2021年, 第34卷, 第6期 刊出日期:2021-06-19
  

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    综述论文
  • 郭国吉,陈彩英,王向明,王维,孟庆实
    中国表面工程. 2021, 34(6): 1-20.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210602001
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    防护材料对提升装备的可靠性与耐久性有着重要的意义,聚脲弹性体是近年来快速发展的一种新型多功能防护材料, 在防爆抗冲击、防腐防水、汽车涂料等多个领域表现出了优异的防护效果,因其独特的吸能机理,成为实现高效轻质化防护的重要材料之一。 首次系统地对聚脲弹性体的合成及结构、发展历程、防护应用等方面进行综述,对其微相分离结构、力学特性、抗冲击防爆机理与效果进行重点讨论。 研究表明:聚脲弹性体对减弱爆炸冲击波及弹体侵彻载荷有着积极的作用;聚脲弹性体各项优异的理化性能源于其复杂的内部结构,微相分离和氢键化是其重要的内部结构特征。 总结了聚脲弹性体研究存在的问题,并对其发展前景进行展望,可为聚脲弹性体的研究和新型防护结构的设计提供参考。
  • 王佳宁,王超会,王铀,李广书,王春圻,荣芷艺,刘慧男
    中国表面工程. 2021, 34(6): 21-32.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210603001
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    硅基非氧化物陶瓷材料因其质量轻、强度高、韧性大等优点和其上的环境障涂层,广泛用于民用或军用飞机发动机的热端部件,但目前所用的传统环境障涂层保护效果并不理想。 因此对新发展的稀土硅酸盐环境障涂层进行深入研究,以使其能广泛用于高推重比发动机上具有重要意义。 稀土硅酸盐环境障涂层相较于传统环境障涂层,具有更好的隔热性、与基体更匹配的热膨胀系数(二硅酸镱)及优异的抗腐蚀性能,如稀土硅酸镱盐具有良好的抗水氧和抗熔盐腐蚀性能,这些性能能够有效提高硅基陶瓷及涂层在发动机恶劣环境下的使用寿命,目前已成为飞机的首选防护涂层材料,从而成为环境障涂层材料领域研究的热点。 从稀土硅酸盐环境涂层的主要应用研究背景、发展历程、制备方法、涂层性能、失效机理等方面系统阐述其各种特点,提出目前稀土硅酸盐环境障涂层易失效的多种原因,以及工艺制备和性能模拟测试方面的不足之处,为未来的涂层改进和研究发展指明了方向。
  • 何志远,贺文雄,杨海峰,周利,赵洪运,宋晓国
    中国表面工程. 2021, 34(6): 33-44.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210427003
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    激光熔覆通过激光加热使熔覆材料与基体形成冶金结合的高质量熔覆层,是一种有效的表面改性技术。 铝合金因其硬度低、耐磨性差导致其无法满足对表面性能要求较高的领域,限制了其更广阔的发展。 激光熔覆对铝合金表面改性有着很好的研究和应用价值,已获得国内外学者的密切关注。 目前,铝合金激光熔覆技术研究呈上升趋势,然而缺乏系统的综述介绍。 以熔覆层材料体系为核心,按照金属基合金、陶瓷增强复合材料和一些新兴材料进行分类,综述了铝合金激光熔覆的背景、工艺以及组织性能,并对铝合金表面激光熔覆发展前景进行了展望。
  • 黄盛辉,罗扬威,汤皎宁,谷坤明
    中国表面工程. 2021, 34(6): 45-58.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210609001
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    MAX 相薄膜材料是材料研究的热点之一。 综述了 MAX 相薄膜的制备技术,介绍了典型的促进 MAX 相薄膜低温成相的方法,分析讨论了低温沉积 MAX 相薄膜的影响因素和生长机理,指出 MAX 相薄膜的制备难点主要是在降低温度和减少杂质相的生成。 统计并对比分析了文献中 MAX 相薄膜材料的几项主要使用性能的数据,包括导电性、耐腐蚀性能、硬度和模量,指出 MAX 相薄膜材料的耐腐蚀性能数据还不够充分和系统,甚至存在一定的不一致性,对其耐腐蚀性能的行为和机理需要更多的研究。
  • 李强,刘清磊,杜玉晶,李斌,王玉君,许伟伟
    中国表面工程. 2021, 34(6): 59-73.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210608003
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    作为改善摩擦表面界面性能的有效途经,表面织构现已成为摩擦学领域和表面工程领域的研究热点之一,但是表面织构的机理研究以及织构优化设计体系尚未完善。 首先从表面织构的承载机理和抗磨机理研究出发,揭示了织构表面润滑改善原因。 其次从表面织构的形状优化、分布优化和目标优化算法三个方面总结了表面织构的优化设计体系,综述了表面织构优化设计的研究进展。 最后介绍了表面织构在工业应用的研究现状。 表面织构的性能受结构参数及分布参数影响较大,而多参数协同优化设计为解决该问题的有效方法。 随着不断深入地对承载机理和抗磨机理、优化体系中关键技术以及不同领域应用的研究,以“机理-优化-应用”为思路的表面织构理论与设计体系有望形成。
  • 陈博文,孙树峰,王茜,张丰云,邵勇,张丽丽,赵大利,王萍萍,陈希章,刘纪新,曹爱霞,孙维丽
    中国表面工程. 2021, 34(6): 74-89.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210702001
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    抛光技术是现代制造产业的关键技术之一,现代制造工艺的发展对材料抛光精度的要求已经达到了微纳级。 与传统抛光技术相比,激光抛光技术更容易满足工业要求,并且适用于金属、陶瓷、玻璃等多种材料,在抛光加工领域受到了国内外学者的广泛关注。 综述了近年来不同材料激光抛光技术的研究进展;针对激光抛光过程中产生的热应力,分析了工艺参数以及温度变化对激光抛光效果的影响,探讨了新型的激光抛光技术,梳理了将激光抛光与其他抛光技术进行有效复合的方法与观点。 按照不同的材料,归纳了激光抛光技术的作用机理,并阐述了激光抛光技术的优缺点,最后对激光抛光技术的未来发展进行展望。 对于目前激光抛光研究中尚未解决的问题以及未来不同材料的激光抛光技术的研究方向具有指导意义。
  • 吕晓仁,钟兵,黄艳斐,邢志国,郭伟玲
    中国表面工程. 2021, 34(6): 90-101.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210723001
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    金属材料抗反射表面在太阳能电池、光电子产品和军事隐身等领域具有广泛应用,制备微结构的金属抗反射表面具有极大地挑战性,通常这种结构是通过相当复杂和耗时的技术制备。 超快激光微加工技术刻蚀的微纳抗反射结构具有可控、稳定、环保且单步制备等特点,已成为近年来的研究热点。 梳理抗反射表面的理论模型及影响因素,概述国内外超快激光刻蚀抗反射表面的结构类型,提出未来超快激光制备金属微纳结构可能在太阳能电池的开发和利用、军事隐身及环保产品的应用等领域得到应用。 最后,总结超快激光刻蚀制备抗反射微纳结构表面存在的问题,并对超快激光加工微纳结构抗反射多功能表面的应用前景进行展望。 结果表明:超快激光在金属表面织构能够制备纳米、微米和微纳混合多种类型的微纳结构,实现了金属表面多种波段的超宽波谱的低反射率。 随着波长的增加,具有微纳米结构的金属表面的反射率比具有相对光滑结构的金属表面的反射率增加得更慢。 对超快激光制备金属抗反射表面在各领域的应用研究有一定的理论依据与参考意义。
  • 研究论文
  • 程涛涛,王志平,戴士杰,王仕成,邢思佳,马祥
    中国表面工程. 2021, 34(6): 102-113.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210827001
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    为解决 YSZ(Y2O3 部分稳定的 ZrO2 ) 陶瓷基高温封严涂层沉积效率较低和易于过早剥落失效的问题,选择氧化铝 (Al 2O3 )、钇铝石榴石(Y3Al 5O12 ,YAG)及镁铝尖晶石(MgAl 2O4 )为三种高温黏结相,通过喷雾造粒的方法分别制备出 B0(无黏结相)、B1(含 Al 2O3 )、B2(含 YAG)和 B3(含 MgAl 2O4 )等四种 YSZ 基团聚颗粒,研究黏结相对涂层沉积效率和热循环性能的影响。 结果表明,YAG 的黏附和包裹作用最强,与 B0 型粉末相比,B2 型粉末的沉积效率提高了 181. 49%;热循环过程中不断增长的裂纹扩展驱动力和陶瓷材料的脆性属性是导致陶瓷涂层剥落失效的主要原因,由于 YAG 相的弥散增韧作用,B2 型涂层的断口呈现出类韧窝形貌,与 B0 型涂层相比,B2 型涂层的断裂韧性提高了 39. 76%,热循环寿命提高了 43. 68%。 YAG 黏结相的添加显著地提高了 YSZ 陶瓷基高温封严涂层的沉积效率,同时较好地提高了涂层的热循环寿命。
  • 林静,张硕,马德政,范其香,王铁钢,曹凤婷
    中国表面工程. 2021, 34(6): 114-123.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210709001
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    AlCrTiN 涂层具有优异的综合性能,然而沉积温度对其组织结构与性能的影响还需进一步研究。 采用电弧离子镀和脉冲直流磁控溅射复合沉积技术,改变沉积温度(300 ℃和 400 ℃ )制备两种不同的 AlCrTiN 涂层。 结果表明:两种 AlCrTiN 涂层主要相均为 fcc-(Al,Ti,Cr)N 相,沿(111)晶面择优生长。 沉积温度为 400 ℃ 时,涂层具有更高的硬度和弹性模量,更低的残余应力、摩擦因数和磨损率,表现出更好的力学性能和抗摩擦磨损性能。 两种涂层经过 700 ℃保温 1 h 后,由于涂层内原子扩散和缺陷愈合,硬度和结合力进一步提高。 切削性能测试表明:300 ℃ 和 400 ℃ 温度下制备的涂层铣刀寿命分别为无涂层铣刀的 3. 2 倍和 3. 5 倍。 无涂层铣刀的失效形式以磨粒磨损为主,涂层铣刀的失效形式为磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。 研究成果对高性能 AlCrTiN 四元涂层的制备、理论研究与工程化应用具有指导意义。
  • 张诗怡,刘秀波,刘一帆,祝杨,张林,孟元,梁金
    中国表面工程. 2021, 34(6): 124-133.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210707002
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    为突破 Ti6Al4V 合金在关键运动零部件的应用限制,提高其耐磨减摩性能并延长稳定服役周期,采用激光熔覆技术成功在其表面制备 Co-5%Ti 3 SiC2 、Co-5%Ti 3 SiC2 -10%Cu、Co-5%Ti 3 SiC2 -20%Cu (wt. %) 三种配比的复合涂层,系统分析三种复合涂层的微观组织、物相、显微硬度以及室温和 600 ℃ 下的摩擦学性能和磨损机理。 研究发现:Co-5%Ti 3 SiC2 涂层主要由γ-Co 固溶体、润滑相 Ti 3 SiC2 、硬质相 TiC 和金属间化合物 CoTi x 构成,含 Cu 涂层出现新物相 Cu 及 CuTi x。 性能上,复合涂层的显微硬度均得到大幅提高,达到 Ti6Al4V 基体(370 HV0. 5 )的 2. 1 ~ 2. 4 倍。 室温下,Co-5%Ti 3 SiC2 -10%Cu 涂层表现出最好的减摩性能,摩擦因数降低了 68. 7%;而在 600 ℃ 下,复合涂层发生严重氧化,形成氧化膜使磨损率降低,其中 Co-5%Ti 3 SiC2-20%Cu 涂层磨损率为 2. 5×10-7 mm 3 / N·m,表现出最好的耐磨性。 探索了一类新的耐磨减摩涂层体系,表现出良好的提升效果,并揭示了 MAX 相与传统软金属之间的协同润滑过程。
  • 张志慧,邓建新,王冉,李学木,葛栋梁,吴佳星
    中国表面工程. 2021, 34(6): 134-142.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210721001
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    精密器械中的微摩擦零件的增摩需求逐渐被重视,电射流沉积法可以低成本制备出增摩表面。 利用溶胶凝胶法制作 ZrO2 溶液,通过电射流沉积技术结合掩膜板在 316L 不锈钢表面制备具有仿生图案的二氧化锆(ZrO2 )织构化表面,测试织构化表面的亲水性和不同加载力下的摩擦磨损性能,并与相同试验条件下的光滑基体、薄膜作对比。 结果表明:利用电射流沉积技术通过掩膜板制备织构化增摩表面的方法简单可行,织构化表面与基体和薄膜相比亲水性更弱,与光滑基体相比在小加载力下其摩擦因数增加约 70%,磨损率下降约 50%,有明显的增摩、耐磨效果。 电射流法借助掩膜板沉积的 ZrO2 织构化表面可为微摩擦零件表面的增摩耐磨提供一种新方式。
  • 李永胜,陈蕴博,陆晓刚,左玲立,欧伊翔,王浩琦,潘鹏,孙川,张宝燕,陈茹
    中国表面工程. 2021, 34(6): 143-150.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210705001
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    TiSiCN 硬质纳米复合涂层因其优异的力学性能和摩擦学性能而被广泛应用于各类机械零部件表面的防护涂层,但是超硬耐磨 TiSiCN 纳米复合涂层的可控制备技术仍然有待进一步研究。 采用高功率脉冲磁控溅射技术,微脉冲振荡开启时间 <i>τ</i>on = 50 μs,平均靶功率 4~ 8 kW,在 AISI 316L 不锈钢和 Si(100)单晶硅表面沉积了一系列不同成分的 TiSiCN 纳米复合涂层。 通过 XRD、FESEM、TEM、Raman 表征了涂层的结构和成分,采用纳米压痕仪和显微硬度计表征涂层的硬度和断裂韧性 KIC 。 通过摩擦磨损试验机表征了涂层在不同介质环境下的摩擦学性能,利用表面轮廓仪和光学显微镜对磨痕形貌进行进一步分析。 分析结果表明 TiSiCN 涂层由非晶包覆晶粒尺寸为 4 ~ 11 nm 的 TiCN 纳米晶构成。 随着靶功率的增加,涂层的硬度从 32. 6 GPa 增至 41. 3 GPa,膜-基结合力等级均为 HF2~ HF1。 8 kW 制备的 TiSiCN 涂层在干摩擦、酸、碱、油溶液环境下的磨损率分别为 5. 9×10 -6 mm 3N -1m -1 、4. 3×10 -5 mm 3N -1m -1 、9. 1×10 -5 mm 3N -1m -1 和 1. 28×10 -9 mm 3N -1m -1 。 研究成果表明采用高功率脉冲磁控溅射技术制备的 TiSiCN 纳米复合涂层在酸、碱、油溶液环境下均具有优异的耐摩擦学性能,在各类腐蚀环境中具有优异的应用前景。
  • 许全军,刘秀国,龚宝明,邓彩艳,王东坡,刘永
    中国表面工程. 2021, 34(6): 151-159.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210825002
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    针对材料表层梯度结构力学性能及残余应力分布研究不够深入的问题,对正火态 45 钢进行超声表面滚压加工 (USRP) 处理,在材料表层制备出微观梯度结构,并进行金相、SEM 和 EBSD 分析。 结果表明,根据形变程度将表层微结构分为 3 个区域:强变形区、微变形区和未影响区,厚度最高可达 680 μm。 接着采用应变梯度理论(MSG)修正的仪器化压痕法对试样表层力学性能进行分析,发现试样表层的显微硬度、弹性和塑性变形性能均呈现明显的梯度变化。 最后,采用轮廓法和 X 射线衍射法相结合的方式测量试样表面及内部残余应力分布。 测试结果表明,处理后试样表面形成一定深度的残余压应力场,在距离表面约 700 μm 处压应力峰值仍可达 809. 6 MPa,并且两种测试方法具有较好的一致性。 系统分析了试样表层在微观组织、屈服强度、残余应力分布和塑性流变性能方面出现的明显梯度变化。
  • 王婉,周青,华东鹏,李硕,王志军,王海丰
    中国表面工程. 2021, 34(6): 160-167.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210826002
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    因瓦合金作为一种独特的低膨胀材料已广泛用于航空航天等高科技领域,但目前还鲜有对其超精密加工理论和技术的研究,而纳米抛光是因瓦合金超精密加工的一种重要手段。 针对纳米抛光过程中因瓦合金的材料去除机理,基于分子动力学模拟研究抛光速度对材料去除效率、亚表面损伤和抛光表面平整度的影响。 通过对磨屑、能量、抛光力、位错运动等方面的分析揭示因瓦合金的变形损伤机制。 研究结果表明:材料去除效率随着抛光速度将达到一个临界值,当抛光速度低于 100 m/ s 时,磨削热促使位错形核,亚表面损伤厚度增加;当抛光速度高于 100 m/ s 时,应变速率急剧增大导致位错运动受限,使得亚表面损伤厚度得以降低。 为实现因瓦合金高效率和低损伤加工机制提供理论依据和技术支持。
  • 魏凯,张优,王菊萍,潘峰,赵耀,陈飞
    中国表面工程. 2021, 34(6): 168-174.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210824002
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    针对目前油水分离方法分离效率低、重复利用率低、二次污染环境等问题,开展了疏水三维多孔油水分离材料的研究。 以泡沫镍为基底材料,通过水热法构造多级微纳复合结构表面和氟硅烷疏水化处理得到超疏水泡沫镍。 利用扫描电子显微镜、能谱仪、X-射线衍射仪和全反射傅里叶变换红外光谱仪、接触角测量仪表征其表面形貌、成分和疏水性能,测试改性泡沫镍的油水分离性能和重复利用率。 结果表明:在泡沫镍表面成功制备出“鸟巢状”垂直排列的 Ni(OH)2纳米片阵列,并形成局部“团簇状”凸起,协同泡沫镍本身微米级孔骨架构成多级微纳米粗糙结构,具有低表面能的氟硅烷成功组装在多级微纳结构表面,实现了优异的超疏水性能。 改性泡沫镍可实现对甲苯、氯仿、正己烷与水的混合物吸附分离,且具有良好的循环使用性。 制备的超疏水泡沫镍可在磁场控制下实现对油水混合物的分离,是一种高效、智能的油水分离三维多孔材料。
  • 杨奇彪,卞若男,王杰,周维,刘顿
    中国表面工程. 2021, 34(6): 175-180.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210506001
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    针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。
  • 技术基础
  • 付小静,李瑞川,李阳,万勇
    中国表面工程. 2021, 34(6): 181-187.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210804002
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    CrN 和 CrAlN 涂层以其优异的力学性能可作为汽车发动机运动部件的保护性涂层使用,然而它与常用润滑油添加剂的相互作用仍需要进一步的研究。 采用磁控溅射技术制备氮化铬(CrN)和氮化铬铝(CrAlN)涂层,利用 X 射线衍射和纳米压痕研究涂层的微结构和机械性能,考察常用摩擦改进剂-烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)对涂层摩擦学性能的影响,并通过电子扫描电镜和 X 射线光电子能谱技术等表征探究 MoDTC 的减摩作用机制。 结果表明:与 CrN 涂层相比,CrAlN 涂层结构致密,晶粒细化,机械性能更好。 在添加质量分数为 1%的 MoDTC 后的 PAO 基础油润滑下,表现出更优异的减摩抗磨性能。 对磨痕表面的 XPS 分析表明,在边界润滑条件下,钢/ CrN 和钢/ CrAlN 摩擦运动过程中 MoDTC 均发生化学降解反应,生成一层含二硫化钼(MoS2 )的润滑膜,且后者产生的 MoS2 含量更高,因而表现出更优的摩擦学性能。 研究结果对延长汽车发动机的使用寿命具有指导意义。
  • 林尽染
    中国表面工程. 2021, 34(6): 188-196.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210731002
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    Fe 基非晶涂层因较高的性价比、良好的耐蚀性而广泛应用于众多工业领域,但其在高温环境下的使役性能会因微观结构的变化而发生改变。 为了探讨 Fe 基非晶涂层组织结构与力学性能对热处理温度的响应,利用高速电弧喷涂技术制备 FeNiCrBSiNbW 非晶涂层,随后对其进行不同温度热处理,获得三种具有不同组织结构的涂层。 采用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、差示扫描量热仪、电子万能试验机、显微硬度计、纳米压痕仪对不同热处理温度下涂层的组织结构和力学性能进行表征。 结果表明:FeNiCrBSiNbW 涂层中非晶相的晶化过程包括初晶晶化与共晶晶化;随着热处理温度的升高,涂层的非晶相含量、孔隙率、结合强度与断裂韧性逐渐降低,而涂层的硬度与弹性模量不断增大。 研究成果对调控高速电弧喷涂 Fe 基非晶涂层的组织结构与力学性能有一定的指导意义。
  • 施敏捷,王建梅,侯定邦,宁可
    中国表面工程. 2021, 34(6): 197-204.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20210722001
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    风力发电机法兰承受较大切向载荷,法兰结合面的静摩擦因数直接影响法兰连接性能,目前法兰静摩擦因数预测理论和表面工艺优化的研究较少。 为建立风电法兰结合面静摩擦因数预测模型,探究表面工艺参数对法兰静摩擦因数的影响。 基于分形理论构建法兰结合面静摩擦因数的分形预测模型,并采用摩擦试验对预测模型的准确性进行验证。 设计正交试验来探究表面粗糙度、表面处理工艺、表面涂层多种表面工艺参数对静摩擦因数的影响,建立表面工艺参数与静摩擦因数映射数学模型,基于该数学模型得到产生最大静摩擦因数的工艺组合方案。 研究结果表明:静摩擦预测模型具有较高的准确性, 为法兰精确化设计提供了理论基础。 对正交试验结果进行极差和方差分析得出:表面粗糙度对静摩擦因数影响最小,表面处理工艺次之,表面涂层的影响最大,产生最大静摩擦因数的表面工艺为:表面粗糙度为 Ra 6. 3、表面喷丸处理、涂覆 Paint B 油漆,建立的表面工艺参数与静摩擦因数映射数学模型能够准确获得最优表面工艺参数,缩短了法兰表面工艺设计周期。