中国表面工程

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丁昊昊, 谢天星, 王文健, 祝毅, 阳义, 郭俊, 林强

中国表面工程. 2024, 37(3): 1-13.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230830002

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激光熔覆技术可用于钢轨局部损伤表面的局部修复，但局部修复钢轨材料的磨损与滚动接触疲劳损伤规律尚不清楚。通过在钢轨试样表面切除凹槽来模拟局部损伤，在凹槽处激光熔覆 Ni 基、Fe 基和 Co 基自熔性合金粉末，分析修复钢轨微观组织与硬度，然后利用双轮对滚试验研究局部修复钢轨试样的磨损与滚动接触疲劳行为。结果表明，激光熔覆涂层形成了共晶与枝晶组织，Ni 基涂层组织粗大、硬度较小，Fe 基与 Co 基涂层组织尺寸较小，Fe 基涂层硬度最大，Co 基涂层硬度居中。相比未熔覆区域，激光熔覆区（涂层）塑性变形层厚度较小，且涂层原始硬度越高，硬化后硬度越大，但硬化率和硬化层厚度更小。未熔覆区滚动接触疲劳裂纹较长，但裂纹角度较小；熔覆区裂纹长度均有所降低，但裂纹扩展角度明显增大；熔覆区与未熔覆区结合处疲劳损伤最为严重，疲劳裂纹角度和深度均比熔覆区和未熔覆区更大。对比分析发现，Stellite 21（Co 基）熔覆试样摩擦因数较低，熔覆区与未熔覆区磨损深度差较小，抗滚动接触疲劳性能较好，较为适合钢轨局部损伤的激光修复。研究结果可为激光熔覆技术在钢轨局部修复上的应用与优化提供理论与技术指导。

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基于稳态磁场阻尼效应的激光熔覆气孔缺陷抑制机制

胡勇, 孟庆鑫, 王梁, 邹朋津, 刘云峰, 张群莉, 姚建华

中国表面工程. 2024, 37(3): 14-24.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231111002

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气孔作为激光增材制造主要的缺陷之一，严重影响其在动态载荷下的力学性能。采用稳态磁场辅助激光熔覆的方法，以在不改变激光工艺条件下实现对气孔缺陷的抑制。为了明晰稳态磁场对气孔缺陷的抑制机制，基于稳态磁场下气孔输运多物理场模型及激光熔覆试验，研究不同磁场强度下熔池的流场分布、气孔输运轨迹、气孔分布及内部的元素分布等规律。模拟结果显示，外加稳态磁场在熔池内产生的感应洛伦兹力增加了流体的粘滞效应，降低了熔池内流体的流速。随着磁场强度从 0 T 增加到 1.2 T，熔池表面最高流速从 0.137 m / s 降低到 0.054 m / s。试验结果显示：随着磁场强度从 0 T 增加到 1.2 T，涂层孔隙率从 13.339%降低到 7.768%。结合气孔运动轨迹及熔池元素分布规律，得出稳态磁场抑制气孔缺陷的主要原因为磁阻尼效应降低流体速度，抑制外界氧元素进入熔池与碳元素结合生成气孔，从而降低气孔的数量。研究结果可为磁场辅助激光熔覆、焊接及修复等过程中的气孔缺陷控制提供理论依据。

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热丝激光熔覆Cr-W-Mo-V钢涂层组织与腐蚀磨损性能

王彦芳, 周雪景, 宋子翰, 石志强

中国表面工程. 2024, 37(3): 25-36.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230831001

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随着海洋油气资源的开发，钻采装备面临腐蚀与磨损的耦合损伤。开发耐磨耐蚀涂层材料及制备技术是海洋装备安全、可靠运行的保障。利用热丝激光熔覆技术在 20 钢基材表面制备 Cr-W-Mo-V 钢涂层，通过光学显微镜（OM）、X 射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等分析涂层的显微组织和相组成，采用往复电化学腐蚀摩擦磨损试验仪分析涂层的干摩擦、电化学腐蚀及在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的腐蚀磨损行为。制备的涂层组织均匀、致密，无裂纹、气孔等缺陷，主要由碳化物、马氏体和残余奥氏体组成，显微组织主要为柱状晶和胞状晶。涂层的平均硬度约为 780 HV_0.1，约是基材硬度的 6.5 倍，自腐蚀电位为?0.386 V，自腐蚀电流密度为 3.45×10^?6 A / cm² ，具有优异的耐蚀性。在 3.5 wt.% NaCl 溶液中，随摩擦载荷的增大，涂层的开路电位下降，摩擦因数下降，腐蚀电流密度增大，摩擦对腐蚀有明显促进作用。随外加电位增加，涂层腐蚀电流密度增大，摩擦因数降低。热丝激光熔覆技术制备的 Cr-W-Mo-V 钢涂层结构致密、组织均匀，具有优异的腐蚀磨损性能，可用于海洋油气钻采装备在腐蚀磨损苛刻环境下零部件的表面改性。

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激光熔覆Fe/Ti₃SiC₂复合涂层工艺优化及其组织结构与性能

江平, 朱协彬, 张伟, 刘宏伟, 张仲, 张昭

中国表面工程. 2024, 37(3): 37-45.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231009004

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通常在曲轴与轴瓦等摩擦副表面制备传统硬质涂层提高其耐磨性，但这对对偶件没有减磨效果，整体减磨效果不佳。为了提高摩擦副的使用寿命，采用高速激光熔覆技术在 45 钢表面制备 Fe / Ti₃SiC₂耐磨减摩复合涂层，优化激光熔覆工艺参数，并研究工艺参数对涂层组织结构与性能的影响。研究表明，涂层工艺参数对涂层的摩擦性能影响程度大小依次是：激光功率、送粉量、扫描速率，最佳工艺参数为激光功率 2.5 kW、送粉量为 15 g / min、扫描速率为 14 mm / s。涂层显微硬度达到 591.7 HV_0.2，涂层与基体结合处主要由柱状晶、树枝晶和平面晶组成，激光功率增加导致晶粒粗化，适当增大扫描速率和送粉量可使晶粒得到细化。摩擦磨损结果显示，在室温、载荷 30 N 和时间 30 min 的摩擦磨损试验中，该复合涂层表现出最佳摩擦性能，涂层磨损量 0.4 mg，对偶件的磨损量 0.7 mg。与未熔覆复合涂层的基体相比，复合涂层的磨损量降低了 94%，同时其对偶件的磨损量降低了 65%，表明 Fe / Ti₃SiC₂ 复合涂层在大幅提升工件表面耐磨性能的同时，还能减少其对偶部件的磨损，使整个摩擦系统性能得到系统提升，是一种高性能的耐磨减摩复合涂层。该研究解决了传统硬质涂层提升工件自身耐磨性能，但会增加其对偶部件磨损的技术难题。

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超高速激光熔覆Ni-cBN/(NiCoCr)₉₄Al₃Ti₃涂层的组织及性能

王新生, 骆纪锋, 李洋, 牟泓霖, 仝永刚, 邢志国, 蔡志海, 魏世忠, 于月洋

中国表面工程. 2024, 37(3): 46-56.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230712001

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钛合金性能优越，但表面耐磨性差制约了其应用和发展。为了克服钛合金耐磨性差的缺点，采用超高速激光熔覆技术在 TC11 基体上制备(NiCoCr)₉₄Al₃Ti₃涂层并加入 Ni 包覆 cBN 颗粒，借助 cBN 颗粒的高硬度特性制备耐磨涂层。采用 X 射线衍射仪分析涂层物相，采用扫描电子显微镜（SEM）与能量分散谱仪（EDS）分析涂层组织，借助维式显微硬度计研究涂层截面硬度分布规律，利用摩擦磨损试验机测试涂层的耐磨性能。研究结果表明，Ni 包覆 cBN 颗粒的加入会促进(NiCoCr)₉₄Al₃Ti₃ 涂层中 Cr 元素的偏聚，使富 Cr 相组织长大。当 Ni 包覆 cBN 颗粒的含量在 5~15 wt.%时，涂层组织逐渐致密，涂层的硬度随 Ni 包覆 cBN 含量的增多而升高，但 Ni 包覆 cBN 颗粒含量到达 20 wt.%时，涂层致密性降低，涂层的硬度也随之降低。涂层的摩擦因数随 Ni 包覆 cBN 含量的增加而升高，耐磨性也随含量的增多而增强。15 wt.%Ni 包覆 cBN 涂层的综合性能最佳，硬度达到 1 024 HV_0.5，摩擦因数为 0.534，磨损体积 0.017 mm³ ，涂层耐磨性是未添加 Ni 包覆 cBN 颗粒涂层的 2.8 倍。Ni 包覆 cBN 颗粒的加入可以提升涂层的耐磨性，为 cBN 在耐磨涂层的研究及应用提供参考和借鉴。

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皮秒/纳秒脉冲激光抛光对激光选区熔化TC4表面完整性影响

李亮亮, 牟建伟, 刘艳梅, 徐继文, 李金龙, 李鹏飞, 黄舒

中国表面工程. 2024, 37(3): 57-66.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231212001

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以激光选区熔化 TC4 钛合金薄壁结构件为研究对象，采用皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光进行激光抛光，旨在探究不同激光抛光方式对增材制造的钛合金表面性能的影响。两种激光加工参数均为优化后的工艺参数，且均为高斯光源。对抛光后的表面形貌、表面粗糙度、热影响层深度、元素分布、氧化程度和试样的拉伸性能进行对比分析。结果表明皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光均可以显著改善增材制造 TC4 钛合金的表面质量，降低表面粗糙度，从原始的 3.52 μm 下降至皮秒抛光的 0.71 μm 或纳秒激光的 0.66 μm。纳秒脉冲激光具有更高的热积累，表面氧化程度高，热影响层深，约为 34.20 μm，比皮秒脉冲激光热影响层深度增大约 40.9%。拉伸试验结果表明，虽然激光抛光略微降低了激光选区熔化增材制造钛合金的拉伸性能，但是纳秒脉冲激光抛光后试样的拉伸强度和拉伸应变下降更显著。本研究为激光抛光在增材制造中的应用提供了深入的试验分析和理论探讨，为进一步扩展皮秒脉冲激光在高性能金属零件的制备提供了新思路和方法。

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航天铝合金表面脉冲激光毛化工艺及其胶接性能

冯杰才, 李诚, 王星, 姜梦, 杜长林, 徐聪聪, 章易镰, 田应仲

中国表面工程. 2024, 37(3): 67-77.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230925002

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传统的铝合金表面处理技术存在污染环境、损伤铝合金基体和加工质量不一致等问题。激光束能量精确可控，可在保证满足工业生产要求的前提下减少对环境的污染，且易于实现自动化。航空发动机制造过程中需要采用金属-粘接剂-金属连接，为提高其胶接强度需要对金属进行表面毛化处理。通过在 LY12CZ 铝合金表面进行纳秒激光毛化，探讨纳秒激光脉冲能量、脉冲频率、脉冲宽度等工艺参数对微孔直径、深度、分布形式等形貌的影响规律，并分析铝合金表面激光烧蚀微孔成形机理及其胶接性能的强化机制。研究表明，当脉冲能量增大时，微坑深度和孔径逐渐增加。当脉冲宽度在 20~120 ns 时增大或脉冲频率在 10~90 kHz 时增大，会导致孔径和孔深增大。当脉冲宽度大于 120 ns 时增大，孔深会减少，孔径会缓慢上升后缓慢减小。当脉冲频率大于 70 kHz 时增大，孔深和孔径会增大。熔融物在 Marangoni 对流作用下形成火山口状表面微结构。微孔直径较大、深度较深，微孔间距较密集且微孔外部形状呈现火山状的微结构利于胶接剂的渗入，形成“钉扎”作用，可提高铝合金胶接剪切强度至 16.77 MPa，满足工业生产要求的 10 MPa，推荐的工艺参数是激光脉冲能量为 1.8 mJ、脉冲频率为 70 kHz、脉宽为 240 ns、烧蚀次数为 5 次、微孔间距为 100 μm。研究结果可为 LY12CZ 铝合金表面高质量的纳秒激光毛化提供参考。

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微细波纹板激光热应力成形边界效应的抑制方法

姚喆赫, 范伟鑫, 陈志敏, 张群莉, 姚建华

中国表面工程. 2024, 37(3): 78-88.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230731001

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激光热应力成形为微细薄板结构的无模制造提供了解决方案，然而其边界效应严重影响成形精度。针对金属薄板激光热应力成形过程中的边界效应，采用振镜式激光，结合有限元模拟和成形试验分析激光工艺参数对边界效应的影响规律。研究了变速度、变方向以及两者耦合的边界效应抑制策略，进而用于微细波纹板成形过程。结果表明，扫描路径上的温度与应力分布不均是造成边界效应的主要原因，薄板成形过程中的热累积主要存在于扫描结束端，激光工艺参数是影响弯曲成形件变形的重要因素；采用变向-变速耦合策略比单方向扫描的相对角度变化减小 77.8%，实现了深宽比大于 0.75 的微细波纹板精密成形。变向-变速耦合策略能够有效抑制微细波纹板激光热应力成形中的边界效应，为高质量微细薄板成形提供参考。

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钛酸铋钠基无铅压电陶瓷掺杂改性研究现状

朱合法, 邢志国, 郭伟玲, 董丽虹, 王海斗, 董瀚, 黄艳斐

中国表面工程. 2024, 37(3): 89-102.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230518003

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钛酸铋钠（Bi_0.5Na_0.5TiO₃，简称 BNT）基无铅压电陶瓷因其环境友好型、良好的铁电压电性能等特点在航空航天、舰艇声纳、高速列车及电子产品等领域得到广泛应用。为了克服钛酸铋钠基无铅压电陶瓷高矫顽场并进一步提升其电学性能，通过对 BNT 基无铅压电陶瓷进行掺杂改性构建三方相–四方相共存的准同型相界（MPB）。掺杂改性是改善 BNT 基无铅压电陶瓷性能的一种重要方法，针对 BNT 基无铅压电陶瓷掺杂改性进行系统总结十分必要。主要从 BNT 基无铅压电陶瓷多组元改性、A / B 位离子掺杂和稀土离子掺杂改性等三方面综合论述近年来 BNT 基压电陶瓷研究进展。结果表明，引入合适的组元有利于 BNT 基无铅压电陶瓷构建三方相–四方相共存的准同型相界；A / B 离子掺杂是根据离子半径和电价大小的一致性对 BNT 陶瓷中对应位置的离子进行取代；稀土离子掺杂主要对该陶瓷的光电特性有显著影响。上述三方面从不同角度改善了 BNT 基无铅压电陶瓷的性能，以期为研究性能更好的 BNT 基无铅压电陶瓷的科研和技术人员提供参考，并为 BNT 基无铅压电陶瓷的实际应用奠定基础。

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碳化硼陶瓷自润滑研究现状

张巍, 张杰

中国表面工程. 2024, 37(3): 103-114.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230922001

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碳化硼（B₄C）陶瓷的自润滑对其摩擦学性能具有重要影响，但缺乏这方面的系统性综述介绍。碳化硼具有高的硬度（维氏硬度为 36 GPa），因此碳化硼陶瓷是一种应用于耐磨元件的潜在候选材料。然而，碳化硼陶瓷的摩擦因数较高，增加了摩擦系统的能耗，限制了其广泛应用。自润滑是一种可避免外部润滑剂造成污染的方法，揭示碳化硼陶瓷自润滑的机理可为解决碳化硼陶瓷摩擦因数高的问题提供可行参考方案。目前碳化硼陶瓷自润滑的方式主要有预氧化、添加固体润滑剂、构建表面浮雕结构三种。预氧化是将碳化硼陶瓷预先在空气环境中进行高温下氧化处理，使其表面生成氧化层；添加固体润滑剂是将具有层状晶体结构的材料添加到碳化硼陶瓷基体中，在滑动过程中固体润滑剂从碳化硼陶瓷基体中脱落，从而在碳化硼陶瓷的磨损面上形成一层外部润滑层；构建表面浮雕结构是在碳化硼陶瓷基体中引入硬度相对较低的第二相，利用两相晶粒的硬度差，在滑动过程中原位生成凹凸的表面形貌。这些自润滑方法虽然存在技术上的局限，但仍可在一定工况下实现碳化硼陶瓷的自润滑，减小摩擦副的摩擦因数，降低摩擦系统的能耗。总结近年来碳化硼陶瓷自润滑的相关研究进展，并对碳化硼陶瓷自润滑未来的研究方向进行展望，研究结果填补了碳化硼陶瓷自润滑领域目前缺少综述文章来引领的空白，可为碳化硼陶瓷自润滑的设计、研究及应用提供有益的指导。

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光热响应型MXene基聚氨酯涂层的制备及其自修复防腐性能

王波, 吴连锋, 冯荟蒙, 赵志鹏, 李文, 陈守刚

中国表面工程. 2024, 37(3): 115-124.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230629001

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涂层服役过程容易划伤产生裂纹缺陷造成被动失效，降低防护性能，研发具有自修复性能的防腐涂层对海洋工程材料的腐蚀防护具有重要意义。采用刻蚀剥离法成功合成 MXene 二维纳米材料，再通过一锅法合成具有丰富氢键的 MXene 聚氨酯本征自修复涂层。MXene 优异的光热转换性促进了涂层链段的运动和氢键重组过程，进而提升了自修复性能。对 MXene 涂层进行 5 次划伤-光热自修复循环测试，低频阻抗模值均能恢复到 10⁸ ?·cm²左右，具有优异的多循环自修复性能。通过电化学阻抗测试，MXene 涂层具有较好的长效防腐性能，在浸泡的 30 d 期内，涂层的低频阻抗模值能一直保持在 10⁸ ?·cm² 以上，一方面归因于二维材料优异的阻隔性能，另一方面涂层的自修复性不断修补微裂纹，减缓了腐蚀介质的渗入。试验结果表明，将 MXene 材料作为光热转换剂制备得到具有良好光热响应性和长效防腐性的聚氨酯自修复涂层。光热响应型 MXene 自修复涂层具备长效防护性能，能够应用于海洋工程装备提升服役寿命。

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激光重熔对等离子喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层组织和耐腐蚀性能的影响

董天顺, 刘建辉, 马庆亮, 刘琦, 付彬国, 李国禄, 陆鹏炜

中国表面工程. 2024, 37(3): 125-133.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230725001

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现有关于高熵合金涂层重熔处理的研究大多集中在涂层的组织结构、力学性能和耐磨损性能等方面，对其耐腐蚀性能的研究较少。为了揭示激光重熔对高熵合金涂层耐腐蚀性能的影响，采用等离子喷涂技术在 AISI 1045 钢表面制备 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层，并采用激光重熔工艺对其进行重熔处理，对重熔前后涂层的组织结构和耐腐蚀性能进行对比研究。结果表明：激光重熔基本消除了喷涂层中的孔隙和裂纹等缺陷，涂层与基体之间由机械结合转变为冶金结合；重熔层由 BCC 固溶体相和少量 FCC 析出相组成，组织形态呈树枝晶状。极化曲线和电化学阻抗谱分析表明，激光重熔可以改善 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层在 3.5% NaCl 溶液中的耐腐蚀性能。激光重熔后，涂层的自腐蚀电位从?0.421 6 V 增加到?0.282 1 V，腐蚀电流密度从 4.809×10^?7 A / cm² 降低到 1.475×10^?7 A / cm² 。长期浸泡腐蚀试验也表明重熔层的耐腐蚀性能要显著优于喷涂层。通过等离子喷涂结合激光重熔技术得到缺陷较少、耐腐蚀性较好的高熵合金涂层，对于高熵合金的广泛应用具有重要的参考价值。

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紫外辐照对自润滑关节轴承衬垫磨损性能的影响

叶强, 谭德强, 宗法涛, 胡月, 贺强, 杨文锋, 周长春

中国表面工程. 2024, 37(3): 134-144.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230513001

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PTFE / Kevlar 织物材料具有优异自润滑性能，在航空关键部件中广泛应用，但紫外辐照对其影响规律尚不清晰。针对航空器飞行强紫外线暴露的特点，聚焦紫外辐照对航空常用 PTFE / Kevlar 编织关节轴承衬垫自润滑材料摩擦学性能的影响规律研究。对不同紫外辐照时长的 PTFE / Kevlar 织物衬垫材料进行往复摩擦试验，并采用多种表征手段对其宏观、微观损伤形貌以及化学状态进行分析。结果表明：PTFE / Kevlar 织物衬垫材料的磨损程度随着紫外辐照时间的增加呈现出先降低后升高的趋势，短时辐照（T=100 h 和 200 h）的磨损最轻微，摩擦损失体积和磨痕最大深度仅为未辐照和长时辐照（T=300 h 和 500 h）的 2 / 3；紫外辐照后，衬垫材料与 GCr15 轴承钢球之间的磨损行为变化表现为 PTFE 纤维塑性变形和转移膜形成能力的下降，其主要原因是 PTFE 纤维结晶度的降低；衬垫材料的磨损机理随辐照时间的延长由疲劳磨损和粘着磨损向磨粒磨损为主转变。研究成果可为 PTFE / Kevlar 织物衬垫型自润滑材料在紫外辐照后的磨损性能跟踪和研制优化提供参考。

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基于棕榈酸改性纳米TiO₂超疏水涂层的制备

李志永, 盛伟, 郑海坤, 郝晓茹, 周佳辉

中国表面工程. 2024, 37(3): 145-156.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230524001

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目前超疏水表面制备方法众多，但其改性机理及疏水机理研究仍不够完善。通过棕榈酸改性纳米 TiO₂制备一种高效超疏水表面并分析其改性和疏水的机理。试验上按不同改性配比制得悬浮液，通过两步喷涂法将悬浮液喷涂到铝基表面制备得到超疏水表面，并采用傅里叶红外光谱仪和扫描电子显微镜进行表征与分析。研究中采用分子动力学模拟方法构建棕榈酸改性纳米 TiO₂模型和润湿模型，使用 COMPASS Ⅱ 力场进行分子动力学模拟，通过体系构型以及均方根位移和径向分布函数的计算结果对改性机理、不同改性配比效果及微观润湿行为进行分析研究。经试验与模拟的验证，不同的改性配比形成不同的微纳结构对表面润湿性有着极大的影响，通过表征测试筛选得到最佳改性配比，成功改性制备得到接触角为 164.4°的超疏水表面。经分析可知，棕榈酸与纳米 TiO₂ 通过氢键吸附发生脱水缩合反应产生酯键，成功将亲水性的纳米 TiO₂ 改性为超疏水性，改性配比制备的表面不仅表面能低，而且形成层次分明的微纳结构使得表面超疏水性能更佳。通过宏观试验与微观分子动力学模拟相结合的方法研究分析得到 PA 改性纳米 TiO₂ 机理、不同改性配比对表面润湿性影响和疏水机理，进一步完善制备超疏水表面的相关机理研究，在超疏水表面制备及研究方面具有参考意义。

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真空电弧熔炼FeCoNiCrMnAl_0.5(Si_0.5)高熵合金的摩擦学性能

柳建, 彭振, 王海斗, 李静, 仝永刚, 肖翊

中国表面工程. 2024, 37(3): 157-164.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230530004

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高熵合金相较于传统合金可以同时具备高强度、高硬度以及出色的耐腐蚀性和耐高温性能，具有广阔的工业应用前景。元素及其含量是高熵合金组织性能的最直接影响因素，为探究非金属元素对 FeCoNiCrMnAl_0.5 高熵合金耐磨性的影响，采用真空电弧熔炼技术制备 FeCoNiCrMnAl_0.5(Si_0.5)高熵合金铸锭，研究 Si 元素对高熵合金微观组织结构、硬度及干摩擦学性能的影响。试验发现，FeCoNiCrMnAl_0.5合金铸锭物相为单一 FCC 相结构，组织呈现等轴树枝晶特点，晶粒大小为 20~30 μm； FeCoNiCrMnAl_0.5Si_0.5铸锭物相由 FCC+BCC 相组成，晶粒尺寸为 10~20 μm；FeCoNiCrMnAl_0.5铸锭硬度较低仅为 185.8 HV_0.1， FeCoNiCrMnAl_0.5Si_0.5铸锭硬度可达到 750.7 HV_0.1，其抗磨损性能相比 FeCoNiCrMnAl_0.5也提升超过 10 倍。这表明 Si 元素能促使高熵合金物相结构由 FCC 向 BCC 转变，同时具有细化晶粒，大幅提升高熵合金的硬度与抗磨损性能作用。Si 元素的作用对高熵合金具有普遍的适用性，可为高熵合金涂层耐磨性的强化提供参考。

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表面改性WC颗粒增强铜基复合材料的微观结构与摩擦学特性

徐宇轩, 王兴, 郭跃芬, 周海滨, 周佩禹, 康丽, 邓敏文, 姚萍屏

中国表面工程. 2024, 37(3): 165-174.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230508001

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WC 与 Cu 界面结合强度不足严重影响铜基复合材料的摩擦磨损性能，但业内尚未有良好的界面调控措施以优化性能。采用铜表面改性 WC 颗粒改善 WC 与 Cu 基体界面，经粉末冶金工艺制备 Cu 改性 WC 颗粒增强铜基复合材料，开展复合材料的微结构表征与摩擦学性能研究。研究表明，Cu 改性 WC 颗粒可良好地嵌入铜基体，颗粒与 Cu 基体界面较基体弹性恢复能力提升 33%，硬度提升 20%。15 wt.% Cu 改性 WC 增强铜基复合材料具有最佳的物理性能与摩擦学特性，较纯铜粉末冶金材料体积密度提升 8%，布氏硬度提升 15%，摩擦因数波动幅度最小并稳定在 0.75，磨损量最小为 0.075 mm³ ，磨痕轮廓圆滑，磨损面最完整且大面积成膜。随 Cu 改性 WC 含量增大，主要磨损机制由黏着磨损转变为剥离磨损，Cu 改性 WC 颗粒促进摩擦转移层的形成，抑制磨损面裂纹的横向扩展。Cu 改性 WC 颗粒与铜基体界面结合强度显著提升，15 wt.% 复合材料抑制黏着磨损与疲劳磨损，摩擦学性能优异。采用 Cu 改性 WC 颗粒增强铜基摩擦材料有望成为优化 WC 与 Cu 基体界面提升铜基复合材料摩擦学性能的重要备选途径。

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真空宽载下二硫化钼/碳复合薄膜的超低磨损机制

程志强, 李春燕, 高凯雄

中国表面工程. 2024, 37(3): 175-184.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230328001

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空间装备正朝着重载、长时间运行的方向发展，对润滑材料的性能要求日益提高。当前二硫化钼（MoS₂）薄膜主要在真空低载下（＜0.5 GPa）服役，因此须发展针对真空宽载（中高载）下服役的二硫化钼复合薄膜。通过非平衡磁控溅射技术制备 MoS₂ / DLC 复合薄膜，利用 SEM、AFM、XRD、XPS、Raman、TEM、真空摩擦试验机等分析薄膜结构、形貌、摩擦学性能及磨损机制。结果显示：DLC 的加入能够改善 MoS₂ 柱状结构，使复合薄膜更加致密，并且能够促进薄膜以（002）晶面择优取向生长。复合薄膜在真空宽载（0.73~1.27 GPa）下均能保持稳定的低摩擦因数（0.02~0.06）和低磨损率（10^?10 mm³ ·N^?1 ·m^?1 ），与 MoS₂相比降低了三个数量级。通过对磨屑进行分析，发现复合薄膜在摩擦过程能发生石墨化转变，形成有序的石墨结构以及润滑性能优良的（002）取向的 MoS₂，同时在 MoS₂ 催化作用及接触应力诱导下，形成的层间低剪切力的石墨结构及层状的 MoS₂ 有利于实现低摩擦因数和低磨损率。非晶碳的加入使得复合薄膜在真空环境下能够保持低摩擦因数和超低磨损率。通过复合结构设计实现了二硫化钼 / 碳复合薄膜在真空宽载条件下的超低磨损，可为空间超低磨损薄膜的设计、开发和应用提供一定的实验基础和理论指导。

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硅钢表面诱导共沉积钴铁软磁合金

邢洪旋, 胡宪伟, 李继东, 王耀武, 赵辰旭

中国表面工程. 2024, 37(3): 185-194.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230611001

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针对硅钢的耐蚀性和软磁性能的问题，提出在硅钢表面诱导共沉积制备 Co-Fe 软磁合金镀层的工艺。采用 SEM、XRD 与 VSM 分析镀层微观形貌、相结构及软磁性能，并研究硫酸钴浓度、沉积电流密度、pH 以及酒石酸钠浓度等工艺参数对镀层微观结构以及镀层元素含量的影响。结果表明：硫酸钴浓度 20 g·L^?1 ，酒石酸钠浓度 45 g·L^?1 ，pH=8，电流密度 0.3 A·cm^?2 为最优工艺参数，且镀层形貌致密，晶粒分布均匀；各个不同工艺参数下得到镀层的相结构均为 Co7Fe3，且择优取向无显著差别；当钴含量达到 65.11%时，饱和磁化强度达到 209 emu·g?1 ((A·m² ) / kg)，矫顽力低于 4 Oe(1 Oe =79.6 A / m)，镀层具有最优的软磁性能。在 pH=5 的酸性溶液中，钴铁合金镀层的腐蚀电位正移了 0.012 V，自腐蚀电流密度降低为 2.86 μA·cm^?2 ，具有更好的耐蚀性能。通过对硅钢表面诱导共沉积 Co-Fe 软磁合金进行研究，为今后的硅钢资源防护利用提供了新思路。

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滚压量对300M钢螺栓退刀槽表面完整性的影响

岳美茹, 郭晓光, 康仁科, 朱祥龙, 刘宏伟, 王梓悦

中国表面工程. 2024, 37(3): 195-203.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230531001

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滚压加工是螺栓表面强化的主要方法，但关于滚压参数对高强度钢螺栓表面质量的影响规律研究鲜有报道。为了研究滚压量对 300M 钢螺栓退刀槽表面完整性的影响，使用 zygo 表面粗糙度轮廓仪、超景深显微镜、显微硬度计、X 射线应力衍射仪、扫描电镜等设备，对滚压后螺栓退刀槽表面粗糙度、表面形貌、显微硬度、残余应力、表层显微组织等进行检测。结果表明：随着滚压量的增大，表面粗糙度先减小后增大，当滚压量为 0.08 mm 时，表面粗糙度 Sa 达到最小值 0.058 μm，相比滚压前减小 75%；螺栓退刀槽表层晶粒明显细化，并形成高密度位错，滚压量为 0.11 mm 时塑性变形层深最大达 166 μm；塑性变形使螺栓表层显微硬度显著增加，最大值为 660 HV，相比基体硬度提高 16%，形成 280~400 μm 的硬化层；滚压加工给螺栓表面引入较大的残余压应力，且随滚压量增加逐渐增大，残余压应力最大达 848.4 MPa。研究结果补充了 300M 高强钢螺栓退刀槽滚压表面完整性数据，可应用于工艺人员对民机、军机等螺栓断裂原因分析、疲劳寿命预测及螺栓滚压加工参数优选。

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基于光斑重叠的激光表面标刻等效脉冲传热模型与工艺分析

邓凯, 蔡颂, 陶能如, 熊显文, 陈达, 徐闻声, 余凡

中国表面工程. 2024, 37(3): 204-219.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230528001

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目前激光表面标刻技术应用较为广泛，但标刻过程中涉及的能量耦合复杂。为满足激光标刻技术的发展需求，结合理论模型和试验分析对其能量耦合的原理进行探究。研究结果如下：重叠率在 91%~99%时，激光扫描速率 v 或激光脉冲频率 f 影响下的材料烧蚀深度会随重叠率的增加而增加，重叠率为 99%时，材料去除率达最大；在光斑直径 D 影响下的烧蚀深度随重叠率的增加而减少，重叠率为 91%时去除率最大。三种参数影响下，等效激光功率密度 I₁=3.88 W / μm²时，将产生较大的反冲压力促进材料的去除，使激光标刻的能量利用率最大。面标刻中，线间距大于线段凹槽宽度时，导致线段叠加不能完全填充目标区域；线间距小于线段凹槽宽度时，会导致块体膨胀变形，表面质量被破坏；线间距与线段凹槽宽度接近时，目标区域可以被完全填充且表面质量不被破坏，标刻效果较好。通过分析空间上光斑重叠区域的能量耦合与时间上相邻脉冲的能量累积，整理得到等效脉冲传热数值模型，可对激光标刻的烧蚀深度进行更加简单有效的计算。

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TiB₂/WS₂复合薄膜退火处理下的结构演变与磨损失效分析

刘进龙, 李红轩, 吉利, 刘晓红, 张定军

中国表面工程. 2024, 37(3): 220-231.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230302003

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在严苛的航空航天工况环境下，WS₂基复合薄膜在减摩耐磨方面的结构演变和失效规律仍须进一步探索。为扩展其在温域上的应用范围，采用磁控溅射技术在硅片和 718 高温合金块上沉积 TiB₂ / WS₂复合薄膜，分别在 200、450 和 600 ℃大气环境下对复合薄膜进行退火处理。利用扫描电子显微镜、透射电镜、X 射线衍射仪、拉曼光谱仪、纳米压痕仪和球盘高温摩擦试验机等分析技术对退火处理前后薄膜的组分、结构、力学性能和摩擦磨损性能进行研究。结果表明：随着退火温度的升高，复合薄膜中硫元素的分解率增大，S / W 比降低，薄膜氧化程度增加。未退火处理薄膜在摩擦过程中由于形成易于剪切滑移的 WS₂（002）晶体取向结构保持了低且稳定的摩擦因数。200 ℃退火处理后薄膜的致密性增加，硬度得到明显的提升，显示良好的减摩耐磨性能[摩擦因数＜0.075，磨损率为 9.21×10^?6 mm³ / (m·N)量级]。450 ℃退火处理后薄膜中生成的氧化相 WO₃、TiO₂导致摩擦因数波动上升，磨损率增加。600 ℃退火处理后薄膜瞬时失效，主要是由于薄膜中硫元素的大量分解流失难以形成润滑相和薄膜表面形成松散堆积结构所造成的。通过观察退火处理前后复合薄膜微观结构的变化明确了其在不同温度下的磨损失效演化规律。

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CrN/TiAlN多层涂层的微观结构和摩擦磨损性能

田峰, 段海涛, 潘邻, 许鑫宇, 秦江林, 魏琴琴, 罗国强

中国表面工程. 2024, 37(3): 232-241.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230919003

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特种装备车辆往往在高速、高冲击等复杂环境下运行，底盘选装密封件表面容易被磨损造成密封失效，在密封工作面制备硬质涂层是提高服役寿命、延长维修周期的重要方法。采用物理气相沉积法在 45#钢表面制备单层 CrN 涂层和不同过渡层厚度的多层 CrN / TiAlN 涂层，用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、表面轮廓仪、纳米压痕仪和往复式摩擦磨损试验机，研究涂层的微观结构、机械性能和摩擦磨损性能。结果表明单层 CrN 涂层厚度为 0.87 μm, 其硬度和模量最小为 19.49 GPa 和 160.53 GPa。CrN / TiAlN 多层涂层的硬度和模量明显提高，且随过渡层厚度增加而增大，4CrN / TiAlN 涂层的硬度和模量可达到 39.86 GPa 和 386.72 GPa。在空气环境下的摩擦磨损试验中，单层 CrN 涂层被快速破坏；CrN / TiAlN 多层涂层的平均摩擦因数随着过渡层厚度的增加先增大后减小，最大磨损深度和磨痕截面积不断下降。4CrN / TiAlN 涂层具有最优摩擦磨损性能，其平均摩擦因数为 0.792 5，磨痕截面积为 315.09 μm² ，磨损机理为磨粒磨损和少量粘着磨损。提高过渡层厚度能够降低基体的塑性变形，降低涂层与基体的物理性能差异，减少涂层开裂并提高涂层摩擦磨损性能。通过调控过渡层厚度获得性能优异的 CrN / TiAlN 多层涂层，研究成果可应用于车辆旋转密封件上，显著提高密封工作面耐磨损性能。

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