中国表面工程

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牛宇生，郝秀清，孙鹏程，赵香港，李亮，何宁

中国表面工程. 2020, 33(6): 1-22.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201014001

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摩擦磨损是造成材料失效的主要原因之一,减小摩擦磨损对工业发展与环境保护等方面有着重要意义。而温度作为摩擦磨损试验的其中一个主要参数,对摩擦磨损过程具有重要影响。该论文重点描述了温度对摩擦副摩擦学性能的影响,并分析了产生影响的机理和原因。首先,温度会影响表面材料的理化性质,从而影响表面组织结构或者表面涂层;其次,摩擦副之中的固体或液体润滑剂性质随温度的变化发生改变并影响摩擦磨损性质,且在织构表面尤其明显。最后,温度会对基底表面润湿性产生影响从而影响表面摩擦磨损性能。该研究对在高温极限条件下工作的摩擦副的材料与润滑方式的选取,以及发动机、火箭等新型科技的发展具有重要意义。

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电压对医用钛合金阳极氧化膜结构和耐蚀性的影响

朱晓清，王烨，宋瑞宏，吴海丰

中国表面工程. 2020, 33(6): 23-28.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201125002

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采用恒压直流电源,在不同阳极电压下,以硫酸型溶液作为电解液对医用 TC4 钛合金试样进行阳极氧化处理,在试样表面制得颜色各异的氧化膜。分别利用涡流测厚仪测量膜厚,利用扫描电镜观测氧化膜形貌,利用 X 射线衍射仪分析氧化膜的物相。将氧化后的试样放入 Hank’s 模拟体液中进行浸泡腐蚀测试,利用电化学工作站测试其腐蚀规律;研究阳极电压对氧化膜的颜色、膜厚、表面形貌、物相以及耐腐蚀性的影响。结果表明:阳极电压会影响氧化膜的颜色、膜厚、表面形貌和物相,氧化膜的耐腐蚀性也随之发生变化。阳极电压从 15 V 增大到 100 V,氧化膜厚度从 6 μm 增大到 28 μm,氧化膜的耐腐蚀性也有明显提高。医用钛合金经阳极氧化形成以金红石型和锐钛矿型氧化钛为主要结构的氧化膜。

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激光刻蚀和阳极氧化对纯钛植入体表面性能的影响

赵梓贺，万熠，于明志，张晓，王宏卫，宋章仪

中国表面工程. 2020, 33(6): 29-36.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201109001

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钛本身为生物惰性材料,为了提高钛植入体的生物活性,制备出兼具微米级结构和纳米级结构的表面,发挥微纳米双级结构的协同效应。采用纳秒激光刻蚀出微沟槽结构并在其表面进行阳极氧化,在钛表面制备了一种有序的微沟槽-TiO₂ 纳米管复合结构。对各组不同表面结构的试件的表面形貌、粗糙度、亲水性、物相组成等进行表征。应用生物矿化试验对不同组试件的生物活性进行评价。与抛光表面相比,微纳米复合结构的表面粗糙度从 0. 281 μm 增加到 7. 297 μm,表面接触角从 73. 1°减小到 32. 1°,亲水性显著提高。 XRD 图谱显示,阳极氧化后经热处理的表面出现了锐钛矿(2θ= 26°)的特征峰,表明 TiO₂ 由无定型转变为锐钛矿型。此外,与抛光表面和单一微/ 纳米结构表面相比,微纳组表面在模拟体液中浸泡 14 d 后沉积的羟基磷灰石层更致密。采用激光刻蚀与阳极氧化制备的微纳复合结构可以显著提高钛表面的粗糙度和亲水性,且具有更加优异的生物活性。此研究为在钛植入体表面构建规则的微纳米结构以改善生物活性提供了一种有效的方法。

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增材制造孔隙结构生物医用钛合金力学及干摩擦行为有限元分析

徐敬忠，吕晓仁，李述军

中国表面工程. 2020, 33(6): 37-46.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201120001

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生物医用孔隙结构植入体的发展影响着人类的健康。当植入体与人体骨骼组织间出现体液缺失,即发生干滑动摩擦时,会出现肿胀、发炎等症状。为了减缓这种痛苦,有必要研究生物医用孔隙结构在干摩擦下的磨损行为。基于有限元方法建立了增材制造孔隙结构 Ti-6Al-4V 干滑动摩擦计算模型,通过运动规律及模型转化计算所需的运动学和动力学边界条件。应用三角数学建模创建模型、利用微积分理论及曲线拟合综合推算磨损量,通过仿真得到的位移矢量和、旋转矢量和、摩擦力和摩擦热综合分析 3 种孔隙结构摩擦学性能的优劣,并对磨损量进行试验验证。结果表明: 3 种孔隙结构位移矢量和与旋转矢量和的排队顺序为三角形孔隙结构﹥无序孔隙结构﹥正方形孔隙结构。无序孔隙结构具有最优的摩擦学性能,三角形孔隙结构次之,正方形孔隙结构相对最差,孔隙结构越与人体原生骨组织接近其耐磨性能越优。研究结果将为生物医用植入体孔隙结构的选择提供参考,对实际应用有着重要意义。

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表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响

毛亚洲，杨建玺，徐文静，金乐佳

中国表面工程. 2020, 33(6): 47-57.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200905001

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为了探究表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响,基于自研的摩擦磨损试验机对 BY-BDB 型三维光纤激光织构机加工的表面织构动压滑动轴承摩擦学性能影响进行研究。通过三维形貌仪、扫描电子显微镜( SEM)以及能谱仪(EDS)对摩擦磨损试验后的微观形貌和摩擦磨损状况进行分析。研究表明:激光加工会引起表层出现硬化现象且 C 与 O 元素的含量分别增加了 31. 1%与 7. 9%;不同织构参数(面积率 S_p 与深径比 β)与工况(载荷与转速)下的磨损量与摩擦因数呈现先减小后增加的趋势且表面织构对动压滑动轴承的耐摩性能提高了 23%以上。此外,研究还发现动压滑动轴承摩擦磨损机理是磨粒切削与粘着磨损,而表面织构的减摩机理是能够提高表面耐磨性以及储存磨粒和形成二次动压润滑。

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铝合金表面有机污染物等离子体清洗机理及验证

李玉海，白清顺，杨德伦，张鹏，卢礼华，张飞虎，袁晓东

中国表面工程. 2020, 33(6): 58-67.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200713002

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针对惯性约束核聚变装置中铝合金零件表面的有机污染去除问题,提出大气常压等离子清洗方式。通过有限元方法研究等离子清洗机理,并通过铝合金零件的清洗试验进行验证,从而实现聚变装置中机械零件的超洁净制造。研究结果表明:通过建立等离子表面清洗的热力学耦合方程,仿真分析得到清洗应力随清洗距离的减小而增大, 随清洗速度和基体厚度的增大而减小。通过试验验证了铝合金零件在等离子清洗后表面自由能增大,极性分量与色散分量都有所增加,并且在等离子清洗过程中清洗的距离比清洗速度对清洗效果影响更大,清洗距离为 5 mm 时最好。

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GLC/成分梯度CNx多层膜的微观结构和摩擦学性能

杨芳儿，陆诗慧，杨烁妍，高蔓斌，郑晓华

中国表面工程. 2020, 33(6): 68-76.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201013001

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类金刚石碳膜通常内应力大、结合力低,而多层膜结构可提高结合力。采用磁控溅射技术在 Si 基体上沉积不同 CNx 层厚度的 GLC/ 成分梯度 CNx 纳米多层膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、Raman 光谱仪、球盘式摩擦仪、纳米压痕仪等对多层膜的表面形貌、微观结构、力学以及摩擦性能进行分析。结果表明:多层膜表面平整光滑,CNx 层厚度为 50 nm 的多层膜有明显的层状结构。多层膜中存在石墨相而 CNx 以微晶或非晶存在。薄膜的 sp3 键含量、结合力、硬度等均随 CNx 层厚度的增加先增加后减小。 CNx 层厚度对多层膜的大气环境摩擦因数影响很小,但显著降低其真空环境摩擦因数。多层膜的硬度为( 15 ~ 17. 6) GPa,大气中的磨损率为 (1. 03~ 2. 33)×10^-16 m³N^-1m^-1 ,真空中为(2. 06~ 3. 34)×10^-16 m³N^-1m^-1 。 CNx 层厚度为 20 nm 的多层膜综合性能最佳。

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工作气压对TiBN/TiAlSiN纳米多层涂层的结构和性能影响

王泽松，韩滨，项燕雄，田灿鑫，邹长伟，付德君

中国表面工程. 2020, 33(6): 77-85.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200911001

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为应对高速干式切削、工磨具行业对新型防护涂层的需求,制造高硬度、耐摩擦磨损的纳米复合涂层具有巨大的市场前景。采用阴极多弧离子镀技术,在不同的工作气压下用 TiB2 和 TiAlSi 合金靶作为阴极蒸发靶材,在硬质合金衬底上分别沉积了 TiBN,TiAlSiN 涂层和 TiBN/ TiAlSiN 多层涂层。借助于 XRD、 XPS、 SEM、 AFM 和 HRTEM 对涂层的成分、形貌及微观结构进行表征分析。并用纳米压痕硬度计和球盘式摩擦测试仪分别研究了涂层的硬度和摩擦磨损性能。研究结果表明:TiBN/ TiAlSiN 涂层呈现一种非晶相包裹纳米多晶相的微观结构形态,工作气压越高,涂层表面越趋于光滑;涂层在 1. 0 Pa 工作气压下涂层显微硬度值达到 38 GPa;在 2. 0 Pa 的工作气压下,涂层显微硬度值约 34 GPa,摩擦因数低于 0. 29。与 TiBN 和 TiAlSiN 涂层相比,TiBN/ TiAlSiN 纳米多层涂层的机械、摩擦学性能更加优越,这为应用在干式切削、磨削工具领域的硬质润滑多层涂层的制备与研究指明了一条方向。

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靶基距对Cu/Si(100)薄膜结构和残余应力的影响

孟笛，蒋智韬，李玉阁，高剑英，雷明凯

中国表面工程. 2020, 33(6): 86-92.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190910002

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采用高功率调制脉冲磁控溅射(MPPMS)技术在 Si(100)基体上沉积 Cu 薄膜,SEM 观察薄膜厚度及生长特征、XRD 分析薄膜晶体结构、nanoindentor 测量薄膜纳米硬度和弹性模量、Stoney 公式计算薄膜残余应力,研究沉积过程靶基距对 Cu / Si(100)薄膜沉积速率、微结构及残余应力的影响。随着靶基距的增大,薄膜沉积速率降低,薄膜的生长结构由致密 T 区向 I 区转变,Cu(111)择优生长的晶粒逐渐减小,薄膜纳米硬度和弹性模量也相应降低,残余拉应力约为 400 MPa。较小靶基距时增加的沉积离子通量和能量,决定了薄膜晶粒合并长大体积收缩过程的主要生长形式,导致了 Cu / Si(100)薄膜具有的残余拉应力状态。 MPPMS 工艺的高沉积通量和粒子能量可实现对 Cu / Si(100)薄膜残余应力的调控。

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非晶Ni-Mo-P镀层微观组织结构演变对耐蚀性的影响

赵冠琳，刘树帅，吴东亭，邹勇

中国表面工程. 2020, 33(6): 93-99.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201121001

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为了探讨非晶 Ni-Mo-P 镀层中微观组织和结构的变化对镀层耐腐蚀性能的影响,利用化学镀方法制备出非晶 Ni-Mo-P 镀层,随后对其进行 250 ℃不同时间的热处理,获得了 5 种具有不同微观组织结构的镀层。利用 XRD 曲线和其对应的径向分布函数对镀层的微观结构进行分析。利用 TEM 方法对镀层的微观组织进行观察和分析。通过 DSC 曲线放热峰的面积可以粗略估计非晶镀层中微观颗粒和有序团簇所占的比例。利用电化学方法研究镀层在 0. 5 mol / L 硫酸溶液中的耐腐蚀性能并利用 XPS 方法对腐蚀产物进行分析。结果表明: 250 ℃ 热处理后,镀层整体仍保持非晶结构特征,但内部的微观组织和结构均发生变化。随着热处理时间的延长,非晶镀层中微观颗粒和有序团簇所占比例增大, 析出晶体相的种类也在增多,镀层的耐蚀性能在逐渐变差。

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纳米CeO₂掺杂对烧结钕铁硼磁体表面Zn-Al涂层性能的影响

曹玉杰，刘友好，张鹏杰，徐光青，刘家琴，衣晓飞，吴玉程

中国表面工程. 2020, 33(6): 100-107.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200617001

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采用喷涂工艺在烧结钕铁硼磁体表面制备了不同纳米 CeO₂ 掺杂量的 CeO₂ / Zn-Al 复合涂层。利用扫描电子显微镜、显微硬度仪、盐雾试验箱和电化学工作站对 CeO₂ / Zn-Al 复合涂层的微观结构、力学性能及耐腐蚀性能进行表征分析。结果表明:CeO₂ 纳米颗粒较均匀弥散分布于 Zn-Al 涂层中,不仅能够增加 Zn-Al 涂层的硬度,而且可以提高 Zn-Al 涂层的屏蔽性能,CeO₂ / Zn-Al 复合涂层耐中性盐雾试验能力高达 720 h。添加的 CeO₂ 颗粒能够隔绝 Zn-Al 涂层中的锌铝薄片之间的直接接触,起到绝缘作用,延长了腐蚀介质渗入钕铁硼基体的腐蚀通道。

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环境障涂层用纳米结构Yb₂SiO₅粉体喂料的制备与表征

邓路炜，张晓东，王东升，王铀

中国表面工程. 2020, 33(6): 108-117.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200721003

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纳米结构稀土硅酸盐涂层被认为是未来新型环境障涂层的发展方向,其中 Yb₂ SiO₅ 由于与中间层莫来石的热物性能匹配良好、优异的抗水氧腐蚀能力成为非常有发展前景的环境障涂层面层候选材料。从材料制备的角度出发, 探索纳米结构 Yb₂ SiO₅ 喂料制备工艺并对喂料进行物相、组织结构和性能表征。采用喷雾造粒加固相烧结的方法制备了纳米结构 Yb₂ SiO₅ 喷涂粉体喂料,探索了制备高纯度 Yb₂ SiO₅ 的固相烧结工艺,后续通过等离子处理改善粉体喂料的喷涂性能。借助 X 射线衍射仪研究了粉体喂料的物相,采用扫描电镜、透射电镜研究了粉体喂料的形貌与微观结构。结果显示,固相烧结工艺采用在 1500 ℃下保温 4 h,再将得到的粉体喂料等离子处理可得到高纯度的 Yb₂ SiO₅ 喷涂粉体喂料,等离子处理之后的喂料为纳米结构,喂料粒度分布均符合等离子喷涂要求,喂料具有良好的流动性和致密性。

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碳含量对激光熔覆CoCrFeMnNiC_x高熵合金涂层摩擦磨损和耐蚀性能的影响

刘径舟，刘洪喜，邸英南，蔺健全，郝轩宏，王悦怡，陈林，张晓伟

中国表面工程. 2020, 33(6): 118-127.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20200901001

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采用激光熔覆技术在 45 钢基体上制备了不同碳含量(等摩尔比)的 CoCrFeMnNiC_x( x = 0,0. 03,0. 06,0. 09, 0. 12,0. 15)高熵合金涂层。通过 X 射线衍射(XRD)、扫描电镜( SEM)、HVS-1000A 型显微硬度计、RST5000 型电化学工作站、UMT-2 型摩擦磨损试验机等表征和测试手段研究了不同碳含量对激光熔覆 CoCrFeMnNiC_x 高熵合金涂层物相结构、显微硬度、摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响。结果表明,当碳含量 x 由 0 逐渐增加至 0. 09 时,高熵合金相结构由 FCC 固溶体转变为 FCC 固溶体和 M23C6 相共存,合金微观组织变得细小;熔覆层硬度由 183. 20 HV_{0. 2}增加至 223. 48 HV_{0. 2} ; 涂层的摩擦因数降低,耐磨性能变强;腐蚀电位由-469 mV 增大至-348 mV,腐蚀电流密度由 14. 95 μA·cm^-2 减小为 2. 29 μA·cm^-2 ,耐腐蚀性增强。当碳含量 x 由 0. 09 逐渐增加至 0. 15 时,合金相结构再次转变为 FCC 固溶体,且合金微观组织恢复粗大状态;熔覆层硬度与耐腐蚀性降低,但耐磨性能却先减弱后增强。合金在碳含量为 0. 09 时,硬度最高且耐腐蚀性能最强;在碳含量为 0. 15 时,耐磨性最强。

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中间合金粉对激光选区熔化TMZF合金电化学性能的影响

褚清坤，邓朝阳，闫星辰，马文有，胡永俊，刘敏

中国表面工程. 2020, 33(6): 128-135.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201021001

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为了探究激光选区熔化( Selective laser melting, SLM) Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF) β 钛合金的腐蚀电化学行为,采用纯 Mo 粉末和 Mo-Fe 中间合金合金粉两种不同的 Mo 元素添加形式分别组成混合粉末进行激光增材制造,研究了中间合金粉末对 TMZF 合金试样组织与电化学性能的影响。结合 X 射线衍射仪(XRD),金相显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)及腐蚀电化学等材料表征手段对 SLM TMZF 试样的物相分布、微观组织结构、元素分布及耐腐蚀性能进行了对比分析。结果表明,单质混粉制备的 SLM-β-1 试样与中间合金混粉制备的 SLM-β-2 试样的组织中都含有大量的 β-Ti 组织,SLM-β-1 试样在 Bode 图中显示出更高的阻抗,Nyquist 图中 SLM-β-1 试样的容抗弧半径要大于 SLM-β-2 试样,动电位极化曲线中 SLM-β-1 试样的钝化膜击破电位要高于 SLM-β-2 试样。综合对比发现单质混合粉末 SLM-β-1 试样的耐腐蚀性能要优于中间合金混合粉末 SLM-β-2 试样的耐腐蚀性能。

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磷基无卤素油溶性离子液体润滑添加剂的摩擦学特性

范丰奇，张朝阳，周康，黄卿，汤仲平，于强亮，蔡美荣

中国表面工程. 2020, 33(6): 136-143.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20201022001

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以磷酸二异辛酯(EDHPA)作为阴离子,双季磷盐为阳离子合成一种新型的无卤素离子液体并作为 PAO 10 的润滑添加剂与市售 T306 做比较。通过 SRV-Ⅴ摩擦磨损试验机考察其摩擦学性能,通过扫描电子显微镜对磨损形貌进行表征,通过非接触式三维轮廓仪对磨损体积进行测量,通过 ECR 对摩擦过程中摩擦膜变化进行分析,通过 XPS 元素分析对磨斑表面化学元素和变化进行分析。结果表明合成的新型无卤素离子液体作为 PAO 10 的添加剂时具有优异的摩擦学性能,同时极大程度的提高了 PAO 10 的极压承载能力。新型离子液体在摩擦过程中发生摩擦化学反应,其中较长的烷基链与极性元素 P 在摩擦时生成致密且厚的边界润滑膜,提高了 PAO 10 体系的减摩抗磨性能和极压承载性能。

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《中国表面工程》征稿启事

中国表面工程. 2020, 33(6): 144-144.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2020.06.016

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2020年, 第33卷, 第6期　刊出日期：2020-06-19

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