2025年, 第38卷, 第3期　刊出日期：2025-06-23

  

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特邀专栏：增材制造与表面工程
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  增材制造连续纤维增强树脂基复合材料研究进展

  刘小龙, 王文宇, 赵阳, 王晓明, 牛宗伟

  中国表面工程. 2025, 38(3): 1-18.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240802002

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  连续纤维增强树脂基复合材料是近年发展起来的一种新型高性能复合材料,采用增材制造技术制备复合材料具有制造过程灵活、成型效率高的优点,因此成为研究的热点。总结树脂基体材料和纤维材料的特点,重点论述连续纤维增强树脂基复合材料增材制造的挤出和浸渍工艺及其温度、打印速度、打印间距等工艺参数对材料的影响,综述连续纤维增强树脂基复合材料的纤维与基体之间、层与层之间断面微观组织结构和材料的拉伸强度与弯曲强度等力学性能。针对目前连续纤维增强树脂基复合材料的增材制造材料需求增加和性能缺陷等存在的问题做出总结并对发展方向提出建议,如提高复合材料的可回收性并进一步改善增材制造工艺过程等。通过对当前连续纤维增强树脂基复合材料的研究进展进行总结,全面了解该领域的研究现状,对未来的研究趋势及应用领域进行分析和展望。
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  冷喷涂增材制造铝系金属间化合物研究进展

  甘雨禾, 王骏, 雒晓涛, 李长久

  中国表面工程. 2025, 38(3): 19-30.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241018001

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  铝系金属间化合物以其优异的高温力学性能、抗高温氧化与腐蚀性能和低密度的特点,作为防护涂层和结构件在航空航天等领域具有广泛的应用前景。室温脆性大的特点导致铝系金属间化合物在激光选区熔化或电子束熔化等高能束增材制造时,存在缺陷多、易开裂等系列工艺难题。冷喷涂技术作为一种低温固态材料沉积技术,有望在较低的热输入条件下制备铝系金属间化合物,避免高能束增材制造中的开裂难题。对此总结近年来国内外在冷喷涂技术制备铝系金属间化合物方面的研究进展。总结包括采用直接金属间化合物粉末沉积、单质金属混合粉末冷喷涂与后热处理、机械球磨伪合金粉末与热处理等粉末设计与制备技术路线对冷喷涂沉积行为及沉积体性能的影响;归纳搅拌摩擦后处理与热等静压等后处理工艺对沉积体显微结构和性能的影响规律;对比分析不同技术路线的优点与局限性,以期为冷喷涂增材制造铝系金属间化合物提供指导。
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  超声滚压对金属表面纳米强化与组织性能提升研究进展

  杜沁, 郝敬宾, 刘昊, 杨海峰

  中国表面工程. 2025, 38(3): 31-56.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241031004

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  超声滚压技术（USRP）采用超声波能量对金属表面进行纳米强化处理,通过施加高频机械振动引起材料表面塑性变形,显著提升材料的表面完整性与力学性能。作为一种创新的材料表面改性技术,USRP能在材料表面产生残余压应力,有效防止裂纹形成和扩展,降低腐蚀介质的渗透性。此外,该技术还能形成具有梯度变化晶粒尺寸和取向的纳米结构层,从而显著增强材料的表面硬度及耐磨性。综合USRP在钢铁、铝合金、钛合金、镁合金、镍合金和高熵合金等领域的研究进展,并归纳这些材料经USRP处理后,在表面纳米强化和组织性能提升方面的成效。同时,探讨USRP在提升金属综合性能方面的作用机制,并揭示其在性能提升方面的广泛应用潜力。最后对USRP的未来应用前景和发展方向进行展望,指明其在提升材料实际应用性能方面的研究价值。
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  生物医用钛表面构建二氧化钛纳米管阵列传递抗菌药物的研究进展

  林晓霞, 柳忠豪, 陈贤帅, 欧阳江林, 李文杰, 江静

  中国表面工程. 2025, 38(3): 57-87.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241209003

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  二氧化钛纳米管（TiO₂ NTs）作为一种新型表面改性材料,因其独特的纳米结构、高比表面积及优异的抗菌和药物缓释能力,已成为生物医用材料研究的热点。系统综述TiO₂ NTs的构建方法及其在抗菌领域的应用进展,重点分析纳米管在细菌感染控制中的作用及其对药物释放的调控机制。同时,探讨多种抗菌剂的分类及负载方法,包括物理吸附、层层自组装和溶液浸渍等技术,并分析封接技术在提升药物释放效率中的关键作用及影响因素。尽管TiO₂ NTs在抗菌性能和生物相容性方面展现出巨大潜力,其实际应用仍面临结构稳定性、药物释放精准度及长期安全性等挑战。未来研究应聚焦于优化纳米管设计、开发多功能复合材料并通过临床试验验证其长期效果,以进一步推动其在医学领域的广泛应用。
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  增材制造陶瓷表面化学气相沉积SiC涂层的工艺与性能

  杨辰倩, 杨文轩, 孙策, 章嵩, 陈鹏, 刘凯, 涂溶, 杨梅君, 王春锦, 史玉升

  中国表面工程. 2025, 38(3): 88-98.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241224005

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  增材制造技术可实现陶瓷材料复杂构件的整体成形,但构件表面存在“增材痕迹”、多相分布、气孔等缺陷,后续表面精密加工困难,难以满足空间光学探测、半导体制造装备等对高性能碳化硅陶瓷构件的迫切需求。为此,提出化学气相沉积高纯高致密碳化硅涂层修复增材制造陶瓷表面缺陷的新思路。系统研究沉积温度对增材制造碳化硅陶瓷表面涂层硬度、沉积效率、界面结合、微观形貌、可加工性的影响规律。结果表明,随着沉积温度的升高,涂层沉积速率加快,晶粒尺寸和表面硬度增大。但过高的沉积温度会导致涂层内部出现孔隙,致密度降低。沉积涂层与增材基底界面结合良好,当沉积温度1 400 ℃时,界面处生成枝状晶,结合力较大,表面加工性较优。研究采用化学气相沉积涂层方法可有效改善增材制造碳化硅陶瓷的表面质量,为高端装备用高性能碳化硅复杂构件的工程应用奠定了基础。
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  3D打印SiC陶瓷表面的高温自润滑耐磨涂层制备与性能

  马楚楚, 张垚, 李天杨, 王有缘, 曾鲜, 龚小龙, 曾飞, 孙华君, 闫春泽, 史玉升, 刘凯

  中国表面工程. 2025, 38(3): 99-108.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241127002

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  3D打印SiC陶瓷因其轻质高强、耐高温及优异的力学性能,在航空航天、能源加工等领域受到广泛关注。为改善3D打印的SiC陶瓷表面摩擦性能,采用溶胶法结合离心雾化干燥制备三种不同成分的YSZ-Al₂O₃-CaF₂-C热喷涂用复合粉体,利用大气等离子喷涂技术在陶瓷表面沉积对应的复合涂层（Ca0C0、Ca5C10、Ca10C5）,并详细研究复合涂层的微观结构及其在室温和600 ℃下的摩擦性能和磨损机制。结果表明,三种复合涂层呈典型的层状结构,主要由YSZ、Al₂O₃和m-ZrO₂物相组成,其中Ca10C5和Ca5C10涂层中还有CaF₂、C相。未加CaF₂、C润滑相的Ca0C0涂层在室温和600 ℃下的磨损率最低,但具有最大的摩擦因数。加入CaF₂和C润滑相的Ca5C10和Ca10C5涂层在室温和600 ℃下的摩擦因数均大幅减小,体现出较好的自润滑性能。但加入润滑相后,涂层的硬度降低且涂层内部的孔隙缺陷增加,从而伴随磨损率升高。综合来看,Ca10C5涂层具有较低的摩擦因数（室温下0.239、600 ℃下0.175）和较低的磨损率（室温下1.02×10^-5 mm³ / (N·m)、600 ℃下0.84×10^-5 mm³ / (N·m)）,体现了良好的自润滑和耐磨性能,其磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损。
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  固态搅拌摩擦增材制造铝锂合金的微观组织演变与力学性能

  王波, 陈少龙, 管月辉, 杨益, 郭彦兵, 申志康, 李文亚

  中国表面工程. 2025, 38(3): 109-120.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240918001

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  基于熔融的增材制造技术会造成高强铝合金等材料的元素烧损,并易形成多种缺陷和结构变形。搅拌摩擦增材制造技术具有低温和大塑性变形的特性,在铝合金、镁合金等轻质材料的增材制造上具有突出优势。采用摩擦搅拌增材制造技术制备单道多层铝锂合金样品,采用光学显微镜和扫描电镜对增材样品不同区域进行表征,并使用显微硬度计和万能试验机对增材样品不同区域和方向上的力学性能进行分析。结果表明：单道多层搅拌摩擦增材样品的有效增材区域无任何可视缺陷,搅拌区材料发生了连续动态再结晶,在其厚度方向上,晶粒尺寸由最上层至最底层呈逐渐减小趋势,分别为3.1、2.9、2.2和2.1 μm,最上层区域再结晶程度较低,而中层和最底层区域较高。增材样品横截面上的显微硬度呈“W”形或“V”形分布,搅拌区的抗拉强度可达到341 MPa,断裂延伸率为5.7%。沿增材样品横向和纵向拉伸的断裂方式分别为准解理断裂和韧性断裂。搅拌摩擦增材制造技术可有效避免多种缺陷的形成,且有利于获得细小致密的组织,可为铝合金、镁合金等轻质高性能材料的搅拌摩擦增材制造研究提供理论基础。
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  超声表面深滚压改善增材制造316L不锈钢微观组织和耐磨性

  张涛, 韩静, 曹超, 黄笛, 赵继云

  中国表面工程. 2025, 38(3): 121-129.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240908001

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  增材制造316L不锈钢及其零部件具有高效、自由成型、优异力学和腐蚀性能等优势,为矿山机械及工程装备关键零部件、液压元件等结构—功能一体化制造奠定了基础。然而,增材制造316L不锈钢耐磨性不足,极大限制了其广泛应用。尝试采用超声表面深滚压（USSR）方法改善选区激光熔化（SLM）制造316L不锈钢的微观组织,进而提高其耐磨性。微观组织表征表明,USSR方法在SLM制造316L不锈钢表层形成梯度异质结构,表层晶粒细化至87 nm。室温磨损试验表明,相较于SLM试样,USSR试样在干摩擦和乳化液润滑条件下磨损体积分别降低了46.93%和49.58%。耐磨性提高主要来源于梯度异质结构带来的高硬度和变形抗力。研究结果为改善增材制造316L不锈钢及其零部件的耐磨性提供了新的途径。
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  Y₂O₃对H13热锻模基体表面激光熔覆Stellite6熔覆层热疲劳性能的影响

  周虎, 李日榜, 李宁波, 李谈, 罗灵杰, 王冰, 程战, 龙伟民, 关常勇

  中国表面工程. 2025, 38(3): 130-138.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241205001

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  热锻模锻技术是航空、航天、汽车等领域关键零件高效低成本批量制造的主要手段。热锻模作为热模锻件成形的关键装置,对锻件质量和成本的影响程度在整个生产环节中处于主导地位。然而,热锻模在使用过程中易出现开裂、变形及热疲劳等损伤,导致其失效。为此,采用激光熔覆技术在斗齿热锻模型腔表面制备Stellite6熔覆层和Y₂O₃ / Stellite6复合熔覆层。通过超景深显微镜、扫描电子显微镜、维氏显微硬度计及热疲劳试验装置等试验仪器,研究H13热锻模基体、最佳工艺参数的Stellite6熔覆层及0.8wt.% Y₂O₃ / Stellite6复合熔覆层在400 / 800次热疲劳试验下的裂纹及显微硬度变化。结果表明：在400次试验下,熔覆层的热疲劳性能明显优于H13热锻模基体;在800次试验下,Y₂O₃ / Stellite6复合熔覆层显著提高了基体的热疲劳性、热稳定性和高温抗氧化性。同时,不同试样表面的显微硬度均有所降低,其中H13钢基体的硬度下降幅度最大,而Y₂O₃ / Stellite6复合熔覆层的硬度下降幅度最小。
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  基于改进型YOLOv5算法的IN718镍基合金激光熔覆孔隙高精度检测及其控制方法

  盛杰, 王勇, 徐天翊, 林相奇, 孟宪凯, 周建忠, 陈峰, 李果, 黄舒

  中国表面工程. 2025, 38(3): 139-151.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240827001

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  为了提升激光熔覆损伤修复件中孔隙的检测精度,以调整激光熔覆工艺参数,从而减少熔覆层气孔、开裂等缺陷,提升激光熔覆层质量,开展IN718镍基合金不同工艺参数下的激光熔覆试验,并开发一种改进型SP-YOLOv5孔隙检测算法。在输入层与卷积层之间增加Coordatt注意力机制模块,从而增强特征图的空间位置信息权重;改写YOLOv5网络结构,以增强网络模型对孔隙类小目标的检测能力;采用Soft-NMS代替原有NMS（非极大值抑制）进行检测结果后处理,进一步降低网络漏检率;将SP-YOLOv5算法孔隙检测结果与YOLOv5、FasterRCNN、RCNN以及ImageJ软件分析结果进行对比,得出SP-YOLOv5算法模型比其他算法模型的精度最高提升了10.57%;在此基础上,通过对激光熔覆熔池温度、熔池面积及熔覆层横截面孔隙率、熔宽、熔高、熔深等的测量,基于Stacking算法建立激光熔覆工艺参数与孔隙率的回归预测模型,并采用目标优化算法获得了较优激光熔覆工艺参数组合（激光功率1 330 W、扫描速度460 mm / min、送粉率13 g / min）,对熔覆件进行孔隙参数测量,结果显示,在这些优化参数下,Stacking模型预测的孔隙率与实际测量值的一致性达到97.5%,验证了优化方法的有效性,研究结果可为激光熔覆层孔隙缺陷的有效控制提供理论依据。
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  焊后热处理对Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金组织和磨损性能的影响

  李二虎, 崔丽, 邵蔚, 贺定勇, 许一, 于金满

  中国表面工程. 2025, 38(3): 152-160.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241223002

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  单齿辊在工作过程中面临着严重的高温磨粒磨损问题。为了提高其服役寿命,采用药芯焊丝电弧焊制备Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金,并分析不同Cr含量（14wt.%、18wt.%、23wt.%）和焊后热处理对Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金微观组织和磨粒磨损性能的影响。结果表明,Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金主要由马氏体、残余奥氏体和M₇C₃碳化物组成。随着Cr含量从14wt.%增加到23wt.%,M₇C₃碳化物面积分数从48.9%增加到57.2%,而其尺寸则从27.9 μm减小至23.7 μm;随着Cr含量的增加,堆焊合金的耐磨性提升,这是因为随着Cr含量的增加,堆焊合金中碳化物硬质相的含量增加,并且硬质相组织细化,提高了合金抵抗磨粒的切削能力,从而提高了合金的磨损性能。然而,900 ℃下进行焊后热处理使三种堆焊合金中M₇C₃碳化物的面积分数分别降低至41.4%、48.9%、50.8%,而碳化物尺寸分别增加至32.1 μm、27.3 μm、26.4 μm,使得堆焊合金的硬度和耐磨性下降。研究焊后热处理对Fe-Cr-Mo-C耐磨堆焊合金组织和磨损性能的影响为单齿辊修复方面的研究和应用提供了参考。
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  感应钎焊金刚石颗粒增强镍基梯度涂层组织及性能

  吴奇隆, 孙华为, 李宇佳, 孙志鹏, 袁世成, 张雷

  中国表面工程. 2025, 38(3): 161-172.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241013001

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  随着机械装备向长寿、高效、重载方向发展,对零部件的耐磨性能提出了更高的要求,传统镍基合金涂层已难以满足日益复杂、苛刻的使役环境。为了提高镍基涂层的显微硬度及耐磨性,采用高频感应加热技术在45钢表面制备金刚石增强镍基梯度复合涂层。借助扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、摩擦磨损试验机,研究梯度复合涂层的显微组织、物相组成、显微硬度和磨损性能,揭示金刚石增强镍基涂层磨损失效机理。结果表明：梯度复合涂层物相主要由γ-(Fe,Ni)、FeNi₃、Cr₇C₃、CrB、Cr₂₃C₆和金刚石组成。涂层微观组织出现明显的分层现象,在涂层底部存在大量粗大的初生Cr₇C₃碳化物,碳化物沿着涂层垂直方向生长。沿着垂直方向,Cr₇C₃碳化物晶粒尺寸逐渐变小。在涂层顶部碳化物呈小颗粒状,弥散分布在涂层中。金刚石周围形成碳化物包覆层,金刚石与钎料合金实现良好的冶金结合。梯度复合涂层显微硬度呈梯度分布,涂层上部平均显微硬度达到900.1 HV。金刚石增强镍基梯度涂层耐磨性能接近镍基涂层的1.8倍。研究结果可为金刚石增强镍基梯度涂层的制备提供理论参考。
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  添加CeO₂对激光熔覆JG-3组织性能的影响和温度场数值模拟

  张喜峰, 郭臣, 王冬, 张树秋, 李小海

  中国表面工程. 2025, 38(3): 173-184.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240919002

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  在煤矿产业中,27SiMn钢作为液压支架立柱和千斤顶的常用材料,最易受到损坏。采用激光熔覆JG-3合金粉末来改善其表面性能,增加其使用寿命。利用ANSYS有限元分析软件,对27组不同工艺条件下的激光熔覆温度场展开研究,得到激光熔覆某一时段熔池温度—时间曲线。经熔覆层半径理论对比以及单道熔覆试验验证,确定最优工艺参数组合为1 000 W-8 mm / s-5 mm。在表面工程领域,适量添加稀土CeO₂可促使组织细化、提高显微硬度。为探究不同质量分数CeO₂对JG-3熔覆层组织及性能的影响,于27SiMn钢表面进行激光熔覆JG-3和CeO₂试验,并进行显微组织观察、物相组成分析、显微硬度测试以及摩擦磨损试验。结果表明：添加1.0% CeO₂能显著改善组织均匀性和致密程度,有效减少气孔以及夹杂物的产生;促进Cr₂₃C₆相和Fe(Cr)固溶体形成,进而细化熔覆层组织结构,使熔覆层硬度分布均匀且达峰值,相比未添加时提高8%;其摩擦因数与摩擦质量损耗最小,具备最佳耐磨性能,对熔覆层耐磨性能的改善效果最为显著。
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  激光熔覆FeCoCrNiAl_0.5Ti_0.5高熵合金涂层腐蚀摩擦复合行为

  郭一帆, 郭学平, 卢冰文, 闫星辰, 刘敏, 殷硕

  中国表面工程. 2025, 38(3): 185-198.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240906001

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  利用激光熔覆技术在AISI 1045钢基体上制备FeCoCrNiAl_0.5Ti_0.5高熵合金（HEA）涂层,并对涂层的微观组织与摩擦磨损行为展开探究。微观组织表征结果显示,HEA涂层主要由体心立方（BCC）和面心立方（FCC）结构组成,且由于调幅分解,部分BCC相转变为L2₁结构。在固溶强化及细晶强化作用下,涂层平均显微硬度达到了546.0±16.3 HV_0.2。对基体和涂层的干摩擦磨损测试结果表明,涂层具有优异的耐磨性,其干摩擦磨损率为1.41±10^-4 mm³ / (N·m),仅为基体的35.74%。在3.5wt.% NaCl溶液中浸泡不同时长后对涂层进行湿磨擦磨损测试,结果表明,涂层湿磨擦的磨损率随着浸泡时间的增加显著升高,未浸泡涂层磨损率为1.11×10^-5 mm³ / (N·m),而浸泡15 d涂层的磨损率达到了3.08×10^-5 mm³ / (N·m)。此外,涂层的干摩擦磨损主要磨损形式为三体磨损和磨粒磨损,而湿磨擦磨损过程则受到腐蚀、氧化磨损和三体磨损等共同作用。
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  基于模糊增量式PID控制的激光定向能量沉积熔池温度监测与闭环控制

  苏立志, 杨建利, 卢通, 徐子法, 郭伟, 覃祥丽, 王文涛, 何建群, 马新强, 成巍

  中国表面工程. 2025, 38(3): 199-212.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240728002

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  作为激光增材制造的技术之一,激光定向能量沉积利用送粉器将粉末送入由高能量激光束产生的熔池中,将材料逐层沉积在基板上,可以实现任意复杂形状的零件成形。沉积过程中熔池温度与成型质量密切关联。因此需要对熔池温度进行实时检测,为工艺参数的调整提供指导。沉积时熔池温度受零部件散热条件变化、设备波动等外部环境影响易发生波动变化,导致形成性能低、形貌差的沉积层,所以需要对熔池温度实时控制。针对激光定向能量沉积成形中熔池表面温度难以测量与控制的问题。搭建彩色电荷耦合设备相机（CCD）同轴测温系统与闭环控制系统,设计多组试验。研究送粉速率、扫描速度、激光功率对熔池温度的影响规律。发现激光功率变化对熔池温度的影响最显著。根据激光定向能量沉积过程的特点,提出一种基于模糊增量式比例-积分-微分（PID）的熔池温度控制算法,并基于Simulink建立仿真系统,为搭建熔池温度闭环控制提供理论支撑;基于微软基础类库（MFC）开发闭环控制系统软件,设计激光定向能量沉积试验,通过添加激光功率、送粉速率变化模拟实际生产可能出现的问题,分析闭环控制下熔池温度的变化,验证模糊增量式PID算法应对复杂多变的激光定向能量沉积过程的有效性。结果表明,模糊增量式PID算法相比于增量式PID算法具有更好的控制效果。模糊增量式PID算法通过模糊逻辑的引入,可以更好地处理非线性系统和不确定性,并在复杂环境下,控制系统的响应更为精确地减少了超调和稳态误差,为实际应用提供了新思路。
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  基于深度学习的激光熔覆过程状态及缺陷声发射信号识别方法

  刘琳, 杨斌, 姚鑫宇, 丁昊昊, 张沭玥, 林强, 王文健

  中国表面工程. 2025, 38(3): 213-224.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240726001

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  在激光熔覆过程中由于工艺参数、材料特性等多方面的影响,容易产生裂纹、气孔等缺陷,严重影响熔覆质量,如何快速、准确地检测出激光熔覆状态及缺陷产生情况,对改善熔覆层质量具有重要意义。利用声发射信号能够准确反映材料本身特征的优势,结合深度学习算法,设计出激光熔覆过程状态及缺陷识别方法。通过单层单道激光熔覆超景深显微图像和声发射信号对比结果,确定出熔覆缺陷和声发射波形数量上存在对应关系;将激光熔覆过程划分为五种熔覆状态：送粉状态、熔融状态、冷却状态、产生裂纹状态、产生气孔状态,通过单层多道激光熔覆试验采集五种状态声发射信号,并对五种声发射信号在时域、频域以及能量方面进行分析;选取合适的工艺参数进行重复试验制作数据集,设计基于残差网络的激光熔覆状态识别网络模型,判断熔覆状态;通过激光熔覆缺陷数量及持续时间识别算法,识别出缺陷产生的数量和持续时间。最终设计的激光熔覆状态识别网络模型测试准确率为97.74%。通过声发射系统监测激光熔覆过程同时结合深度学习算法,可以有效识别当前激光熔覆状态以及缺陷的产生情况,为激光熔覆智能检测提供了新思路,也为反馈调控提供了重要技术支持。
综述
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  液滴撞击润滑液体注入的多孔表面动力学

  蒋泺濠, 陈翌鑫, 齐帅东, 王京

  中国表面工程. 2025, 38(3): 225-239.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241025003

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  受猪笼草的启发,润滑液体注入的多孔表面（Slippery liquid-infused porous surfaces,SLIPS）利用液体润滑替代气体润滑,弥补了超疏水表面耐久度差、耐压能力低等缺陷。SLIPS具有良好的低粘附特性、自修复性、极端压力稳定性等优异特性,可被广泛应用于工业防除冰、防除霜、液滴发电等重要能源应用领域。由于SLIPS在应用工况中常伴随着与液滴的相互作用,系统研究SLIPS与液滴的相互作用机制,对于在不同应用工况下准确使用SLIPS至关重要。首先介绍了SLIPS的组成要素和制备方法,总结了液滴撞击SLIPS的动力学现象。进而对液滴撞击过程的铺展动力学、回缩动力学和接触时间进行了理论分析。其中,润滑剂黏度、润滑层厚度、基底表面润湿性对液滴回缩动力学表现有显著影响,而对惯性力主导的铺展动力学表现影响较小。最后,总结了SLIPS在工业防除冰、防污、集水和发电领域的应用和优势,并展望了液滴撞击SLIPS的研究方向和应用前景,为进一步利用SLIPS在重要能源应用领域提供关键物理原理的理解和使用指导。
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  滚动轴承表面PVD涂层结合强度的影响因素及研究进展

  王炳旭, 蔡召兵, 林广沛, 董颖辉, 古乐

  中国表面工程. 2025, 38(3): 240-259.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240507001

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  滚动轴承作为重要的基础部件,在面临高速、重载等多因素耦合的苛刻工况时,滚动轴承表面失效成为制约机械装置发展及其服役寿命的关键因素。对于物理气相沉积（PVD）硬质涂层-钢基材体系,涂层与基体钢材的力学性能存在差异,导致涂层与基体的结合强度不足,进而在高速重载工况下容易发生开裂、剥离,最终过早失效,但关于PVD涂层结合强度和摩擦学性能的影响因素仍缺少相关的系统介绍。综述PVD涂层最新研究成果,总结涂层结构、工艺条件、沉积基体、涂层后处理、元素掺杂对PVD涂层结合强度及摩擦学性能的影响,介绍高熵合金涂层的优异性能及其在滚动轴承中的应用潜质。对促进PVD涂层在滚动轴承中的应用做出展望,提出将PVD与后处理、表面预处理等方法相结合,形成“PVD+热处理”“PVD+深低温处理”等复合表面处理技术,有望解决滚动轴承表面涂层因结合强度和摩擦学性能不足导致的早期失效现象,提升滚动轴承服役寿命。
技术基础
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  胱氨酸改性磷酸锌对无溶剂环氧涂层防腐性能的影响

  陈奡, 段海涛, 金义杰, 詹胜鹏, 章武林, 贾丹

  中国表面工程. 2025, 38(3): 260-271.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240105002

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  无溶剂环氧涂层以其优异的综合性能在涂料领域中占有重要地位,而现有的无溶剂环氧涂层在海洋船舶等重防腐领域的实际应用中仍面临服役寿命不足的问题,导致其在苛刻环境中的应用受限。为了克服这些问题,提升涂层的耐腐蚀性能和服役寿命,开发一种以L-胱氨酸改性磷酸锌作为新型功能性填料的无溶剂环氧防腐涂层(L / EP),通过红外光谱、扫描电镜等手段表征了胱氨酸改性磷酸锌的结构和形貌,利用电化学工作站、中性盐雾试验等方法评价了涂层的防腐性能。结果表明,胱氨酸改性磷酸锌（LZP）粉末在环氧涂层中具有良好的分散性和相容性,能够提高无溶剂环氧涂层的防腐性能,延长涂层的使用寿命。与未添加LZP的环氧涂层相比,L / EP涂层的电化学低频阻抗值增2个数量级,腐蚀电位增加32.60%,且当LZP的质量分数为3%时,涂层的防腐性能达到最佳,其耐盐雾性能比未添加LZP的涂层提高约50%,将其归因于LZP颜料的物理屏蔽和化学缓蚀等作用。这不仅为提升环氧涂层的使用寿命提供了新的解决方案,也为开发环保、高效的防腐涂料提供了理论依据和技术支持。
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  高功率脉冲磁控溅射制备不同氮含量CN_x薄膜的摩擦学行为

  邢朝阳, 王新飞, 杨攀峰, 张斌, 王欣

  中国表面工程. 2025, 38(3): 272-284.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240306002

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  氮化碳薄膜因其低摩擦因数低磨损的优异摩擦学性能,被认为是一种理想的固体润滑材料,但其超低摩擦起源尚未得到充分探讨,使其在润滑领域的工程应用受到限制。利用高功率脉冲磁控溅射法（HiPIMS）在Si基底上制备系列不同氮含量的CN_x薄膜,与直径为6.0 mm的 440C 摩擦对偶球组成摩擦配副体系,使用旋转模式CSM TRB3摩擦机研究惰性气体环境下 CN_x 薄膜的摩擦学特性,在相同摩擦学条件下（1 N,200 rpm,RH<3%）,引入预磨合的方法进行摩擦学研究。利用纳米硬度、X射线光电子能谱、激光共聚焦拉曼光谱、场发射扫描电镜及CSM摩擦试验机等,分别评价CN_x薄膜的结构、表面形貌、力学及摩擦学等性能。结果表明N元素的引入对CN_x力学性能的影响复杂,N含量的不同直接导致对应CN_x薄膜力学性能和结合力的提高或降低。CN_x 薄膜在预磨合后获得更低的摩擦因数和磨损率,证明预磨合是行之有效的减磨降损手段,结合对球斑和磨痕的物理化学分析推断,预磨合过程中潮湿大气中的水、氧以氢氧类基团吸附在DLC薄膜表面终止悬键,以及摩薄膜表面 C、N 网络重构,偶球面上的碳氮转移膜和重构后形成的低剪切顶层富sp² 磨痕的协同作用实现了超润滑状态。研究为不同氮含量的CN_x薄膜摩擦学行为及其超低摩擦工程应用提供了参考。
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  海洋工程混凝土结构服役寿命预测及耐久性设计

  达波, 卿家骏, 刘金文, 陶韬, 兰志强, 韩宇栋, 陈达

  中国表面工程. 2025, 38(3): 285-296.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240911001

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  为有效提升海洋工程混凝土结构耐久性,研究不同混凝土保护层厚度、混凝土种类、强度等级、暴露区域以及附加防腐措施对海洋工程混凝土结构服役寿命的影响,提出提升海洋工程混凝土结构服役寿命设计建议。结果表明：相同海洋暴露区域下,随着混凝土强度等级和保护层厚度的增加,珊瑚骨料混凝土（CAC）和普通骨料混凝土（OAC）结构服役寿命均逐渐提升;相同混凝土强度等级下,OAC结构的服役寿命明显高于CAC结构;海洋水下区下,对于常规保护层厚度为6 cm的CAC / OAC结构,即使混凝土强度等级达C50,其服役寿命仍较低,需要通过内掺、外涂等附加防腐措施,提升其结构耐久性;综合考虑工程成本和结构耐久性等因素,建议近海工程采用OAC结构。当混凝土强度等级为C50以上、保护层厚度大于14 cm、采用外涂高渗透环氧防护材料SP时,其水下区结构服役寿命可达100年;建议远海工程采用CAC结构,当混凝土强度大于C65、保护层厚度为10 cm时,同时采用内掺复合活性矿物掺合料CCP-4超早强功能材料（MA）与外涂博力 康^®SP105高渗透环境防护材料（SP）的联合防腐措施,可大幅提升工程结构服役寿命。
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  电弧增材制造0Cr13Ni5Mo不锈钢的组织和性能

  杨威, 高站起, 张海燕, 孙传博, 黄智泉, 刘胜新

  中国表面工程. 2025, 38(3): 297-305.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231122002

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  冲击式水轮机不锈钢水斗传统制造技术周期较长,工艺繁多且生产成本居高不下,一种新兴技术电弧增材制造（Wire arc additive manufacturing,WAAM）为其提供了一种新的思路。电弧增材制造有着沉积效率高、成本低及成形尺寸大等优势,在工件再制造修复和金属直接成形领域具有广阔的应用前景。采用基于CMT的电弧增材制造技术得到0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢沉积件,通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和力学性能测试对其显微组织和性能进行研究。结果表明,电弧增材制造0Cr13Ni5Mo不锈钢沉积件各位置显微组织主要由无方向性的板条马氏体组成,还存在少量的高温铁素体（δ-Fe）,不同位置马氏体板条的取向和大小都存在差异;不锈钢沉积件沿焊接方向不同位置都有着较高的屈服强度和抗拉强度,然而其延伸率存在一定差异,顶部和中部位置的延伸率分别为15%和16%,而底部位置的延伸率下降到11.5%,拉伸断口属于微孔聚集型的韧性断裂;沿焊接水平方向（X方向）和焊接垂直方向（Y方向）平均冲击吸收功分别为32.5 J和36.8 J,不同取向的冲击韧性存在差异,这表明电弧增材制造不锈钢沉积件在冲击韧性存在各向异性,冲击断口属于韧-脆混合断裂,韧窝的第二相颗粒为Mn-Si-Al系氧化物;沿沉积方向硬度曲线波动较大,但顶部、中部和下部位置的平均显微硬度值相差不大。
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  高压冷喷涂制备微纳米双尺度SiCp / 6061Al复合涂层

  周长壮, 银谱馨, 巩春志, 刘启明, 田修波

  中国表面工程. 2025, 38(3): 306-315.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240313003

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  冷喷涂制备碳化硅颗粒增强铝基复合涂层在材料防护领域展现出广阔的应用前景,但目前单一尺度增强相对复合涂层性能的强化作用有限。为了进一步增强复合涂层力学性能,采用微米+纳米双尺度增强相模式,通过纳米颗粒的加入进一步增强SiC颗粒对复合涂层的各自尺度优势和耦合效应,制备出综合性能优异的复合涂层,从而满足对其强度、耐磨性等性能的综合要求。通过高压冷喷涂技术设计并制备微纳米SiC / 6061Al复合涂层,系统研究微纳米增强复合涂层制备及微观组织及性能变化。结果表明：冷喷涂可实现微纳米双尺度SiC / 6061Al复合涂层的制备,所制备SiC / Al纳米复合涂层组织致密,微米及纳米级SiC弥散分布在6061Al基体之上;相比于单一微米增强SiC / 6061Al复合涂层,纳米颗粒SiC颗粒对6061Al基体有明显强化作用,冷喷涂微纳米增强SiC / 6061Al复合涂层的硬度相比微米增强SiC / 6061Al复合涂层提高了14%,且耐磨损性能明显增强,磨损率降低了41.92%。随着气体压力逐渐增大,微纳米增强SiC / 6061Al复合涂层的硬度逐渐升高,磨损率逐渐降低。当气体压力达到5 MPa时,磨损率降低到3.091 9×10^-4 mm³ / (N·m)。所提出的冷喷涂制备双尺度SiC / 6061Al复合涂层方可为未来碳化硅颗粒增强铝基复合涂层的应用提供数据支持。
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  喷涂功率对8YSZ / NiCrAlY防护涂层微观结构及抗热震性能的影响

  陕钰, 杨晶晶, 孙虎伟, 易戈文, 万善宏, 马飞, 刘海军, 马小强

  中国表面工程. 2025, 38(3): 316-329.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240110001

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  为提高内燃机热效率,减少散热损失,在内燃机受热零部件表面制备热障陶瓷涂层来发展低散热内燃机,提升内燃机关键受热部件的隔热量和抗高温热冲击损伤能力。采用大气等离子喷涂技术制备了8YSZ / NiCrAlY双层热防护涂层。利用XRD、Raman和SEM等表征了YSZ粉体及其涂层的物相组成和显微结构,探究了不同喷涂功率对所制备YSZ涂层组织结构-物相组成及其力学性能的影响,特别是采用马弗炉加热-水淬方式在800 ℃评价了涂层的抗热震性能,并对其失效机制进行了初步探究。研究结果表明,随喷涂功率从35.75 kW增至42 kW,制备的YSZ涂层物相均由四方相氧化锆组成,涂层未熔融区减小甚至消失,形成明显的柱状晶区和等轴晶区;孔隙和微裂纹数量呈下降趋势,涂层变得更加致密,显微硬度呈先增大后降低趋势,而结合强度缓慢增加。所制备C4 (42 kW)YSZ涂层具有较好的显微硬度（817.15 ± 58.65 HV_300g）和结合强度（66.37 ± 4.90 MPa）。在热冲击试验800次后,C4涂层表现出最好的抗热震性能,但对涂层微观组织结构和性能的损伤严重,已接近涂层热冲击寿命。研究结果为内燃机重要受热部件热防护涂层使役可靠性提供理论依据和关键数据支撑。
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  高钛低碳钢热镀锌起泡原因分析和处理

  吴灏, 陈海燕, 李子斌, 李力致, 黄杏彪, 廖启胜, 袁华荣, 陈丕茂, 佟飞

  中国表面工程. 2025, 38(3): 330-337.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240228001

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  在钢铁中加入Ti可以改善钢铁的焊接性能、加工性能等,还可以改善钢铁的微观结果,对合金钢可以起到细化晶粒的作用,但是Ti含量过高,在热镀锌时镀层容易出现空泡缺陷。针对高钛低碳钢的热镀锌出现的空泡缺陷,结合材料显微技术和电化学动力学对起泡原因进行深入分析。结果表明：高钛低碳钢由于耐盐酸腐蚀性能较差,在较长时间酸洗时,由于Ti元素可钝化钢铁表面,材料发生点蚀的敏感性高,蚀孔中残留的H⁺容易作为去极化剂残留于孔内并生成H,在高温热浸镀时H被Fe-Ti晶体所捕获,冷却至常温常压时析放出;H₂从狭窄的火山状孔口处释放,使镀层起泡,使镀层起泡。经生产实践验证,高钛钢热镀锌的酸洗时间须要严格控制在2~4 min,可有效消除镀层空泡缺陷。目前我国对含Ti极低碳钢的研究仍较为缺乏,这些结果对减少钢铁的镀层缺陷,提高钢铁镀层的防护性能有一定指导意义。
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  低压冷喷涂铝涂层单点轮廓预测

  曹博闻, 李红军

  中国表面工程. 2025, 38(3): 338-349.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240325003

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  冷喷涂技术作为一种新兴的材料表面处理技术应用广泛,但是对低压冷喷涂涂层轮廓的预测具有一定挑战性。提出一种基于颗粒沉积模型的预测方法,使用FLUENT软件构建低压冷喷涂过程的计算流体动力学（CFD）模型,综合考虑气体参数、喷嘴特性、粉末属性、基体材料和喷涂距离等因素,以评估它们对颗粒流动、热传递、碰撞和沉积过程的影响,获取颗粒在射流中与基体碰撞时的位置、速度和数量等关键信息。通过引入“冷喷涂效率”代表颗粒沉积效率和压缩比的共同作用,建立一个随时间变化的涂层轮廓模拟函数,实现对同一位置不同喷涂时间下低压冷铝涂层轮廓的预测。试验与仿真分析验证了所提出的预测模型的有效性和优越性。
工程应用
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  基于试件疲劳性能的Allvac 718Plus铣削喷丸加工参数优化

  张宁, 勾睿杰, 姚俊, 李勋

  中国表面工程. 2025, 38(3): 350-360.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240128002

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  镍基高温合金Allvac 718Plus是制造航空发动机整体叶盘的重要材料,而铣削、喷丸是叶片型面的末端加工工艺,因此开展了铣削和喷丸工艺参数对Allvac 718Plus材料加工表面完整性及其试件疲劳寿命的影响机理和规律的研究,为Allvac 718Plus整体叶盘型面的精加工提供参考。结合航空发动机整体叶盘的实际加工条件,通过合理的选用加工参数以控制试件的表面完整性指标,并且对比分析铣削和喷丸参数对试件最终表面完整性各重要指标的影响程度,以及两道工序组合参数对试件疲劳寿命的影响规律。结果表明：铣削加工优化参数下的试件疲劳寿命是其他加工参数的1.6~3.8倍,对铣削加工优化参数和对照组参数加工后的试件进行喷丸加工,两种铣削参数下试件的疲劳寿命分别提高13.46倍和25.41倍。喷丸加工可以提高试件表面的显微硬度和残余压应力,有效地抑制疲劳源在试件表面萌生,从而延长试件的疲劳寿命。当喷丸覆盖率增大至500%,铣削加工优化参数下试件的最终疲劳寿命的比对照组参数高30%。根据铣削、喷丸组合加工参数对试件疲劳寿命的影响规律,获得了试件疲劳寿命最优的加工参数和高效率加工参数。
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  重载点接触弹流润滑下ta-C涂层摩擦学性能分析

  孙润阳, 马涛, 肖洋轶

  中国表面工程. 2025, 38(3): 361-371.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240409002

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  四面体非晶碳（ta-C,Tetrahedral amorphous carbon）膜在提升接触副摩擦学性能方面具有显著效果,然而该涂层于重载工况下传动领域的应用仍缺乏系统性研究。通过纳米压痕和划痕试验表征ta-C涂层的力学性能。基于广义Reynolds方程和负载平衡方程,建立弹流润滑模型,求解不同工况下试样油膜压力与厚度的分布。在干摩擦 / 油润滑条件下,根据球盘试验评估ta-C涂层的摩擦和磨损行为。通过振动测试分析不同工况下试样振动加速度时域信号在不同方向上的波动,探究ta-C涂层对摩擦副振动的影响因素。结果表明：ta-C涂层具有优良的纳米硬度（~36.11 GPa）和弹性模量（~298.29 GPa）,两者比值维持在0.1以上,远高于常见涂层,展现较强的韧性且膜基结合性能良好。ta-C涂层在干摩擦 / 油润滑条件下均具备减摩、耐磨特性。不同润滑条件下,试样有无涂层的油膜最大压力并无显著差别,但润滑介质黏度越大,油膜越厚,试样的摩擦因数相对略大。其中摩擦因数是影响接触副振动的主要因素,在摩擦因数处于同等水平时,润滑介质的振动强度会随着刚度与阻尼的增加而减小。碳基涂层结构致密,能有效改善重载干摩擦 / 油润滑下基体表面的摩擦学性能,降低基体表面接触副的振动强度,可为涂层于机械传动的应用提供参考。
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  湿热环境下车轮材料局部激光熔覆不锈钢粉末涂层磨损与损伤行为

  何成刚, 王欣纪, 俞茹昕, 付斌, 叶榕伟, 刘吉华, 邹港, 徐逸勋

  中国表面工程. 2025, 38(3): 372-383.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240312001

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  随着铁路运输的不断发展,暴露在湿热环境中的列车车轮磨损日益加剧,严重影响列车服役的安全性。激光熔覆技术作为先进的材料表面改性技术,已被证实通过熔覆在车轮表面能够强化车轮的抗腐蚀和抗磨损性能,但在车轮材料局部修复方向还有较大的研究空间。为研究湿热环境下车轮材料局部激光熔覆不锈钢粉末涂层磨损与损伤行为,使用三种不锈钢粉末（304L、316L、420）对车轮试样表面进行激光熔覆局部修复,分析修复涂层的微观组织和硬度,利用温湿控制系统和MMS-2A摩擦磨损试验机进行高温高湿环境下的摩擦磨损试验,使用维氏硬度仪、便携式显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜（OM）对损伤形貌进行观察与分析。结果表明：三种熔覆涂层试样的摩擦因数变化过程相似,大致分为磨合与稳定两个阶段,但420涂层试样的摩擦因数在低转速时的波动较为严重;经局部修复后的车轮试样磨损率在2 µg / m以下,处于较低水平,间接表明利用激光熔覆技术对受损车轮进行局部修复的可行性;试验后三种熔覆车轮试样表面和剖面区域均存在损伤,但损伤程度不同。316L和420熔覆车轮试样表面的涂层区和基体区域损伤较为严重,剖面区域也存在较多的剥落坑和大角度短裂纹, 420熔覆涂层试样中裂纹角度和长度最大;304L熔覆涂层同车轮基体结合较好,试验后结合区域内仅存在少量剥落,热影响区附近存在少量磨屑,且涂层区和基体区裂纹角度小,裂纹深度浅,磨损量较小,表现出较好的抗磨损和抗疲劳性,因此在高温高湿环境下较为适合车轮的局部修复。研究结果可为激光熔覆技术在列车车轮局部修复的应用与优化提供理论与技术指导。
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  大间隙射频等离子体对氟硅氧烷丙烯酸酯改性的参数调控

  许攀, 邓海顺, 黄志祥, 何涛

  中国表面工程. 2025, 38(3): 384-393.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240328001

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  等离子改性作为一种新兴技术应用于医疗领域,但现有介质放电的电极间隙过小,无法大规模生产应用。提出并研制一种大间隙的射频介质阻挡放电装置,分析介质阻挡放电装置的电场分布、电势分布、电子流密度分布以及离子流密度分布,搭建等离子试验装置,分别研究不同气体介质击穿电压与通入气体体积流量之间的耦合关系,以及不同功率、处理时间、气体压强相互之间的耦合关系对氟硅氧烷丙烯酸酯（XO）材料接触角的影响。结果表明：Ar、N₂、O₂和空气作为气体介质均可实现等离子体放电,但Ar相对于N₂、O₂和空气的击穿电压较低,易较快地形成等离子放电,Ar、N₂、O₂和空气气体介质对应不同的击穿电压数值,同一气体介质通入气体体积流量不同击穿电压数值存在差异;等离子对XO材料改性的最佳条件为射频功率15 W、改性时间9 min、气体压强20 Pa,气体介质为O₂,气体体积流量为28 mL / min,此时等离子改性所获得的接触角最佳,XO材料接触角从原始的86.15°下降至10.64°,亲水性最好。在不同空气介质中研究最优射频功率、改性时间、气体压强和气体体积流量的参数,可为等离子改性技术提供新的思路。