2023年, 第36卷, 第2期　刊出日期：2023-02-19

  

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综述论文
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  铌酸钾钠无铅压电陶瓷掺杂及制备技术现状

  李雪伍，高瑞，黄艳斐，周龙龙，邢志国，王海斗，郭伟玲

  中国表面工程. 2023, 36(2): 1-20.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220313001

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  铌酸钾钠无铅压电陶瓷因具有环境友好型、良好的电学性能、较好的居里温度等成为当前压电铁电材料的研究热点之一，广泛应用于科技、工业等方面。综述近年来铌酸钾钠压电陶瓷材料的研究进展，主要从金属离子及其氧化物掺杂、稀土离子，以及其他化合物掺杂等方面对铌酸钾钠的掺杂制备进行总结，从热压烧结、微波烧结及放电等离子烧结等方面对其烧结技术进行论述，从激光脉冲沉积技术、射频磁控溅射法等方面对其成形工艺进行综述。结果表明，对铌酸钾钠压电陶瓷进行掺杂制备及采取先进的烧结技术可以明显提升其电学性能，铌酸钾钠压电陶瓷薄膜和涂层的制备拓展了铌酸钾钠的应用范围，使其可以应用于国防、航空航天及通信等方面。最后对铌酸钾钠的发展趋势进行总结。主要从铌酸钾钠陶瓷的掺杂制备、烧结工艺及成形工艺等方面进行综述，对铌酸钾钠压电陶瓷在各领域的研究有一定理论与参考意义。
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  真空蒸镀钙钛矿太阳能电池器件工艺研究进展

  王成龙，梁真，万喆，亢宁，杜文林，朱金仪

  中国表面工程. 2023, 36(2): 21-33.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220602001

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  钙钛矿太阳能电池器件因其优异的材料性能已经取得最高 25.7 %的光电转换效率。常见的钙钛矿薄膜的制备方法分为溶液法和真空蒸镀法。其中真空蒸镀法凭借其无溶剂化的特点，具有环境污染小、膜层致密性高、生产效率高，以及较为容易实现大面积连续化高通量制备等优点，在钙钛矿太阳能电池器件制备领域具有独特优势。针对真空蒸镀法制备高质量钙钛矿薄膜的技术，对真空蒸镀的基本工作原理及应用于钙钛矿薄膜制备的真空设备系统进行介绍，并以钙钛矿太阳能电池光电转换效率为切入点，介绍基于真空蒸镀技术制备钙钛矿太阳能电池器件及优化其光电转换效率的研究进展。探究真空蒸镀设备改进策略(温控系统和蒸发源设置)、蒸镀工艺条件(投料量、蒸镀距离、蒸镀时间、室体内压力、薄膜退火温度及时间)、 基底材料极性对钙钛矿薄膜结晶度和晶粒尺寸的影响因素，为采用真空蒸镀技术制备具有高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池器件提供重要的理论基础及研究思路。最后，总结真空蒸镀钙钛矿太阳能电池的工艺流程，从降低生产成本与提高生产效率的角度出发，提出连续化生产钙钛矿太阳能电池的构想，并对其商业化发展方向进行展望。
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  声发射技术在热障涂层失效机理中的研究进展及展望

  曹枝军，袁建辉，苏怀宇，万家宝，苏佳卉，吴倩，王亮

  中国表面工程. 2023, 36(2): 34-53.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220728001

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  热障涂层(TBCs)具有优异的高温抗氧化、高温力学和抗热腐蚀性能而备受关注，广泛应用于航空发动机和燃气轮机热端部件中。热障涂层服役环境的恶劣和涂层体系结构的复杂，极易导致涂层发生界面分层或剥落失效，因此通过对热障涂层的裂纹萌生和扩展问题进行实时监测，对于失效机理研究显得尤为重要。简述光激发荧光压电光谱(PLPS)、红外热成像 (IRT)、阻抗谱(IS)的原理及其在热障涂层失效行为研究中的应用，重点介绍声发射技术在热障涂层失效机理方面的研究成果。基于声发射的热障涂层失效过程的信号分析和深度处理，结合声发射技术在热障涂层中的参数分析和波形分析，对热障涂层失效过程及失效形态进行模式识别，通过损伤程度的定量评估来进行热障涂层的寿命预测。对声发射技术在热障涂层失效预测及寿命评估指明了方向，并创新性地对未来声发射技术在热障涂层的疲劳损伤方面研究趋势提出展望。
技术基础
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  AISI1045钢表面激光熔覆FeCoCrNiAl_0.5Ti_0.5涂层的界面特性及摩擦性能

  曹佳俊，常成，邱兆国，曾德长，刘敏，闫星辰

  中国表面工程. 2023, 36(2): 54-64.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220524002

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  激光熔覆高熵合金涂层摩擦磨损行为的研究主要聚焦在涂层表面，鲜有对熔覆层 / 基体界面区域的摩擦学行为进行研究。为了提高 AISI 1045 钢的耐磨性，采用激光熔覆技术在 AISI 1045 钢基体表面制备宏观形貌良好、组织均匀的 FeCoCrNiAl_0.5Ti_0.5高熵合金涂层。利用 OM、XRD、SEM、EDS 和摩擦磨损测试仪对激光熔覆 FeCoCrNiAl_0.5Ti_0.5涂层的微观结构、物相组成、界面特性和摩擦磨损性能进行研究。通过对 FeCoCrNiAl_0.5Ti_0.5涂层 XRD 图谱和元素分布分析发现，涂层主要由面心立方(Fe，Ni)相和体心立方相(BCC)形成的共晶组织及其中弥散分布着的 NiAl 金属间化合物构成。硬度测试表明，从涂层顶部到基体，涂层、稀释区、热影响区和基体的平均显微硬度分别为 518±20、561±63、473±81 和 217± 12 HV0.2。涂层 / 基体界面区域生成了 Cr₂₃C₆，在摩擦过程中会形成一层摩擦层，相比于涂层和基体具有更小的摩擦因数(0.56)， 磨损率(4.76±0.51×10^?5 mm³ / (N·m))最低，为涂层 / 界面区域摩擦学行为提供了理论参考。
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  等离子喷涂NiCrAlY-Cu涂层中Cu在宽温域环境下的扩散及摩擦耗散机制

  方子文，何乃如，贾均红，杨杰，刘宁

  中国表面工程. 2023, 36(2): 65-78.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220512002

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  含软金属自适应涂层在摩擦过程因软金属独特的性能而具备良好的摩擦学性能，然而在不断摩擦过程中软金属会发生一定的耗散导致涂层失效。为了研究软金属润滑剂在宽温域摩擦过程中的耗散机制，利用等离子喷涂技术制备 NiCrAlY-Cu 涂层；通过分析热处理及宽温域摩擦前后涂层的组分与形貌演变，揭示 NiCrAlY-Cu 涂层中 Cu 的高温扩散及宽温域摩擦耗散机制。结果表明：Cu 以片层状分布在 NiCrAlY 基础相中，软金属 Cu 在温度单因素影响下垂直向涂层表面扩散，随着温度的升高扩散加剧。在 1 000 ℃环境下 Cu 在涂层内部发生平行扩散，并最终呈现弥散态分布。在中低温环境下随着温度的升高 Cu 的剪切强度降低进而使得涂层摩擦因数逐渐下降，但是由于 Cu 呈片层状分布，随着温度的升高涂层发生疲劳剥落导致磨损率升高。随着温度的进一步升高，Cu 扩散加剧，片层状 Cu 减少，同时发生氧化，使得摩擦因数升高，磨损率降低。在宽温域摩擦过程中由于温度和载荷的共同影响，Cu 在涂层中的摩擦耗散机制为 Cu 垂直向涂层表面扩散，由磨痕区域内向磨痕外平行扩散。同时，磨痕内聚集的 Cu 以磨屑形式逐渐损耗。提出在不同温域摩擦过程中受力-热耦合影响的软金属耗散机制， 可为解决含软金属自适应涂层的失效问题提供理论依据。
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  低模量Ti6Al4V表面Ti(Al/Pt)N薄膜强化改性

  孙琳凡，时晓光，周艳文，杜峰，司彪，郭诚

  中国表面工程. 2023, 36(2): 79-85.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220524004

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  为解决硬质薄膜因与软基体硬度和模量差较大导致的薄膜失效问题，提高硬质薄膜在 Ti6Al4V(TC4)钛合金基体上的适应性，使用掺杂氮化钛(TiN)陶瓷薄膜对低模量 Ti6Al4V 合金表面强化。采用热丝增强等离子体磁控溅射技术在 Ti6Al4V 合金表面制备 Ti(Al / Pt)N 薄膜：包括本征 TiN、Al&Pt 掺杂 TiAlN 和 TiAl(Pt)N 薄膜。采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、 纳米压痕仪、洛氏硬度计和摩擦磨损测试仪分别表征三种薄膜组织形貌、能谱分析、相结构和内应力、纳米硬度和模量及耐磨性。结果表明：Al 元素掺杂使 TiN 薄膜柱状晶细化，截面形貌柱状晶更致密；同时微量 Pt 掺杂后，截面断口呈韧性撕裂。 本征 TiN 和 TiAlN 薄膜衍射峰图谱呈现 TiN(111)取向，TiAl(Pt)N 薄膜的衍射峰呈 TiN(200)主峰位。Al 元素掺杂使 TiN 薄膜晶格畸变增多，内应力从-13 MPa 增大到-115 MPa，导致膜-基结合力恶化，洛氏压痕和摩擦磨损实验中均出现薄膜剥落。Pt 掺杂后薄膜内应力降低到-66 MPa，在洛氏压痕试验中 TiAl(Pt)N 薄膜与基体结合良好，仅有少许环形裂纹。摩擦磨损试验中本征 TiN 和 TiAl(Pt)N 薄膜磨痕较浅，TiAlN 薄膜磨损量最大。Al 元素掺杂细化了 TiN 薄膜柱状晶，但 TiAlN 薄膜内应力大， 耐磨性差、膜-基结合力低。掺杂 Pt 元素后降低了薄膜内应力，提高了韧性与结合力，综合性能最佳。在 Ti6Al4V 合金表面制备 Al&Pt 元素共掺杂 TiN 薄膜，对提高硬质薄膜与软基体变形协调性具有良好应用前景。
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  离子束活化对GF/PEEK金属化涂层结合强度的影响

  钟利，金凡亚，但敏，童洪辉，敬星

  中国表面工程. 2023, 36(2): 86-96.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220304002

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  为了解决玻纤 / 聚醚醚酮复合材料(GF / PEEK)因界面惰性导致的金属化涂层结合强度弱的问题，采用低能离子束对基材进行表面活化处理，再以磁控溅射和电镀技术制备 Cu 膜，从而实现复合材料表面大厚度、高性能金属化层的制备。分别采用 Ar、H₂、O₂和 H₂+N₂ 混合气体进行离子束活化，通过对比活化前后基材的润湿性能、微观形貌和表面特性变化，对离子束活化的作用机理展开研究，制备 Cu 膜并对 Cu 膜的结合强度进行判定，探讨不同气体活化对结合强度的影响规律。结果表明，经离子束活化后，复合材料的表面润湿性得到显著改善，极性官能团的相对含量明显提高，表面和浅表面玻纤的结构完整性受到破坏，采用 Ar、H₂、O₂和 H₂+N₂离子束活化处理后，Cu 膜的结合强度由未经活化的 0.1MPa 逐渐提高至 0.4 MPa、 1.49 MPa、7.97 MPa 和 11.51MPa。离子束活化技术能够有效改善复合材料的表面活性，显著提高金属化涂层的结合强度，延长金属化层的使用寿命，为其工程化应用奠定了理论和数据基础。
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  锆合金表面Mo/Al/Cr复合涂层的抗高温水蒸气氧化性能

  张腾飞，廖海燕，阮海波，苏永要，王锦标，徐照英，董井忍

  中国表面工程. 2023, 36(2): 97-103.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220222001

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  锆合金是重要的核燃料包壳材料，在包壳表面沉积抗高温水蒸气氧化涂层是在失水事故中避免核泄漏的有效途径，然而涂层在高温氧化过程中存在氧化产物不稳定及界面扩散问题。用磁控溅射的方法在 Zr-4 合金表面沉积 Mo / Al / Cr 复合涂层，拟利用 Al 层生成氧化铝提升抗氧化温度上限，利用 Mo 层阻挡 Al 与 Zr-4 基体的扩散。用 SEM 表征涂层的表面及横截面形貌，利用 XRD 分析涂层物相结构，用纳米压痕的方法评价涂层的力学性能，用管式炉连接水蒸气发生器来评价涂层的抗高温水蒸气氧化性能。结果表明：在锆合金表面制备的 Mo / Al / Cr 复合涂层与基体结合良好，结构完整，界面清晰，硬度高于 Zr-4 合金基体。在高温水蒸气氧化试验中，复合涂层中的 Al 会发生熔融，导致涂层结构的破坏而不能生成连续致密氧化铝膜。在 Cr 层、Al 层失效的情况下，Mo 层可以有效阻挡 Al 及 O 元素向基体内部扩散。探讨了 Al 作为抗氧化层及 Mo 作为扩散阻挡层的可行性，试验结果可为核燃料包壳涂层的设计选材提供借鉴和支撑。
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  沉积偏压对AlCrTiN纳米复合涂层力学与抗高温氧化性能的影响

  张硕，范其香，郝雪卉，吴正环，马德政，曹凤婷，王铁钢

  中国表面工程. 2023, 36(2): 104-113.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220612001

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  沉积偏压对涂层的结构与性能具有重要影响，为研究其对 AlCrTiN 纳米复合涂层成分、组织结构、力学与抗高温氧化性能的影响规律，采用磁控溅射技术，改变沉积偏压(?30、?60、?90、?120 V)制备四种 AlCrTiN 纳米复合涂层。利用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、纳米压痕仪等仪器表征涂层的组织结构、成分、力学性能和抗高温氧化性能。研究结果表明： 不同偏压下制备的 AlCrTiN 纳米复合涂层均为 NaCl 型 fcc-(Al,Cr,Ti)N 相结构。随着沉积偏压增大，涂层由沿(111)晶面择优生长转变为无明显的择优生长取向，晶粒尺寸降低，残余应力和硬度增大。偏压为?90 V 与?120 V 时，涂层表面更加致密， 具有更高的硬度和弹性模量。在 800 ℃与 900 ℃氧化 1 h 后，所有涂层表面均生成一层连续致密的 Al₂O₃ 膜。随着沉积偏压增加，氧化膜厚度逐渐降低，表明抗高温氧化性能逐渐增强，这是因为高偏压下涂层组织更致密，且晶粒更细小。研究成果对 AlCrTiN 纳米复合涂层的综合性能提升与工程化应用具有一定指导意义。
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  基于位错密度理论的喷丸强化诱导7050铝合金组织细化数值模拟

  翟傲霜，黄啸，王欣，许春玲，商宏飞

  中国表面工程. 2023, 36(2): 114-124.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220526001

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  7050 铝合金喷丸过程中微观组织演变机理及纳米化结构与工艺参数的关系还没有得到广泛研究。基于位错密度理论对喷丸强化诱导 7050 铝合金表层晶粒细化进行研究。利用有限元方法模拟 7050 铝合金受单个和多个喷丸冲击过程，建立将喷丸强化的有限元模型与累积塑性应变引起的位错密度演化模型相结合的混合数值模型，并利用遗传算法得到混合模型的数值参数，用以预测喷丸强化层的位错密度和晶粒尺寸梯度分布，为研究喷丸强化 7050 铝合金的组织结构强化机理提供依据。 建立喷丸尺寸、速度和覆盖率等工艺参数与强化层内晶粒细化结构的物理联系和数量关系。结果表明，从单个喷丸冲击到大量随机喷丸冲击过程都会在强化层内产生显著的晶粒细化；强化层内位错密度增加、晶粒细化的程度以及强化影响深度随着喷丸覆盖率、速度、尺寸的增加而增加；较高的喷丸覆盖率和强度可生成纳米级晶粒结构表面层。综合运用 JC 本构有限元模拟、四阶五级 RKF 算法解方程、遗传算法优化调参、概率约束方法控制随机喷丸以及 VUMAT 子程序定义本构关系，实现 7050 铝合金喷丸强化微宏观联系的定量研究，可为设计 7050 铝合金喷丸工艺参数获得所需纳米结构提供理论依据。
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  基于遗传算法并考虑质量守恒空化边界的最优织构形状

  王希龙，马晨波，张玉言，贝光耀，孙见君

  中国表面工程. 2023, 36(2): 125-137.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220406001

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  织构形状对摩擦副的润滑性能具有重要的影响，然而最优织构形状随工况参数的变化规律仍缺乏系统性研究。基于满足质量守恒的 JFO(Jakobsson-Floberg-Olsson)空化边界条件，通过求解雷诺方程，结合遗传算法并以油膜承载力最大为目标，建立并简化最优织构形状优化模型，对比分析不同工况下最佳微孔与最优织构的承载力情况，探讨最优织构形状的相关几何参数随摩擦副端面间距、滑动速度与空化压力等参数的变化规律。结果表明：不同工况条件下最优形状织构的承载性能均优于最佳微孔织构，尤其当摩擦副端面间距小、滑动速度大时，性能提升更为显著；简化的最优织构形状几何模型共计 3 设计变量，即液体流入侧两点 X_a、X_g横坐标 X₁、X₂ 及织构深度 hg；随摩擦副端面间距增大，X₁先减小后基本不变，X₂逐渐减小，对应的最优织构深度与面积比增大，量纲一织构深度基本不变；随滑动速度增大，X₁先缓慢增大后基本不变，X₂ 逐渐增大，对应的最优织构深度增大，面积比减小；随空化压力增大，X₁先缓慢增大后缓慢减小，X₂逐渐增大，对应的最优织构深度增大，面积比减小。研究最优织构形状参数、深度及面积比随工况参数的变化规律，可为织构形状的摩擦学设计提供理论指导。
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  Cu/Co多层膜表面粗糙度及织构演化机制

  李玮，王炫力

  中国表面工程. 2023, 36(2): 138-145.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220331004

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  薄膜材料中的微观结构和织构特征对其性能有重要的影响作用，但目前薄膜中微观结构和织构的关系尚未清楚。 以 Cu / Co 多层膜为对象，研究薄膜中的表面粗糙度和织构。采用磁控溅射法在单晶 Si 基底上制备 Cu / Co 多层膜， 通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对多层膜的表面粗糙度进行逐层表征，结合薄膜外延生长模型分析薄膜表面自由能的层间差异对薄膜生长模式和表面粗糙度的影响。结果表明，在 Si 基底上沉积的 Cu 薄膜呈岛状模式生长，表面粗糙度较小；继续在 Cu 薄膜上沉积的 Co 薄膜亦呈岛状模式生长，表面粗糙度增加；最后在 Co 薄膜上沉积的 Cu 薄膜， 趋向于层状模式生长，表面粗糙度下降。此外，利用 XRD 与 EBSD 分析 Cu / Co 多层膜的织构演变行为，发现在 Cu 和 Co 层交替沉积的过程中，织构类型由{111}变为{0001}再变为{111}，织构强度逐渐变弱。分析表明，薄膜的织构强度与其表面粗糙度存在一定关系，Cu 薄膜中{111}织构强度越高，薄膜的表面粗糙度越小。通过明确 Cu / Co 薄膜生长过程中的织构演化规律以及织构与微观结构的相互作用，可为薄膜制备技术和性能调控的研究提供一定启示及参考意义。
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  硅橡胶超疏水涂层的撒粉法制备

  何强，王晓森，宁梦遥

  中国表面工程. 2023, 36(2): 146-154.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220409001

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  当前在橡胶基体上构建超疏水表面的方法大多较为复杂，不易制备，研究一种简单方法是十分必要的。以高温硫化硅橡胶(HTV)为基体，把基体打磨后在其表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，采用表面撒粉法将二氧化硅(SiO₂)粉末均匀撒在未固化 PDMS 上，固化后制得 HTV / PDMS-SiO₂超疏水表面。采用扫描电子显微镜、三维形貌及接触角测量仪对硅橡胶超疏水涂层的微观形貌和疏水特性进行分析。结果表明：HTV / PDMS-SiO₂超疏水表面构建出许多微纳突起粗糙结构， 表面粗糙度 Sa 达到 35.695 μm；HTV / PDMS-SiO₂超疏水表面的静态接触角平均值达 154.5°，相较于原始硅橡胶平均静态接触角 112.4°提升了 37.5%；液滴体积一定时，液滴接触到超疏水表面后的铺展直径和第一次弹起高度随着滴落高度的增大而增大；液滴滴落高度一定时，液滴铺展直径和初次弹起高度与液滴体积成正比。利用 PDMS 固化过程结合撒粉工艺构建超疏水微纳结构，可为硅橡胶超疏水表面研究提供一种简单、低成本方案。
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  电化学对微小孔毛刺去除的仿真及试验

  何涛，黄森，邓海顺，王传礼，丁庆田

  中国表面工程. 2023, 36(2): 155-165.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220430001

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  钻削微小通孔产生的孔口毛刺严重影响了其表面质量，且微小孔因直径小导致其入口和出口毛刺去除困难，为此提出基于电化学的微小通孔双面毛刺的同步去除方法。以 0.35 mm 厚的 304 不锈钢板的钻孔毛刺为研究对象，建立电化学毛刺去除仿真模型，分析电流密度与微小孔不同区域材料去除速率间的对应关系，研究电极位置及工艺参数对毛刺去除效果的影响， 并开展相关试验研究。结果表明，孔口表面电流密度大小表征了材料去除能力的强弱，毛刺尖端电流密度大，孔内壁电流密度小且分布均匀；电极位置对出口毛刺去除速率影响大，伸出型电极毛刺去除效果最好；随加工电压、电解质浓度及电极直径增大，毛刺去除效率增高，但扩孔率增大，且电极直径越大入口倒角越明显；试验基于伸出型电极位置，采用 4 V 加工电压、12% NaNO₃ 电解质、0.2 mm 电极半径，实现了孔口毛刺的精准去除，加工后的倒角宽度为 38 μm，扩孔率仅 1.99%，验证了仿真的准确性。研究结果可为微小通孔双面毛刺的高效、精准去除奠定研究基础。
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  氟钛酸钾添加对铝镁复合板微弧氧化涂层结构及耐蚀性的影响

  杨瑞霞，谢小梦，杨尔慧，凌奎，李伟洲

  中国表面工程. 2023, 36(2): 166-179.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220414003

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  为研究氟钛酸钾(K₂TiF₆ )添加对 Al-Mg 复合板微弧氧化涂层结构和耐腐蚀性能的影响，在硅酸盐-氢氧化钠电解液体系中加入不同浓度的氟钛酸钾(0、1、2 和 3 g·L^?1 )，利用微弧氧化技术(MAO)在 Al-Mg 复合板表面制备陶瓷氧化物涂层。通过 SEM、XRD、EDS 和电化学工作站等对制备陶瓷氧化物涂层显微组织、相组成、形貌及耐蚀性能进行表征。添加 K₂TiF₆ 后，Al-Mg 复合板 Al 侧的涂层厚度、表面孔隙率和表面粗糙度随 K₂TiF₆ 浓度的增加呈下降的趋势(24.2~18.4 μm、6.8%~5.3%、3.55~2.23)，Mg 侧涂层呈上升趋势(21.0~26.6 μm、3.6%~5.3%，3.35~4.33)， 此外涂层中的 Ti 和 F 元素含量增加，各样品的耐蚀性均有所提高。添加 K₂TiF₆ 为 2 g·L^?1 时，两侧涂层的耐蚀性最好，其中 R_t 均比未添加的样品增加 2 个数量级，i_corr 均下降 1 个数量级。氟钛酸钾的加入可改变 Al-Mg 复合板微弧氧化涂层结构，提高 Al-Mg 复合板耐腐蚀性能。
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  丙烯酰胺浓度对聚二甲基硅氧烷表面涂层性能的影响

  陈惟惟，钱善华，周帅帅，李辉，申玉军

  中国表面工程. 2023, 36(2): 180-188.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220504001

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  硅橡胶的疏水特性致使其在体内的减阻性能较差，亟须开展其表面亲水性能和润滑性能均良好的工艺研究。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基材，以丙烯酰胺(AAm)为反应单体，通过紫外光固化工艺在 PDMS 表面制备 5 种不同浓度的聚丙烯酰胺(PAAm)涂层，对涂层的表面成分、表面粗糙度、厚度、亲水性能及润滑性能进行表征，讨论 AAm 浓度对涂层性能的影响。结果表明：AAm 浓度对涂层厚度和粗糙度有显著影响，即随着 AAm 浓度的提升，涂层厚度和粗糙度均呈上升趋势； AAm 浓度也改善涂层的亲水性能和润滑性能，即与基材 PDMS(110°)相比，含 20 wt.% AAm 的涂层接触角低至 18.24°，降低到基材的 16.6%；含 8 wt.% AAm 的涂层摩擦因数低至 0.039，与基材 PDMS 相比降低 98.2%。提出一种硅橡胶表面构建牢固涂层的简单且高效的方法，可为软材料表面改性提供较好的借鉴。
工程应用
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  脱合金法在TC4钛合金磁粒研磨光整加工中的应用

  张祥，马小刚，张亮，杨诗瑞，解志文

  中国表面工程. 2023, 36(2): 189-199.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220512001

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  为解决 TC4 钛合金表面材料的定量去除问题，提高 TC4 钛合金磁粒研磨光整加工的效率，采用电化学脱合金法对不同浓度的 NaOH 溶液进行分析，得出最佳电解液浓度为 1.5 mol / L；利用动电位和恒电位极化确定脱合金临界电压为 2.1 V。 在 1.5 mol / L NaOH 溶液中，2.1 V 电压下进行脱合金试验， TC4 钛合金表面获得连续均匀的纳米多孔结构。脱合金 3、6、 9 h 后，工件表面纳米多孔层的维氏硬度分别降低 29.4%、39.5%、46.7%。摩擦磨损试验中，磨球穿透纳米多孔层的时间分别为 11、21、35 min，纳米多孔层厚度分别达到 2.2、3.8 和 6.2 μm。对 TC4 钛合金和脱合金工件进行磁粒研磨光整加工，研磨加工 165 min 后，TC4 钛合金表面 6.2 μm 厚度的磨痕得到有效去除；研磨加工 45 min 后，脱合金工件表面 6.2 μm 厚度的纳米多孔层被有效去除，研磨效率提升 72.7%。使用脱合金-磁粒研磨复合加工的方法，实现了 TC4 钛合金表面材料的定量去除，而且降低了表面材料的维氏硬度，提高了磁粒研磨的加工效率。
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  抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响试验

  熊强，蔡伟明，路家斌，刘文涛，李卫中

  中国表面工程. 2023, 36(2): 200-211.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220720002

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  抛光垫是影响抛光加工效率和表面质量的关键因素之一，但影响规律和作用机理尚不清晰。为研究抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响规律，制作有、无固结磨料的表面六边形微细结构抛光垫，分别对 YG15 硬质合金、单晶 Si 和单晶 4H-SiC 三种硬度差异较大的工件进行抛光试验。结果表明：各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致，随着抛光工件的硬度增大，各抛光垫的材料去除率(MRR)减小，表面粗糙度 Ra 增大。抛光垫内的固结磨料能将 MRR 提高 5~10 倍，但也会导致 Ra 增大 5~20 倍。抛光垫表面微细结构会使得抛光过程中有效接触面积 Ap和有效磨粒数 Ns减小而导致 MRR 下降，而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响，抛光工件硬度越大，弥补效果越好。增加游离磨料能够有效降低抛光后 Ra 并提高硬度较大工件的 MRR(上升约 8%)，但对硬度较小工件的 MRR 有抑制作用(下降约 27%)。根据抛光试验结果，建立工件-磨料-抛光垫接触模型，深入分析抛光垫表面微细结构、表面硬度对不同硬度工件抛光 MRR 和表面质量的作用机理，为不同工件抛光时抛光垫的选择提供了理论基础。
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  基于PSO-ELM的316L不锈钢细长管磁粒研磨内表面粗糙度预测模型

  李昌龙，陈松，吴炫炫，赵耀耀，李雨龙，李鑫

  中国表面工程. 2023, 36(2): 212-221.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220513001

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  针对 316L 不锈钢细长管磁粒研磨加工过程中，最佳工艺参数难以选择，以及加工后对工件内表面粗糙度(Ra)的预测问题，将影响磁粒研磨 316L 不锈钢细长管内表面粗糙度的四个工艺参数作为输入值，内表面粗糙度作为输出值，构建粒子群(PSO)优化极限学习机(ELM)模型来预测 316L 不锈钢细长管内表面粗糙度，利用 PSO 对工艺参数进行全局寻优， 获得最佳工艺参数组合，最后通过试验与预测结果进行对比。构建的 PSO-ELM 表面粗糙度预测模型拟合优度 R²为 0.984 8， 绝对误差(MAE)为 0.013 4，均方根误差(RMSE)为 0.021 4。得到的最佳工艺参数组合为：主轴转速 2 389.011 r / min， 进给速度 3.167 mm / s，磨料粒径 216.185 μm，加工时间 35.856 min，预测 Ra 为 0.178 μm。对工艺参数进行调整，试验得到的 Ra 为 0.182 μm，与预测值相比误差为 2.24%。基于 PSO-ELM 方法构建 316L 不锈钢细长管内表面粗糙度预测模型，实现对工件内表面粗糙度的精确预测，应用粒子群方法得到最佳工艺参数组合，提高了磁粒研磨 316L 不锈钢细长管的加工效率。 关键词：磁粒研磨；细长管；内表面；粒子群(PSO)；极限学习机(ELM)；表面粗糙度
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  变形温度对核电用锆包壳管表面Cr涂层开裂行为的影响

  刘艳，张云华，闫秀林，李俊杰，刘进

  中国表面工程. 2023, 36(2): 222-230.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220330001

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  Cr 涂层能够有效提高核电反应堆锆包壳管的事故容错能力，但在高温下其内部可能会萌生裂纹导致涂层开裂失效，现有 Cr 涂层开裂行为研究多针对常温，因此研究不同温度下 Cr 涂层的开裂行为对于其应用具有重要的理论和工程价值。采用多弧离子镀技术在 N36 锆合金包壳管外表面制备厚度为 14 μm 左右的 Cr 涂层，采用 WDW-100C 万能试验机对涂层管分别进行室温(25 ℃)与高温(100、200、300、400 ℃)拉伸试验，并通过超景深显微镜和扫描电镜(SEM)观察涂层的裂纹表面与截面形貌，对 Cr 涂层在不同温度下的开裂行为与开裂机理进行研究。结果表明，随着温度升高，涂层管的屈服强度从(400±5)MPa 下降到(150±5)MPa，涂层管的总体塑性变化不大；室温下裂纹萌生于涂层内部，其开裂方式为脆性沿晶断裂；100 ℃时涂层开裂方式不变，但表面裂纹数量减少，裂纹尖端出现钝化，由 V 字形转变为 U 字形； 随着温度进一步升高，涂层的塑性变形能力提高，其表面呈流线形塑性变形；200 ℃及以上温度下，涂层表面无明显开裂，仅出现少量微裂纹，塑性的升高导致拉伸过程中涂层的变形量与基体存在差异，裂纹开始萌生于界面处，其断裂方式也由脆性断裂转变为韧性断裂。采用单轴拉伸法研究温度对锆包壳 Cr 涂层开裂行为的影响，可为 Cr 涂层在核电领域的应用提供一定数据与理论支撑。