中国表面工程

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李玉峰，高文博，史凌志，高晓辉，王万兵

中国表面工程. 2020, 33(5): 1-9.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200813001

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以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用溶胶-凝胶法合成纳米 SiO₂ ,并用乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)进行表面改性,在高化学活性的镁锂(Mg-Li)合金表面制备了超疏水防腐蚀涂层。利用红外光谱(FTIR)分析 SiO2 和改性 SiO₂ 的化学结构,通过扫描电子显微镜(SEM)观察不同氨水含量下制备的超疏水涂层的表面形貌。采用接触角(CA) 测试超疏水涂层的疏水性,通过电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化曲线分析超疏水涂层的防腐蚀性能,采用 X 射线光电子能谱 (XPS)分析 Mg-Li 合金表面的化学成分变化情况。结果表明,当所用氨水与 TEOS 的质量比达到 1 ∶1时,制备的超疏水涂层表面表现出良好的粗糙度,接触角达到 151°,滚动角只有 5°。超疏水纳米 SiO₂ 涂层对 Mg-Li 合金具有良好的防腐蚀性能,阻抗值达到 10⁵ Ω,腐蚀电流密度仅为 6. 19×10^-8 A/ cm² 。

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不锈钢网表面润湿性的调控及其油水分离性能

李志文，齐博浩，刘长松，赵欣生，栗心明

中国表面工程. 2020, 33(5): 10-17.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200821001

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采用简单的化学刻蚀法在 304 不锈钢网上构造微纳米粗糙结构,随后通过自组装技术将不同链长的脂肪酸装饰到粗糙表面,可制备出具有可控润湿性的网膜;利用接触角测量仪对表面润湿性进行测量,利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪对网膜表面的形貌和成分进行表征分析,根据长链脂肪酸改性后的超疏水超亲油特性测试油水分离性能以及重复利用性。结果表明:不锈钢滤网表面呈现二维微纳米粗糙结构,并形成有序碳链薄膜。通过调节脂肪酸的链长可实现亲水到超疏水的转变,接触角范围为 45° ~ 153°;油滴迅速在网膜上渗透,接触角始终为 0°。链长越长的脂肪酸疏水亲油效果越明显,油水分离效率越高,最高达到 96%;经重复油水分离 50 次测试后,其油水分离效率仍能达到 80%以上。

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氟改性丙烯酸酯共聚物的制备及其涂层表面疏水性能

韩东晓，侯劲松，苗夫传，张志远，李雪冰，马敬芳，郑勇，朱立群

中国表面工程. 2020, 33(5): 18-29.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201102001

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使用含有不同长度全氟碳链的全氟烷基乙基醇分别与甲基丙烯酸氯和甲苯二异氰酸酯反应,制备了两种不同的含氟单体 TEMAc-n 和 FnTDI,然后分别通过自由基共聚合反应和对合成好的常规含羟基丙烯酸酯共聚物进行后改性两种路线,制备了两类含有相同全氟碳链结构的氟改性丙烯酸酯共聚物 xTEMAc-n 和 xFnTDI 及其涂层。利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和核磁共振(¹⁹F NMR)技术对单体和相应共聚物的化学结构进行了表征,用示差扫描量热法(DSC) 测试了共聚物的玻璃化转变温度,通过静态水接触角、X 射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)对共聚物膜层的表面性能进行了表征。结果表明,制备合成了预期的含氟单体和含氟共聚物。随着含氟单体的引入,共聚物的玻璃化转变温度升高,涂层的疏水性能提高。含氟链段的长度对涂层疏水性的贡献大于氟含量的影响,与自由基共聚合方法制备氟改性共聚物 xTEMAc-n 相比,使用异氰酸酯基含氟单体对常规含羟基丙烯酸酯共聚物进行后改性制备的氟改性共聚物 xFnTDI,成膜时含氟链段更容易向涂层表面迁移,引入较少的含氟单体就可以获得优异的疏水性能。

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自组装膜层微观结构对铝合金表面耐腐蚀性能的影响

李姣姣，刘燕红，李家平，刘燕仪，尚伟，温玉清

中国表面工程. 2020, 33(5): 30-39.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200716004

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为了研究具有不同官能团的自组装膜层微观结构对铝合金表面耐腐蚀性能的影响,通过自组装膜技术在铝合金表面分别制备月桂酸、双(γ-三乙氧基硅基丙基)四硫化物(BTESPT)、癸二酸铵这 3 种自组装膜层。采用 SEM、XRD、 FT-IR 对自组装膜层进行结构表征,并分别对 3 种膜层的电化学性能和耐腐蚀性能进行研究。结果表明,3 种分子都在铝合金表面成膜,但 BTESPT 自组装膜最为致密。通过交流阻抗测试和极化曲线测试,3 种膜层的阻抗值分别达到了 3. 3×10⁷ 、1. 1×10¹⁵ 和 6. 8×10⁷ Ω·cm² ,腐蚀电流密度分别为 4. 5×10^-7 、5. 6×10^-8 和 9. 6×10^-8 A/ cm² ,通过拟合电路分析膜层耐腐蚀机理。盐雾试验结果显示,BTESPT 自组装膜层在第 16 天才产生腐蚀点,要优于另外 2 种自组装膜层。分析推导认为 BTESPT 自组装膜的微观致密结构为膜层具有更优的耐腐蚀性能提供了保证。

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基于梳齿沟槽阵列的集油表面润滑特性

刘成龙，郭峰，黄柏林，周易，栗心明

中国表面工程. 2020, 33(5): 40-46.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200323002

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对限量供油条件下梳齿沟槽阵列表面的润滑特性及其集油性能进行了研究。利用飞秒激光在摩擦表面制备了梳齿状沟槽阵列,形成了条状亲油区。采用摩擦力及膜厚测量仪的往复运动模块对该条状自亲油区在限量供油条件下的润滑成膜特性和减摩降磨特性进行了研究。同时,采用高速摄像机对梳齿沟槽阵列表面油滴的输运特性进行了观察。结果表明,以梳齿状沟槽阵列为边界的润滑轨道对置于其上的润滑油有明显约束作用,限制其向润滑轨道之外的铺展。在有限供油条件下,该类条状自集油表面具有较好的润滑能力、较小的摩擦因数和磨损。相对于普通润滑表面, 集油表面摩擦因数减小了 30%左右,而往复运动行程中心位置最小膜厚增大了 20 nm。油滴在梳齿沟槽阵列表面的输运产生明显差异,朝向润滑轨道的输运距离为远离润滑轨道输运距离的 1. 5 倍。

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活塞环表面液相等离子体电解渗氮处理工艺

朱宗宁，赵鸿岳，梅德清，赵卫东，陈晨，陶俊

中国表面工程. 2020, 33(5): 47-55.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200304001

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以甲酰胺作为渗剂、氯化铵作为导电盐,配制电解液,以活塞环为阴极和不锈钢棒为阳极,对活塞环进行了液相等离子体电解渗氮(PEN)处理,并对处理后的活塞环表面渗氮改性层的结构、元素分布及相组成等特征进行了分析, 探究了 PEN 工艺操作参数对改性层的硬度和摩擦学性能的影响。结果表明:在有机电解液体系下进行活塞环表面电解渗氮处理会同时渗入 N、C 两种元素,但以渗 N 为主;活塞环表面的 PEN 改性层由化合物层、扩散层和过渡层组成,改性层中 N 元素的含量由表及里逐渐降低;改性层的主要相组成为铁的氮化物 Fe_2-3N、Fe₄N 和铁的碳化物 Fe₃C 等强化相; 改性层的最大硬度可达基体硬度的 3 倍,且随工作电压提高、处理时间延长和频率降低而增大;摩擦试验表明活塞环试样经 PEN 处理后其摩擦因数会增大,但对工作电压、处理时间和频率等工艺参数进行合理控制,便能够通过提高活塞环表面硬度和储油能力来抑制因摩擦因数增大而导致的磨损率升高。

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稀土对铁基粉末冶金材料渗硼强化性能的影响

方慧敏，张光胜，夏莲森

中国表面工程. 2020, 33(5): 56-64.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200317002

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在渗硼剂中添加质量分数为 1%、2%、3%和 4%的 CeO2 ,在烧结温度为 1050 ℃情况下对铁基粉末冶金材料渗硼处理 5 h,制备出具有渗硼层的铁基粉末冶金试样。从渗硼层厚度、微观组织结构、表面粗糙度和摩擦磨损性能等方面研究渗硼剂中 CeO₂ 的添加量对渗硼层性能的影响。结果表明:随 CeO₂ 含量增加,试样表面粗糙度逐渐增大,渗硼层厚度一开始增大而后显著减小。与不添加 CeO₂ 相比,添加 2% CeO₂ 试样的渗硼层厚度增加了 31%,表面组织更加致密均匀,磨损轨迹未损坏,磨损量低于其他试样;添加 4% CeO₂ 试样的渗硼层厚度减小了 82. 6%,表面组织出现大量孔洞及裂纹,磨损轨迹破坏严重,磨损量高于其他试样。说明过量的 CeO₂抑制渗硼作用,添加 2% CeO₂ 试样的渗硼层具有更加优良的抗磨损性能。

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O₂/Ar流量比及退火对氧化锆薄膜结构及摩擦学性能的影响

许文举，鞠鹏飞，李红轩，吉利，刘晓红，陈建敏

中国表面工程. 2020, 33(5): 65-74.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200715001

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采用多弧离子镀(MAIP)方法在 Inconel 718 高温合金基体上沉积了氧化锆(ZrO_x )薄膜,并对该薄膜进行了 800 ℃退火处理;研究了 O₂ / Ar 两种气体流量比 R_{O2/ Ar}(0. 25、0. 43、0. 67、1. 00、1. 50)及退火处理对沉积态薄膜的微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响。结果表明:随着 R_{O2/ Ar} 从 0. 25 升高到 1. 50,沉积态薄膜的主要物相组成由不稳定的锆的氧化物(h-ZrO_{0. 35} 、h-ZrO₂ 、h-Zr₃O)逐渐转变为稳定的 m-ZrO₂ ,薄膜截面结构由起初疏松的柱状晶逐渐转变为排列致密的柱状晶,薄膜硬度逐渐升高,O₂ / Ar 比为 1. 50 时最大为 16. 7 GPa。低 R_{O2/ Ar} 下沉积的薄膜摩擦学性能很差,很快磨穿失效。当 R_{O2/ Ar}超过 0. 67 时,薄膜的摩擦寿命显著提高,R_{O2/ Ar} 为 1. 50 时薄膜磨损率最低为 1. 45×10^-6 mm³ / (N·m)。沉积态薄膜经过退火处理后主要物相转变为 m-ZrO₂ ,薄膜表面变得更加光滑致密,薄膜硬度、弹性模量以及摩擦学性能均较退火前明显改善。

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SiC对氩弧熔覆AlCuFeNiCo高熵合金涂层组织性能的影响

时海芳，王红蕾

中国表面工程. 2020, 33(5): 75-82.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200618001

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为了满足牙轮牙爪一、二道止推面上合金涂层的硬度和耐磨性能要求,并改善一、二道止推面的质量及生产效率,在 AlCuFeNiCo 高熵合金的基础上添加了不同含量的 SiC,用氩弧熔覆的方法制备高熵合金涂层,并研究了 SiC 的加入量对涂层性能的影响,试图以 AlCuFeNiCoSiC_x 高熵合金替代 Co119 合金应用在牙爪一、二道止推面上。研究结果表明,AlCuFeNiCoSiC_x 高熵合金涂层均由 fcc 和 bcc 相构成,而 SiC 的加入使 AlCuFeNiCo 高熵合金涂层的 bcc 相含量先增大后减小,硬度变化情况也相同,其中 AlCuFeNiCoSiC_{0. 25} 的硬度可达 61. 7HRC,符合各工厂对一、二道止推面上合金涂层的要求。对比于 Co119 合金涂层,AlCuFeNiCoSiC_{0. 25} 涂层硬度提高了 4. 5HRC 且硬度分布更加均匀,耐磨性能提高了 43. 9%。同时,在基体预热的情况下,氩弧熔覆的使用不会导致裂纹的产生。因此可以使用 AlCuFeNiCoSiC_{0. 25}高熵合金代替 Co119 合金作为一、二道止推面上的合金涂层。

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激光裂解Ti-Si有机膜制备陶瓷涂层的组织与耐磨性

王思捷，刘照围，王潇

中国表面工程. 2020, 33(5): 83-89.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190308005

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复合陶瓷涂层具有良好的抗腐蚀和耐磨性能,因其性能优异、成本较低而在汽车、轮船、电子、建筑等方面得到广泛应用。为得到具有良好减摩耐磨性能的陶瓷涂层,试验采用钛酸四丁脂和硅烷偶联剂(KH560)制备 Ti-Si 有机膜先驱体,以激光为热源,采用先驱体转换法(PDC 法)制备了复合陶瓷涂层。研究发现,陶瓷涂层中有机官能团随着激光功率增大不断减少,200 W 与 400 W 激光条件下制备的 Ti-Si 陶瓷涂层化学键类型主要为 Si-O-Si、Ti-O、Si-C 等,先驱体无机化程度显著提高,而在 600 W 和 800 W 激光条件下制备的陶瓷涂层无机化程度更高,无机化程度较低时涂层摩擦因数较小,无机化程度较高时涂层耐磨性较好。试验表明,按 KH560 和钛酸四丁酯质量比为 1 ∶1. 8,固化温度 80 ℃固化时间 30 min,采用氩气作为保护气体,激光功率为 600 W,激光波长为 980 nm,扫描速率为 14 mm/ s,搭接率为 3%,“1”字形连续激光扫描一次,所制备的陶瓷涂层耐磨性较好,3 N 压力时其磨损主要为磨粒磨损,相对于 45 钢基体减摩 80%以上。

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改性碳纤维的制备及其增强PTFE复合涂层摩擦学性能

蒋国强，郭永信，刘雅玄，卞达，赵永武

中国表面工程. 2020, 33(5): 90-98.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200718001

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以磷酸二氢铝(AP)为粘结剂,采用喷涂-热固法制备的聚四氟乙烯(PTFE)复合涂层硬度不高,抗磨性能差, 填充碳纤维(CF)能显著改善涂层的综合性能。为提高 CF 与涂层界面强度,通过双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物(Si69)偶联剂对 CF 表面进行改性处理,制得改性碳纤维(MCF)。利用 FTIR、EDS 和 SEM 对改性前后 CF 的组成、元素及形貌进行表征。利用摩擦磨损试验机和扫描电子显微镜对填充不同 MCF 含量的 PTFE 复合涂层的摩擦学性能进行研究。结果表明:Si69 偶联剂成功接枝到 CF 表面,使得 CF 表面粗糙化,增强了碳纤维与复合涂层界面结合强度; MCF 能显著改善涂层摩擦学性能,且随着 MCF 的含量增加,涂层的硬度和耐磨性能明显提高;涂层的摩擦因数随着 MCF 含量的增加有所增大,在涂层中填充质量分数为 4% 的 MCF 时,涂层综合摩擦学性能最好,其硬度达到 12. 5 HV, 摩擦因数为 0. 091,磨损率仅为 2. 24×10^-4 mm³ / (N·m),且涂层表面均匀致密。

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环境障涂层的发展瓶颈及应对措施

马壮，张学勤，刘玲

中国表面工程. 2020, 33(5): 99-114.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200624002

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硅基材料具有密度小、高温力学性能优异等特性,在航空发动机热端部件有广阔的应用前景。由于硅基材料的服役环境中充满高温燃气,硅基基体与高温燃气中的 H₂O 发生化学反应生成挥发性 Si(OH)₄ 被高速燃气冲刷走,使得硅基基体持续暴露在燃气环境中,导致基体被不断侵蚀。为了减缓高温燃气对硅基基体的侵蚀速率、延长其使用寿命,需要在基体表面制备环境障涂层以隔绝基体与燃气环境,阻止高温燃气与基体直接接触。文中指出了第一代、第二代环境障涂层在应用中的局限性,阐述了第三代环境障涂层发展中面临的瓶颈问题。从稀土硅酸盐面层和硅粘结层的角度分别剖析了限制第三代环境障涂层发展的因素并提出相应的改进措施,对新型环境障涂层的发展和面层及粘结层材料的选择具有指导意义。

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VIGA和EIGA气雾化法制备增材制造用低合金钢粉末

吕威闫，杨番，韩国峰，王晓明，杨柏俊

中国表面工程. 2020, 33(5): 115-122.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200819001

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分别采用真空感应熔炼惰性气体雾化(VIGA)和无坩埚电极感应熔化气体雾化(EIGA)两种气雾化方式制备增材制造用 12CrNi2 低合金钢粉末。对比获得粉末的粒径分布、球形度、截面形貌及氧形态,结果表明:两种粉末球形度良好,VIGA 粉末有微量卫星粉存在;对 0~ 53 μm、53 ~ 180 μm 范围内粉末进行粒度分析,发现 EIGA 粉末中值粒径 d₅₀ 分别为 34. 8 和 127 μm,VIGA 粉末中值粒径 d₅₀ 分别为 40. 7 和 126. 3 μm。通过 XPS 分析 Fe 2p 与氧元素的结合状态, 结果表明:对比 VIGA 粉末,EIGA 粉末表面氧化膜中金属态 Fe⁰ 的含量更高,氧化态 Fe²⁺和 Fe³⁺的含量更低。此外,对比不同溅射时间下 Fe 2p 氧化态峰的状态,发现氧元素在 VIGA 粉末中渗透更深,并可能生成了氧化物,这一推测通过 XRD 相组织分析得到了验证。

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基于政府补贴的制造商“以旧换再”定价策略

丰奇倩，刘渤海，郑汉东，陈玉霜，李凯

中国表面工程. 2020, 33(5): 123-132.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201109004

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在以旧换再的背景下,考虑消费者偏好、政府补贴及补贴比例,研究制造商最优决策。首先,建立“两阶段”以旧换再和以旧换新的闭环供应链模型,并根据消费者偏好、政府补贴及消费者补贴比例划分了 7 种不同情况。其次,以消费者偏好、政府补贴及消费者补贴比例为分析变量,对 7 种不同情况进行对比分析。最后,使用数值算例验证分析结果。结果表明:存在消费者偏好、政府补贴的情况下,制造商有 7 种不同的以旧换再、以旧换新实施策略的定价决策;以旧换再需求与再制造品偏好呈正相关,与旧产品偏好呈负相关;再制造补贴促进了以旧换再需求,增加制造商利润,但给予消费者补贴额并不影响以旧换再需求,对制造商的利润也没有影响。

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2020年, 第33卷, 第5期　刊出日期：2020-05-19

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