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  • 中国表面工程
  • 2024年 第37卷 第1期
  • 出刊日期:2024-02-23
《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1期

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    • 综述论文
    • 智能表面工程
      葛世荣
      表面工程自其诞生以来,经历了从传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程自动化的发展,正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生。随着智能时代的来临,智能表面工程应运而生。智能表面工程是对摩擦表面赋予智能调控性能,使之具有自感知、自适应、自愈合能力,从而实现摩擦学行为的智能控制。介绍皮肤自感知、关节自感知、消化道自适应和表皮自愈合等人体表面智能性,触屏自感知表面、损伤自感知表面、摩擦自感知表面和触压自感知表面等自感知表面创新,自适应表面变色、自适应调光涂层、自适应疏水涂层、自清洁除尘表面、自适应隐身表面、自硬化耐磨表面和自减摩超滑表面等自适应表面创新,植物自愈合、自愈合聚合物膜、自愈合导电皮肤、自愈合离子皮肤、自修复防腐涂层、自愈合蛋白质体、自愈合关节软骨和自愈合磨损划痕等自愈合表面创新。以往的表面工程是对材料表面强化以提高其物理、化学、力学性能的技术和方法,而智能表面工程则是赋予材料表面自润滑、自抗磨、自耐蚀、自修复等功能的智能表面技术和方法。未来的智能装备离不开摩擦智能,摩擦智能必须有智能表面。智能表面制造须要深入研究仿生科学与表面工程技术交叉融合,因此在摩擦学、仿生学、低碳学等领域尚有许多需要探索的关键理论和技术问题,一旦取得突破,将促进智能表面工程领域的显著进步。可以预见,摩擦智能表面工程将支撑智能装备制造技术的发展,创造出更快、更强、更稳的机械系统;仿生智能表面工程将使机器人更智能地实现对自身运动的感觉、对空间的感知和对外部刺激的反应;低碳智能表面工程将降低摩擦系统能耗、减少建筑领域碳排放,从而使摩擦学及表面工程研究与人类命运共同体紧密结合在一起。
      2024  Vol.  37(1):    1-17 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](1445)    [PDF](561)
    • 地面重型燃气轮机及其热障涂层的研究进展与发展趋势
      邹兰欣,常辉,高明浩,崔凤静,张甲,徐娜,常新春
      国际公认的重型燃气轮机制造尖端技术之一—热障涂层技术,高温下通常面临 CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)腐蚀、 氧化、相变与烧结等问题,其抗 CMAS 腐蚀性等关键性能极大地影响涂层寿命,提高热障涂层的性能刻不容缓。对重型燃气轮机用热障涂层的研究进展与发展趋势进行全面总结与分析。首先介绍国内外重型燃气轮机的现状及发展趋势、热障涂层的系统结构、材料和几种典型的制备工艺,然后针对高温下燃气轮机热障涂层遇到的一些问题,对其隔热性、抗氧化性及抗热震性等关键性能的研究进展进行综述,最后分类详述热障涂层的 CMAS 腐蚀机理及其防护研究进展。综述热障涂层的几种关键性能,提出热障涂层的性能与其材料、结构及制备工艺密切相关,据此总结归纳提高热障涂层性能的方法,为热障涂层性能的提高提供参考依据,以弥补燃气轮机热障涂层领域目前缺乏这类综述文章的不足。
      2024  Vol.  37(1):    18-40 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](659)    [PDF](475)
    • 激光冲击强化技术在核电领域的研究进展
      蔡振兵,周龙龙,俞延庆,方修洋,余施佳,周留成,何卫锋,李国杰,何艳磊
      激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。 随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏系统的综述。先通过介绍不同表面形变强化技术,叙述激光冲击强化技术的发展,阐述激光冲击强化机制,最后综述激光冲击强化技术在核电领域的应用研究进展。总结发现,激光冲击强化技术可有效改善核电领域材料力学、摩擦磨损及腐蚀性能,但传统和添加辅助手段激光冲击强化技术受约束层和吸收层影响较大,无涂激光冲击强化技术对金属易产生热效应, 飞秒激光冲击强化影响层浅且强化效果差,不同工艺技术在核电领域提升摩擦磨损性能研究较少。对不同工艺激光冲击强化机理及在核电领域材料不同性能的提升进行深入研究,为进一步提升激光冲击强化技术在核电领域材料的应用提供理论基础,可为核电领域关键装备进行强化、提升核电装备运行寿命提供参考。
      2024  Vol.  37(1):    41-58 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](657)    [PDF](442)
    • 材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展
      邱天,言兰,王福增,谢鸿,税妍,张涛,姜峰
      精密机械加工过程中,利用 Rehbinder 效应对工件表面特性的影响,可以更好地控制零件表面质量。不同工程材料的 Rehbinder 效应的微观表现形式有所差异,但宏观结果都是降低工件表面硬度,使材料去除过程更容易进行。回顾了 Rehbinder 效应概念的提出和发展过程并对其内涵和应用范围进行了阐述,为加工过程中的材料去除方法提供思路,对材料表面完整性的形成具有指导意义。列举了近年来科研人员对 Rehbinder 效应的相关研究成果,分析对比其在硬脆材料和塑性材料加工过程中的表现形式和微观作用机理,总结 Rehbinder 效应的影响因素,如极性分子的吸附活性、工件材料的晶粒尺寸等。揭示了 Rehbinder 效应中极性分子的吸附作用,以及吸附作用后的扩散、位错和间隙三种促进机制,并综述离散元法、有限元法和分子动力学等数值仿真方法对宏观尺度和微观尺度 Rehbinder 效应机理的研究。Rehbinder 效应可以看作是一种对加工表面的改性机制,研究 Rehbinder 效应作用下的表面活性剂与被加工表面的匹配机制是提高材料表面完整性的关键,对推动精密制造工艺的发展有重要意义。
      2024  Vol.  37(1):    59-74 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](780)    [PDF](407)
    • 技术基础
    • CMAS、CMAS+NaVO3、CMAS+海盐作用下热障涂层的腐蚀行为与机理
      郭磊,张馨木,杨硕
      环境沉积物(CaO-MgO-Al2O3-SiO2,CMAS)的高温腐蚀已成为航空发动机涡轮叶片热障涂层过早失效的重要原因之一。然而涡轮叶片工作环境复杂,熔盐、海盐常与 CMAS 耦合,一起对热障涂层造成多元复杂腐蚀,但目前关于 CMAS 与盐类的多元耦合腐蚀行为鲜有报道。针对 Y2O3部分稳定 ZrO2(YSZ)热障涂层在 CMAS、CMAS+NaVO3、CMAS+海盐作用下的腐蚀行为进行对比研究。通过 XRD、SEM 等方法对不同条件下腐蚀后的涂层进行表征,并分析热处理温度、腐蚀物种类对腐蚀行为的影响。结果表明:与 CMAS 相比,CMAS+NaVO3、CMAS+海盐会在更低的温度下损伤涂层(1 200 ℃)。 当三种腐蚀物均能完全熔化时(1 250 ℃),CMAS+NaVO3、CMAS+海盐熔体则由于更大的流动性而大量渗入,腐蚀内部涂层。其中,CMAS+海盐熔体在涂层内的渗透性最强,1 250 ℃热处理 4 h 后,渗透深度超过 400 μm。盐类的共存会改变 CMAS 的性质,增强熔体的渗透能力,增加涂层内部甚至底部失效的倾向。研究结果有助于理解盐类与 CMAS 耦合时混合熔体对热障涂层的破坏机理及潜在威胁。
      2024  Vol.  37(1):    75-86 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](496)    [PDF](433)
    • 多元氯化物熔盐中表面改性Inconel625的腐蚀行为
      陈思雨,张弦,李腾,刘静,吴开明
      氯化物熔盐作为传热蓄热介质,对太阳能热发电储能系统中金属部件产生严重腐蚀,而针对镍基合金在氯化物熔盐中的高温腐蚀行为研究较少。以镍基合金 Inconel 625 和经过表面改性后的 Inconel 625(ST In625)为研究对象,利用组织表征、 微拉伸试验及高温熔盐浸泡试验,研究不同样品的力学性能变化以及在二元和三元氯化物熔盐中的腐蚀行为。结果表明:ST In625 合金强度明显提升,拉伸塑性有所下降。腐蚀初期,两种样品在氯化物熔盐中形成的氧化膜以 Cr2O3和 NiCr2O4 为主, ST In625 表面产生的腐蚀坑较少;腐蚀后期,在两种样品表面均检测到 NiO,二元氯化物熔盐中两种样品表面未生成明显氧化层,出现明显腐蚀坑,而三元氯化物熔盐表面会生成新的 Cr2O3 和 NiCr2O4 絮状氧化层,无腐蚀坑出现。因此,在氯化物熔盐中 ST In625 的腐蚀失重较小,耐蚀性明显提高,且两种样品在二元氯化物熔盐中的腐蚀速率较低、但存在明显晶间腐蚀; 在三元氯化物熔盐中腐蚀速率更高,而晶间腐蚀较为轻微。通过表面改性提高了镍基合金在氯化物熔盐环境中的耐蚀性,可为太阳能热发电储热材料的金属部件选择提供全新的思路。
      2024  Vol.  37(1):    87-99 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](475)    [PDF](391)
    • 镁合金表面微弧氧化/自组装/镍复合涂层的腐蚀过程和机理
      王东,刘金玉,孙世博,吴方,温玉清,尚伟
      镁合金具有很强的活性,在水溶液或潮湿的大气中容易被腐蚀。为了提高镁合金的耐腐蚀性能,首先利用微弧氧化工艺进行微弧氧化,通过乙酸乙酯(C4H8O2)进行自组装,最后化学镀镍,在 AZ91D 镁合金表面制备微弧氧化(MAO)/ 自组装(SAM)/ 镍(Ni)复合涂层。通过形貌结构、电化学测试和腐蚀产物分析研究复合涂层在 3.5 wt.% NaCl 环境中的腐蚀行为,并建立复合涂层的腐蚀过程模型。结果表明:Cl? 的存在加速了腐蚀的发生。复合涂层的腐蚀电流密度与镁合金相比下降 3 个数量级,复合涂层显著提高了镁合金的耐蚀性。复合涂层在盐雾环境中 0~96 h 时,Ni 层表面结构仍然致密。当复合涂层暴露在腐蚀环境中 120 h 后,Ni 层开始被破坏,腐蚀离子进行渗透,形成通道。之后,基体上的 SAM 层和 MAO 层的保护时间缩短。在 144 h 时,腐蚀离子直接穿透了复合涂层,使基体涂层保护失效。研究成果可为该类涂层的开发、制备和应用提供试验依据和理论基础。
      2024  Vol.  37(1):    100-109 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](493)    [PDF](401)
    • 1,5-萘二酚改性环氧树脂及其氮化硼复合材料的制备与导热性能
      吴连锋,朱洪宇,申小松,朱艳吉,汪怀远
      环氧树脂是导热复合材料领域必不可少的,但是由于其本征导热系数较低限制了应用,因此提高环氧树脂本征导热系数对于高性能导热复合材料的开发具有重要意义。环氧树脂本征热导率的提高通常可采用引入刚性基团的方式实现,而实际操作中往往受限于含刚性基团分子与环氧树脂分子之间存在极性差异、相容性不一致等问题,导致环氧树脂及其复合材料结构设计与合成具有复杂性,限制了其实际应用。采用含较强刚性萘环的 1, 5-萘二酚(Naphthalenediol)改性环氧树脂(EP) 制备萘改性环氧树脂(NEP),改善环氧树脂分子链的“有序性”,减少导热过程中声子的散射,提高材料的导热性。研究结果表明,NEP 的导热系数为 0.32 W / (m·K),是 EP 导热系数 0.19 W / (m·K)的 1.68 倍。氮化硼(BN)填料的加入使 NEP / BN 复合材料的热导率提升至 1.25 W / (m·K),为 EP / BN 复合材料热导率 1.01 W / (m·K)的 1.24 倍,EP 的 6.58 倍。NEP 及 NEP / BN 复合材料导热性能的提升,归因于萘环的刚性引起分子链的排列更加有序,以及改性过程中形成氢键的协同作用。 向环氧树脂中引入萘环结构,采用简单的试验操作,明显提高了环氧树脂的本征热导率,可以为具有良好导热性能的树脂材料的开发提供思路。
      2024  Vol.  37(1):    110-117 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](426)    [PDF](361)
    • 具有增强光催化和抗菌活性的TiO2@Ag-GO复合材料
      戴胜,刘鲁英,王致钘,杨苹
      光催化降解环境中的污染物被认为一种理想的清洁方法,其中二氧化钛(TiO2)是目前最有前途的光催化材料之一。 但由于能带宽、光生电子与空穴快速复合等特点,限制了其利用效率和范围,开发一种高效的 TiO2基光催化复合材料具有重要意义。通过简单的溶胶-凝胶法和一步 Marangoni 法,将 TiO2和 Ag 纳米颗粒(AgNPs)和氧化石墨烯(GO)有效结合,制备出显著增强光催化活性和抗菌能力的复合材料 TiO2@Ag-GO。氧化石墨烯(GO)具有多个催化活性中心,可以高效地进行光催化反应降解污染物。同时,还能提高电荷分离程度,抑制光生电子和空穴复合,提高 TiO2 光催化活性。AgNPs 具有存储电子和促进电荷分离的能力,同时释放的 Ag+ ,赋予材料广谱的抗菌性能。光催化试验抑菌试验结果表明,复合材料能高效降解亚甲基蓝染料,2 h 降解率达到 74.5%,同时对金黄色葡萄球菌和铜绿杆菌有较强的杀灭作用。这种简易制备的高催化和杀菌功能的 TiO2 基复合材料在光催化清洁领域有很大的应用潜力。
      2024  Vol.  37(1):    118-125 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](408)    [PDF](366)
    • 橡胶模具表面FEP涂层防粘耐久性影响因素及机理
      张秀丽,刘志兰,徐秀芳,王旭,吴永玲,吴棣本
      防粘性失效是橡胶模具表面涂层的主要失效形式之一,但影响涂层防粘耐久性的因素和机理尚不清晰。为了提高橡胶模具表面常用氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)涂层的使用寿命,通过橡胶硫化试验并利用 SEM 和 EDS 测试,分析试样表面微观形貌和元素成分随硫化试验次数的变化,研究溶剂体系、涂层厚度和烧结工艺对橡胶模具表面 FEP 涂层防粘耐久性的影响规律,分析各因素对涂层使用寿命的影响机理。通过 XPS 测试胶垢成分发现胶垢主要包含 Zn、S、C、O 四种元素,模具使用初期 ZnS 是胶垢的主要成分,随硫化次数增加,ZnS 层上产生有机沉积。硫化试验 300 次后,45 钢试样、双层水性 FEP 涂层和单层溶剂型 FEP 涂层试样表面 Zn 元素质量含量分别为 40.6%、0.45%和 1.13%,FEP 涂层表面胶垢出现在涂层表面缺陷处。由于双层水性 FEP 涂层更容易控制表面 FEP 树脂成膜厚度和质量,其较单层溶剂型 FEP 涂层具有更好的防粘耐久性。 涂层面层厚度和成膜质量是影响双层水性 FEP 涂层防粘耐久性的关键因素;在 300 次硫化试验范围内,烧结工艺对涂层的防粘耐久性影响不大。采用橡胶硫化试验和表面分析的方法研究橡胶模具表面涂层的防粘耐久性,探究溶剂体系、涂层厚度和烧结工艺等因素的影响,研究结果可为橡胶模具表面处理提供理论依据。
      2024  Vol.  37(1):    126-136 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](401)    [PDF](382)
    • 2Cr13钢离子渗氮和WCrAlTiSiN离子镀复合处理及电化学行为
      卢金鹏,张念武,王政伟,张哲浩,邵明昊,李杨,何永勇
      马氏体不锈钢的常规表面改性方法基本局限在单一化学热处理或镀膜,对表面性能的提升有限。对 2Cr13 不锈钢进行离子渗氮与多弧离子镀 WCrAlTiSiN 纳米多层涂层复合强化处理,研究其在天然海水环境中的耐腐蚀性能。采用不同的表面强化工艺,即未处理(Untreated)、低温渗氮处理(LPN)、高温渗氮处理(HPN)、单一镀膜处理(Coating)、低温渗氮+镀膜处理(LPN+C)和高温渗氮+镀膜处理(HPN+C)。采用 X 射线衍射、光学显微镜、透射电子显微镜和维氏硬度计对不同样品的组织结构、化学成分和硬度等进行表征。采用电化学阻抗法和动态电位极化法对 2Cr13 在天然黄海海水中的电化学行为进行测试。试验结果表明:WCrAlTiSiN 涂层可在一定程度上提升腐蚀性能,但是溶液中的 Cl? 通过较薄单一涂层的缺陷侵入基体。LPN 样品因渗氮层的存在提升了一定的耐腐蚀性能,而 HPN 样品因为渗氮温度过高而导致 CrN 大量析出,使得样品表面出现“贫 Cr”现象,耐腐蚀性能下降。复合处理样品的渗氮层-WCrAlTiSiN 涂层可形成保护屏障,有效阻止电荷转移和电流从阳极流向阴极,提高 2Cr13 钢在海水环境中的耐腐蚀性能。通过离子渗氮-多弧离子镀 WCrAlTiSiN 纳米涂层复合强化方法可有效提升马氏体不锈钢在海水中的耐腐蚀性能。
      2024  Vol.  37(1):    137-147 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](340)    [PDF](389)
    • 超音速火焰喷涂(HVOF)多相流瞬时演化机理及敏感性分析
      赵晓玉,李昌,李思语,刘鹏飞,韩兴
      以航空煤油为燃料的超音速火焰喷涂(HVOF)技术在制备 WC-Co 涂层方面具有独特优势。目前对 HVOF 热喷涂稳态过程的研究无法揭示燃料液滴在燃烧室中的动态燃烧行为。液体燃料进入燃烧室前需要雾化,量化揭示燃料燃烧反应瞬时演化机理是优化喷涂工艺的关键。基于 JP5000 喷枪建立 HVOF 热喷涂过程瞬时演化数值模型。将煤油液滴破碎、气化过程、 燃烧反应焰流与喷涂粒子直接耦合。采用双向耦合欧拉-拉格朗日方法跟踪连续相和离散相,以 realizable k-ε 湍流模型、一步反应涡耗散模型(EDM)表述喷涂燃烧焰流特性。通过 KHRT(Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor)破碎模型描述航空煤油液滴破碎过程。基于可靠性理论,综合分析煤油液滴直径、氧气 / 燃料比率及反应物质量流量对喷涂粒子飞行行为的影响。结果表明:氧气 / 燃料比率对粒子温度影响程度最大,煤油液滴直径对粒子速度影响最大。HVOF 瞬时演化模型可以直观呈现燃料的动态行为及喷涂粒子的飞行特性,可为优化热喷涂工艺提供参考和理论支撑。
      2024  Vol.  37(1):    148-159 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](367)    [PDF](370)
    • 微织构排布方式对水润滑轴承启停过程摩擦学性能的影响
      崔博超,陈平,杨潍旭,乔小溪,李建超
      梯度排布微织构在提升水润滑轴承摩擦学性能方面具有显著效果,然而梯度排布微织构在水润滑轴承中的应用仍缺乏系统性研究。为了探究梯度排布微织构对水润滑轴承启停过程摩擦学性能的影响,基于 Greenwood-Tripp 微凸体接触模型、 Archard 磨损模型求解轴瓦表面的磨损量。通过 CFT-I 材料表面性能综合测试仪对 CNC 雕刻机加工的织构化表面进行水润滑条件下的摩擦学试验研究。针对光滑、单一圆形织构、圆形与三角形以轴向交错平行(112 )和周向交错平行分布(1212)方式梯度排布的表面,测量各个表面的磨损量和摩擦因数。通过立体显微镜、扫描电子显微镜对摩擦磨损试验前后的表面形貌和摩擦因数进行分析。数值模拟和试验结果显示,与光滑表面和单一织构化表面相比,梯度排布微织构化表面磨损量和摩擦因数显著降低;圆形与三角形以112 方式的梯度排布微织构化表面摩擦学性能最佳,接触表面磨损量最小、表面摩擦因数最低。 梯度排布微织构在流体润滑过程中相互影响,可以起到提高轴承表面举升力,减少表面接触,降低表面磨损和摩擦因数的作用。研究不同形状、排布方式下梯度排布微织构化表面的磨损量和摩擦因数的变化规律,可为舰船装备水润滑轴承研制阶段主动设计提供理论基础。
      2024  Vol.  37(1):    160-168,178 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](478)    [PDF](362)
    • 石墨烯柔性压阻传感器微织构压缩应变机制
      许静,马靖轩,王路文,连加俤,蔡林烜,董林玺
      为满足智能机器人、电子皮肤等领域对柔性传感器高灵敏度日益增加的需求,通过设计高表面积形貌以制备石墨烯凸台微织构柔性传感器,并对比分析有无微织构传感器的灵敏度;基于结构力学方程与静电方程,建立微织构柔性传感器模型, 开展了电场作用不同基底厚度以及微织构间距下柔性传感器微织构应变的数值模拟,研究柔性压阻传感器微织构压缩应变机制,探寻机械载荷和电载荷的交互作用关系。结果表明,柔性基底的微织构化处理能有效提高柔性压阻传感器的灵敏度。模型总位移的最大值随基底厚度的增加呈非线性增加,微织构应变随着厚度的增加而减小。电场作用下微织构应变受机电耦合压力叠加的影响均大于无电场作用。框状微织构类似于悬臂梁,作用在微织构上的力矩随间距增加而增大,同时刚度减小, 微织构的压缩形变增加,应变增大。组合尺寸微织构的应变随着微织构间距的增加而增大,制备多尺寸微结构传感器可使用 (150+350)μm 的组合尺寸,能够有效增加接触面积提高传感器灵敏度。机械载荷和电载荷的耦合作用,组合尺寸对力矩与刚度的分配有效增加了基底的应变,提高了柔性传感器的灵敏度。
      2024  Vol.  37(1):    169-178 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](370)    [PDF](364)
    • Si3N4工程陶瓷基底金刚石涂层生长规律及性能
      吴玉厚,杨淯淼,闫广宇,王贺,刘鲁生,白旭,张慧森
      为了避免氮化硅材料因产生裂纹或延伸破裂等造成的失效,利用热丝化学气相沉积法(Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD)在氮化硅基底上沉积具有高硬度的金刚石涂层,采用单因素影响试验,分别探究碳源浓度、腔室压力、 基底温度对金刚石成膜过程的影响机制,探究微米和纳米金刚石涂层的最优生长工艺参数。利用拉曼光谱仪(Raman)、X 射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对不同参数制备出的金刚石的形核、表面形貌、薄膜质量、表面粗糙度等进行表征,利用洛氏硬度计分析膜基结合力。结果表明,腔室压力越大,活性物质到达基底的动能越小, 不利于金刚石的成核和生长。生长速率和表面粗糙度主要受甲烷浓度的影响:甲烷浓度从 1%到 7%,生长速率从 0.84 μm / h 上升到 1.32 μm / h;表面粗糙度 Ra 从 53.4 nm 降低到 23.5 nm;甲烷浓度过高导致涂层脱落严重,膜基结合力变差;晶面形貌和金刚石含量受到基底温度的影响较为明显,随着温度升高,金刚石质量提高。综合基底温度、腔室压力对金刚石涂层的影响,确定最佳生长温度为 900 ℃,气压为 1 kPa。调节甲烷浓度 1%为微米金刚石;甲烷浓度 5%为纳米金刚石。研究方法可以优化在陶瓷基底上制备具有优异性能的金刚石薄膜的制备参数。
      2024  Vol.  37(1):    179-191 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](436)    [PDF](399)
    • 弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理
      王家庆,郭磊,刘天罡,郭万金,吕景祥,靳淇超
      基于弹性磨具的磨抛工艺为硬脆材料超精密加工效率与加工质量的兼顾平衡提供了新的解决思路,但其磨抛过程的材料去除机理尚未明确。为研究弹性磨抛过程中的材料去除行为,以硅橡胶作为磨具基体材料,混合微米级金刚石磨料制备弹性基体软固结磨料磨具,利用有限元仿真分析方法研究弹性基体软固结磨粒的受力状态,结合接触力学与运动学分析建立考虑单颗磨粒磨损行为与有效磨粒数量的材料去除模型,通过石英玻璃试件的弹性磨抛加工试验验证预测模型的准确性。结果表明:石英玻璃试件的材料去除率随着磨抛压力、主轴转速、磨具偏角的增大而显著增加,而磨料粒径对其影响程度较小; 当工艺参数组合为磨料粒径 100 μm、磨抛压力 7 N、主轴转速 1 500 r / min、磨具偏角 20°时,经 60 min 磨抛后,工件已加工表面粗糙度由 1.069 μm 降至 0.089 μm,材料去除率为 8.893×108 μm3 / min;该试验条件下,建立的材料去除模型预测准确度相比 Preston 经典模型提高 36.7%。研究成果可为实现硬脆材料的确定性材料去除提供技术支持和理论依据。
      2024  Vol.  37(1):    192-204 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](369)    [PDF](398)
    • 基于Cr-O-C钝化层改变多晶Cu表面能和表层位错的脱模力与脱模精度
      田振岐,杨光,陈菊,李波
      Cr-O-C 钝化层可以提高精密电铸脱模精度,但 Cr-O-C 钝化层对基底表面的钝化规律和对表层的影响尚未清楚。利用分子动力学方法,在多晶 Cu 表面沉积离散的 Cr、O 和 C 原子,获得不同比例和数量的 Cr-O-C 钝化层。计算结果表明,不同比例的 Cr、O 和 C 原子均可以大幅降低多晶 Cu 的表面能;随着原子数量的增加,多晶 Cu 的表面能呈下降趋势;Cr-O-C 钝化层增加了多晶 Cu 表层的位错密度;新增加的位错以 Shockley 位错为主;在一定沉积原子数量内,位错密度有极值。在多晶 Cu 表面电沉积不同密度的 Cr、O 和 C 原子,通过接触角测试验证了 Cr-O-C 钝化层降低多晶 Cu 表面能的结论。电沉积脱模强度和脱模表面粗糙度结果显示,随着沉积原子数的增加,脱模强度和脱模表面粗糙度均降低。研究结果可为利用离散 Cr-O-C 界面辅助精密电铸脱模提供一种解释。
      2024  Vol.  37(1):    205-215 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](302)    [PDF](362)
    • 基于激光表面织构提升钢材与木材间粘接强度
      林宇杰,柏亚双,徐国林,李洪毅
      胶接钢-木组合构件中,受胶黏剂在钢材表面附着力弱的制约,钢材和木材的粘接强度不高。为改善胶黏剂在钢材上的粘附能力,提出采用激光在钢材表面形成微织构增加胶黏剂与钢材接触面积及嵌入深度。通过单搭接剪切试验,探究织构形状(方形凹坑、竖向沟槽、横向沟槽)对钢材和木材粘接强度的影响;借助激光共聚焦轮廓仪检测钢材表面粗糙度和织构深度,采用扫描电镜(SEM)观察激光处理后钢材表面形貌特征及断口特征,基于检测数据构建有限元模型,探究织构形状对钢材和木材间胶层应力分布影响;总结钢材表面织构对钢材和木材粘接强度影响规律和机制。结果表明:钢材表面织构能有效提升钢材和木材粘接强度;织构形状对钢材和木材粘接强度起决定性作用;在相同激光设置参数和相同织构设计参数(宽度和间距)下,沟槽织构比方形织构更有利于增加胶黏剂与钢材粘结强度;织构周围存在的激光熔融物有利于提高胶黏剂与钢材粘结强度。研究成果可为提高钢材和木材间粘接强度提供技术支撑,也为织构在胶接型钢-木组合构件中的应用与设计提供新思路。
      2024  Vol.  37(1):    216-224 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](338)    [PDF](349)
    • 工程应用
    • 润滑介质及基体对不同厚度PTFE/PI-PAI涂层的摩擦性能
      涂传坤,曹均,朱旻昊,叶佩青,谢京杉
      船舶发动机轴瓦在受到炮弹攻击后处于极端工况,造成轴瓦失效破坏。传统的电镀镀层和磁控溅射薄膜因存在高污染、 高成本等缺点,目前亟须寻求新的解决方案来提高轴瓦在极端工况下的耐磨性能。针对轴瓦因炮击而处于极端工况,设计了 ZrO2 填充 PTFE / PI-PAI 的涂层材料,采用液体喷涂工艺在 A370 铝合金和 CuPb22Sn2.5 铜合金基体表面制备三种不同厚度涂层,研究涂层在不同润滑介质下的摩擦学性能。结果表明,涂层的摩擦学性能受到涂层硬度、润滑介质及基体支撑作用影响, 涂层的硬度及弹性模量随厚度的增加呈现递减的趋势。涂层越厚,基体的支持作用越小。在油润滑工况下,铜合金基体上涂层摩擦因数及磨损率均小于铝合金,润滑油是涂层摩擦性能最主要影响因素。在海水工况下,涂层主要表现为磨粒磨损,并出现明显的犁沟现象。铜合金基体上涂层的摩擦因数高于铝合金,海水腐蚀和高频往复摩擦带来的冲刷作用是摩擦性能主要影响因素。在干摩擦工况下,涂层以黏着磨损为主。涂层的硬度受到基体支撑的影响,高频往复运动中硬质对磨球与硬质基体夹击软质涂层和接触压力是摩擦性能主要影响因素。通过涂层与合金摩擦因数对比,可知 30 μm 涂层能够大幅度地降低轴瓦材料的摩擦因数,有利于提高船舶发动机轴瓦在极端工况的摩擦学性能。阐明了基体对不同厚度自润滑涂层的支撑机理, 分析了涂层在极端工况下受到轰击后的摩擦学性能,确定了船舶发动机轴瓦涂层的最佳设计厚度。
      2024  Vol.  37(1):    225-239 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](408)    [PDF](412)
    • 内部结构非对称织构对材料表面的润滑性能分析
      杨宇,杨发展,姜芙林,黄珂,刘朝伟
      织构对材料表面的减摩降磨具有积极效果,但内部结构对称织构在摩擦方向和润滑方式上较为单一。为研究内部结构非对称织构对加工润滑特性的影响以及在改善材料表面摩擦性能方面的激励机制,通过研究对称织构和两种内部结构非对称织构的正、反向摩擦行为,对比润滑油在各织构单元体的压力分布、流速和流迹线来分析织构内部结构的对称性对润滑性能的影响。利用飞秒激光以倾斜加工的工艺制备内部结构非对称织构,并进行摩擦磨损试验。结果证明:织构内部结构的对称特征直接影响润滑油的流速和流迹线状态,进而影响油膜的承载力,而流速越大空化效应越剧烈,且流迹线越向涡旋中心集中,惯性效应越强。在内部结构非对称织构正反两个方向的摩擦中,正向摩擦的润滑性能要优于反向摩擦的润滑性能,且无论是正向摩擦还是反向摩擦,织构沟槽呈现直角时的润滑性更加优异,内部结构非对称织构的加工工艺可以增加表面硬度, 有利于降低摩擦因数。
      2024  Vol.  37(1):    240-253 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](574)    [PDF](403)
    • 纳米微囊砂轮磨削工件表面自润滑层的形成
      关集俱,徐正亚,杨兰玉,夏雨,许雪峰
      在磨削时磨削液难以有效渗入磨削区域起冷却润滑作用。提出利用润滑剂油酸(OA)填充碳纳米管(CNTs)制备 CNTs@OA 纳米微囊,并以其为填充剂制备树脂砂轮,磨削时随着纳米微囊的破裂,油酸可释放到磨削区形成自润滑层起润滑作用,从而提高砂轮的磨削性能。首先,制备纳米微囊并对其进行表征,分析微囊在砂轮中的存在形式,考察微囊的填充对其力学性能的影响;其次,研究砂轮磨削 GCr15 钢时纳米微囊的含量和磨削速度对磨削力、磨削温度、磨削比和表面粗糙度的影响,分析磨削过程中纳米微囊释放润滑剂油酸并产生自润滑作用的机制。结果表明,纳米微囊具有较好的热稳定性, 能够抵抗树脂砂轮的固化温度并保护其中的油酸,当微囊的填充量小于 16%时,砂轮的力学性能可以满足使用需求。与普通砂轮比,纳米微囊砂轮磨削时的磨削力可减小 40%,磨削温度降低 45%,工件表面粗糙度减少 15%,磨削比可提高 30%。磨削过程中,砂轮中的纳米微囊可将其空腔中的润滑剂油酸不断被释放到磨削界面上形成自润滑层,使砂轮具有了较好的自润滑作用,从而提高了其磨削性能。研究成果可为解决磨削过程的润滑问题提供一种可行的技术路线。
      2024  Vol.  37(1):    254-266 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](284)    [PDF](356)
    • 锆基非晶合金电解质等离子体抛光工艺及废液处理
      王成勇,唐梓敏,丁峰,黄瑜,张涛,郑李娟,朱旭光
      电解质等离子体抛光技术在非晶合金结构件的应用仍处于探索阶段,而且会产生含较高浓度的重金属和氟离子废液。 为了提高锆基非晶合金结构件的表面质量以满足其使役性能,研究抛光时间、工作电压、硫酸铵浓度、初始温度、工件入水深度、阳极挂具材料等电解质等离子体抛光工艺参数对锆基非晶合金表面粗糙度、晶化情况的影响,并利用正交试验进行参数组合优化,对比不同参数对于表面粗糙度的影响显著程度。最后针对抛光后废液污染的问题,探究并配套合适的废液处理方案。结果表明:影响抛光后材料表面质量因素的显著程度为抛光时间>工作电压>初始温度>硫酸铵浓度,最优抛光工艺参数组合为抛光时间 8 min,工作电压 220 V,初始温度 88 ℃,硫酸铵浓度为 5%,此时表面粗糙度为 0.103 μm。经化学混凝沉淀法和离子交换树脂法组合工艺处理后,出水废液中的重金属和氟离子浓度均能达国家电镀污染物排放标准。研究成果可为电解质等离子体抛光在锆基非晶合金的实际生产提供工艺指导,有助于推广锆基非晶合金结构件的产业化应用,促进锆基非晶合金的大规模工业生产。
      2024  Vol.  37(1):    267-279 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](358)    [PDF](404)
    • 激光冲击强化对FV520B钢疲劳寿命的影响
      金丹,刘壮,郭超越,李卓群,孙梦莹
      为提高叶轮的使用寿命,对叶片的抗疲劳性能提出了更高的要求,激光冲击强化(LSP)处理是提高材料抗疲劳性能的重要途径。针对 FV520B 钢棒状试样进行 LSP 试验和不同应变幅值下的单轴低周疲劳试验,并进行疲劳寿命预测。结果表明,LSP 后试样的表面硬度由 330 HV 提升至 490 HV,且 LSP 后试样表面产生约?90 MPa 的残余压应力。相比于未冲击试样, LSP 试样的疲劳寿命均有所提高,±0.5%应变幅值下试样的疲劳寿命提高 132.2%。SEM 结果表明,LSP 后试样表面产生的残余压应力抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,裂纹萌生位置由试样表面向次表面转移,且疲劳条纹的间距和韧窝尺寸减小,从而延长了试样的疲劳寿命。采用 Manson-Coffin 方程针对光滑试样和 LSP 试样进行疲劳寿命预测,总的来说,对于光滑试样预测结果与试验结果吻合较好;对于 LSP 试样,预测的疲劳寿命偏保守。考虑残余压应力的影响针对 Manson-Coffin 方程进行修正,得到了较好的预测结果。研究结果可为 FV520B 材料 LSP 处理工艺和疲劳失效研究提供理论依据。
      2024  Vol.  37(1):    280-286 [[html全文] 1KB] (22)    [摘要](384)    [PDF](388)

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