中国表面工程

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王浩宇, 任志英, 陈书赢, 郭伟玲, 马国政, 赵海朝

中国表面工程. 2024, 37(4): 1-17.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230726002

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月尘防护是未来月面探索中面临的重要难题之一，不同防护效果将对航天器性能产生重要影响，深入开展月尘颗粒在航天器表面的微观吸附行为及其防护技术的研究至关重要。主要从月尘颗粒吸附机理、吸附力测试技术及月尘防护的方法展开综述与展望。首先说明月尘颗粒的物理、化学性质及吸附机理，重点聚焦建立月尘颗粒与基体表面的吸附力解析模型，包括范德华力、静电力、毛细力；其次，利用原子力技术测量月尘颗粒吸附力参数。分析对比目前针对微纳米颗粒吸附问题的主动与被动防护技术。对月尘吸附力测试与月尘防护技术发展等问题的发展趋势进行展望。通过原子力技术开展月尘颗粒吸附力，解决现有其余测试技术产生的弊端，对推进月尘颗粒吸附机理及防护技术的研究具有重要意义。

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合金成分对高熵合金涂层耐磨性影响的研究进展

姜凤阳, 艾根根, 思芳, 刘江南, 卫娜, 王俊勃

中国表面工程. 2024, 37(4): 18-43.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230902001

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在材料表面制备高熵合金涂层，可显著提升其表面硬度、力学性能和摩擦磨损性能，延长服役寿命。高熵合金涂层在对基体材料抗磨性要求较为苛刻的领域表现出巨大的应用潜力，然而鲜有相关综述论文，有必要对目前关于高熵合金涂层耐磨性的研究成果进行评述。根据材料科学与工程四面体可得，合金成分是影响高熵合金涂层耐磨性的根本原因。对现有研究梳理，归纳总结 Al、Ti、Cu、Co、Nb、Mo、W 等金属系元素，Si、B、C、O 非金属系元素、元素的复合作用，以及 TiC 与 WC 等陶瓷颗粒对高熵合金涂层微观组织、硬度和耐磨性机理的影响。结果表明，通过微量或大量掺杂合金成分可以改变高熵合金涂层的组织结构及其强化机制，进而改善其耐磨性能。最后，指出目前研究工作中所面临的挑战，展望高熵合金涂层的应用前景和发展方向。系统地概括目前合金成分对高熵合金涂层耐磨性影响的相关研究，研究结果对于制定更科学合理的耐磨性设计方案、提高涂层的耐用性和实际应用效果有着积极的作用，对相关领域研究有着一定的参考价值。

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聚醚醚酮表面改性应用于口腔种植体的研究进展

陈美晴, 石瑛琦, 任美, 刘修玉, 魏洪涛

中国表面工程. 2024, 37(4): 44-60.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230925001

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聚醚醚酮（PEEK）是一种弹性模量接近颌骨的高性能热塑性聚合物，具有射线透过性、化学稳定性、与牙齿颜色相似性和低过敏率等优势，有成为一种特殊患者新型口腔种植体材料的潜能。然而，芳香主链和表面化学官能团以及电荷的缺乏使 PEEK 具有疏水性和生物惰性。为了推动 PEEK 在口腔种植体领域的应用与进展，有效改善其骨整合能力的不同改性方法亟待探索。首次针对 PEEK 作为口腔种植体材料的机械、物理、化学和生物等性能优势进行全面归纳和综述，为其成为种植体新材料提供理论支持。重点介绍增强 PEEK 成骨活性的表面改性方法的最新研究进展，从改性机制角度将表面改性分为物理和化学改性两大类，并选择目前该研究领域较为新颖和独特的改性手段进行介绍和优劣势总结，包括缓释载药涂层、逐层自组装技术、微波辅助涂层、脉冲直流磁控溅射、等离子体处理、紫外光诱导聚合、磺化、原子转移自由基聚合和湿化学法等。最后对各改性方法的发展趋势和面临的挑战进行简述。提出 PEEK 表面改性的研究趋势并为其未来发展提供借鉴，可填补 PEEK 口腔种植体相关研究和综述的空白，为促进 PEEK 口腔种植体临床转化提供发展方向。

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齿轮表面摩擦学设计与表面织构化研究进展

周镇宇, 陈东琦, 袁常生, 戴庆文, 黄巍, 王晓雷

中国表面工程. 2024, 37(4): 61-78.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230509003

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我国国防事业的飞速发展对航空高速齿轮提出了更高要求，而有关齿轮副表面摩擦学设计仍是薄弱环节。表面织构技术已成为摩擦学领域的研究热点，在减摩抗磨、减振、抗粘附和抗蠕爬等多个领域展示出良好的应用潜力。有关齿面织构化设计研究尚处于起步阶段，还远未能形成规范成熟的设计理念和方法。对当前在齿轮表面摩擦学设计及表面织构化方面的研究工作进行全面综述。首先从齿轮表面摩擦学设计基本要求展开介绍，指出表面粗糙度和表面纹理是齿轮副表面摩擦学设计的关键，而大量研究已经证实，不管是滚动还是滑动摩擦，并非表面越光滑摩擦学性能越优异，在齿轮副表面织构化设计方面的研究工作已经展开。随后对现有齿轮副表面织构化的研究工作进行梳理，总结齿面织构化处理后带来的性能增益，主要包括减摩抗磨效应、表面强化效应、减振和降温效应。接着，介绍齿轮弹流润滑数值计算方面的研究进展，总结在表面纹理、表面织构对齿轮副的弹流润滑特性影响机制方面的研究。随后，对齿轮副表面织构加工技术进行对比分析，主要包括织构激光刻蚀、织构掩膜电解和织构微磨料射流等特种加工技术的优劣。对现有研究不足和潜在研究方向进行展望，从织构设计和加工等方面对齿轮表面织构化设计提供指导，研究结果可为未来航空高速齿轮副表面织构化设计提供科学指导和数据支撑，填补该领域研究空白并扩大表面织构应用领域。

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改善载流摩擦副摩擦学特性的表面处理技术综述

赵新泽, 李晨诗, 吕亚茹, 李雪强, 肖水淋, 赵美云

中国表面工程. 2024, 37(4): 79-101.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231007001

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载流摩擦副在武器装备制造、电气化铁路和航空航天等多个领域得到广泛应用，随着技术和工业的进步，对于提高效率、降低能耗及延长设备寿命的需求变得日益紧迫，改善载流摩擦副的特性变得至关重要。现有研究通过表面涂层、纳米结构设计和材料改性等方法，优化了载流摩擦学特性，实现了减摩、耐磨、导电等目标，相关研究内容和方法也日益丰富和完善。但目前缺少这类综述论文，此类论文对于引领整个行业和领域的发展显得尤为重要。全面概述表面改性、表面涂层、润滑技术和复合技术在改善载流摩擦特性方面的应用与效果。探讨这些技术在提高载流摩擦性能、减少能量损失和延长材料使用寿命等方面的作用。通过对不同表面处理方法的比较和分析，揭示其在改善摩擦特性、降低摩擦因数和提高导电性等方面的显著效果。研究结果为解决载流摩擦中摩擦学性能与导电性之间的平衡提供了重要线索，对于工程实践应用具有指导意义，特别是复合技术等手段成为提高载流性能和应对严苛工作环境的必要举措，具有十分重要的应用价值，对推动载流摩擦领域的发展有重要意义。

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表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展

王志文, 刘秀波, 周安, 张飞志, 张世宏

中国表面工程. 2024, 37(4): 102-116.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230709001

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农林机械如割草机刀片、深松铲犁铧铲尖和旋耕机松土刀片等关键运动部件在使用中，受到长期严重的磨损、腐蚀和冲击等而导致失效，阻碍其进一步发展。表面改性技术应用潜力巨大，但针对农林机械的研究进展尚缺乏系统综述。阐述农林机械使用工况及其关键运动部件在服役过程中的失效原因，重点概述四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用示例，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。通过对四种表面技术的特点和适用场合的归纳总结，激光熔覆作为一种新型的金属表面功能涂层制造技术，具有较高效率、高强度冶金结合和较高性价比，在提高农林机械关键运动部件耐磨性能上的应用具有较大前景。综述相关研究现状指出现有研究的不足及未来研究的展开方向，可为表面技术提高农林机械关键运动部件耐磨性提供全面理论依据。

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夹层式WO₃-NiO电致变色玻璃:从材料到器件的体系化研究

杨晔, 谢紫凌, 程奕, 户其钊, 金琼雅, 袁晨

中国表面工程. 2024, 37(4): 117-133.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231228005

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基于 WO₃-NiO 体系的电致变色（EC）玻璃具有优异的可见与红外的主动调控特性和节能效果，在建筑、新能源汽车等产业的应用得到越来越多的关注。生产效率与制造成本等因素的限制，使得大面积 WO₃-NiO 电致变色玻璃未规模化地投入市场。相比于在单一玻璃表面采用膜层堆栈方式制备多层膜结构的电致变色器件，以高性能锂离子胶膜为中间层，将磁控溅射沉积的 Glass / TCO / WO₃以及 Glass / TCO / NiO 通过层压的方式组装成夹层式器件是一种可行地实现电致变色玻璃大面积、低成本规模化生产的技术手段，正逐渐成为器件制备技术的主流。然而，面向于大面积夹层式 WO₃-NiO 电致变色玻璃的低成本制造和新的应用需求，仍有必要开展从材料到器件的体系化研究。在材料端，开发兼容现有镀膜产线的高质量 EC 氧化物陶瓷靶材制备技术，高性能 WO、NiO 薄膜成分、结构、性能与色彩的调控技术，具备高离子电导率、高粘结强度、高热稳定、高透明且易于实现大面积规模化生产的锂离子胶膜材料及其制备技术等。在器件端，开发与现有玻璃产业兼容的大尺寸器件的层压工艺，弧型器件的制备技术，具备更高效节能且能呈现中性着褪色的器件技术等。针对上述挑战，综述了国内外相关研究团队在上述领域的研究进展，结果表明，可以制备出满足高性能电致变色薄膜沉积的 EC 氧化物陶瓷靶材，通过调节磁控溅射工艺参数可以有效实现对薄膜成份、结构以及性能调控，开发出满足层压工艺的、具有高离子电导率（1.51×10^-4 S·cm^-1 ）的固态聚合物电解质，最终利用商用高压釜实现 30 cm×30 cm WO₃-NiO 电致变色器件高质量制备。

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放电等离子烧结Y掺杂Mo-Si-B涂层的高温抗氧化性能

靳鸣, 邵蔚, 贺定勇, 陈广辉, 谈震, 郭星晔, 周正

中国表面工程. 2024, 37(4): 134-141.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230427001

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稀土元素的掺杂可提升 MoSi₂体系涂层的高温抗氧化性能，但稀土元素 Y 对于 MoSi₂涂层抗氧化性能的影响机理还尚未明确。以 Nb-Si 基合金为基体，采用放电等离子烧结技术（SPS）在其表面制备 Y 掺杂（1 wt.%）的 33Mo-62Si-5B（at.%）涂层。通过 1 250 ℃高温氧化试验，研究涂层的高温氧化行为以及 Y 对涂层高温抗氧化性能的影响。结果表明：涂层主要由 MoSi₂、MoB、Mo₅Si₃和 SiO₂ 相构成，Y 在涂层中以 Y₂Si₂O₇颗粒的形式弥散分布于 SiO₂相内部。包覆 Mo-Si-B 涂层的合金样品在氧化试验初期出现质量损失，其 100 h 后的氧化增重高于包覆 Y 掺杂 Mo-Si-B 涂层的合金样品，表明 Y 掺杂涂层具有更好的高温抗氧化性能。氧化后涂层表面形成由晶态 SiO₂、硅硼玻璃相(SiO₂-B₂O₃)和 Y₂Si₂O₇颗粒构成的氧化膜。阐明 Y 提升 Mo-Si-B 涂层抗氧化性能的作用机理：在涂层表面优先形成的 Y₂O₃ 加速了晶态 SiO₂ 和硼硅氧化膜的形成，随后形成的 Y₂Si₂O₇阻碍了 O 的内扩散，使 Y 掺杂 Mo-Si-B 涂层抗氧化性能得到提高。

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TiC对亚共晶高铬铸铁堆焊合金组织及磨损性能的影响

马笑晗, 贺定勇, 秦志恒, 王国红, 许一, 于金满

中国表面工程. 2024, 37(4): 142-150.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230906001

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农机触土部件在作业过程中会受到土壤中沙石、杂草、植物的秸秆、根茬及其他有机质物体的磨损和冲击，极易发生失效报废。为解决农机触土部件耐磨性差、使用寿命短等问题，采用药芯焊丝电弧焊的方法在 Q235 钢基体上进行堆焊，制备含 TiC 的亚共晶高铬铸铁堆焊耐磨层。通过金相显微镜、洛氏硬度计、X 射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、MLS-225 型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机和自制叶轮-滚筒冲击磨损试验装置，分析原位合成 TiC 和粉芯中直接添加 TiC 两种方法对亚共晶高铬铸铁堆焊合金微观组织、硬度、抗磨粒磨损性能及抗冲击磨损性能的影响。结果表明：耐磨堆焊合金主要由 γ-Fe、α-Fe、M₇C₃和 TiC 组成，TiC 的加入细化了组织中的先析出奥氏体，使得堆焊层宏观硬度增加，磨粒磨损后共晶碳化物的开裂和剥落现象减少，冲击磨损表面材料的脱落减少，磨损失重降低。TiC 可以显著提高堆焊合金的抗磨粒磨损性能和抗冲击磨损性能，其中原位合成方式添加 TiC 的堆焊层性能更加优异，可为 TiC 在农机触土部件耐磨涂层中的研究和应用提供参考。

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基于坡缕石制备的稳定超双疏涂层

高兴华, 黄啸, 张晓强, 王欣, 许春玲

中国表面工程. 2024, 37(4): 151-160.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230816001

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水、油接触角大于 150°的超双疏表面，因其在防污、防粘、防腐、自清洁和管道运输等方面具有巨大的应用潜力而备受关注。但因为超双疏表面结构的脆弱性，目前制备出的超双疏涂层仍具有稳定性不足和价格高昂的问题。使用溶胶-凝胶法在坡缕石（palygorskite, pal）表面原位生长二氧化硅（SiO₂）并进行氟化改性，制备高含氟量的 pal@SiO₂-F 填料，利用分层喷涂的方法将 pal@SiO₂-F 填料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合，制备出具有超双疏性的 PDMS / pal@SiO₂-F 涂层。pal@SiO₂-F 填料中氟元素含量达到了 33.14%，涂层的水、白矿油接触角分别达到 160°和 158.2°。电镜观察发现，复合涂层表面的微米尺度 pal 颗粒与表面生长的 SiO₂纳米突起堆积，共同构成双重粗糙结构。PDMS 作为粘结剂，为涂层与基底提供稳定的结合力， pal 颗粒为表面的纳米结构提供支撑，使涂层捕获的气膜能够稳定存在，涂层在经历白矿油浸泡和腐蚀测试后，仍表现出优异的拒液性，同时在自清洁测试中展现出优异的自清洁性和抗污性。PDMS / pal@SiO₂-F 超双疏涂层凭借其独特的制备方法和性能及相对低廉的制造成本展示出广泛应用的潜力。

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激光冲击对钛基非晶合金摩擦学性能的影响

贲家明, 吴嘉俊, 纪秀林, 何涛强

中国表面工程. 2024, 37(4): 161-170.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230728001

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非晶合金具有高硬度、高强度和良好的耐磨耐蚀性，但较差的室温塑性限制了其摩擦学性能的提高。为提高钛基非晶合金的摩擦学性能，采用脉冲能量分别为 3、5 和 7 J，光斑直径 3 mm 及搭接率 50%的激光冲击工艺对钛基非晶合金 Ti_32.85Zr_30.21Cu₉Ni_5.28Be_22.66 进行强化处理，并重点研究钛基非晶合金在 3.5% NaCl 模拟海水环境中的摩擦学性能。XRD 图谱表明：该非晶合金在激光冲击处理前后的晶态结构没有发生明显变化，但是激光冲击显著提高了钛基非晶合金的被冲击表面和横截面的硬度，而且随着激光脉冲能量的增加，硬度提升效果增强，表面粗糙度增大。另一方面，激光冲击强化显著提高了钛基非晶合金在模拟海水环境中的耐腐蚀性能。在 20 N 载荷的滑动条件下，7 J 脉冲能量冲击后的腐蚀速率较铸态样品降低了约 47.2%，同时激光冲击也显著降低了钛基非晶合金的腐蚀磨损率，而且该磨损率随着激光脉冲能量的增大而降低。在 10 N 载荷下，7 J 脉冲能量冲击后的磨损率较铸态样品降低约 47.3%。钛基非晶合金的主要磨损机制为粘着磨损。激光冲击有利于钛基非晶合金的再钝化、抑制塑性变形和粘着倾向，进而提升其在腐蚀环境下的摩擦学性能。激光冲击强化显著提高了钛基非晶合金的抗腐蚀性能和腐蚀磨损性能，这为促进非晶合金及其涂层的工程应用提供了新的思路。

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喷丸残余应力对TC4钛合金疲劳寿命的影响及其松弛行为

张洪伟, 张家麒, 高师, 闫锡超, 陈涛

中国表面工程. 2024, 37(4): 171-178.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230914001

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喷丸强化残余应力场可以提高钛合金材料的疲劳寿命，但在工作载荷作用下，残余应力场会发生松弛，对于喷丸残余应力对 TC4 钛合金疲劳寿命影响及残余应力本身的松弛行为研究较少。为研究喷丸残余应力对疲劳寿命的影响以及残余应力变化松弛规律，以 TC4 钛合金试件为研究对象建立疲劳寿命仿真模型，分析不同喷丸残余应力场下疲劳寿命的变化规律及其影响，开展疲劳寿命试验，对仿真模型结果进行验证。在此基础上以载荷水平和循环次数为因素，对残余应力松弛的影响规律进行试验研究。结果表明：不同喷丸强度的残余压应力大小对 TC4 钛合金疲劳寿命在一定范围内具有较大影响，残余压应力过小或者过大都会对钛合金疲劳寿命产生负面影响，表面残余压应力为?750 MPa 时疲劳寿命大幅度提升；随着循环次数的增加，残余应力会逐渐发生松弛，尤其是当循环次数达到 10⁴次时，残余应力会明显松弛，应力松弛量平均约为 23.64 %，之后逐渐趋于稳定状态，残余应力也会随着载荷强度的增加逐渐发生松弛，且松弛量不断增大。研究结果可为喷丸残余应力的松弛变化规律研究及工程中提高 TC4 钛合金使用性能、合理高效的预估疲劳寿命提供借鉴参考。

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冰粒空气射流喷射器结构的关键参数

蔡玉波, 刘勇, 魏建平, 李志平

中国表面工程. 2024, 37(4): 179-191.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230616002

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目前在冰粒射流表面处理领域普遍存在冰粒易粘结和堵塞等问题，严重影响表面处理效率。基于射流泵基本结构，提出冰粒即时制备和利用的冰粒空气射流表面处理技术，可解决冰粒粘结堵塞问题。为实现冰粒的高效利用和冰粒空气射流的高速喷射，研制冰粒引射和加速一体化喷射器结构。系统性研究喷射器工作喷嘴位置（L_d）、膨胀比（n）和加速喷嘴直径比（D_n）、长径比（L_n）对冰粒引射能力和加速的影响，以冰粒冲击动能为综合评判指标，确定喷射器结构参数，并进行表面处理试验验证。研究结果表明：在 2 MPa 气压下，喷射器喷嘴参数为 n=1.5，D_n=4.0，L_d=4，L_n=0 mm 时，可以充分引射加速冰粒。该结构参数下进行铝合金板脱漆试验，可获得较大的脱漆半径并使铝合金板表面更光滑，铝合金表面粗糙度由 3.194 ±0.489 μm 变为 1.156±0.136 μm。冰粒的即时制备和利用解决了冰粒空气射流技术工程应用时存在的冰粒粘结和储存问题，可为材料表面处理领域提供一种新的技术方法。

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不同制备工艺参数对PS-PVD-8YSZ涂层微结构及性能的影响

何箐, 由晓明, 邹晗, 张雨生, 姜在龙, 张云杰

中国表面工程. 2024, 37(4): 192-205.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230908001

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作为新型热障涂层工艺制备技术，等离子物理气相沉积（PS-PVD）射流具有高能高速等特性，涂层沉积时存在扰流作用导致涂层微结构及性能的显著影响。为了减少圆柱体工装扰流作用，掌握工艺参数对涂层微结构的基本影响规律，采用平面工装系统研究不同 PS-PVD 工艺参数下，如喷涂电流、送粉量、喷枪摆动及样品旋转参数等对涂层微结构的影响规律。研究结果表明：送粉量和喷枪-样品相对运动参数对涂层微结构影响较大，可快速实现涂层微结构的调控；喷涂电流的变化通过柱状晶尺寸和冷凝纳米颗粒含量等方面影响涂层微结构，涂层显微硬度随喷涂电流增大而降低；喷涂沉积距离的影响较小，喷涂距离增大使沉积效率和柱状晶发散生长程度降低，冷凝纳米颗粒含量提高，同时涂层显微硬度呈现先降低后升高的趋势。 JL-11NP 粉末表现出宽幅工艺范围内准柱状结构的获得能力，进一步掌握低沉积电流工艺条件下基于气-固-液三相复合沉积的影响规律。开展了低电流工艺参数条件下 PS-PVD 涂层的微结构调控及沉积机制研究，研究成果可为兼顾隔热和寿命、抗冲蚀的涂层性能结构优化及调控奠定良好基础。

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退火温度对DLC和Si-DLC涂层微观结构和摩擦学性能的影响

周琼, 岗志远, 黄彪, 张而耕, 陈强, 梁丹丹, 李正美

中国表面工程. 2024, 37(4): 206-217.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231102001

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类金刚石（DLC）涂层因具有优异的减磨耐摩性能被广泛应用，而涂层内部存在较高的内应力这一缺点限制其在摩擦学领域的进一步应用。退火处理可以通过改变涂层微观结构来降低涂层内应力，从而提高涂层的摩擦学性能。为研究退火温度对 DLC 和硅掺杂类金刚石（Si-DLC）涂层微观结构和摩擦学性能的影响，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和电弧离子镀的复合沉积技术制备 DLC 和 Si-DLC 涂层，将涂层在大气环境中进行不同温度的退火处理。运用扫描电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜、拉曼光谱以及 XPS 光谱仪对涂层摩擦试验前后的形貌和结构进行表征，采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果表明：沉积的 DLC 和 Si-DLC 涂层为非晶结构。退火温度对涂层的微观结构和摩擦学性能有重要影响。随着退火温度从 RT 上升到 500 ℃，由于 C-H 键断裂，C 网发生集束化，DLC 涂层的 sp³ 含量呈现先上升后降低的趋势，涂层的 sp³含量在 300 ℃热处理后获得最大值，涂层硬度达到最大的 20.66 GPa；而 Si-DLC 涂层由于 Si 元素的掺杂提高了涂层的热稳定性，其在 400 ℃热处理时 sp³含量最大，硬度最大值为 24.28 GPa。涂层与氧化锆对磨球的磨损机理为磨粒磨损，涂层的磨损率呈现先降低后升高的趋势，热处理温度为 300 和 400 ℃为最优。研究证明涂层的微观结构和摩擦学性能可以通过热处理温度调控，优选热处理温度的涂层具有优异的综合性能。研究结果可为退火处理对 DLC 和 Si-DLC 涂层的性能影响提供理论支持。

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考虑温度变化的复合织构轴承的摩擦学性能仿真

王优强, 胡宇, 徐莹, 房玉鑫, 莫君

中国表面工程. 2024, 37(4): 218-228.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230910001

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表面微织构化是改善轴承摩擦学性能重要手段之一，目前对于表面微织构的设计多以加工简单的单层形状为主，但在对轴承织构化试验和数值模拟研究中发现，单层微织构在减少摩擦磨损和降低能耗方面仍不够突出。基于圆筛藻壳的多层孔状结构，设计矩形-半球型双层复合微织构，并应用于水润滑轴承的高压区，采用热流固耦合的方法，探究在考虑进水温度变化的条件下、双层复合型织构的尺寸变化和轴承转速对水润滑轴承摩擦性能的影响。结果表明：对于任何进水温度，双层复合型织构轴承的减摩性能优于光滑轴承和单层织构轴承。复合织构尺寸效应对润滑水膜压力影响不稳定，但对摩擦因数的影响相对平稳。另外，在任何温度下，复合型织构轴承的转速越高，润滑水膜压力和摩擦因数越大。研究成果在改善水润滑轴承摩擦学性能方面有更进一步的突破，可为减小摩擦磨损及延长轴承使用寿命的相关研究提供借鉴。

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粉末润滑粗糙界面的摩擦特性数值模拟及光学原位观测

孔俊超, 王刚, 许雪艳, 徐兵, 陈梦强, 祝小康

中国表面工程. 2024, 37(4): 229-239.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230810001

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固体粉末润滑剂可用于航空航天和高温成型等恶劣环境，润滑剂的润滑特性已成为制约大型锻件成形的关键因素。建立离散元数值模型分析不同粉末层厚度和粗糙度的初压力链和配位数，再利用面接触原位观察试验机分析 30 个行程中粉末层形态、摩擦特性参数和真实接触面积比。结果表明：粉末层厚度为 15 μm 时，易发生擦伤、点状剥落和分层剥落等，部分区域金属基体初始裸露，摩擦因数先增加后趋于定值，主要为微凸体直接接触承载，接触界面颗粒数少、配位数迅速下降、力链持续时间短，摩擦磨损状态恶劣。粉末层厚度为 30 μm 时，粉末完全覆盖接触区域，摩擦因数先增加后降低，真实接触面积比大，界面颗粒数多、配位数降低缓慢、力链持续时间长，载荷波动较小且真实接触面积比大，摩擦磨损状态良好。选取较大粉末层厚度（30 μm）和适当的表面粗糙度（Ra 0.409 μm）时，粉末平整性好且碳元素含量高，接触界面的力链分布均匀，配位数大且持续时间长，能形成平整、稳定的粉末润滑膜。基于离散元数值模拟和光学原位观测研究不同粗糙度和粉末层厚度的摩擦接触界面摩擦特性，可为机械工程领域的接触界面形成平整、稳定且润滑性能良好的粉末润滑膜提供理论指导和机理分析。

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基于多磨粒同路径划擦仿真的自由磨粒抛光材料去除行为

李奇, 张超, 于天彪, 王宛山

中国表面工程. 2024, 37(4): 240-250.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230910002

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传统对自由磨粒抛光材料去除机理研究的建模方法为单磨粒划擦仿真，针对磨粒数量对材料去除行为的研究还比较少，抛光过程中材料去除机理的研究对工艺参数选择和优化意义重大。建立纳米级材料去除尺度下多磨粒同路径划擦钛合金热力耦合有限元模型，对比分析不同抛光工艺参数下，磨粒数量对工件表面材料去除行为的变化规律，并对抛光过程中材料去除深度、应变及应力等指标进行对比分析，研究工艺参数及磨粒数量对划擦接触区物理场的影响。结果表明：磨粒低速划擦时，材料为连续式去除，磨粒高速划擦时，材料为间断式去除，多磨粒相对于单磨粒可以提高材料去除深度的均匀性。揭示了抛光微观材料去除过程中磨粒数量对材料去除行为的影响机制。

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深沟球轴承织构化滚道表面润滑性能的数值分析

邓林峰, 金泽源

中国表面工程. 2024, 37(4): 251-261.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230710001

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织构化深沟球轴承摩擦副表面的接触形式、织构形态对轴承润滑性能的影响机制尚不明确。为探究微织构对深沟球轴承椭圆接触摩擦副表面弹流润滑性能的影响，基于弹流润滑理论，考虑滚道织构对于摩擦表面间油膜厚度的影响作用，建立一种适用于深沟球轴承的织构化表面接触弹流润滑分析模型。然后，采用多重网格法进行数值计算，根据结果分析不同载荷及卷吸速度下织构深度和半径对接触表面油膜压力和厚度分布的影响规律。结果表明，摩擦副表面的润滑性能随着载荷的增大而变差，随着卷吸速度的增大而变好；织构化表面的流体动压效应则随着织构深度的增加而逐渐增大，随着织构半径的增大而逐渐减小，当典型深沟球轴承的滚道织构深度在 1.5~2.7 μm，半径在 3~7 μm 范围时，织构化摩擦副表面的润滑性能表现最佳，证明适当的织构型式可有效改善深沟球轴承摩擦副表面的润滑性能。研究织构对深沟球轴承摩擦副表面的润滑特性规律，可以为椭圆接触类型摩擦副的织构化优化设计提供理论参考。

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纳米级粗糙界面法向接触特性的分子动力学模拟

吴兵, 孙韵韵, 巫世晶

中国表面工程. 2024, 37(4): 262-272.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220701001

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精密仪器的应用推动了机械零部件的纳米化，然而关于纳米级粗糙形貌与接触参量之间映射关系的研究有限，且不同外加负载下粗糙界面接触参量的动态变化特性尚未完全被揭示。采用分子动力学方法研究纳米级粗糙界面的法向接触特性。首先，通过对表面功率谱密度函数进行逆傅里叶变换构建随机粗糙表面，建立具有纳米级粗糙度的铜-金刚石界面法向接触分子动力学模型。然后，从原子尺度模拟纳米级粗糙界面的法向动态接触过程，分析纳米级粗糙界面在不同外加负载作用下的动态变化特性，包括法向接触力、实际接触面积、界面等效变形量等关键参量。最后，模拟不同粗糙度的界面法向接触过程，建立等效接触变形量与实际接触面积间的映射关系。纳米级粗糙界面法向接触特性研究表明：接触界面粗糙形貌恒定时，法向接触力、实际接触面积、接触变形量与外加负载呈正相关；相同外加负载时，表面粗糙度的增加会使实际接触原子数量减少，进而导致法向接触力、实际接触面积和界面等效变形量的减小；原子间相互作用力和原子扩散效应直接导致接触参量的动态变化受表面形貌影响；实际接触面积随界面等效变形量呈非线性增长，且两者间存在幂律映射关系。通过分子动力学模拟，揭示纳米级粗糙界面实际接触面积与等效变形量之间的函数关系，研究成果可为微纳尺度界面接触研究提供理论参考。

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使用电子回旋波共振等离子体源辅助中频磁控溅射沉积氧化铌薄膜

殷冀平, 吕少波, 蔺增, 巴德纯

中国表面工程. 2024, 37(4): 273-279.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220116002

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中频磁控溅射虽相较于电子束蒸发成膜质量更好，但不可避免仍然存在一部分颗粒物，将严重影响光学薄膜的质量和光学特性。研究了使用电子回旋波共振(ECWR)等离子体源作为辅助设备与中频磁控溅射相配合沉积的氧化铌薄膜，进行了等离子体诊断和薄膜表征。结果表明：在相同条件下，ECWR 等离子体放电的氧化效果明显优于传统的感应耦合等离子体放电。ECWR 等离子体源能够在较低压强的纯氧环境下稳定产生高密度等离子体，无须通过氩气作“引子”来激发维持氧气的稳定放电，展示了电子回旋波共振放电结构的优越性。沉积得到的非晶氧化铌薄膜光滑均匀且透射率达 91%，能有效消除中频磁控溅射产生的颗粒物问题。通过透射率波峰位置对比发现纯氧 ECWR 放电样片出现红移，原因是其放电得到的薄膜均匀而致密，使光学禁带宽度向低能方向漂移出现带隙窄化。研究结果还揭示了离子源高密度、低能量特性与薄膜表面和光学特性之间的关系，为精密光学薄膜应用提供了新的解决方案。

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空气和水下环境304L不锈钢密封堆焊工艺对比

赵友亮, 朱加雷, 赵晓鑫, 张仁祥, 赵志博, 李桂新, 赵亮

中国表面工程. 2024, 37(4): 280-290.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230831002

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核电站乏燃料池长时间服役后因腐蚀产生裂纹、孔洞等缺陷，影响安全运行，但对水下环境焊接修复的研究较少。采用 ER-2209 双相不锈钢实心焊丝完成空气环境和水下环境 304 不锈钢密封堆焊层的制备。结果表明：堆焊层表面成形连续均匀，无裂纹、夹渣、焊瘤和咬边等缺陷。堆焊层内的微观组织包含双相不锈钢组织以及奥氏体不锈钢组织，且两者之间呈区域性分布。堆焊层横向拉伸试件的应力应变曲线抗拉强度高于母材，变形过程中诱发马氏体相变，使得母材的应力应变曲线后段的强度提高，总体伸长率高于堆焊层。在焊道间熔合处，奥氏体晶粒的结晶取向发生偏转，焊道的织构强度增强，两种环境中顶部横向拉伸试件呈现出较高的抗拉强度和较低的伸长率。由于水下环境的快冷作用促使双相不锈钢组织中的δ晶粒向γ的转变受到抑制，存在晶粒度较大的δ晶粒，δ铁素体的层错能较高，堆焊层硬度提高；快冷作用促使奥氏体不锈钢组织中生成大量沿奥氏体晶界分布的板条状铁素体，板条状铁素体区域性分布，提高了奥氏体不锈钢组织的硬度。堆焊层的极化曲线中可以观察到明显的钝化区间，堆焊层具备较好的耐腐蚀性能。分别在空气环境和水下环境制备了 304L 不锈钢堆焊层，研究了堆焊层的宏观形貌、微观组织和物相组成，分析了堆焊层的力学性能、显微硬度和耐腐蚀性能，研究结果对 304L 不锈钢浅表裂纹修复工程有重要作用。

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斯特林机活塞杆帽式密封泄漏率预测及其优化设计

杨东亚, 王锋, 王学霖, 张海龙, 高贵

中国表面工程. 2024, 37(4): 291-302.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230901001

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斯特林机活塞杆帽式密封处总有微量气体泄漏，但目前大多数研究是通过分析密封面接触载荷而开展的。为探究干摩擦状态下帽式密封泄漏问题，基于分形理论从微观角度对密封面形貌进行表征，结合环形轴向缝隙流体流动模型建立帽式密封泄漏分形模型。通过试验验证泄漏模型的准确性。根据已验证模型对泄漏率影响因素进行交互分析，获取工况条件对不同粗糙度密封面泄漏率的影响规律，并提出使用遗传算法对特定工况下的 C 型环密封表面形貌与 O 型圈的预压缩率进行最优匹配。结果表明：泄漏率随着 O 型圈的预压缩率增大而下降，随着工质压力及活塞杆速度的增大而增大，且密封面越粗糙时泄漏率变化幅度越大；当密封表面粗糙度增大时泄漏率增大，但密封面形貌越粗糙时，增大接触载荷泄漏率更易减小；最终确定当斯特林机的工质压力 P₁=5 MPa，活塞杆运动速度 V=1 m / s 时，应匹配密封面粗糙度 Ra=0.27 μm 的改性聚四氟乙烯 C 型环，并设定 O 型圈的预压缩率 W=23.13%，帽式密封泄漏率将会达到最低。所建泄漏模型可提前为密封件的选择做出决策，而优化设计方法可为后续密封件表面粗糙度的确定和加工方法的选择提供指导。

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切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳微动磨损的影响

李加玲, 沈火明, 廖业宏, 王宇星, 任啟森, 彭振驯

中国表面工程. 2024, 37(4): 303-312.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230912001

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随着核电技术更新迭代，由于传统 Zr 合金包壳存在安全性能缺陷，核燃料组件安全面临严峻挑战，探索开发新型核燃料包壳管成为核电安全防护领域的重点研究。以 Cr 涂层 Zr-1Nb 合金包壳管（改良型 ATF 材料）为研究对象，探究切向位移对 Cr 涂层 Zr-1Nb 合金包壳管微动磨损行为及磨损机理的影响。采用白光干涉仪表征出 Cr 涂层 Zr-1Nb 合金包壳管表面磨痕的三维形貌，对 Cr 涂层 Zr-1Nb 合金包壳管表面磨痕的截面轮廓以及磨损深度进行测算。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对表面磨痕的微观形貌以及元素组成进行表征。结果表明：随着切向位移增加最大磨损深度随之增加，微动运行状态由部分滑移逐渐转变为完全滑移，Cr 涂层 Zr-1Nb 合金包壳管表面的磨屑黏着现象逐渐减弱，磨损机理由黏着磨损转变为剥层磨损。所有试验中 Cr 涂层 Zr-1Nb 合金包壳管存在明显的氧化磨损。从微观角度探索了接触模型为 GTR 构型的改良型 ATF 包壳材料微动磨损机理以及微动磨损行为，制备的 Cr 涂层能够提高 Zr-1Nb 合金包壳管的微动磨损性能，有效延长包壳管的服役寿命。

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再制造产品服务系统经济性评价建模与应用

郑汉东, 陈意, 刘渤海, 魏敏, 史佩京

中国表面工程. 2024, 37(4): 313-322.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230628002

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再制造产品服务系统是一种基于再制造产品和服务以满足用户需求为目标的商业整合系统，现有研究分析产品服务系统对企业实施再制造的促进作用，但是缺乏从产品全生命周期角度研究企业实施再制造产品服务系统经济可行性。针对再制造产品服务系统经济性评价问题，首先分析再制造产品服务系统的运行体系及成本分解结构，然后构建再制造产品服务系统的经济性评价模型，最后以发动机再制造产品服务系统为研究对象开展案例研究和应用。结果表明，企业实施再制造产品服务系统具有广泛的经济效益，再制造产品服务系统不仅可以成为企业的盈利增长点，还能够降低用户成本，同时实现节能减排，减少环境治理和资源消耗成本。所提出的分析模型可以为企业制定再制造实施策略，选择再制造技术和服务模式提供一定的参考和管理启示。

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2024年, 第37卷, 第4期　刊出日期：2024-08-20

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