2025年, 第38卷, 第2期　刊出日期：2025-04-23

  

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特邀专栏：PVD 硬质涂层关键技术
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  梯度硬质刀具涂层的研究进展

  刘炜, 沈强, 吉柏锋, 涂溶, 章嵩

  中国表面工程. 2025, 38(2): 1-18.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240923002

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  汽车零部件、模具机床、医疗器械和航空航天等行业均涉及到难加工材料的切削加工,其切削过程会受到力与热的强烈耦合,而在切削刀具表面涂敷硬质涂层能够降低其在切削过程中产生的切削力和切削热。随着我国高端制造业的不断发展,切削刀具会因硬质涂层的韧性不足导致其在关键部件的加工过程中过早损伤破坏,甚至灾难性断裂。通常通过梯度设计克服传统材料硬度-韧性等必要性能相互冲突的机械特性,并赋予其特殊功能。因此,总结了几种典型的梯度硬质刀具涂层。在涂层的梯度设计上,元素成分梯度结构能够增强涂层与基体及各涂层之间的匹配,从而降低涂层内应力并抑制裂纹的萌生和扩展。与元素成分梯度涂层相比,多层梯度结构能够综合多层结构和梯度结构的优势增强涂层的综合性能,且更容易实现。在梯度硬质刀具涂层的性能评价方面,目前主要依靠试验直观分析涂层的力学性能。通过试验结合模拟计算,或利用机器学习方法对涂层进行快速、高效的性能评价仍然是一个挑战。硬质刀具涂层的梯度设计及其性能评价的研究结论,可为硬质刀具涂层的梯度设计及其性能评价提供理论认识。
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  高功率离子源功率对持续高功率反应磁控溅射沉积Al₂O₃薄膜的影响

  邹云霄, 杨东杰, 刘亮亮, 刘瑶瑶, 李春伟, 吴忠振

  中国表面工程. 2025, 38(2): 19-26.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241105001

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  氧化铝膜层在光学和半导体领域具有广泛的应用。持续高功率磁控溅射（Continuous high-power magnetron sputtering）技术在反应溅射时具有较宽的工艺窗口,因此是制备氧化铝膜层的最佳途径之一。但由于C-HPMS较高的Al溅射速度,制备的氧化铝薄膜往往呈现氧含量不足的现象。对此,采用高功率离子源辅助离化氧气,以提升其反应活性,进而增加制备氧化层中的氧含量。研究结果表明,高功率离子源放电可以大幅提升O₂气的离化,使得Al和O化合的活性随离子源功率的提高,制备的氧化铝膜层更加致密,沉积速率也得到提升,膜层中的Al / O比例从0.95降低至0.64。同时,制备的氧化铝膜层的透过率68.8%提升至93.1%,耐击穿性能从20.8 V / μm提升至72.4 V / μm,膜层硬度从12.48 GPa提升至14.45 GPa,体现出明显的促进效果。
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  工作气压对管内HiPIMS等离子体输运行为和Cr涂层性能的影响

  胡天时, 田修波, 巩春志, 王本福, 祝天放, 张辉

  中国表面工程. 2025, 38(2): 27-35.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241226001

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  受限于等离子体输运等问题,在细长管内壁进行物理气相沉积涂层制备面临极大挑战。通过自主设计的高真空条件下高功率脉冲磁控溅射系统实现了低气压下稳定放电,并探究了工作气压对平面Cr靶放电等离子体输运特性和管内Cr膜沉积的影响规律。对沉积膜层厚度、组织结构、纳米硬度及耐磨性进行了研究。放电结果显示在保持放电功率和脉冲电压不变,降低工作气压会削弱气体放电作用,促进等离子体向管尾的输运。膜层沉积结果表明,随工作气压从1.2 Pa降低到0.1 Pa,四组涂层的膜厚不均匀度系数从310%降低到205%,膜层均匀性明显提高;管内位置1处晶粒尺寸从35.77 nm降低到27.1 nm,表面粗糙度从3.58 nm降低到2.29 nm,纳米硬度从6.37 GPa提高到8.36 GPa。同时,0.1 Pa时磨痕宽度和摩擦系数均降低,表现出最优的耐磨性能。低气压HiPIMS技术在等离子体远距离输运中表现出显著优势,有望进一步扩展磁控溅射技术在管内壁涂层制备等领域的应用。
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  CrAlN / TiAlN多层刀具涂层的制备及其性能

  任俊泽, 苏峰华, 李助军, 刘怡飞

  中国表面工程. 2025, 38(2): 36-48.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241030003

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  现代金属切削加工正向着高速、高精度和高效的方向发展,对刀具的性能有着越来越高的要求。利用表面技术对刀具表面进行改性,是提高刀具性能和寿命的有效途径。使用多弧离子镀膜技术在YG6硬质合金以及三刃立铣刀表面制备了CrAlN / CrN / Cr、TiAlN / CrN / Cr、CrAlN / TiAlN / CrN / Cr三组涂层,并对三种涂层的制备技术、微观结构与性能差异、及耐磨与切削寿命提高机制进行研究。X射线衍射分析表明,三种涂层均为面心立方结构,其中TiAlN涂层表现出（200）晶面择优取向,而CrAlN和CrAlN / TiAlN涂层则表现出（111）面的择优取向。使用显微硬度计和划痕仪对涂层的显微硬度和结合力进行测试,结果表明CrAlN / TiAlN多层涂层的显微硬度和膜基结合力分别为2651 HV和59.2 N,显著高于TiAlN和CrAlN涂层。采用高温摩擦试验机评价了三种涂层的摩擦学性能,结果表明CrAlN / TiAlN多涂层的摩擦性能优于TiAlN涂层和CrAlN涂层,室温下其平均摩擦因数和磨损率分别为0.603和2.92×10^-6 mm³(N·m)^-1。当温度增加到400 ℃时,CrAlN / TiAlN涂层的平均摩擦因数进一步降低为0.467,磨损率增加至1.31×10^-5 mm³(N·m)^-1。铣削试验结果显示,TiAlN涂层刀具、CrAlN涂层刀具和CrAlN / TiAlN涂层刀具的铣削寿命相对于无涂层刀具分别提升了80%、140%和200%,被加工样件的表面粗糙度分别降低至462 nm、415 nm和402 nm。研究结果表明CrAlN / TiAlN涂层在现代切削加工领域有着良好的应用潜力。
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  AlTiN和AlTiN / AlCrN涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷性能的影响

  耿东森, 佘俊杰, 许雨翔, 项燕雄, 贺鹏, 梅海娟, 王启民

  中国表面工程. 2025, 38(2): 49-56.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241216002

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  Ti(C, N)基金属陶瓷因其优异的硬度、耐磨性及抗高温变形能力,已成为重要的切削刀具重要材料之一。但其内部金属粘结相在高速切削中易引发粘附磨损、扩散及高温软化等问题,导致刀具性能下降,限制了该材料的进一步推广和应用。物理气相沉积（Physical vapor deposition, PVD）技术被认为是改善Ti(C, N)基金属陶瓷性能的重要手段。为此,本文采用阴极弧蒸发法在Ti(C, N)基金属陶瓷表面分别沉积AlTiN和AlTiN / AlCrN涂层,利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、洛氏硬度计、纳米压痕仪、摩擦磨损试验、氧化试验以及车削试验,系统研究了表面涂层对金属陶瓷力学性能、摩擦性能、抗氧化性能以及切削性能的影响规律。试验结果表明：AlTiN和AlTiN/AlCrN涂层呈现出单相面心立方结构,硬度分别为33.9±0.8 GPa和36.1±1.6 GPa,显著高于Ti(C, N)基金属陶瓷基体的27.4±1.7 GPa。同时,表面涂层可有效改善Ti(C, N)基金属陶瓷的断裂韧性,使其从9.8±0.18 MPa·m^1/2分别提升至10.5±0.08 MPa·m^1/2（AlTiN）和10.8±0.05 MPa·m^1/2（AlTiN / AlCrN）。较高硬度和H³ / E²值的表面涂层显著提升了Ti(C, N)基金属陶瓷的耐磨性,其中AlTiN / AlCrN涂层的Ti(C, N)基金属陶瓷的磨损率最低,仅为2.8×10^-6 mm³ / (N·m)。此外,经过沉积AlTiN和AlTiN/AlCrN涂层的Ti(C, N)基金属陶瓷表现出优异的抗氧化性能,在800 ℃下氧化5 h后其氧化层厚度分别降低至~185 nm和~65 nm。由于具有更高的硬度、低的摩擦因数以及优异抗氧化性,经过沉积AlTiN / AlCrN涂层后金属陶瓷刀具的切削寿命较无涂层刀具提升了~75%。本研究揭示了表面涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷耐磨性、高温抗氧化性以及切削寿命的影响规律,有效改善了Ti(C, N)基金属陶瓷的综合性能,为高性能金属陶瓷刀具的开发设计提供了理论依据和技术支撑,有望进一步推动其在高速切削加工领域的规模化应用。
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  自组织纳米多层AlCrNbSiTiN高熵氮化物涂层的力学、耐磨及耐腐蚀性能

  田灿鑫, 邹长伟, 项燕雄, 于云江, 李助军, 刘怡飞

  中国表面工程. 2025, 38(2): 57-68.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240827002

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  常规氮化物涂层已不足以应对日益提高的表面防护需求,近年来高熵氮化物涂层因其优异的性能受到业界的广泛关注。纳米多层结构作为优化硬质耐磨涂层微观结构和性能的有效策略,在涂层的设计和制备中展现出巨大的潜力和应用前景。采用电弧离子镀技术,通过工艺参数优化实现等离子体成分空间分布调控,制备了具有自组织纳米多层结构的AlCrNbSiTiN高熵氮化物涂层,系统研究其结构、硬度、摩擦及耐腐蚀性能,作为对比还制备了纳米多层AlCrNbSiTiN / CrN涂层和单层CrN涂层。结果表明CrN涂层、AlCrNbSiTiN涂层和AlCrNbSiTiN / CrN涂层都为面心立方结构,自组织纳米多层结构AlCrNbSiTiN涂层调制周期12 nm,纳米多层结构AlCrNbSiTiN / CrN涂层调制周期24 nm。AlCrNbSiTiN涂层硬度最高为34.5 GPa,H / E和H³ / E*²值分别为0.076和0.166。AlCrNbSiTiN / CrN涂层摩擦因数最低为0.389,CrN和AlCrNbSiTiN涂层摩擦因数分别为0.437和0.514。AlCrNbSiTiN / CrN涂层腐蚀电位为-47 mV,AlCrNbSiTiN涂层腐蚀电位最负为-157 mV。AlCrNbSiTiN涂层的临界点蚀电位为883 mV,钝化区宽度为943 mV,腐蚀电流密度和钝化区电流密度分别为2.49×10^-8 A / cm²和1.41×10^-6 A / cm²,且表面点蚀坑尺寸最小、数量最少,耐腐蚀性能优于AlCrNbSiTiN / CrN涂层和CrN涂层。基于研究结果,通过等离子体成分的空间分布调控,采用电弧离子镀技术可以制备综合性能优异的自组织纳米多层高熵氮化物涂层,这为纳米多层结构涂层的制备提供了新思路。
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  电弧离子镀AlTiVCrMoSi高熵合金薄膜的制备工艺

  郭佳龙, 苏一凡, 张程, 唐鹏, 蔡伟通, 林松盛

  中国表面工程. 2025, 38(2): 69-79.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241031003

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  钛合金因其质轻、高强度的特点,在航空、航天和医疗等领域有广泛应用。然而,钛合金在一些高温、高摩擦等恶劣环境下的耐磨性和表面性能仍有限,制约其进一步应用。因此,提升钛合金的表面性能,尤其是耐磨性和硬度,成为材料研究的重要课题。为改善钛合金的性能,采用电弧离子镀技术在TC4钛合金上制备了AlTiVCrMoSi轻质高熵合金薄膜,并通过正交试验和极差分析的方法对电弧电流、偏压、气压三个主要的工艺参数进行设计探讨。利用SEM、EDS、XRD对薄膜组织形貌、相结构及元素分布进行表征;采用显微硬度计、残余应力测试仪和摩擦磨损试验机对薄膜力学性能和摩擦学性能进行测试。结果表明：电弧电流对表面粗糙度影响较大,较高的电流（如100 A）会形成更加致密和平滑的涂层。偏压主要影响薄膜力学性能,在100 V、2 Pa的工艺下薄膜硬度较高且残余应力较低。薄膜整体沿FCC(211)方向择优生长,过高的电弧电流和偏压会诱使其它相结构的生成（BCC、SCC）,这对薄膜硬度有消极的影响。气压对沉积速率以及磨损率影响较大,气压的增高有助于改善薄膜的致密性和表面质量,从而降低摩擦因数和磨损率。经过正交极差分析后优化出的最佳工艺参数为电弧电流100 A,偏压100 V,气压2 Pa。通过控制电弧离子镀的电流、偏压和气压,能够有效调控高熵合金薄膜的晶体结构,获得具有优异力学和摩擦学性能的薄膜。这一研究成果为钛合金表面性能的提升提供了有效的技术手段,对满足不同应用领域对钛合金性能的需求具有重要意义。
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  N含量对多组元ZrNbMoTaW薄膜结构和力学性能的影响

  代其杨, 许雨翔, 代伟, 王启民

  中国表面工程. 2025, 38(2): 80-89.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20250103002

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  为改善非晶合金在塑性变形上的局限性,通过高功率脉冲磁控溅射技术制备不同氮含量的多组元ZrNbMoTaW薄膜,并系统探讨氮含量对薄膜微观结构、力学性能及塑性变形行为的影响。结果表明,随着氮气流速的增加,薄膜中的氮含量逐渐上升,沉积速率则呈现出下降趋势。微观结构分析显示,薄膜经历从非晶相到面心立方（Face-Centered cubic,FCC）纳米晶相,再到典型FCC氮化物相的转变过程,同时其晶格畸变显著增加。随着氮含量的增加,薄膜的硬度和弹性模量分别从7.6 GPa和119 GPa提升至29.1 GPa和392 GPa,残余应力从0.2 GPa提高到1.6 GPa,同时薄膜的抗塑性变形能力显著增强,变形模式由非均匀剪切带变形转变为均匀变形。此外,通过纳米压痕试验观察到机械变形诱导的非晶化现象,表现为晶格畸变的加剧和局部原子排列的无序化。研究结果揭示氮元素对多组元非晶合金薄膜微观结构和力学性能的调控作用,并表明机械变形手段可诱导薄膜相变。
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  磁控溅射CrN-PEI结合强度与耐磨性增强调控

  由琪, 周艳文, 粟志伟, 闫彩波, 赵卓, 肖旋

  中国表面工程. 2025, 38(2): 90-98.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240816002

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  作为手机镜头保护盖,芳香族高分子聚合物聚醚酰亚胺（PEI）的耐磨性能不足,表面涂层强化是提高其耐磨性的有效途径之一,提高膜-基界面结合强度是增强硬质涂层有效性的必然要求。采用磁控溅射技术在PEI基体表面沉积氮化铬（CrN）涂层,研究靶-基距及沉积时间对沉积涂层的形貌、相结构、膜-基界面结合强度和耐磨性的影响。靶-基距为18 cm沉积时,涂层缺陷随沉积时间的延长,即薄膜增厚而减少。缩短靶-基距至13 cm后,即增强了基体表面离子密度,薄膜表面缺陷消失。与18 cm靶-基距下最薄涂层的243.2 GPa模量和24.86 GPa硬度相比,13 cm靶-基距最厚涂层的模量和硬度升到307.3 GPa和26.22 GPa,膜-基结合强度相应改善,涂层的磨损率从基体的10^-4 mm³·N^-1·m^-1降低了一个数量级,降至10^-5 mm³·N^-1·m^-1。在靶-基距为13 cm时,受高能量离子连续轰击,PEI表面硬化层的模量和硬度平均达10.2 GPa和2.2 GPa,该硬化层与纯Cr过渡层和CrN涂层间形成平滑的模量和硬度梯度,降低了涂层与基体间力学性能差异,从而提高硬质涂层与软基体间的协同形变能力,有效增强CrN防护涂层的有效性,使PEI聚合物作为手机镜头保护盖的应用成为可能。
综述
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  AlCoCrFeNi系高熵合金涂层的耐磨性能强化现状

  韩冰源, 孙一麟, 韩国峰, 崔方方, 赵泳林, 朱胜

  中国表面工程. 2025, 38(2): 99-114.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240429001

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  AlCoCrFeNi系高熵合金具有 BCC 结构,因其优异的高温力学性能、高强度和低成本的特点而受到越来越多的关注与运用。本文从涂层耐磨性的角度,综述了三种典型方法制备AlCoCrFeNi系高熵合金涂层耐磨性研究的发展现状、两种通过改性提高涂层耐磨性能的方式和三种强化涂层耐磨性能的后处理方法。在制备技术方面,AlCoCrFeNi系高熵合金涂层的典型制备方法主要有等离子喷涂、超音速火焰喷涂、激光熔覆等工艺,制备的涂层在高温下均展现出较好的热稳定性和耐磨性能;在成分改性方面,涂层的耐磨性能会受到主要元素成分与元素摩尔占比的影响,因此可以通过引入碳化物强化相和添加其他元素对高熵合金涂层的成分和组织结构进行调控,以进一步增强涂层的耐磨性能;在后处理方面,激光重熔、退火和感应重熔三种后处理方法可以有效减少高熵合金涂层的缺陷,提高涂层的耐磨性能。最后,根据AlCoCrFeNi系高熵合金涂层性能特点,提出了工艺参数优化、引入强化相与其他元素和涂层后处理三种方法,对涂层性能提升的发展方向进行了探讨。
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  铝合金表面机械强化疲劳性能研究进展

  高冲, 董丽虹, 刘彬, 吕晓仁, 张宇鹏, 李征奇

  中国表面工程. 2025, 38(2): 115-131.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231229003

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  表面机械强化技术作为提升铝合金结构部件疲劳性能的有效手段,在表面改性领域应用广泛。然而,在选择强化技术与确定工艺参数时,尚缺乏统一的预判强化后疲劳性能的标准。现阶段关于表面强化处理后性能演变对疲劳性能影响机理的研究尚浅,且缺乏系统性总结。从表面机械强化塑性变形方式出发,综述压入、碾磨、滚压及多种方法组合的典型表面机械强化技术及发展现状,归纳不同类型的表面机械强化技术对铝合金表面形貌、显微组织、显微硬度、残余应力等方面的影响规律。从疲劳寿命、疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展的角度整合表面机械强化技术对铝合金疲劳性能的影响规律及研究方法。鉴于影响机制的复杂性,深入分析表面机械强化对铝合金疲劳性能的作用机制,为工程应用提供了理论支撑与实践指导,填补了在合理选择技术、确定工艺参数及预判强化后疲劳影响机理方面系统性分析的空白。最后,基于当前研究瓶颈,对强化后铝合金疲劳性能的未来研究方向进行展望。
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  电刷镀在轴磨损修复中的应用与研究进展

  侯天朋, 段海涛, 黄素玲, 段林林, 李文轩, 刘炼, 贾丹

  中国表面工程. 2025, 38(2): 132-147.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240520001

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  轴作为机械传动系统中用于支撑旋转并传递扭矩的关键部件,其磨损将直接影响系统传动精度与工作性能,严重时还会导致设备停机。电刷镀技术因高效、便捷的特性,被广泛应用于轴类零件的维护与修复领域。近年来纳米颗粒复合电刷镀液技术逐渐兴起,相较于传统电刷镀技术,纳米复合电刷镀层具有更优异的硬度、耐磨损和耐腐蚀等性能。然而,目前关于电刷镀技术修复磨损轴件的应用与作用机制、工艺参数和纳米颗粒对轴修复效果的影响以及轴磨损后电刷镀修复性能评价缺乏系统性总结。主要介绍电刷镀技术的工作原理及应用范围,探讨电刷镀技术在轴磨损修复中的应用及作用机制,并分析不同刷镀工艺参数对修复效果的影响。重点阐述磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损等轴磨损常见形式,依据常见轴件失效形式,分析关键工艺参数（如刷镀温度、电流密度和刷镀速度）和纳米颗粒对修复效果和性能指标的影响,同时进一步探究镀层强化机理并综述轴磨损后电刷镀修复性能评价。研究表明,电刷镀技术在轴修复领域展示出巨大的应用潜力。电流密度、刷镀速度和镀液温度等关键电刷镀工艺参数直接影响轴修复效果。纳米颗粒通过细化晶粒尺寸、阻碍位错等机制优化镀层微观结构,进而增强电刷镀层硬度、耐磨损和耐腐蚀等性能。目前传统电刷镀技术虽然成熟,但仍存在使用试错法探寻工艺参数最佳组合、镀液成分设计不精准、人工刷镀精度波动较大等问题。综述相关研究现状不仅可以指出电刷镀技术在实际轴修复应用中的不足及未来研究的方向,还可为工业应用中高性能轴修复提供有利参考。
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  摩擦伏特效应的内涵、研究现状及展望

  林世权, 丁相天, 李港, 郑明理, 刘检华

  中国表面工程. 2025, 38(2): 148-166.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241126002

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  旨在探讨摩擦伏特效应及其在能量收集与智能传感器中的应用。半导体异质结界面发生滑动时,摩擦会激发界面电 子-空穴对,电子-空穴对在半导体界面电场作用下发生定向迁移,产生直流电,这一过程被称为摩擦伏特效应。基于摩擦伏特效应的机械能收集器件被称为摩擦伏特纳米发电机。摩擦伏特纳米发电机能够直接输出直流电,且具有低阻抗的输出特性,因此受到广泛关注。首先阐述摩擦伏特效应的内涵,总结摩擦伏特效应研究中的关键科学问题：电子-空穴对激发机制与界面电场形成机理。其次介绍摩擦伏特效应在能量收集以及智能传感方面的应用及其优化方法。围绕摩擦伏特效应中的能量传输规律,提出摩擦伏特效应研究中的摩擦学问题以及表界面工程问题,以及几何结构非对称和摩擦诱导界面非对称因素对摩擦伏特效应存在潜在贡献的观点。最后指出摩擦伏特效应未来的研究将呈现多元化、智能化的发展趋势,优化材料的表面结构、提高稳定性、输出功率以及耐久性将成为摩擦伏特纳米发电机发展的关键方向。通过这些技术突破,稳定性、输出功率以及耐久性全面提升,摩擦伏特效应有望在实际应用中得到广泛部署,并在智能传感、环境监测、可穿戴设备等领域发挥重要 作用。
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  微弧氧化功能陶瓷涂层的设计及其在机械工程的应用进展

  刘一, 赵辰, 冯金宝, 于强亮, 于波, 周峰, 刘维民

  中国表面工程. 2025, 38(2): 167-192.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240817002

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  微弧氧化（MAO）技术作为一种先进的表面处理技术,能够在轻金属表面生成陶瓷涂层,显著提升其防腐、耐磨、热控等性能。综述了MAO技术在功能性陶瓷涂层设计方面的最新研究进展,重点介绍了MAO技术在防腐、润滑耐磨、热控及热防护、电绝缘和彩色涂层领域的设计研究,并总结了优化电解液组分、电源参数及后处理工艺对涂层性能的提升作用。研究表明,通过改变电解液成分和工艺参数,可以显著提高涂层的致密性和硬度,提升涂层的耐腐蚀性和耐磨性。通过后处理工艺,涂层表面的微孔和裂纹得以填充,从而加强涂层与基体的机械结合力和化学结合力,避免涂层脱落或剥离,可以进一步改善涂层性能或赋予新的功能。研究还发现,MAO涂层在热防护方面的优异性能,可以通过调节涂层的颜色、厚度和结构,控制其太阳吸收率和红外发射率。另外,电绝缘和着色涂层的研究同样显示了MAO技术在功能性涂层设计中的应用前景。系统总结MAO技术在功能性涂层领域的研究进展,总结了优化MAO功能涂层的多种设计策略,并探讨了其在实际应用中的潜力。为MAO技术在更多功能性领域的应用提供了理论基础,也为未来进一步提高涂层性能、拓宽MAO技术的应用范围提供了新的思路和方向。
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  铝基非晶防腐涂层研究进展

  赵娜娜, 鲁飞, 刘树峰, 李慧, 张帅, 尹高天, 李飞, 徐瑞

  中国表面工程. 2025, 38(2): 193-216.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240220001

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  铝基非晶合金具有良好的耐腐蚀性和可控的合金成分,非常适合作为一种防腐功能材料应用于航空航天、海洋装备等领域。然而,铝基非晶合金的尺寸受限,非晶形成能力较差,严重限制了其大规模应用。研究发现,将铝基非晶合金以涂层形式应用可以很好地解决上述问题。目前,我国对铝基非晶涂层的研究处于起步阶段,不足以实现工业化应用。因此,综述铝基非晶防腐涂层的研究进展对推动其工业化应用具有重要意义。铝基合金粉末作为制备涂层的基础材料,是铝基非晶涂层面向应用的重要环节。概述铝基非晶合金的发展、介绍铝基非晶合金的腐蚀现象,对于铝基非晶涂层的体系设计、耐腐蚀性能和作用机理的理解具有指导意义。阐述铝基非晶合金的晶化行为和铝基非晶涂层的设计准则,讨论铝基非晶涂层的非晶形成能力和耐腐蚀性能,阐释合金成分和后处理对涂层耐腐蚀性能的影响效果,并揭示铝基非晶涂层的腐蚀机理。梳理并对比不同合金体系、制备技术条件下铝基非晶涂层的组织结构和耐腐蚀性能,总结并展望铝基非晶防腐涂层存在的问题与未来发展方向。在非晶防腐涂层的开发方面,铁基、锆基和镍基等非晶涂层均有获得优异的耐蚀性能及工业应用案例,而铝基非晶涂层仍然处于实验室研究阶段。梳理并揭示铝基非晶涂层的研究现状,对开发高性能铝基非晶防腐涂层起到积极作用。非晶涂层能够很好地满足酸、碱等强腐蚀性工况环境的使用需求,有望成为新一代防腐材料,将理论数据与应用需求相结合,深入分析铝基非晶涂层的晶化过程与腐蚀行为,对铝基非晶涂层材料与表面防护技术朝着适应复杂多变环境的多重功能一体化以及超长寿命方向发展与应用具有重要意义。
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  气体团簇离子束技术的发展与挑战

  谢媛, 解克各, 邓辉

  中国表面工程. 2025, 38(2): 217-232.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240909002

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  随着科技的不断进步,先进光学与集成电路等领域对光学元件的加工精度要求日益严苛,已经由纳米级材料去除提升至亚纳米级精度。然而,当前主流的传统加工技术,如化学机械抛光（CMP）、液体射流抛光（FJP）、磁流变抛光（MRF）以及离子束抛光（IBP）等,均存在各自的局限性,难以实现原子级光滑表面的制造目标。因此,如何制造出具有亚纳米级表面粗糙度且低亚表面损伤的光学元件,已成为当前亟待解决的技术难题。在不断探索新技术的过程中,气体团簇离子束（GCIB）技术作为传统离子束技术的革新升级,展现出在超精密加工领域的巨大潜力,有必要对气体团簇离子束技术的原理、辐照特性以及可能的应用展开探讨。说明气体团簇离子束技术的原理; 阐述气体团簇离子束技术所具有的独特辐照特征,包括低每原子能量、高溅射产率、横向溅射效应以及能量密集沉积等。这些特征使其与传统离子束的辐照效应截然不同; 探讨气体团簇离子束技术在抛光、刻蚀、薄膜沉积以及二次离子质谱（SIMS）等领域的应用; 总结气体团簇离子束技术现有的优势与不足,为气体团簇离子束技术的进一步发展奠定坚实基础,推动其在超精密加工领域实现更广泛的应用与突破。
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  同步脉冲偏压对HiPIMS制备DLC薄膜结构和性能的影响

  李琪刚, 陈仁德, 李昊, 王振玉, 郭鹏, 崔丽, 王梁, 汪爱英

  中国表面工程. 2025, 38(2): 233-244.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231126001

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  高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术在其放电过程中,由于阴极高负电压对离子的吸引,发生离子回吸现象,严重限制薄膜快速生长。为改善离子回吸问题,采用同步脉冲偏压方式,研究其对HiPIMS石墨靶沉积类金刚石（DLC）薄膜结构与性能的影响。通过调控同步脉冲偏压的幅值与滞后时间,采用脉冲偏压同步HiPIMS的技术制备DLC薄膜。采用示波器对HiPIMS电源放电波形进行实时监控,同时利用Langmuir探针系统研究沉积过程中的等离子体特征。通过SEM、SPM、XPS和Raman等测试薄膜的表面形貌和微观结构,并利用纳米压痕仪、残余应力仪以及划痕仪,对比研究制备的DLC薄膜力学性能、应力和膜基结合力。结果发现：当同步脉冲偏压由-100 V增加至-900 V时,DLC薄膜的沉积速率和表面粗糙度均先增后减,在-500 V时沉积速率最大为352 nm / h,表面粗糙度最低达 0.61±0.04 nm;sp³含量从47%降低至34.8%,导致硬度从48.6 GPa下降至35.1 GPa,残余压应力相应由-3.39 GPa下降至-1.9 GPa。增加同步脉冲偏压滞后时间从0到40 μs,DLC薄膜沉积速率单调增加,表面粗糙度变化不大,sp³含量从38.3%略微增加至40.2%,但残余压应力和硬度增幅显著,分别由-1.92 GPa增加至-3.05 GPa和从37.7 GPa上升至45.4 GPa。增加同步脉冲偏压幅值能够提高沉积离子密度,减少靶表面的回吸和打弧,有利于表面光滑和高沉积速率,但偏压幅值过大会引起基体区的反溅射,降低薄膜表面质量和沉积速率,但因sp³含量随偏压增加而减小,残余应力和硬度也随之下降。延长同步脉冲偏压的滞后时间,可获得高离子密度,同时提高薄膜沉积速率与sp³含量,残余应力和硬度均相应上升。利用HiPIMS复合同步脉冲偏压大小和滞后时间调控,是实现高性能碳基薄膜设计制备的新思路。
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  N₂气流量对HiPIMS制备SiN_x薄膜微观结构和力学性能的影响

  朱永明, 张斌

  中国表面工程. 2025, 38(2): 245-254.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230920003

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  由于氮化硅（SiN_x）薄膜具有较高的介电常数、绝缘强度和优异的耐磨性,广泛应用于微电子和光电器件中,作为钝化层、介电层和耐磨涂层。然而如何制备高性能的SiN_x薄膜一直是工业界和学术界的研究热点,探究N₂气流量对高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）制备SiN_x薄膜组织和力学性能的影响,选用硅靶和氮气,采用HiPIMS技术通过改变N₂气流量在硅(100)晶片上制备不同组分的SiN_x薄膜。利用X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和X射线衍射仪对所制备的薄膜成分、表面形貌及微观结构进行分析,采用纳米压痕仪和微米划痕仪对薄膜的硬度、弹性模量和结合力进行表征,并计算H / E和H³ / E²。结果表明：薄膜的致密度和表面粗糙度随N₂气流量的增加而增加,制备的薄膜表面均显示出“橘皮状”结构,且薄膜呈现无定形结构。在N₂气流量为50 mL / min时,制备的薄膜具有最佳的弹性恢复（43.35%）、硬度（13.3 GPa）、弹性模量（154.1 GPa）和耐磨特性。研究通过计算H / E和H³ / E²等参数,进一步量化薄膜的力学性能,为高性能SiN_x薄膜的设计和应用提供定量依据。研究成果不仅为利用HiPIMS技术制备高质量SiN_x薄膜提供重要参考,还对提高SiN_x薄膜的工业生产水平具有现实意义。
技术基础
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  硼掺杂浓度对金刚石薄膜电化学高级氧化性能的影响：基于[Fe(CN)₆]^3-/4-探针的研究

  郑子文, 翟朝峰, 张楚燕, 胡天文, 姜辛, 黄楠

  中国表面工程. 2025, 38(2): 255-267.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240128001

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  硼掺杂金刚石（BDD）薄膜作为电化学高级氧化降解有机污染物的电极材料,在环境保护领域具有重要的应用价值。硼掺杂浓度是影响性能的重要因素,然而直接建立硼掺杂浓度与BDD薄膜电化学高级氧化性能关系极具挑战。以热丝化学气相沉积制备的不同硼掺杂浓度的10.16 cm（4英寸）BDD薄膜为研究对象,利用[Fe(CN)₆]^{3- / 4-}氧化还原对研究BDD薄膜电化学性质,并结合电化学高级氧化降解四环素的试验结果,建立BDD薄膜电化学性质和降解性能之间的联系。研究结果表明,BDD薄膜对四环素的降解能力与电化学活性面积（ECSA）、异质电子转移动力学性质（异质电子转移常数k₀和电子转移电阻R_ct）遵从相同的变化规律：BDD_{4 000}>BDD_{6 800}>BDD_{4 700}>BDD_{3 000}。在适中的硼掺杂浓度4 000 ppm（10^-6）条件下,BDD_{4 000}薄膜由高电化学活性的金刚石（111）面和良好化学吸附能力的纳米晶金刚石构成,因而具有高k₀（1.95×10^-2 cm·s^-1）、低R_ct（126.6 Ω）和高ECSA。这将促进BDD薄膜高效地产生羟基自由基（·OH）,从而高效率降解四环素。研究结果表明,开展BDD薄膜在[Fe(CN)₆]^3-/4-中电化学性质测量,能够为迅速、简便地评估BDD薄膜电化学高级氧化性能提供参考,对选择高性能的电极材料并进一步推动其在环境保护领域的应用具有积极作用。
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  硬质合金刀具表面AlCrBN / AlTiN多层涂层制备及高速干式切削钛合金性能

  陶朗朗, 陶文远, 方炜, 蔡飞, 薛海鹏, 张世宏

  中国表面工程. 2025, 38(2): 268-280.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231226001

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  针对AlTiN涂层难以满足高速干式切削加工钛合金的苛刻需求,采用电弧离子镀技术在硬质合金刀具表面制备不同多层结构的AlCrBN / AlTiN多层涂层（交替沉积5次和10次,分别标记为AlCrBN-5和AlCrBN-10）,研究多层涂层的结构、硬度、摩擦磨损、高温性能及涂层刀具高速干式切削钛合金性能。多层涂层物相由fcc-(Cr, Al)N和fcc-(Ti, Al)N组成;多层结构可以显著提升涂层的硬度,其中AlCrBN-10涂层具有最高的硬度（4470 HK_0.05）;多层涂层经1 000 ℃真空退火处理后,仍具有较高的硬度（~2 790 HK_0.05）。摩擦磨损结果表明：多层涂层可以显著降低其摩擦因数和磨损率,其中AlCrBN-10涂层的摩擦因数和磨损率最低,分别为0.56和0.21×10^-15 m³·N^-1·m^-1。涂层刀具高速干式切削钛合金结果显示：当切削速度为100 m / min时,多层涂层刀具的切削寿命略有提升,其中AlCrBN-5涂层刀具的切削寿命为15 min,与AlTiN涂层相比 （12 min）提升25 %;当切削速度提升至150 m / min时,多层涂层刀具的切削寿命显著提升,其中AlCrBN-10涂层刀具的切削寿命为280 s,与AlTiN涂层相比（80 s）提升250 %;不同切削速度下,刀具前刀面和后刀面的磨损均为粘着磨损和氧化磨损。通过在硬质合金刀具表面构筑AlTiN / AlCrBN多层结构涂层,可以显著提升其硬度和高温稳定性,降低其前刀面和后刀面的粘着磨损和氧化磨损,进而提升涂层刀具的高速干式切削钛合金性能。所制备的AlCrBN / AlTiN多层涂层能有效提高刀具表面的高温和抗磨损性能,在高速干式切削领域具有较好的应用情景。
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  310S钢表面Fe-Al渗层的制备及其耐氯化盐腐蚀性

  陈维铅, 喇培清, 李亚明, 许世鹏

  中国表面工程. 2025, 38(2): 281-292.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240203001

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  受现用储热介质热稳定性的限制,光热发电效率难以进一步提升。为促进氯化盐作为高效储热介质在该领域的应用,使用质量分数为77% Al₂O₃ + 20% Al + 3% AlCl₃的渗剂在310S耐热钢表面制备Fe-Al渗层,并研究其在高温氯化盐中的腐蚀行为。采用XRD、SEM、EDS等方法表征渗层物相组成及截面结构,并测试涂层截面显微硬度;利用高温氯化熔盐浸泡试验,800 ℃保温30 h评估渗层的耐熔盐腐蚀性能。通过研究渗铝温度和时间对渗层厚度、微观组织及显微硬度的影响,建立渗铝过程动力学模型。结果表明：渗铝温度为725~850 ℃,渗铝时间为5~25 h时,制得渗层厚度（h）与渗铝温度（T）和渗铝时间（t）均呈线性增长趋势,其显微硬度沿渗层深度方向呈先增大后降低趋势。渗铝温度对渗层生长速率的影响符合Arrhenius关系,计算得到310S钢包埋渗铝Arrhenius活化能为73.74 kJ·mol^-1。不同渗铝温度和时间下,制得渗层结构和相组成基本相同,其外层主要由(Fe, Cr, Ni)Al₃和(Fe, Cr, Ni)₂Al₅相组成,过渡层主要为(Fe, Cr, Ni)Al相。高温腐蚀后,纯310S钢表面疏松多孔,沿晶界腐蚀严重,腐蚀深度约为37 μm,失重率约为6.0 mg / cm²;而渗铝钢表面形成厚度约为24.6 μm的Al₂O₃层,腐蚀失重率明显降低,约为2.52 mg / cm²。通过表面渗铝,可有效提高310S钢耐氯化盐腐蚀性能,并建立渗层较佳的制备工艺,为推进310S钢及涂层在氯化盐作为储热介质在储能领域的应用提供理论依据和技术支撑。
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  高温、高温度梯度条件下多元稀土掺杂氧化锆热障涂层的失效过程与机理

  范佳宾, 王全胜, 宁先进, 李立, 孙振宁

  中国表面工程. 2025, 38(2): 293-301.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240418002

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  热障涂层是先进航空发动机普遍采用的热防护手段,随着发动机工作温度提高,涂层的工作环境也愈发严峻,研究涂层在高温、高温度梯度条件下的失效模式对提高涂层在服役环境下的工作寿命具有重要意义。采用大气等离子喷涂法在GH3536基体上制备陶瓷层厚度为0.12 mm的Gd₂O₃-Yb₂O₃-Y₂O₃共掺杂ZrO₂热障涂层,对涂层的微观组织和物相组成进行表征,设计搭建保证涂层面层高温、背部低温的水冷热冲击试验平台,讨论涂层在高温、高温度梯度条件下的失效机理。结果表明：在涂层面温约为2 350 ℃的高温热冲击试验后,单次长时试验涂层寿命大于1 200 s,多次短时试验涂层寿命为3次;涂层沿厚度方向表现出明显的梯度烧结现象,表层发生严重烧结,孔隙率和晶粒尺寸沿厚度方向均呈梯度分布;在单次1 200 s热冲击试验后,涂层仍保持单一立方相,高温相稳定性好;在多次25 s热冲击试验后,随着试验次数的增多,烧结区深度增加,垂直裂纹数量增多,横向裂纹宽度增大、长度增长;涂层在高温、高温度梯度条件下失效是由高温烧结、热失配应力和热生长氧化物共同导致的。通过高温、高温度梯度条件下的热冲击试验模拟涂层的服役环境,分析涂层在高温、高温度梯度服役条件下微观结构的演变过程,明确了涂层在服役环境下的失效机理。
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  基于搅拌摩擦加工纯铝覆层的7075-T6铝合金FSW接头腐蚀控制

  杨宏, 马伟跃, 麻彦龙, 许惠斌, 杨显, 李凯

  中国表面工程. 2025, 38(2): 302-312.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240825001

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  基于搅拌摩擦加工技术在7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接（FSW）接头表面引入一层纯铝覆盖层以改善其耐腐蚀性能。采用金相显微技术、电子背散射衍射（EBSD）技术等分析表征手段,对比研究纯铝覆层前后FSW接头的微观组织演变规律;采用腐蚀浸泡试验和扫描振动电极技术（SVET）对比研究覆层前后FSW接头的局部腐蚀敏感性。结果表明：纯铝覆层处理没有引入新的腐蚀敏感区,同时降低了原始FSW接头中的残余应力,减小接头不同部位的组织差异,有效抑制7075-T6铝合金FSW接头在NaCl水溶液中的稳态局部腐蚀。纯铝覆层处理改善FSW接头耐腐蚀性能的根本原因在于,搅拌摩擦加工产生的热量通过覆层材料向接头内部传递,对原始FSW接头进行了局部热处理,进而从根本上提高了原始FSW接头的耐腐蚀性能。研究结果对优化FSW技术、提高铝合金FSW接头的可靠性有重要的参考意义。
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  渗剂中不同硅铝组成对Ti-Al-Si涂层微观组织和抗氧化性的影响

  朱纯清, 颜建辉

  中国表面工程. 2025, 38(2): 313-324.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240328004

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  TiAl基合金已广泛应用于航空航天和汽车发动机领域,然而TiAl基合金在800 ℃高温环境下抗氧化性不足,制备Ti-Al-Si涂层是提高TiAl合金高温抗氧化性的一种有效方法。以五种不同比例的粉、铝粉作为渗剂,利用固体粉末包埋渗技术在TiAl合金表面制备不同组成的硅铝共渗涂层,研究不同涂层在800 ℃高温下的抗氧化性能。结果表明：硅铝共渗制备的涂层由TiAl₂过渡层和TiAl₃外层组成,外层下方镶嵌着白色的Ti₅Si₃相。随着渗剂中Al元素含量的减少,渗层厚度减少,Ti₅Si₃相增多,过渡层厚度增加。涂层在800 ℃高温下为合金提供了良好的保护效果,氧化后涂层由外到内为Al₂O₃层、TiAl₃层以及TiAl₂层。随着渗剂中Al元素含量的增加,TiAl合金高温氧化增重逐渐减少,抗氧化性能得到提高,这主要得益于致密Al₂O₃氧化膜的形成。研究结果可为TiAl合金高温抗氧化涂层的制备提供支持。
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  形变时效对喷射沉积高锌7034铝合金微观组织和力学性能的影响

  郭洪飞, 孙数理, 郭文霞, 侯小虎, 陈晓东

  中国表面工程. 2025, 38(2): 325-333.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240128004

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  喷射沉积7034铝合金具有比强度高、韧性好、密度低等优点,但在汽车、飞机等零部件领域的应用中力学性能还达不到要求。在时效前引入预变形,改善时效态7034铝合金的力学性能。采用电子背散射衍射技术（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）等表征手段对合金晶粒状态及析出相演变进行分析,并借助力学仪器测试合金的力学性能。结果表明：经10%预变形后,合金平均晶粒尺寸降低,小角度晶界占比与位错密度增加。与未预变形峰时效态合金相比,预变形峰时效态合金硬度由212 HV提升至248 HV,抗拉强度由667.5 MPa提升至781.1 MPa,延伸率由7.8%降至7.6%,提前6 h达到时效硬度峰值,且η°相的数密度高于未预变形峰时效态合金。预变形引入的位错能为沉淀相形核提供形核质点,提高合金内析出相析出速率,能有效改善合金的力学性能,为形变时效在铝合金中的应用提供试验基础。
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  聚丙烯无纺布表面氧等离子体润湿改性与油水分离

  陈嫦颖, 马冠水, 周小卉, 杨玉龙, 张家阅, 郭鹏, 汪爱英

  中国表面工程. 2025, 38(2): 334-344.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240709001

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  聚丙烯无纺布具有优异的化学稳定性,然而其固有的疏水性限制了其在油水分离领域中的应用。为了实现聚丙烯无纺布的超亲水-水下疏油性能,采用电感耦合等离子体增强化学气相沉积技术对聚丙烯无纺布表面进行氧等离子体刻蚀,探究无纺布刻蚀前后表面结构和化学成分的变化,评估改性后无纺布的稳定性和自清洁性,并详细分析刻蚀后无纺布表面形貌变化规律及刻蚀时间对润湿性能的影响规律和作用机制。试验结果表明,通过增加氧等离子体处理时间,无纺布表面由光滑逐步演变为鱼鳞状微纳结构,并因引入氧元素,获得亲水性的羟基、羧基官能团。经过30 min的氧等离子体刻蚀处理,无纺布表面获得最优异的超亲水-水下疏油性能,其水下油接触角可达到145°,相较未经过刻蚀处理的无纺布更耐油污染,在预润湿后经过35次循环油水分离测试,油水分离效率仍能保持在98.7%以上,具有优异的稳定性和自清洁功能,拓宽了聚丙烯无纺布在油水分离领域中的应用。
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  常压空气等离子表面改性对聚碳酸酯表面润湿性能的影响

  徐智宝, 于壮壮, 于君燕, 梁景恒, 张大江, 尹承泽

  中国表面工程. 2025, 38(2): 345-353.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240325002

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  表面润湿性是影响PC材料表面喷涂、黏结等应用的重要影响因素,为改善聚碳酸酯（PC）材料表面润湿性,采用常压空气等离子处理技术对PC材料进行表面处理,利用接触角测量仪,XPS、AFM、SEM等检测手段分析等离子处理前后表面理化特性的变化,研究等离子处理对PC表面静态接触角、动态接触角及润湿滞后现象的影响规律。通过水接触角测量、水接触角滞后分析、润湿阻力系数分析和表面自由能分析表征PC表面润湿性的变化,结果表明常压空气等离子处理后PC表面亲水性增强,静态水接触角由81 °降低至40 °左右。动态接触角测试发现,等离子处理前后接触角滞后变化不大,但是等离子处理后润湿阻力系数降低47.6%,水滴在等离子处理表面更容易发生界面拓展。表面自由能分析表明,水接触角的减小与表面能中较高的极性分量有关。通过XPS进一步分析了PC表面的元素组成,结果表明等离子处理导致PC表面氧元素及极性官能团浓度增加。SEM和AFM观察发现,在等离子束轰击溅射下表面形貌变得更加均匀致密,表面均方根粗糙度R_q由1.2 nm增加至3.7 nm。分子动力学模拟发现,表面氧元素及HO-C=O官能团增加使水和PC的界面结合能提升27.4%。研究结果可为常压空气等离子处理技术在PC材料的相关表面改性中提供理论基础与试验依据。
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  铬 / 镍涂层对30CrMnSiNi2A钢冲击磨损行为的影响

  祖挥程, 何治强, 方修洋, 曹中清, 安鲁陵

  中国表面工程. 2025, 38(2): 354-368.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240613001

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  30CrMnSiNi2A是一种广泛应用于航空航天等行业的超高强度钢,在服役的复杂工况下极易受到沙粒、石块的冲击,探究其耐冲击磨损性能极为重要,目前对其冲击性能的研究少有报道。对30CrMnSiNi2A及在其表面镀铬、镀镍三种试样在自制冲击磨损设备进行冲击磨损试验,通过维氏硬度计、XRD、光学显微镜、三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜及EDS对材料、磨损行为及冲击动力学响应数据的分析,研究不同表面处理后该材料的耐冲击磨损性能。结果表明：在低冲击循环次数时,表面镀铬试样有着最好的耐冲击磨损性能,磨损体积较未处理试样降低4倍;随着循环次数增加,3种试样耐冲击性能相近,这是由于镀铬试样硬度较大,冲击过程中易产生裂纹,对其耐冲击性能产生了较大影响,随着循环次数增加,冲击表面产生了冲击碎片,又影响了其耐冲击性能。探究了不同涂层在冲击磨损时的机理,补充了在本材料上冲击行为探究的不足。
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  用于木质文物保护的全氢聚硅氮烷疏水涂层

  沈鑫, 欧军飞

  中国表面工程. 2025, 38(2): 369-380.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231111003

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  木质文物易受潮,导致其保存状况不稳定。全氢聚硅氮烷（PHPS）是一种陶瓷涂层前驱体,具有室温固化、成膜透明、硬度高、附着力强等优点。首次将PHPS用于木质文物封护,研究涂料固含量等因素对涂层透光性、疏水性、耐久性等因素的影响。当PHPS固含量为6 wt.%时,木材表面涂层的疏水性最佳,接触角可达122°;涂层的疏水性能使得木材的吸水率从原来的91%显著降低至约28%。涂层具备良好的透明度,可见光透过率约为91%,使得涂覆前后木材的颜色变化极小（色差值ΔE仅为1.88）,肉眼几乎无法察觉差异。涂层表现出良好耐久性,在面对砂纸摩擦、水流 / 沙砾冲击、酸液浸泡、紫外辐照等各种机械和化学作用时,疏水性没有显著下降。全氢聚硅氮烷涂层能有效延缓水分渗透,抵御物理、化学侵蚀,从而延长木材使用寿命,在木质文物保护领域,具有巨大的应用前景。
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  工业油污干冰清洗数值模拟与试验

  曾勇, 郑潇天, 赵雪雅, 陈洪博, 顾金彤

  中国表面工程. 2025, 38(2): 381-397.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240202001

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  目前对于干冰清洗效果还依赖于工人的经验,无法获得较为准确的清洗参数。为了获得干冰清洗的最佳工艺参数,提升清洗效率并降低清洗成本,采用CFD数值模拟和试验相结合的方法,并以常见的附着力等级为2级和4级的油污为清洗对象,研究清洗距离、清洗角度、清洗速度和干冰颗粒质量流量等主要工艺参数对清洗效果的影响。通过CFD仿真,分析距离喷枪口不同位置与干冰颗粒浓度以及速度的影响关系,获得干冰清洗距离控制范围;通过静态清洗试验,并与仿真结果对比,验证CFD仿真方法的有效性和准确性;通过正交动态清洗试验,并采用图像二值化处理方法,分析清洗距离、清洗角度、清洗速度和干冰颗粒质量流量对清洗效果的影响关系。最后,通过变参数清洗试验,获得两种油污完全清洗的工艺参数。试验结果表明,对附着力等级2的油污,清洗距离对清洗效果影响最大,而对于附着力等级为4的油污,干冰质量流量对清洗效果影响最大,不同附着力的油污,工艺参数的影响大小不同,清洗参数之间相互制约影响,故在清洗时须选取适当清洗参数。不同附着力的油污,工艺参数的影响大小不同,确定主要清洗参数后,其余清洗参数将发生改变,所以在清洗时须要选择合适的清洗参数。采用仿真试验相结合的方法,针对不同性质的油污,得出精确的清洗参数,可以高效地去除工件表面油污且极大地降低成本。
工程应用
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  玻纤增强PET-2024铝合金结合件的注塑工艺参数优化及强度提升

  娄淑梅, 马奔, 程宝嘉, 杜安博, 赵豪, 苗雨, 范克健

  中国表面工程. 2025, 38(2): 398-408.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240118001

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  目前PET-Al结合件界面结合强度较低,其力学性能无法满足工业中的应用。利用喷砂和硅烷偶联剂（KH-892）处理2024铝合金表面,采用注射成型工艺制备30 wt.%GF / PET-2024Al复合材料结合件。为研究注塑参数对界面结合强度的影响,首先对注塑参数进行正交试验设计,建立响应面模型,并采用NSGA-II优化算法求解最优注塑参数,通过硅烷偶联剂对2024Al金属界面进行处理,采用更贴近工程应用实际注塑工艺和反映注塑缺陷的大试样进行拉伸剪切试验,研究硅烷偶联剂浓度对结合强度的影响。结果表明：表面涂覆1 wt.%浓度KH-892硅烷的接头拉伸剪切强度达到12.79 MPa,比未涂敷KH-892的喷砂试样提升84.3%。采用X射线光电子能谱（XPS）揭示硅烷与铝合金在高温固化作用下生成Si-O-Al键,利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示硅烷与PET分子链之间形成强氢键作用,最后采用扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）揭示硅烷偶联剂KH-892浓度不同带来的PET-铝合金结合件界面断裂模式及表面形貌的不同。确定最优注塑参数,证实了KH-892可有效促进 PET-2024Al 间氢键形成,显著提升界面强度,为PET-Al结合件的制备工艺提出一种新方法。
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  碱性离子水制备及在钢板清洗短期防腐的应用

  徐运超, 王济焜, 赵鸿旭, 张智信, 代晓林, 张硕, 庞桂兵

  中国表面工程. 2025, 38(2): 409-419.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231121001

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  现阶段钢板除锈防腐工艺多是通过表面喷砂处理或水射流除锈，存在快速返锈现象，同时危害操作人员健康且带来环境污染问题。为寻找一种钢板表面快速除锈且可以短期防腐的新型工艺，通过试验优化碱性离子水溶液制备工艺，提出钢板短期防腐的清洁绿色加工方法。利用阴离子交换膜法电解自来水获得碱性离子水溶液，探究电压、电流以及催化剂添加量对水溶液pH的变化规律。试验结果表明，通过恒流电解法可以快速稳定地获得碱性离子水溶液，其pH可以达到10.3～13.0。通过动电位极化曲线计算钢板在不同pH水溶液中腐蚀电位，结果表明随着溶液pH增加，钢板的腐蚀电位有所提高，而腐蚀电流密度下降。通过表面形貌观察发现，随着pH升高，钢板的腐蚀程度减小，防腐时间增加。当pH为13.0时，浸泡164 h之后表面仍表现出良好的防腐效果。与传统喷砂法和自来水射流清洗表面工艺相比，碱性离子水射流清洗表面的防腐性能提高，防腐时间有所延长。表面漆膜结合强度检测结果表明，碱性离子水溶液清洗表面的漆膜强度值可达20 MPa，相比喷砂和自来水射流清洗表面的漆膜强度分别提高20%和33.3%，表现出优异的结合效果。碱性离子水溶液可以降低金属钢板的氧化反应速度，提升防腐性能，增加漆膜结合附着力。所提出的碱性离子水射流除锈工艺可为钢板短期防腐提供一种清洁加工方案和理论指导依据。
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  基于FACR深度迁移网络的叶轮表面缺陷检测方法

  宿磊, 谢琛, 张思雨, 顾杰斐, 吴卫天, 李可

  中国表面工程. 2025, 38(2): 420-430.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231031001

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  随着工业智能化的发展,叶轮表面缺陷检测在保障设备安全与提升生产效率中扮演着关键角色。然而,实际工业环境下缺陷样本信息不完备、样本标记耗时以及检测模型适应性差等问题制约着检测精度的提升。为解决这些问题,提出基于傅里叶约束的自适应一致性正则化（FACR）网络的叶轮表面缺陷检测方法。研究基于傅里叶变换的隐式信息约束策略,针对不同域的缺陷图片进行傅里叶变换得到相位和振幅,对振幅进行线性插值以增强样本信息,同时保证相位不变交换振幅的对应区域,使得模型关注相位信息（即结构信息）,降低背景环境对检测模型的影响;引入课程学习思想动态调整阈值,解决固定阈值无法考虑不同类别的不同学习状态和学习难度导致复杂缺陷检测精度低的问题;结合迁移学习和半监督学习,引入自适应一致性正则化,综合预训练模型的知识以及半监督中带标签 / 不带标签数据的缺陷信息,提高模型检测性能;将原始样本与增强样本的分类结果作为衡量其对网络贡献性能的指标,并将贡献性能作为权重应用在分类损失上,使模型充分学习小样本下叶轮表面缺陷知识,提高实际工业环境下模型对叶轮表面缺陷检测的泛化能力。试验结果表明,与其他半监督域自适应方法比较,所提方法有效提升叶轮表面缺陷检测精度,不仅为实际工业应用提供了有力的技术支持,也丰富了缺陷检测领域的技术手段,对于推动工业智能化和保障设备安全具有重要的理论价值和实践意义。
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  基于单元式菲涅尔光学原理的光刻纹理动态视效设计方法

  许方威, 刘肖健, 尹子豪

  中国表面工程. 2025, 38(2): 431-441.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240311001

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  目前灰度光刻技术已广泛应用在产品表面装饰纹理的制作中,但在3D立体效果的呈现上易产生视觉上的瑕疵。为在材料表面通过灰度光刻工艺制作裸眼3D视觉效果,规避常规设计方法所导致的纹理宏观上的瑕疵,并在设计阶段进行仿真预览以降低打样成本,提出一种表面微结构的单元式菲涅尔设计方法,将曲面分解为尺寸小于人眼分辨率的单元。单元由平面或组合平面构成,将所有平面的高度落差控制在材料厚度限制内,并保持法矢与原有曲面对应位置相同,在人眼视觉可辨的范围内保持了曲面法矢的连续性,但消除了曲面本身的连续性,避免了在材料表面出现可视的额外视觉要素。基于漫反射光学模型开发用于对微结构动态视效进行仿真的渲染器,以预览设计方案。制作典型设计方案的光刻实样,对其动态视效进行了仿真模拟。在共聚焦显微镜下测量的结果显示微观三维结构基本与设计的结构一致,宏观的裸眼动态视效与模拟动图相似。所提出的设计结构满足实际加工工艺上的要求,可对加工前的设计图档进行简单有效的仿真,并避免出现纹理效果的视觉瑕疵。
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  弹体热防护涂层材料及制造技术工程实践

  肖军, 陈建敏, 廖志忠, 王建, 杨硕, 曾一兵, 孙伟华, 程功

  中国表面工程. 2025, 38(2): 442-453.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240805002

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  高速机载导弹弹体结构热防护涂层材料及防热涂装工程技术在产品研制、批产交付、使用维护和战斗力发挥等方面发挥重要作用。该类产品产量大,且任务剖面和寿命剖面具有服役环境严酷、使用维护要求高等特点;其批产交付有别于航天飞行器、箱式或筒装的战略 / 战术导弹及常见机械、船舶等装备设施所用常规表面涂装技术以及实验室材料制备、测试和表征。以实现先进性能、稳定批产交付高可靠性产品为目标,针对产品结构热防护自主工程研制面临批生产规格繁多、形貌复杂、数量大、已有涂装材料工艺施工难、周期长、质量不易监控、故障多及成本受限等诸多困难及工程问题,开展一系列表面工程技术应用研究。结合该产品结构和使用维护、任务与寿命剖面特点的深度分析,研讨产品适用的外防热涂层、内隔热涂层工程材料体系的选用,大批量、高效防热涂装生产技术研发以及产品质量监控相关的理化检测、工序检验和交付检验及故障处理等直接影响批产交付相关专项技术所开展的应用研究和工程实践。研究结果可为相关材料的改进、新研和工程应用提供有益的借鉴和参考。