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  • 中国表面工程
  • 2019年 第32卷 第6期
  • 出刊日期:2019-12-23
《中国表面工程》创刊于1988年,系中国期刊方阵“双效”期刊、中文核心期刊、中国科技核心期刊,被新兴资源引文索引(ESCI)、美国工程索引(EI Compendex)、美国《化学文摘》等国际数据库收录。

2019年第32卷第6期

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    • 特邀论文
    • 新型大气长层流等离子体喷涂方法和研究进展
      李成新,刘森辉,张惠宇,李长久,李露,黄佳华,徐攀
      介绍了一种新型大气等离子喷涂方法,该方法采用特殊内通道结构的直流非转移电弧等离子发生器,可以直接在大气条件下获得长度100~1000 mm之间变化的等离子射流。在大气条件下,等离子射流的流动特性具有“长、直、准”的层流或类层流状态,工作时噪音小于80 dB。在工作参数范围内,等离子射流的长度在固定总气流量条件下可以随输出功率的增加而增长;射流的长度在固定输出功率的条件下随总气流量的增加而减小。当使用在大气等离子喷涂技术中时,会为飞行粉末颗粒带来超长的加热和加速过程。文中详细介绍了大气层流等离子喷涂技术的研究历史和研究现状,以及研究团队利用该新型技术制备的6种涂层的显微结构、颗粒的飞行和加热特点,并对比了目前其他大气等离子喷涂技术的结果。结果表明,文中介绍的方法在最低的输出功率和气流量条件下,为金属和陶瓷颗粒提供了超长的飞行和加热条件,表现为较低的颗粒飞行速度和超高的颗粒表面温度。可以在不同的射流长度或喷涂距离下,获得不同的颗粒熔化状态或涂层结构,并发现可以直接在大气条件下获得大规模气液共沉积的涂层。
      2019  Vol.  32(6):    1-19 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](99)    [PDF](44)
    • 表面工程研究
    • ZrB2-SiC粉末与等离子射流场的相互作用
      孙世杰,柳彦博,马壮,徐俊杰,郭嘉仪
      为了探究等离子喷涂制备ZrB2-SiC涂层组织结构疏松、致密性差的原因,采用去离子水对经过射流场加热的粉体进行收集,对比前后粉体的组织结构特征以及物相变化。设计单颗粒沉积试验探究粉体的熔化状态以及变形颗粒的形貌特征,并与等离子喷涂制备涂层进行对应分析。结果表明,由于“涡流效应”使得经过等离子射流场的ZrB2-SiC粉体与卷入的氧气发生反应,粉体出现轻微氧化现象。经过等离子射流场后,ZrB2-SiC粉体呈现3种形貌特征:表面光滑型、表面多孔型、表面团聚型。其原因与等离子射流温度场非均匀性以及粉体的飞行路径有关。变形颗粒呈现与之相对应的3种形貌特征:熔化充分颗粒、团聚堆积颗粒、以及介于两者间的半熔融半疏松颗粒。共晶组织包裹的ZrB2颗粒容易在涂层中形成致密区,而团聚堆积的ZrB2和SiC颗粒是涂层形成疏松区的主要原因。
      2019  Vol.  32(6):    20-28 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](48)    [PDF](26)
    • 316L不锈钢表面Ta涂层的制备及性能
      曹岩,高洁,郑可,张孟,于盛旺,吴玉程,贺志勇
      为改善316L不锈钢在体液中的生物相容性,采用双辉等离子体表面合金化技术在其表面制备了Ta涂层,并使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对Ta涂层的形貌、成分分布和物相结构进行分析,借助划痕仪、往复摩擦磨损试验机和电化学工作站对涂层的结合强度、磷酸盐缓冲溶液(PBS)中的耐磨性及耐蚀性进行研究。结果表明:所制备的Ta涂层由厚度均为2 μm左右的沉积层和扩散层组成,主要物相为α-Ta,涂层与基体的结合强度良好,发生破裂的临界载荷达到111 N。Ta涂层的比磨损率仅为基体的12.5%,自腐蚀电位比基体提高234 mV,腐蚀电流密度则降低2个数量级,磨损前后涂层样品的腐蚀速率分别为基体的1.9%和3.6%。表明Ta涂层能显著提升316L不锈钢在PBS溶液中的耐磨性和耐蚀性。
      2019  Vol.  32(6):    29-36 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](54)    [PDF](31)
    • YSZ/Sm2Zr2O7复合粉体制备及性能
      陈东,柳彦博,王全胜,宁先进,栾兴涛
      采用球磨造粒法制备Sm2Zr2O7(SZO)和Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)复合粉体,对造粒团聚体的尺寸、形貌及相结构进行了表征。并采用大气等离子制备SZO/YSZ复合涂层,研究等离子喷涂过程对复合粉体相结构和相稳定性的影响。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD) 分析了YSZ/SZO复合粉体和涂层的微观组织和相结构,并利用差示扫描量热法(DSC)研究复合粉体稳定性。结果表明:SZO和YSZ复合团聚粉体表面光滑致密,室温呈混合相结构。在室温~1200 ℃范围内无相变发生,说明YSZ/SZO粉末在该范围内较为稳定。等离子喷涂YSZ/SZO涂层呈典型层状组织结构,涂层成分和组织分布较为均匀,与单一SZO涂层相比,复合陶瓷涂层结合强度得到了提高。但等离子喷涂过程中SZO与YSZ发生离子扩散,粉体稳定性下降,SZO发生有序-无序转变,涂层呈现单一萤石结构。
      2019  Vol.  32(6):    37-44 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](39)    [PDF](21)
    • 金属陶瓷及硬质合金表面CVD/PVD涂层的摩擦与切削性能
      孙磊,熊计,杨天恩
      为研究涂层沉积方式对金属陶瓷和硬质合金性能的影响,采用粉末冶金技术制备了Ti(C,N)基金属陶瓷和YT15硬质合金,在基体表面先后采用CVD和PVD制备涂层。采用SEM、EDS等手段对涂层的微观组织和元素含量进行分析,并对涂层试样进行划痕、摩擦因数、切削性能检测。结果表明,通过复合CVD+PVD工艺,CVD涂层和PVD涂层结合良好。不论是金属陶瓷还是硬质合金,CVD涂层的膜基结合力和摩擦因数均为最大,PVD涂层最小,复合CVD+PVD涂层介于两者之间。对于金属陶瓷和硬质合金而言,复合CVD+PVD涂层的切削性能最好,CVD涂层最差,PVD涂层介于两者之间。切削过程中的磨损机理主要是氧化磨损和磨粒磨损。
      2019  Vol.  32(6):    45-55 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](62)    [PDF](25)
    • 不同工作环境下CrN涂层的摩擦磨损性能
      夏虎峰,田广科,陈庆春,吴贵智,张广安
      为探索研究CrN硬质涂层材料在复杂工况条件下的使用特性,采用多弧离子镀技术在304不锈钢基板表面沉积CrN薄膜,并分析了其在不同工作环境下的摩擦磨损性能。采用X射线衍射仪(XRD)分析了薄膜的相结构,采用冷场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察了薄膜的微观形貌,并用其能谱分析(EDS)功能分析了磨痕磨粒的化学成份,采用纳米压痕仪和纳米划痕仪测试了薄膜的机械性能。摩擦试验研究结果表明,在干摩擦环境中,随氧分压增高,CrN薄膜摩擦因数和钢球磨损率均增大,说明粘着磨损和氧化反应形成第三体磨粒磨损应是CrN薄膜发生破坏的主要原因;在真空环境中,CrN薄膜的摩擦因数维持在0.3左右;增大工作环境湿度,CrN薄膜的摩擦因数降低;在去离子水浸润环境中其摩擦因数可降低至0.1左右,说明CrN薄膜可应用于高湿度环境或真空环境中的减摩抗磨防护。
      2019  Vol.  32(6):    56-62 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](59)    [PDF](32)
    • Ni含量对NiCrN涂层腐蚀磨损机理的影响
      巫业栋,杨英,张世宏,张林,郑军,王启民
      为了提高农业机械部件的腐蚀磨损性能,采用电弧离子镀技术在42CrMo钢基体上制备NiCrN涂层,系统研究Ni含量对涂层结构、力学性能以及腐蚀磨损性能的影响。结果表明:通过调节靶材组分实现涂层中Ni含量(原子数分数)的变化(35.9%~67%)。涂层物相主要由金属Ni相、Cr2N及CrN陶瓷相组成。随着涂层中Ni含量增加,涂层与基体结合强度提高,而涂层硬度从759 HK0.025降低至566 HK0.025。根据腐蚀磨损动力学曲线可知:随着涂层中Ni含量增加,涂层失重速率先降低后升高,44.1% Ni涂层失重速率最低,耐腐蚀磨损性能最佳。在腐蚀磨损过程中,腐蚀介质以涂层中贯穿性缺陷作为腐蚀通道与基体发生接触,使得腐蚀优先发生在膜-基界面的基体上。腐蚀与磨损存在明显的交互作用,加速了涂层的失效。
      2019  Vol.  32(6):    63-72 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](54)    [PDF](27)
    • 微合金化对铝基非晶合金涂层耐蚀性能的影响
      吕威闫,王晓明,常青,邱实,杨番,杨柏俊
      为获得具备优异耐蚀能力的铝基非晶合金表面防护涂层,通过微合金化调控方法设计了铝基非晶合金的成分体系(Al86Ni6Y4.5Co2La1.5)100-x(M)x,(M:Cr、Mo、Ti),并采用超音速火焰喷涂(HVAF)工艺制备出相同成分的非晶合金涂层分析其耐蚀性能。结果表明:微量添加原子数分数0.5%的Mo、Cr元素时,铝基非晶合金的玻璃形成能力未见大幅度降低,仍具备完全非晶结构,但点蚀电位提高到−175~200 mV,较本征合金Al86Ni6Y4.5Co2La1.5增大了约50~80 mV,而腐蚀电流密度降低约1.5个数量级,同时Mo、Cr元素的添加扩大了合金的钝化区间,可起到缓蚀作用;采用优化成分制备出的铝基非晶合金涂层,孔隙率仅为0.5%,在质量分数3.5% NaCl溶液中表现出优异的耐蚀性能,且具有明显的自钝化行为及较宽的钝化区间。
      2019  Vol.  32(6):    73-80 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](32)    [PDF](23)
    • 氧化石墨烯掺杂对机械镀锌层腐蚀性能的影响
      李泽民,王胜民,张俊,赵晓军
      为了增强传统机械镀锌层的耐腐蚀性能,采用机械镀方法,在Q235基体表面制备了Zn-GO纳米薄片复合镀层。利用拉曼光谱、场发射扫描电镜和X射线衍射等表征了复合镀层的表面、截面形貌;采用极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)分析了复合镀层浸泡在3.5% NaCl溶液中的电化学行为,并通过中性盐雾加速腐蚀试验测试复合镀层的耐腐蚀性能。结果表明:GO薄片以吸附、镶嵌、夹杂3种方式与锌颗粒共沉积。与未添加GO的镀层相比,GO细化锌粉团使复合镀层更加紧密,同时GO起到电连接作用,可使复合镀层发生钝化现象,自腐蚀电位从-1.189 V正移到-1.130 V,腐蚀电流密度从749 μA/cm2降低到398 μA/cm2;GO具有很好的化学惰性和屏障效应,线性极化电阻增大了5倍;耐盐雾腐蚀试验出现白锈和红锈时间比纯锌镀层分别延长了12 h和140 h。因此,一定含量的GO掺杂能提高锌基镀层的耐腐蚀性能。
      2019  Vol.  32(6):    81-89 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](65)    [PDF](28)
    • 无损石英光纤表面Ni-P镀层的制备及性能
      宋启良,胡振峰,梁秀兵,孔令超,涂龙,金国
      针对金属镀层光纤制备工艺复杂且技术不成熟的现状,对石英光纤表面Ni-P金属镀层的制备工艺进行优化,并对优化后镀层的性能进行研究。采用无粗化的前处理工艺化学镀Ni-P金属镀层,利用SEM、EDS对镀层的微观组织进行表征,采用热震试验和拉伸试验对镀层的结合强度和抗拉强度进行测试,并通过红外热成像仪测试金属镀层光纤导光后的热管理能力。结果表明:优化后的前处理工艺为去除保护层时丙酮浸泡时间15 min以上,除油时NaOH溶液的浓度为30 g/L,浸泡时间大于15 min,敏化、活化温度均为35 ℃,时间10 min;光纤表面镀层晶粒分布均匀,大小均一,且与基体结合良好,光纤最大抗拉强度平均为2783 MPa,较裸光纤提升52.93%;通光后金属镀层光纤表面温度达100 ℃时,通过功率为5.74 W,且功率和工作温度还可继续增加,能够克服光纤表面温度升高易烧损的缺点。
      2019  Vol.  32(6):    90-97 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](33)    [PDF](27)
    • 耐候钢锈层的稳定化处理及锈层形成
      刘涛,王胜民,赵晓军
      针对裸耐候钢保护性锈层生成时间较长及环境污染等问题,提出了一种含有合金元素的锈层稳定化处理剂,并采用喷淋的方式对耐候钢表面进行预处理。通过干湿交替腐蚀实验(CCT),对比了裸钢试样和预处理试样在模拟工业大气环境下的腐蚀规律。采用增重法评价了试样的耐蚀性;采用XRD分析了试样表面锈层的物相组成;采用SEM、电化学阻抗法(EIS)和吸水-脱水实验对锈层的致密性进行了表征和分析。结果表明,预处理试样的耐蚀性能优于裸钢试样;耐候钢经该处理剂处理后不改变耐候钢表面的腐蚀产物类型,但能够促进腐蚀产物中α-FeOOH相的生成;且经处理后耐候钢表面锈层的裂纹、孔洞等缺陷减少,致密性提高。
      2019  Vol.  32(6):    98-104 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](40)    [PDF](23)
    • 含氧化亚铜和有机防污剂的两种防污涂层失效过程对比
      曹京宜,唐建华,付婷,张寒露,赵旭辉,唐聿明,左禹
      防污剂的种类和含量不同其渗出机制与失效过程也不相同,随着防污涂层树脂的水解和防污剂的溶出,防污涂层作为第一道屏障其失效情况也会影响整个防污防腐涂层体系对基体的保护作用。采用电化学交流阻抗(EIS)技术,结合SEM/EDS以及红外光谱(FTIR)等方法研究了两种含氧化亚铜和有机防污剂的防污涂层在3.5% NaCl溶液中的水解失效过程以及涂层配套体系对基体铝合金的保护作用。结果表明:两种涂层体系在常温3.5% NaCl溶液中浸泡4年后其低频阻抗仍然很高,对基体仍然具有良好的保护性能;热循环加速试验(45 ℃12 h + 25 ℃12 h)大大促进了防污面漆在NaCl溶液中的水解以及可溶性颜填料与防污剂的溶出,含氧化亚铜较高的W1面漆表面形成大量的微裂纹,导致试样低频阻抗迅速下降,整体屏蔽性能降低;含多硫代化合物的W2面漆柔韧性较好,少有裂纹,涂层的整体屏蔽性能下降较缓。
      2019  Vol.  32(6):    105-112 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](44)    [PDF](23)
    • Ti含量对Ni-14Cr-10P-xTi焊膏连接C/C复合材料组织及性能的影响
      易振华,冉丽萍,易茂中
      将不同质量分数的钛粉加入Ni-14Cr-10P合金粉末中,再配合高分子聚合物制得膏状Ni-14Cr-10P-xTi活性钎料,用制得的焊膏钎焊C/C复合材料,然后测试了钎焊接头的剪切强度,通过扫描电子显微镜、能谱分析仪、电子探针显微分析仪等对钎焊接头界面组织特征进行分析。结果表明:活性元素Cr、Ti与C/C复合材料表面的C反应而起到表面改性的作用,使得钎料能在C/C复合材料表面润湿、填缝。随着Ti元素加入量的增加,钎焊接头剪切强度先增加再降低。Ti质量分数为1%时,TiC呈颗粒状弥散分布,使得钎料层强化,接头剪切强度增加;当Ti增加到3%时,在界面处形成了连续的Cr3C2/TiC脆性材料层,接头剪切强度下降;Ti质量分数达到5%时,Ti与Cr3C2反应使得梯度界面层消失,界面物质热膨胀系数差异增大,残余热应力增加,同时Ti与Ni、Cr形成的金属间化合物增加并集中分布在钎料层中,导致接头剪切强度急剧下降。
      2019  Vol.  32(6):    113-121 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](29)    [PDF](21)
    • 碳纤维复合材料损伤高频脉冲激光去除技术
      巴德玛,熊玉成,李长青,崔海超
      采用高频脉冲紫外激光(λ=355 nm)对碳纤维/环氧树脂基复合材料进行逐层剥蚀加工,运用响应曲面法分析了激光功率、扫描速度、光斑填充间距3个因素与剥蚀深度的交互性。使用扫描电子显微镜、三维形貌仪、接触角测量仪、X射线光电子能谱仪,对试样表面的显微组织和理化性能进行分析,并对不同表面处理后试样界面剪切强度进行研究。结果表明:当激光参数P=13 W,d=0.02 mm,v=1000 mm/s时,激光加工形貌较好,剥蚀深度h=389 μm;与砂纸打磨相比,使用紫外激光对材料进行逐层剥蚀时,不会对碳纤维骨架造成损伤;紫外激光剥蚀后的试样表面粗糙度比原始表面提高了7.9倍左右,高出不同砂纸打磨后的试样表面粗糙度约2.4~4.4倍;使用紫外激光剥蚀后的材料表面活性提高,含氧官能团数量增加;激光剥蚀处理后界面剪切强度明显增大,与砂纸打磨及未处理表面相比分别提高了48.5%和17.9%。
      2019  Vol.  32(6):    122-131 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](32)    [PDF](21)
    • 热输入参量对激光清洗TA15表面氧化层的影响
      朱洪浩,夏丹,史中正,谭君洋,董世运
      探索使用1064 nm准连续激光清洗TA15钛合金表面氧化层,验证了激光清洗TA15表面氧化层的可行性,使用SEM、XPS及三维形貌仪等仪器,分析了激光功率、离焦量、清洗速度等热输入量相关工艺参数变化对激光清洗表面质量的影响,并通过表面组分测试,分析了激光清洗TA15表面氧化层的效果。结果表明,TA15钛合金粗糙度随着激光功率的增大而降低、随着离焦量的增大而增大,而清洗速度的提高会导致粗糙度先降低后增加;激光清洗TA15最优工艺参数为功率400 W、离焦量0 mm、清洗速度5 mm/s,清洗后表面形貌良好,粗糙度Ra约为0.18 μm。使用最优工艺获得的清洗件经XPS图谱分析,其激光清洗前钛合金表面成分为主要TiO2,激光清洗后表面成分为Ti,受到清洗残渣干扰,存在微量Ti=O键。
      2019  Vol.  32(6):    132-139 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](30)    [PDF](20)
    • 速度和载荷对凹坑织构乏油润滑摩擦学性能的影响
      牛一旭,逄显娟,李亚军,上官宝,张永振
      摩擦副表面加工特定的织构后会在不同速度和载荷以及严重乏油的条件下运行,比如设备的启停阶段。因此有必要研究极度乏油条件下速度和载荷对凹坑织构表面摩擦学性能的影响,为表面织构的实际应用进行前期探索。利用激光加工技术在45钢表面加工凹坑织构;在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上,采用球-盘式分别对织构和未织构试样进行乏油滑动试验;利用三维表面轮廓仪和扫描电镜等分析试样表面的磨损形貌。结果表明:相比于未织构试样,凹坑织构在不同速度和载荷下均能有效延长摩擦面间的乏油润滑状态,有良好的减摩效果,可降低摩擦因数约68%~75%。载荷对织构表面的摩擦学性能影响较大,在一定范围内摩擦因数随着载荷的增大而降低;但载荷过高时,在摩擦后期会出现摩擦因数的突然升高,表面磨损严重。
      2019  Vol.  32(6):    140-149 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](48)    [PDF](25)
    • 不同润湿性液体在粗糙表面的润湿滞后现象
      肖易航,郑军,何勇明,刘鸿博,龚丁
      润湿滞后是表征液体脱离固体表面难易程度的核心参数。为了研究不同润湿性状态下的润湿滞后现象,在定量描述固体表面粗糙度的基础上,首次在3种不同粗糙度固体表面上对强亲水到疏水范围内的液体进行系统的Wenzel接触角及润湿滞后实验,在通过Wenzel理论及静摩擦力理论验证座滴法与体积法实验结果准确性的前提下,进一步研究不同润湿性状态下杨氏接触角、粗糙度与润湿滞后之间的定性关系。结果表明:固体样品1(固体表面粗糙度,r=1.15)的润湿滞后效应在不同润湿状态下保持一常数,而固体样品2(r=1.64)及固体样品3(r=2.29)的润湿滞后效应在θe=90°附近达到最大,随着亲水和疏水程度的增加,润湿滞后效应均不断减小;粗糙度与润湿滞后的关系也并不单调,在亲水状态下,润湿滞后效应随着粗糙度的增加而减小,而在中性润湿状态下未发现明显规律。
      2019  Vol.  32(6):    150-156 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](36)    [PDF](34)
    • 溶胶凝胶-液态熔盐静电自组装复合工艺制备cBN@Al核壳粉体
      王鹏,吴一,姜铸锋,刘洋,钟生林
      机械混合的cBN和金属Al粉是制备超硬切削刀具的重要原料,因此能有效提高两者接触面积的金属Al包覆cBN的核壳粉体具有潜在的经济价值。提出了一种先将cBN粉体表面羟基化,再通过溶胶-凝胶法对cBN表面进行硅氧纳米层改性,然后在熔融盐条件下包覆金属Al壳层,最后将核壳产物提纯的工艺路线。在不同条件的热处理和不同热处理时间下制备样品,并通过XRD、DSC、SEM、TEM和N2等温吸附脱附测试,探讨对包覆的影响因素及其机理。结果表明:基于布朗运动和静电自组装机制形成了多孔结构的包覆层,硅氧桥接层、导电熔融盐环境和热处理时间都对包覆Al壳层有重要影响。热处理2 h可获得平均粒径5.7 μm和比表面积10.988 m2/g且含杂质较少的cBN@Al多孔粉末。该项工作为在惰性无机粉末上涂覆活泼的轻金属壳层提供了新的思路。
      2019  Vol.  32(6):    157-164 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](38)    [PDF](20)
    • 应用实例
    • [例60]等离子体增强磁控溅射镀膜在石化行业阀组中的应用
      黄晓林,魏荣华
      2019  Vol.  32(6):    封二-封二 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](55)    [PDF](27)

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