子镀方法,分别在硬质合金 YT15、单晶硅片以及高速钢(HSS)表面沉积了纯铬过渡层和不同厚度的 Cr₂O₃ 涂层。用扫描电子显微镜( SEM) 观察了涂层的断面形貌,用 X 射线衍射(XRD)研究了涂层的结晶取向。研究发现:涂层生长初期主要表现为[ 006] 取向;过渡层偏压会使涂层的[006]衍射峰的相对强度降低 25%以上;基体的晶粒越细,越不利于[ 006]取向,有利于 [104]和[116]取向;随着涂层厚度增加,[006]相对强度降低 21% ~ 44%,[104]和[116]的相对强度分别增加 11% ~ 25%和 11% ~ 19%。通过分析结晶取向的变化,发现结晶取向符合表面能最小化原理,并受结晶和生长条件的共同影响。

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Au负载N掺杂TiO₂纳米管阵列的制备及其性能

许美贤，刘佳孟，李文奕，孙研豪，张王刚，王红霞

中国表面工程. 2020, 33(1): 84-90.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20191010002

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TiO₂ 纳米管阵列较大的禁带宽度是导致其光催化效率较低的重要原因,采用磁控溅射、阳极氧化以及气氛退火相结合的方法对 TNAs 改性后制备了 Au 负载 N 掺杂 TiO₂ 纳米管阵列(Au@ N-TNAs),然后以甲基橙为目标污染物, 进一步分析了 Au@ N-TNAs 在不同 Au 负载量时光降解效率的变化情况。采用 SEM、XRD、TEM 和 X 射线光电子能谱 (XPS)等对 Au 和 N 在 Au@ N-TNAs 中的存在形式进行表征和分析,发现 Au 主要是负载在 TiO₂ 纳米管阵列上,而 N 元素则是以掺杂的方式进入 TiO₂ 纳米管阵列的晶格中。此外,在光降解试验中发现通过 Au 负载与 N 掺杂相结合的方法对 TiO₂ 纳米管阵列进行复合改性后,TiO₂ 纳米管阵列的光催化效率得到显著提升,其中 20s-Au@ N-TNAs 具有最佳的光降解效率。但 Ti-N 薄膜中间的 Au 层太厚时会影响阳极氧化过程中 TiO₂ 纳米管阵列的生长,而且过量的 Au 在退火处理时很难及时地扩散均匀,进而使得改性后的 TiO₂ 纳米管阵列(40s-Au@ N-TNAs)的光催化效率明显降低。

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LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层CMAS的腐蚀性能

杨乐馨，李文生，安国升，张义

中国表面工程. 2020, 33(1): 91-100.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190619001

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为探究 La₂Zr₂O₇(LZO)涂层服役于 CMAS 环境中其微观结构、力学性能的变化及封阻渗透的原因,采用大气等离子制备了以 Al₂O₃ 为基体的 LZO/ 8YSZ 双陶瓷热障涂层( TBCs) ,并辅以 8YSZ 单陶瓷 TBCs 作对比。利用 XRD、SEM 和 EDS 研究了 8YSZ 和 LZO/ 8YSZ 单双陶瓷 TBCs 的相结构和微观组织;利用维式硬度计和 Image Pro plus 软件研究了腐蚀后的涂层硬度及渗透深度。结果表明:1250 ℃ CMAS 腐蚀 12 h 后,LZO/ 8YSZ 双陶瓷 TBCs 中 LZO 反应厚度约为 57 μm;反应层物相以球状 ZrO₂ 和棒状 Ca₂La₈( SiO₄ ) ₆O₂ 为主,并伴有少量 CaAl ₂Si ₂O₈ 和 M_gAl ₂O₄ 。而 8YSZ 单陶瓷 TBCs 腐蚀深度约为 300 μm( 整个 8YSZ 层厚) ,截面变为以球状 m-ZrO₂ 为主的疏松结构。腐蚀后 8YSZ、LZO 反应层硬度均有所增加,但提高的面内刚度未引发反应/ 未反应层间开裂。 LZO 陶瓷层作为双陶瓷 TBCs 牺牲防护层,依靠 La 同 CMAS 反应生成致密磷灰石(Ca₂La₈( SiO₄ ) ₆O₂ )的封阻作用,有效减少 CMAS 渗入,抑制了内部 8YSZ 的不稳定性。

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HVAF工艺参数对铝基非晶合金涂层性能的影响

邱实，王浩伟，王晓明，常青，吕威闫，杨柏俊

中国表面工程. 2020, 33(1): 101-109.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190507003

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针对铝基非晶合金形成能力弱的问题,采用超音速火焰喷涂(HVAF)工艺制备出铝基非晶合金涂层,研究了优化工艺参数对涂层孔隙率和非晶含量的影响,并评价了涂层的耐蚀和耐磨性能。结果表明:在合适的喷涂厚度下,提高喷枪移动速率及降低送粉速度,可有效提高涂层的致密度与非晶含量,进而明显提升了涂层的耐蚀和耐磨性能。在优化的工艺参数下得到的铝基非晶涂层孔隙率为 0. 12%,非晶含量为 83. 7%时,点蚀电位可提高到-0. 3 V_SCE ,腐蚀电流密度降低一个数量级,磨损速率仅为 5. 6×10 ^-4mm ³N^-1m^-1 。

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32Cr3Mo1V钢表面激光离散Cr合金化的热疲劳性能

李文，王之桐

中国表面工程. 2020, 33(1): 110-116.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190415004

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为了研究增强 32Cr3Mo1V 铸轧辊套材料的热疲劳性能的方法,使用连续 Nd:YAG 激光制备表面离散 Cr 合金化试样。使用激光扫描加热模拟实际辊套的表面温度和分布,测试试样的热疲劳性能。通过对试样的准原位观察,发现疲劳裂纹在氧化膜点蚀处萌生并扩展。通过 SEM 观察和 EDAX 分析,发现在热循环 300 周次时,基体中的 Cr 元素已经耗尽,形成疲劳裂纹,而合金化区和热影响区的组织保持完整。合金化区中 Cr 含量达到 10. 41%,含氧量仅为基体的 2. 8%;热影响区的 Cr 元素含量为 3. 41%,含氧量为基体的 7. 2%。结合金属高温氧化理论和材料疲劳理论分析,认为高 Cr 含量在试样表面形成薄且致密的氧化膜,抑制氧化膜的点蚀现象,避免裂纹的萌生;而热影响区中显微组织的高 Cr 含量和残余压应力结合阻滞疲劳裂纹的扩展,使裂纹扩展速率降低近一个量级。

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激光比能对Fe₂B激光熔覆涂层微观组织与性能的影响

王一澎，陈志国，汪力，魏祥，舒忠良，沈聪

中国表面工程. 2020, 33(1): 117-124.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190128001

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利用粉末喷射激光熔覆以球形硼铁粉末为原材料成功制备了 Fe₂B 金属间化合物涂层。采用金相显微镜 (OM)、 X 射线衍射仪 (XRD)、扫描电镜 ( SEM)、电子探针 (EPMA)、显微维氏硬度计及摩擦磨损试验机对涂层的组织与性能进行了表征。结果表明: 当激光比能控制在 3. 00×10 ⁸ kJ/ m ²左右时, 采用粉末喷射激光熔覆能制备较为理想的 Fe₂B 金属间化合物涂层。制备的单层涂层的物相为 Fe₂B 与 Fe, 显微硬度峰值达 1360 HV_{0. 05} , 涂层组织中大量弥散分布的 Fe₂B 相的生成是涂层具有高硬度的原因。制备的多层涂层与基体具有良好的冶金结合, 从基体到涂层, 组织经历了一个由平面外延生长组织到胞状晶再到等轴晶的演变过程, 涂层稳定摩擦因数为 0. 385, 磨损率为 5. 67×10 ^-15 m³ / N·m,表现出良好的耐磨性能, 磨损机制为磨粒磨损与疲劳磨损。

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氮化钛含量对热塑性涂层光热效应及自修复性能的影响

王金科，马菱薇，张达威

中国表面工程. 2020, 33(1): 125-132.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190703001

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为了实现涂层破损的高效自修复,将纳米氮化钛与热塑性聚氨酯混合,制备了不同氮化钛含量的复合涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)和紫外可见分光光度计(UV-Vis)分析了氮化钛的结构和光谱吸收特征;利用差示扫描量热仪(DSC)、热电偶、光学显微镜、扫描电子显微镜( SEM)、交流阻抗谱(EIS)等对复合涂层的热力学性能、光热转换性能、自修复性能及防腐性能进行测试。结果表明:基于纳米氮化钛的表面等离激元特性,在热塑性聚氨酯中添加质量分数为 2%的氮化钛后,复合涂层具有良好的光热转换性能,在近红外激光照射后其表面温度高于聚氨酯的玻璃化转变温度。当涂层表面有划口时,通过激光照射可以提高涂层的局部温度,使聚合物分子链运动并流向划痕界面,复合涂层的结构和防腐性能均得到恢复,并且修复后涂层中氮化钛仍分布均匀。此外,氮化钛纳米颗粒还有助于填补涂层的微观孔隙,使复合涂层的防腐性能提高。

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2020年, 第33卷, 第1期　刊出日期：2020-01-19

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