中国表面工程

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吴洪键，李文波，邓春明，刘敏，廖汉林，邓思豪

中国表面工程. 2020, 33(4): 1-15.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200530002

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近些年来,冷喷涂技术得到快速的发展,并逐渐形成了一门新的增材制造方法。但由于目前存在的诸多技术壁垒以及居高不下的制造成本,使得冷喷涂增材制造技术尚未得到广泛的应用。文中从技术与应用的角度出发,对冷喷涂增材制造目前存在的一些关键技术问题以及未来发展的方向进行梳理与讨论,同时也提出了一些适用的解决方案。目的是为促进该技术实现更高价值的制造过程,从而推动冷喷涂增材制造技术的发展。

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冷喷涂技术的研究进展与应用

黄仁忠，孙文，郭双全，谢迎春，刘敏

中国表面工程. 2020, 33(4): 16-25.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200824002

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近年来,冷喷涂技术是一门备受关注的新兴技术,冷喷涂过程中超音速金属粒子以固态形式碰撞基体后产生剧烈的塑性变形从而形成沉积。由于冷喷涂的沉积可以实现连续堆积而逐层增厚,从而使该技术从一种涂层加工技术发展成为一种快速的增材制造技术。经历了 30 多年的迅猛发展,冷喷涂技术的研究方向正在从基础理论研究转变到应用开发,其中一些应用已经实现工业化量产。文中介绍了冷喷涂的技术及工程化应用特点,展示了典型冷喷涂涂层性能等基础研究以及冷喷涂涂层应用等开发方面的工作,并且重点介绍了冷喷涂技术在航空航天、能源动力、电子电力、增材制造等领域的应用研究方面所取得的一些新进展。

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真空冷喷涂技术及其在功能器件中的应用

马凯，李成新

中国表面工程. 2020, 33(4): 26-50.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200514001

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真空冷喷涂作为一种有潜力的新型涂层制备工艺,已引起来自多个国家研究团队的关注。超细陶瓷或金属颗粒以数百米每秒或更高速度撞击基体与累加沉积,无需高温烧结,即可在室温下制备致密或多孔的纳米结构陶瓷涂层或金属涂层。该工艺具有材料适用广泛、成分不易发生变化、可直接快速制备复合材料以及多种结构涂层的优势。尤其是在功能陶瓷领域,真空冷喷涂有希望成为以烧结为基础的传统生产工艺的替代品。文中详细阐述了真空冷喷涂工艺的原理与特点、颗粒沉积行为和典型涂层形貌,并介绍了真空冷喷涂工艺在传感器( 气体、湿度和温度) 、能源器件(太阳能电池、燃料电池、锂离子电池和超级电容器等) 、微机电系统( MEMS) 器件、表面防护、生物涂层以及金属涂层等领域的应用和最新研究进展。最后对真空冷喷涂工艺的未来研究方向和应用领域进行了展望。

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冷喷涂金属基复合涂层及材料研究进展

王吉强，崔新宇，熊天英

中国表面工程. 2020, 33(4): 51-67.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200702001

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冷喷涂是近年来一种发展十分迅速的材料固态沉积技术,其具有喷涂温度低和颗粒沉积速度高的特点,在金属基复合涂层及材料制备方面展现出了良好的应用前景。在大量文献整理和分析的基础上,对冷喷涂金属基复合涂层及材料的最新研究进展进行了系统的介绍。首先归纳了机械混合法、球磨法、包覆法以及造粒法等复合粉末的制备方法及其优缺点,为复合粉末的制备和选择提供了参考;其次,分类介绍了采用冷喷涂制备的铝基、镍基、铜基、钴基以及其他金属基复合涂层及材料;再次,分析了退火、激光、搅拌摩擦焊和热机械等后续处理方法对冷喷涂金属基复合涂层及材料组织结构和性能的影响,并介绍了不同后续处理方法的优缺点;最后,总结了冷喷涂金属基复合涂层及材料的潜在应用领域和存在问题。

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冷喷涂金属的组织与性能调控

雒晓涛，谢天，李长久，李成新

中国表面工程. 2020, 33(4): 68-81.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200707001

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金属粉末颗粒低温固态成型的特点使冷喷涂在热敏感、易氧化金属材料制备方面具有显著的优势,可用于高性能涂层的制备、失效金属构件的修复和金属增材制造。获得目标性能是确保冷喷涂涂层、修复层和增材构件得以应用的前提,其主要受沉积体的显微组织影响。因此,首先介绍了冷喷涂固态颗粒高速碰撞,逐个颗粒沉积使沉积体形成的 “砖墙”层状独特结构;其次,阐述了冷喷涂沉积体“砖墙”特征结构与性能,特别是力学性能之间的关系;最后,重点从粉末原材料设计、喷涂过程控制和喷涂后处理的涵盖冷喷涂全流程的 3 个方面对冷喷涂金属显微组织进行调控的策略和方法进行了总结,以期为冷喷涂技术的广泛应用提供借鉴。

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冷喷涂过程中气固两相流动行为及喷涂工艺优化研究新进展

李文亚，樊柠松，殷硕

中国表面工程. 2020, 33(4): 82-101.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200529001

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冷喷涂技术因其固态沉积特性及突出的冶金优势,在金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造与修复再制造等领域获得了国内外研究者的广泛关注。近十年来,国内外对冷喷涂技术的基础理论研究也取得了重要进展。冷喷涂粒子加速加热行为是结合机理研究的先决条件。因此,文中结合作者多年的研究经验,对冷喷涂过程中气固两相流动行为及喷涂工艺优化的最新进展进行了综述。首先,分析了冷喷涂喷嘴内外的气体流动特性;其次,讨论了冷喷涂粒子的加速与加热行为;然后,阐述了冷喷涂过程中工艺参数优化的策略;最后,给出了相关研究的发展方向。

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微弧氧化镁表面钙磷生物涂层的制备及性能

韩嘉平，王振玲，唐莎巍，胡津，于玉城

中国表面工程. 2020, 33(4): 102-110.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200814001

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为改善镁合金的骨植性能,采用微弧氧化处理和电沉积钙磷涂层相结合的方法在纯镁表面制备具有生物活性的复合涂层,研究了复合涂层在模拟体液和细胞培养液中的组织结构演化、腐蚀行为、骨形成能力和细胞粘附行为。微弧氧化镁表面沉积的钙磷相为二水合磷酸氢钙(DCPD)。电沉积过程中 DCPD 优先在微弧氧化层的通孔和放电通道处形核、随后长大并覆盖微弧氧化层而起到封孔作用。涂覆后镁的低频阻抗模值在浸泡初期超过了 10⁵ Ω·cm² ,且在 120 h 内基本保持稳定;腐蚀电流密度与纯镁相比下降了约 3 个数量级,复合涂层显著地提高了镁的耐蚀性。复合涂层在模拟体液和细胞培养液中均表现出了诱导羟基磷灰石(HA)沉积的能力,在细胞培养液中浸泡 14 d 后涂层表面出现球状类骨 HA 组织;细胞黏附试验中,活细胞几乎黏附在整个涂层表面,表现出良好的骨形成能力和细胞活性。

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粉末包埋渗铝与气氛渗铝对P92钢650℃饱和蒸汽氧化行为的影响

周永莉，鲁金涛，黄锦阳，杨珍，袁勇，谷月峰，赵钦新

中国表面工程. 2020, 33(4): 111-120.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190620001

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表面渗铝技术可以在不改变基体材料力学性能的基础上显著提高基体的抗高温蒸汽氧化性能。利用低温粉末包埋和气氛渗铝两种方法在 P92 钢表面制备了铝化物涂层,并结合氧化增重法、扫描电镜观察及 XRD 分析,研究了两种工艺下铝化物涂层的 650 ℃饱和蒸汽氧化行为。结果表明:P92 钢抗氧化能力不足,生成了由外层疏松层瘤状富铁氧化物与表面氧化膜下方内氧化物 FeCr₂O₄ 组成的双层结构氧化膜,外层富铁氧化膜在氧化 300 h 后发生剥落;低温包埋渗铝所得涂层为 β-FeAl 层,氧化 500 h 后试样表面形成极薄的保护性 α-Al₂O₃ 氧化膜(<0. 2 μm);气氛渗铝涂层为单层 Fe₃Al 结构,氧化 500 h 后试样外表面形成了 Fe₃O₄₊Fe₂O₃ 氧化膜,厚度为 1. 3 μm,靠近涂层表面生成单层连续 Al₂O₃ 氧化膜。采用低温包埋和气氛渗铝均可提升 P92 钢的抗蒸汽氧化能力。

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交流电场增强45钢中温粉末法硼铝共渗特性

谢飞，王晓娟，潘建伟

中国表面工程. 2020, 33(4): 121-127.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200617003

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为克服传统粉末法硼铝共渗存在的处理温度高、渗速慢以及渗剂利用率低的缺点,研究以交流电场加速中碳 45 钢中温粉末法硼铝共渗。分别采用光学显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜能谱仪和显微硬度计等观测共渗层厚度、组织、相结构、成分分布及硬度分布,研究电场对共渗的影响,分析硼、铝的交互作用。研究发现:交流电场对硼铝共渗的促进程度与渗剂配比有关;当渗剂中铝粉的质量分数低于 3%时,共渗以渗硼为主,共渗层组织主要为表层含铝的锯齿状硼化物,铝促进硼化物生长,在施加交流电场时表现更为显著,当电场电流为 2 A 时,铝的促渗作用在铝粉的质量分数为 2%时达到峰值,渗层厚度约为相应不加铝粉的 3 倍,而当电场电流增至 6 A 时,渗层厚度约为相应不加铝粉的 10 倍, 增加电场电流会增加渗层次表层的硬度;当渗剂中铝粉的质量分数≥3%时,共渗以渗铝为主,渗层组织表现为渗铝特征,但渗层厚度远比相应单一渗铝的薄,交流电场的促渗作用不显著。

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负偏压和本底真空度对Al膜表面形貌和耐蚀性能的影响

胡方勤，曹振亚，张青科，杨丽景，宋振纶

中国表面工程. 2020, 33(4): 128-135.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200721001

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采用电弧离子镀技术在烧结钕铁硼表面沉积 Al 薄膜。利用表面轮廓仪、扫描电镜、激光共聚焦、电化学工作站和盐雾试验箱分析了负偏压和本底真空度对镀层形貌、性能和沉积速率的影响。结果表明,镀层表面的液滴数量和粒径随负偏压和本底真空度的增加而减小;沉积速率与负偏压成反比,而与本底真空度成正比。在负偏压为-100 V 时沉积速率最大,达到 4. 85 μm/ h。随着负偏压和本底真空度的增加,腐蚀电流密度减小,耐盐雾时长增加,负偏压为 -200 V 时 Al / NdFeB 样品具有较好的耐蚀性。

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HVAF喷涂Inconel625涂层在生物质发电环境的高温腐蚀行为

杨二娟，刘福广，常绍峰，谷永辉，蒋生喜，张庆和，雒晓涛，李长久

中国表面工程. 2020, 33(4): 136-144.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200222002

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秸秆等生物质焚烧发电时产生的含氯气体和碱金属氯化物腐蚀使受热面金属管道的服役寿命比煤电机组显著降低。管材表面堆焊镍基耐腐蚀合金的技术尽管可显著提高管道服役寿命,但存在工作效率低、不适合现场施工、管道热变形等诸多问题。采用可现场施工的空气超音速火焰喷涂(HVAF)在 TP347H 耐热钢表面,制备了 Inconel 镍基耐高温腐蚀涂层,研究了 TP347H 耐热钢喷涂 Inconel 625 合金涂层前后的长期高温腐蚀特性(550 ℃ ,500 h),验证了 HVAF Inconel 625 合金涂层的高温含氯腐蚀防护作用。显微观察结果表明,优化工艺参数条件下 HVAF 涂层组织致密、孔隙率低至 0. 72%,与基材结合良好。腐蚀增重结果表明,采用 HVAF 制备 Inconel 625 合金涂层后,TP347H 耐热钢的腐蚀增重降低 7. 6 倍,耐腐蚀性能显著提升。冲蚀试验结果表明,HVAF Inconel 625 合金涂层在最初阶段由于表层凸起颗粒的剥落而冲蚀性能极低,进入稳定阶段后耐冲蚀性能提高,与 TP347H 基材的耐冲蚀性能相当。

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基于面积分数多尺度分析的封严涂层孔隙分布均匀性定量表征

李宗艺，张伟，林莉，马志远，雷明凯

中国表面工程. 2020, 33(4): 145-151.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200324003

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多相非均质可磨耗封严涂层的孔隙尺寸复杂、形貌不规则,采用常规方法难以对其孔隙分布均匀性进行准确的定量表征。基于面积分数多尺度分析(Multi-scale analysis of area fraction, MSAAF)结合图像二值化处理和数字图像重采样技术,利用 MSAAF 曲线外推拟合线斜率绝对值 k 与均匀性长度 L_H 定量表征孔隙分布均匀性。引入集群系数 f_c, 基于铝硅聚苯酯封严涂层金相照片建立具有不同孔隙分布均匀性的模型,并对孔隙面积分数为 1. 0%和 4. 6%两种情况进行数值计算,探究 k 和 L_H 与孔隙分布均匀性之间的相关关系。结果表明:随集群系数 f_c 的增大,k 减小, L_H 增大,对应的孔隙分布均匀性变差。试验与仿真结果相比,k 和 L_H 的相对误差分别为 1. 6%、4. 3%。该方法可以为封严涂层或其他类似材料的组成相分布均匀性定量表征提供参考。

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超音速微粒沉积-激光同步强化Inconel718涂层高温氧化行为

李丹阳，韩国峰，殷凤仕，任智强，朱胜，王晓明

中国表面工程. 2020, 33(4): 152-159.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200302002

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针对镍基高温合金 Inconel 718 表面损伤问题,利用超音速微粒沉积-激光同步强化技术在基体表面制备了相同成分的 Inconel 718 修复涂层。采用场发射扫描电子显微镜( SEM) 及其自带的能谱分析仪 EDS、X-射线衍射仪 (XRD)、显微拉曼光谱仪、场发射高分辨透射电子显微镜(TEM)分析了激光功率为 1300 W 时涂层的微观组织结构和 750 ℃高温氧化后表/ 截面形貌。结果表明:涂层表面光洁,内部组织致密,孔隙率仅为 0. 2%,涂层与基体结合良好且无明显裂纹等缺陷。在氧化初期,镍基高温合金涂层表面快速氧化并形成富 Ni、Fe、Cr 的 NiO、Fe₂O₃ 、Cr₂O₃ 以及含 Ni 的尖晶石 Cr₂O₃·NiO 结构。随着氧化时间的延长,NiO 与 Fe₂O₃ 结合生成复合相 NiFe₂O₄ ,而覆盖在 NiO 表面的 Cr₂O₃ 不断生长扩张,与 NiO 发生固相反应生成 NiCr₂O₄ 。

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烧结温度对Q235钢搪瓷涂层组织结构及性能影响

李翠霞，瞿学炜，李文生，冯力，伊莲娜·亚茨申科(俄罗斯)2，杨晓永

中国表面工程. 2020, 33(4): 160-168.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190629001

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通过一次涂搪法在 Q235 低碳钢表面制备出 700 ~ 900 ℃ 烧结的搪瓷涂层。采用 XRD、SEM、EDS、显微维氏硬度计、落球装置及电化学工作站研究了涂层物相组成、组织形貌、微区成分、机械性能及腐蚀行为。结果表明:搪瓷涂层在烧结过程中表面孔隙率持续减小,截面孔隙率则先减小后增大再减小;磨加物石英逐渐溶解在涂层硅氧四面体 [SiO₄ ]网络中,使涂层显微硬度和光泽度提高;涂层与基体界面处氧化层逐渐减小并最终消失,而 Fe 扩散区逐渐扩大并形成富含 Fe-Co 和 Fe-Ni 枝晶的密着层;涂层表面釉质层形成及内部腐蚀通道的闭合使其耐腐蚀性能显著提高。

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2020年, 第33卷, 第4期　刊出日期：2020-04-19

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