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  • 中国表面工程
  • 2024年 第37卷 第2期
  • 出刊日期:2024-04-23
《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)、Scoups、美国《化学文摘》等国际数据库收录。

2024年第37卷第2期

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    • 腐蚀大数据与联网观测技术专栏
    • 碳钢腐蚀大数据采集传感器在城市大气环境中适应性标定
      张帆,徐迪,杨小佳,王一品,陈昊,彭非凡,安江峰,程学群,李晓刚
      传统的腐蚀监测方法和腐蚀评估方法已经无法满足对数据量以及数据连续性的需要。大气腐蚀在线监测技术由于具有数据量大、数据连续及实时性等特点,已被广泛应用。然而,所得数据的准确性和适用性还须通过试验来做进一步验证。采用户外挂片以及电阻传感器和电偶传感器监测 Q235 碳钢在城市大气环境下的腐蚀速率,建立响应面模型,并采用温湿度耦合试验和干湿交替模拟试验进行验证。温湿度耦合试验和干湿交替模拟试验与户外挂片及响应面模型的腐蚀速率变化趋势一致,而温湿度耦合试验得到的腐蚀速率更接近于挂片得到的腐蚀速率。其中,电偶传感器得到的腐蚀速率值更接近于挂片的腐蚀速率值,说明城市大气环境下更适合使用电偶传感器。室内模拟试验中,温度升高会加速薄液膜下阴阳极的电极过程和化学反应,延长反应时间,表面腐蚀产物逐渐致密且均匀,一定程度上可以提高锈层的耐蚀性能。通过碳钢腐蚀传感器在城市大气环境中的适应性标定,可以深入探究大气环境中金属材料的腐蚀机理和过程,并准确评估腐蚀传感器在大气环境中的腐蚀行为,为研究者提供定量描述和分析腐蚀行为的基础数据。
      2024  Vol.  37(2):    1-15 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](359)    [PDF](318)
    • 空间燃料电池金属钛表面复合涂层制备与性能研究
      马文彬,张辉,姚伟,蒋钊
      金属 Ti 因其密度小(仅为不锈钢的 0.6 倍)和比强度高等特点,是轻量化空间燃料电池金属板材料的首要选择,但其在弱酸性环境中长时间工作容易被腐蚀。为了改善金属 Ti 双极板耐蚀性,采用多弧离子镀技术在金属 Ti 表面制备了由 Ti 过渡层及 TiN 表层构成的 Ti / TiN 复合涂层,研究制备工艺参数对 Ti / TiN 复合涂层微观结构及力学、电化学性能的影响规律。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)分析涂层的微观形貌,利用 X 射线衍射仪分析涂层的相组成,利用纳米压痕仪评价涂层的力学性能,利用电化学工作站评价涂层在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极工作环境下的耐蚀性。结果表明:制备工艺参数优化后的 Ti / TiN 复合涂层具有优异的表面质量和良好的耐蚀性,腐蚀电流密度为 6.383 μA / cm2 ,是金属 Ti 腐蚀电流密度的 0.6 倍,Ti / TiN 复合涂层显著提高了金属 Ti 的耐蚀性,可为空间燃料电池金属双极板表面改性提供技术支持。
      2024  Vol.  37(2):    16-26 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](294)    [PDF](280)
    • Cu、Ni元素对耐蚀高锰阻尼钢在大气环境中腐蚀行为的影响
      孙美慧,李江文,刘文月,郭呈宇,李天怡,徐学旭
      高锰阻尼钢因其高强度、超低屈强比、阻尼性能良好和经济性能优异等特性,在承受较大振动和冲击的桥梁、轨道交通和军工等领域展现出广阔的应用前景。而高锰钢耐蚀性能欠佳一直是限制其快速发展的关键性因素,高锰钢耐蚀性设计及其大气腐蚀行为研究均鲜有报道。为解决高锰钢耐蚀性能欠佳问题,采用真空感应熔炼和两阶段轧制工艺制备 3 种添加不同 Cu、Ni 元素含量的耐蚀高锰阻尼钢,通过大气曝晒试验、电化学测试、SEM、XRD 和 XPS 等方法对试验材料的电化学性能、 腐蚀速率、腐蚀形貌、腐蚀产物物相及结构进行表征及分析。结果表明:相较于单独添加 Cu 元素的高锰阻尼钢,钢中添加 1.2 wt.% Cu 和 1.0 wt.% Ni 元素腐蚀电位正移近 200 mV,腐蚀电流密度降低近 50%;曝晒试验后,较高含量的 Cu 和 Ni 元素协同添加使腐蚀产物中 α-FeOOH 含量明显提高,活性较高的 MnFe2O4和 Mn2O3含量降低,耐蚀产物 NiOOH 及 CuO 含量增加。腐蚀产物颗粒均匀细小,产物层整体致密光滑,保护性能提高,其腐蚀速率相较于单独添加 Cu 元素的高锰阻尼钢降低 70%,表现出优异的耐蚀性能。所提出的高锰阻尼钢耐蚀性的成分设计方案及耐蚀机理可为未来高锰阻尼钢在桥梁中的应用提供数据支持。
      2024  Vol.  37(2):    27-40 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](254)    [PDF](275)
    • S355J0W钢对脱硫弧菌和铜绿假单胞菌腐蚀的抑制机制
      卢士航,张雪,窦雯雯,陈士强,刘光洲
      微生物腐蚀(MIC)严重威胁着海洋工程设施的可靠性和安全性,制约着海洋经济的发展。钢中添加合金元素是进行海洋 MIC 防护的重要策略之一。采用表面分析、失重和电化学测试等方法,以 EH36 钢为对照,探究由多合金元素组成的 S355J0W 钢对典型海洋腐蚀性微生物(脱硫弧菌和铜绿假单胞菌)腐蚀的抑制机制。结果表明,S355J0W 钢具有更优的耐 MIC 性能。在含脱硫弧菌的厌氧培养基和含铜绿假单胞菌的有氧培养基中,S355J0W 钢的 MIC 速率均明显低于 EH36 钢。 在脱硫弧菌培养基中,S355J0W 钢的失重和最大点蚀深度是 EH36 钢的 56%、70%。在铜绿假单胞菌培养基中,S355J0W 钢的失重和最大点蚀深度是 EH36 钢的 54%、47%。相较于 EH36 钢,S355J0W 钢含有 Cr、Ni、Nb 元素和更多的 Cu 元素。一方面,S355J0W 钢中的合金元素使其表面的产物膜更具有保护性(更高的膜电阻值);另一方面,合金元素导致 S355J0W 钢表面固着的脱硫弧菌和铜绿假单胞菌数量仅是 EH36 钢的 22%、24%。更少的固着细菌数量直接导致更低的胞外电子传递速率,从而降低 S355J0W 钢的 MIC 速率。添加耐蚀和抑菌合金元素能够显著提高材料的耐 MIC 性能,研究结果为海洋 MIC 机理的探究提供了理论依据,为海洋结构钢 MIC 防护方法的设计与开发提供了新见解。
      2024  Vol.  37(2):    41-57 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](243)    [PDF](282)
    • 基于腐蚀大数据的碳钢海洋大气腐蚀行为
      夏晓健,杨国威,林德源,李清,朱仁政,杨小佳,陈奕扬,万芯瑗,严康骅,韩纪层,陈云翔,洪毅成,陈天鹏
      随着“一带一路”和“海洋强国”等重大战略的深入推进,沿海地区及海上重大装备设施面临着空前严峻的海洋环境挑战。深入研究海洋大气腐蚀行为,对于延缓腐蚀过程、确保设施安全运行以及防止重大安全事故和经济损失具有至关重要的意义。以 Q235 碳钢作为研究对象,基于腐蚀大数据技术,通过周期浸泡加速试验获取实时连续的腐蚀数据,研究环境因子 Cl? 、HSO3 ? 及 pH 值对碳钢海洋大气腐蚀行为的影响。结果表明:随着 Cl? 、HSO3 ? 浓度的增加或 pH 值的降低,腐蚀累积量呈不断上升的趋势,腐蚀大数据采集结果与碳钢试样腐蚀形貌及锈层分析结果一致。随试验的进行,当 Cl? 浓度较低时, 锈层朝着更加稳定的方向发展;Cl? 浓度较高时,锈层稳定性不断下降。0.05% HSO3 ? 浓度下,腐蚀始终以相对较低的速率匀速进行;浓度为 0.1%时,腐蚀先是匀速进行,但由于腐蚀后期形成了具有一定保护性的锈层,腐蚀速率有所下降;当浓度达到 0.2%时,腐蚀速率在试验后期反而加快,锈层难以维持相对稳定的状态。试验环境 pH=5 或 3 时,整个试验周期的腐蚀速率整体呈下降趋势;pH=1 时,腐蚀速率呈持续上升趋势。腐蚀大数据方法与传统挂片法研究结果具有较高的一致性,验证了腐蚀大数据手段对于环境腐蚀研究的可靠性,研究结果可为后续开展数据分析与挖掘工作奠定基础。
      2024  Vol.  37(2):    58-71 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](245)    [PDF](265)
    • 钢在高温CO2环境中氧化渗碳腐蚀机理及其涂层防护研究进展
      李微,孙涛,柏国伟,张弛鹏,李聪,彭卓寅
      钢材由于具有高强度和耐热性等优异性能而广泛应用于各种零构件,在服役过程中通常面临较为严重的腐蚀问题。CO2 腐蚀是钢材应用领域中较为常见的一种腐蚀失效方式。通常,CO2 对钢的腐蚀行为表现为其溶于水后产生的碳酸腐蚀,但在高温环境中,CO2 可直接使钢表面氧化,同时伴随渗碳现象发生,钢的力学性能与耐腐蚀性能均会因此大幅下降。然而,目前关于钢在高温 CO2 环境中的腐蚀行为研究缺乏相关系统总结。综述有关高温 CO2环境下钢的腐蚀机理,总结高温 CO2环境中温度、压力以及环境中存在的其他杂质气体对腐蚀方式及机理的影响规律,归纳已有的高温 CO2氧化与渗碳腐蚀模型的发展状况,概述目前关于抗高温 CO2 腐蚀的钢材涂层类型及其防护效果。研究表明,由于含 Cr 钢在高温 CO2环境中形成的 Cr2O3 层相较于 Fe 氧化物层更加致密,Cr 元素的存在通常有利于钢的耐腐蚀性能。而环境中,温度与压力的升高以及杂质气体的存在往往会加重钢的 CO2 腐蚀,但这些因素的影响规律会随着钢的种类及服役环境的变化而变化。目前关于钢的 CO2腐蚀模型主要为单一的高温氧化模型或者渗碳模型,可预测氧化物层厚度或渗碳深度,但无法准确预测同时发生氧化和渗碳行为的钢的腐蚀寿命。综述相关研究现状不仅能指出现有研究的不足及未来研究的展开方向,还可为高温环境中钢材抗 CO2腐蚀防护措施的选择及其长周期安全服务寿命评价提供全面理论依据。
      2024  Vol.  37(2):    72-90 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](259)    [PDF](270)
    • 2507双相不锈钢在酸性高氯环境下的腐蚀行为
      李玉,刘光明,李富天,刘晨辉,杨淑莉,董猛
      热法蒸发技术在废水处理方面得到广泛应用,且随着废水不断蒸发浓缩,溶液中的 Cl? 含量成倍增加,导致用于蒸发设备的材料也因此快速腐蚀而失效。2507 钢是一种 Cr、Mo 元素含量高的双相不锈钢,结合了铁素体和奥氏体不锈钢共同优点,因此具有极好的耐点蚀性能。为研究 2507 双相不锈钢在酸性高氯环境中的腐蚀情况,采用动电位极化、电化学阻抗谱、 Mott-Schottky 曲线以及动态浸泡试验等方法进行测试,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及 3D 显微镜对浸泡腐蚀后的试样性能进行表征。研究结果显示,随 Cl-浓度增加,腐蚀电位 Ecorr负移,腐蚀电流密度 Icorr增加,极化电阻 Rp 减小,且施主密度 ND和受主密度 NA增加,材料的耐蚀性降低。2507 双相不锈钢在酸性高氯(pH 为 3、120 g / L) 腐蚀液中浸泡 35 d 的平均腐蚀速率为 2.51 μm / a。试样表面蚀孔数量较少,蚀孔外径在 70~100 μm,平均点蚀深度为 20.493 μm,最大点蚀速率为 0.275 mm / a,属于轻度腐蚀,体现了不锈钢在酸性高氯环境中良好的耐蚀性。由于目前关于高氯废水蒸发设备材料的腐蚀数据非常缺乏,因此 2507 双相不锈钢的腐蚀情况可以为选材提供数据支撑。
      2024  Vol.  37(2):    91-100 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](315)    [PDF](281)
    • 综述论文
    • 高速低温喷涂气固作用行为及喷涂系统研究进展
      马式跃,刘梅军,杨冠军,李长久
      高速低温喷涂是利用固相或含固相的低温粉末在高速度、高动能作用下碰撞基体表面沉积的喷涂方法,具有氧化轻微、 结合牢固、组织致密、综合力学性能优异等潜在优势,在高性能金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造和零件损伤修复等领域获得广泛关注。以粉末低温高速碰撞沉积过程为主线,凝练现有冷喷涂和低温超音速火焰喷涂两种具体工艺的共性特征,阐明喷涂气流与粉末颗粒的气固两相交互作用规律,分析出合理调控颗粒温度和速度是改善沉积体性能的关键。其次分析高速低温喷涂设备系统的构成,详细讨论各核心部件的结构设计策略及对气固流动行为的影响,总结出通过调整工艺参数与喷枪结构,可以实现颗粒温度和速度的按需控制。最后,对高速低温喷涂工艺及设备系统发展目前尚存的关键问题进行展望。总结如何通过喷涂参数与装置设计,最终达成调控沉积体性能的目的,有助于深入理解高速低温喷涂的沉积机理,对研制高性能的喷涂设备系统具有参考意义。
      2024  Vol.  37(2):    101-114 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](214)    [PDF](277)
    • 聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法研究进展
      徐梦芸,张锦麟,马佳玉,唐登航,许文彬,王亮,谷红宇,章俞之,宋力昕
      柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法,主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理目前常见的试验测量方法,分析有损法和无损法试验测量的应用,整理归纳基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用,比较不同方法的优缺点,总结其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用,但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测,近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性,有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点,但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性,提出将有限元仿真与试验表征结合成为进一步指导涂层设计的有效方法,有望有效预测涂层失效机制,优化涂层材料制备工艺,开发具有低应力结构的涂层材料,为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。
      2024  Vol.  37(2):    115-136 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](224)    [PDF](257)
    • 微纳织构涂层刀具切削性能研究进展
      田初春,蒋宏婉,袁森,邓静,岳熙
      刀具磨损严重、服役寿命短仍然是切削加工所面临的难题。随着现代制造业的发展,钛合金、高温合金等难加工材料在工业中广泛运用。但由于这些材料具有低导热系数、变形系数小等特点,在机械加工中存在切削力和切削温度高、刀具磨损严重等问题,严重缩短了刀具的服役寿命。通过表面织构技术和表面涂层技术在刀具切削表面置入微纳织构和涂层可以显著改善切削性能;特别是在减小刀具磨损、降低切削力、切削温度以及刀-屑接触界面摩擦因数等方面具有显著效果。系统概述微纳织构涂层刀具的作用机理、切削性能以及应用领域,对微纳织构涂层刀具后续发展有重要推动意义。首先,介绍微纳织构涂层刀具的制备方式。其次,分析总结微纳织构涂层刀具的作用机理,并从抗磨损性、抗粘结性和刀具寿命三个方面总结微纳织构涂层刀具的自身性能。随后,从切削力、切削温度、刀-屑接触处的摩擦因数三个方面总结微纳织构涂层刀具的切削性能。最后对微纳织构涂层刀具在现代制造业中的应用进行阐述。提出在刀具切削表面同时置入微纳织构和涂层的当前研究现状以及未来发展方向,可为进一步研究微纳织构涂层刀具在切削加工中改善切削性能以及加工表面质量与性能提供参考。
      2024  Vol.  37(2):    137-160 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](278)    [PDF](290)
    • 技术基础
    • XPS原位分析纯铁微动磨损摩擦氧化行为
      肖子玥,盛亮亮,魏雪娇,魏怀正,徐小军,朱旻昊
      摩擦化学是微动磨损过程中不可避免产生的一种复杂的摩擦学行为,对材料的磨损性能及磨损机理具有重要的影响。 基于原位 XPS 高精度切向微动磨损试验平台,系统性研究工业纯铁在真空(p=4 mPa)和大气环境下不同微动运行区域接触界面摩擦化学状态及其微动磨损行为。试验结果表明,工业纯铁在大气环境下未观察到微动混合区,然而真空环境下因接触界面发生了严重粘着效应,使得微动运行难以进入滑移区而具有较宽的混合区。随着位移幅值的增加,工业纯铁在真空环境下的微动磨斑具有更多的 Fe 基体暴露,并伴有以 FeO 为主的氧化物,整体表现出较高的磨损量;相对比,在大气环境下其磨斑表面产物为以 FeO 和 Fe2O3为主的氧化物,特别在滑移区几乎没有 Fe 单质暴露,且磨斑表面主要以 Fe2O3氧化物为主, 表现出较真空环境下更轻微的磨损。磨损结果表明,FeO 和 Fe2O3 具有较好的润滑保护作用,特别是 Fe2O3 氧化物能显著提高材料表面抗微动磨损性能。利用原位 XPS 技术可以实现表征材料接触表面真实的摩擦化学状态,且更加准确地揭示摩擦氧化反应对微动磨损行为的影响作用机理,对丰富和发展微动磨损基础理论具有科学意义。
      2024  Vol.  37(2):    161-169 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](242)    [PDF](261)
    • 选择性激光熔化成形(SLM)增材制造重熔次数对316L构件表面粗糙度及磨损性能的影响
      李强,刘送永,王庆阳
      重熔次数对选择性激光熔化增材制造构件表面粗糙度及耐磨性能有重要影响,研究其影响机理及确定经济重熔次数对发展选择性激光熔化增材制造技术具有重要意义。采用选择性激光熔化增材制造设备制备 316L 样件,在样件制备过程中分组进行 0、1、2、3 次激光重熔,对不同激光重熔次数下的样件表面利用三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜等进行表征,利用高速往复摩擦磨损试验机对样件进行摩擦磨损试验,利用电子分析天平测定磨损前后的质量,对表征及磨损性能进行分析。 结果表明:SLM 增材制造样件表面粗糙度随重熔次数的增加而逐渐减小,重熔后的平均表面粗糙度 SaSqSvSz 值分别从 0 次重熔(正常打印)的 8.437、11.88、82.68、252.2 μm 降低到三次重熔的 6.18、7.735、37.597、104.36 μm,分别降低 26.75%、34.89%、54.53%、58.62%;随重熔次数的增加,平均摩擦因数逐渐增大,质量磨损量逐步减小;2、3 次重熔样件在磨损试验的后半段瞬时最大摩擦因数出现了大于 1 的情况,这是由于在明显滑动之前出现“接点增长”,接点面积不断增大,致使摩擦力超过正压力。表面粗糙度及摩损性能出现上述变化的原因是,每次重熔会使表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷,直至消失,相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制,孔隙和球化等缺陷逐渐被修复,表面变得更加平整。 研究发现不同重熔次数对表面粗糙度和磨损改变的程度不同;定义了经济重熔次数概念,1、2、3 次重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率分别为ζ 1 =26.61%、ζ 2 =43.60%、ζ 3 =23.68%,确定了经济重熔次数为 2;根据研究成果,给出经济重熔次数在矿山机械上的应用实例。提出经济重熔次数概念,并给出经济重熔次数的应用实例,可为提高增材制造构件表面质量和耐磨性能提供新思路。
      2024  Vol.  37(2):    170-181 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](204)    [PDF](284)
    • 超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验
      林洁琼,吴明磊,刘思洋,周岩,谷岩,周晓勤
      切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件 Abaqus 对 20%SiCp / Al 复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC 颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及 Al 基体撕裂是影响 SiCp / Al 复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低 33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为 531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题, 对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。
      2024  Vol.  37(2):    182-198 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](206)    [PDF](275)
    • 单晶硅磨抛协同加工的分子动力学
      郭磊,郭鹏举,刘天罡,郭万金,吕景祥,靳淇超
      磨削与抛光是实现单晶硅材料超精密表面加工的重要工艺方法,磨抛协同加工过程中由磨粒运动状态主导的二体与三体磨损机制对材料去除效率以及表面加工质量具有重要影响。采用分子动力学方法,建立固结与游离运动状态双磨粒协同作用下的单晶硅表面超精密磨抛加工过程仿真模型,分析磨粒切入深度、横向与纵向间距干涉等因素对磨削力、材料相变、表面损伤及材料去除行为的影响规律,阐释单晶硅磨抛协同超精密加工表面形貌演化规律。研究表明:受磨粒运动状态驱动的单晶硅材料表层损伤原子数量随固结及游离磨粒切入深度增大而增加,磨粒切入深度对工件的材料去除、裂纹生长及损伤行为影响显著;法向和切向磨削力随磨粒切入深度增加而增大,且在同等切入深度变化时法向磨削力增加幅度大于切向磨削力; 通过单晶硅金刚石结构分析磨粒间干涉区域的损伤情况可知,随着磨粒间纵向间距增加时,工件所受干涉作用减小,六角金刚石晶体结构减少;相比较固结磨粒,游离磨粒对工件的损伤区域更深,产生瞬态缺陷原子更多。研究结果可为实现超精密磨抛协同加工工艺高材料去除效率和高表面质量提供理论基础。
      2024  Vol.  37(2):    199-210 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](215)    [PDF](277)
    • 微弧氧化钛电泳沉积制备氧化镁涂层及其抗菌性与生物相容性
      范鑫丽,杜佳恒,肖东琴,李耀华,胡丽群,贺葵,翁杰,段可,刘刚利
      口腔种植修复术失败的主要原因是术后细菌在种植体表面黏附形成生物膜并导致周围炎症,主要致病菌为牙龈卟啉单胞菌(P. gingivalisP.g),植入物相关感染严重影响手术效果及增加患者痛苦与费用,因此须赋予植体表面抗菌能力以降低感染发生率。微弧氧化(Micro-arc oxidation, MAO)技术是通过高电压形成牢固结合且具备良好骨整合性能的氧化涂层,同时已有研究发现镁及其化合物(氧化镁)具有良好抗菌性和生物相容性。将 MAO 与电泳沉积(Electrophoretic deposition, EPD) 技术结合,在多微孔的二氧化钛表面沉积纳米氧化镁(nano-MgO)涂层,并评价其体外抗菌性能及生物相容性。通过 SEM、 XRD、EDS 观察样品表面形貌结构、测定元素组成。通过稀释涂板计数法、细菌活死染色及 SEM 观察评价 nano-MgO 涂层对 P.g 的体外抗菌性能。通过将人牙龈成纤维细胞(HGF)与 nano-MgO 涂层共培养后 CCK-8 法、细胞活死染色及骨架染色观察评价 nano-MgO 涂层体外生物相容性。研究结果发现,nano-MgO 颗粒在二氧化钛多微孔表面均匀-团聚沉积且覆盖率随沉积时间增加。各组样品对 P.g 的体外抗菌性能在 24 h 为 6%~54%,在 72 h 为 39%~79%。显微观察(活死及 SEM)样品表面活菌比例随沉积时间而减少。各组样品与 HGF 共培养 1 d 后细胞相对存活率为 79%–67%,5 d 后为 93–85%。荧光显微观察发现 MAO 钛样品表面几乎无死细胞,其余 4 组表面死细胞比例随沉积时间增加,各组样品表面细胞形态完整且各组间无明显差异。MAO 钛表面 EPD nano-MgO 涂层具备良好体外抗菌性能及生物相容性,研究成果可为降低口腔种植修复术的感染发生率、减少患者痛苦及手术费用提供一种新方法。
      2024  Vol.  37(2):    211-219 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](204)    [PDF](247)
    • UO2与Zr包壳的扩散反应阻挡层
      黄杰,曾强,刘喆,陈江善,李浩鹏,廖斌
      UO2-Zr 燃料体系广泛应用于压水反应堆和各种研究试验堆中,但在反应堆运行工况下,UO2燃料与 Zr 包壳会发生扩散反应。在 UO2燃料与 Zr 包壳之间制备一层氧扩散阻挡层,阻止 UO2中的氧原子向 Zr 包壳中扩散,是提高核燃料元件的安全性和使用寿命的方法之一。进行理论计算,结果表明 Nb 和 Cr 是最具潜力的氧扩散阻挡层材料。采用电弧离子镀技术制备 Nb、Cr、Nb / Cr 三种涂层,通过对这三种扩散阻挡层的研究,发现在 UO2燃料上制备一层金属涂层能够有效阻止 UO2与 Zr 包壳的扩散反应,Nb 涂层具有较好的氧阻挡能力,但是 Nb 与 Zr 在试验条件下能够无限固溶,形成 Nb 与 Zr 的双相结构。 Cr 与 UO2 燃料和 Zr 包壳均有较好的相容性,但是 Cr 与 O 原子的亲和性比 Nb 好,Cr 涂层中 O 原子浓度比 Nb 涂层中的 O 原子浓度高。Nb / Cr 复合涂层是一种比较理想的扩散阻挡层,且靠近 UO2 燃料一侧为 Nb 涂层,靠近 Zr 包壳一侧为 Cr 涂层。 研究结果表明 Nb / Cr 复合涂层作为氧阻挡层材料,在氧阻挡能力上优于 Nb 涂层和 Cr 涂层。扩散反应阻挡层的研究可为提高核燃料元件的安全性和使用寿命提供一定参考数据。
      2024  Vol.  37(2):    220-226 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](177)    [PDF](257)
    • 工程应用
    • 医用TC4钛合金激光-化学复合抛光及表面形貌演化
      邵勇,孙树峰,王萍萍,蒙卡·彼得·帕沃尔,陈博文,张丰云,王茜,孙维丽
      表面粗糙度是医疗器械构件最重要的质量特征之一,然而现有的激光抛光、化学抛光等单一表面抛光技术存在一定局限性。针对医用 TC4 钛合金表面的精密抛光需求,设计并搭建一套激光-化学复合抛光系统,通过激光-化学复合加工材料去除机理分析和开展 TC4 钛合金的激光-化学复合抛光试验,深入探究复合抛光过程中不同抛光阶段材料表面形貌的演变过程及粗糙度变化并进行分析,进而明确激光-化学复合抛光机理。研究结果表明,激光-化学复合抛光材料去除是基于激光热-力效应与激光诱导化学腐蚀溶解共同作用的结果,而且两者具有一定协同效应,在适当的工艺窗口内,化学腐蚀溶解可以完全去除激光烧蚀产生的残渣和重熔物。激光辐照会在工件表面“峰-谷”区域产生温度差,进而导致化学溶解速率差异,即“山峰”区域溶解速率快,“山谷”区域溶解速率慢,从而实现表面粗糙度的降低。最后采用合适的工艺参数,优化了抛光效果, 实现了医用 TC4 钛合金的选择性精密抛光,激光辐照区域表面粗糙度 Ra 由初始的 5.230 μm 下降至 0.225 μm, Sa 由初始的 8.630 μm 下降至 0.571 μm,分别下降 95.7%和 93.4%。研究结果可为钛合金或其他自钝化金属的精密抛光提供参考。
      2024  Vol.  37(2):    227-237 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](212)    [PDF](243)
    • 耐久超疏水涂层的制备及其防冰防腐自清洁性能
      王波,辛蕾,张凯,高健,李好,吴连锋
      超疏水涂层在防结冰、防腐蚀等领域具有广阔的应用前景,然而目前仍无法大规模制备稳定的超疏水表面。提出一种操作简单、成本低廉的方法,在铝合金基材上通过一步喷涂法制备出耐磨超疏水涂层。首先在铝合金基体表面涂覆环氧树脂粘结层,待其达到半固化状态时,喷涂硬脂酸修饰的微米 SiO2 和纳米 TiO2 粒子混合悬浮液,固化后该涂层与水的接触角为~ 155.4°,滚动角为~3°,实现了超疏水性。试验结果表明,该超疏水涂层具有较好的耐磨耐久性,在胶带剥离、砂纸摩擦、 紫外光长时间照射以及不同 pH 液滴等多种测试条件下仍具有良好的超疏水性。此外,此超疏水涂层在极端寒冷的天气下可以显著延缓水的冻结时间。环氧树脂和疏水颗粒的协同防腐作用使超疏水涂层在海水中表现出良好的防腐蚀性能。所制备的超疏水涂层还具有优异的自清洁特性,且因 TiO2 粒子本身的光降解性能,该涂层还可用于光降解污染物和净化水质。这种简单、环保的超疏水涂层在防结冰、防腐蚀等方面具有潜在的应用前景,可为克服传统超疏水表面使用耐久性差的问题提供解决思路。
      2024  Vol.  37(2):    238-247 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](279)    [PDF](278)
    • 重载变速冲击工况下MoDDP/CaB复合润滑油添加剂的润滑性能
      王小勇,张慧峰,郭佳毫,姜宇,姜雨辰
      为解决机械设备在恶劣工况下由润滑失效而导致的设备故障甚至安全生产事故问题,进一步提升机械设备的运行稳定性和安全性,研究纳米硼酸钙(CaB)和二烷基二硫代磷酸钼(MoDDP)单一润滑油添加剂和复合润滑油添加剂的减摩抗磨效果,并探究其润滑作用机制。研究结果表明,重载、变速、冲击工况条件下 1.5 wt.% MoDDP / 3.0 wt.% CaB 复合润滑油添加剂具有良好的减摩抗磨效果,与基础油相比,在不同转速下可最大降低 65.1%的摩擦因数和 80%的磨痕深度,施加 50 N 冲击载荷时,可分别降低66.7%的摩擦因数和76.5%的磨痕深度。MoDDP / CaB复合润滑油添加剂在润滑过程中能生成包含C-C、 Fe2O3、FeB 和 MoS2的金属化合物层,添加剂中的 CaB 和 MoDDP 能够相互促进彼此反应,增加 FeB / MoS2润滑膜的生成量, 对比单一的添加剂和基础油,复合添加剂具有更好的自修复性能和协同功效,形成具有高承载力的润滑油膜,提高了复合润滑油的抗磨减摩性能。MoDDP / CaB 复合润滑油添加剂的制备可以充分综合利用抗氧化剂与极压耐磨剂的稳定、优异润滑特性,研究结果可为复合添加剂的广泛应用提供数据支持和理论支撑。
      2024  Vol.  37(2):    248-259 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](205)    [PDF](260)
    • 通过优化偶联剂含量改善磁粉芯综合性能
      余红雅,袁涵,李竞舟,刘仲武,郭宝春,杨建民,陈榕寅
      磁粉芯在工程应用中会遇到体积变化引起的开裂、磁性能低等问题,目前未见关于这方面的研究。通过在羰基铁粉磁粉芯(包含磁环、磁片和一体成型电感)中加入不同含量 KH550 硅烷偶联剂,研究其成型性、磁性能和力学性能,并利用 SEM、TMA 和 LCR 等测试分析偶联剂对磁粉芯性能影响的作用机理。研究表明偶联剂能将树脂“约束”在磁粉表面,并在固化过程中带动磁粉颗粒重排,从而增加磁粉芯的膨胀系数。添加 0 wt.%和 0.1 wt.%偶联剂的磁粉芯具有负的膨胀系数,容易收缩开裂。当偶联剂含量达到 0.3 wt.%、0.5 wt.%和 0.7 wt.%时,树脂固化过程中磁粉芯的膨胀系数升高,从而增加磁粉芯的体积,有效抑制磁粉芯的开裂倾向。但是,体积的增加会降低磁粉芯的密度、磁导率、Q 值和力学性能,增加损耗。综合考虑磁粉芯的成型性和其他性能,偶联剂添加的最佳比例是 0.3 wt.%。揭示了偶联剂对磁粉芯膨胀系数等综合性能的影响规律,可为高性能磁粉芯的工程化应用提供重要理论依据。
      2024  Vol.  37(2):    260-268 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](229)    [PDF](268)

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