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表面技术
中国兵器工业第五九研究所；中国兵工学会防腐包装分会；中国兵器工业防腐包装情报网
表面技术

中国兵器工业第五九研究所；中国兵工学会防腐包装分会；中国兵器工业防腐包装情报网

吴护林（兼）

双月刊

1001-3660

wjqkbm@vip.163.com

023-68792193

400039

重庆市2331信箱（重庆市九龙破区石桥铺渝州路33号）

表面技术/Journal Surface TechnologyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊主要报道金属、非金属表面技术方面的最新科学研究成果及新技术应用成果等方面的内容。
正式出版
收录年代

    脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

    郑敏黄婷肖荣诗
    1-12,32页
    查看更多>>摘要：针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势.针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理.最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望.

    激光增材制造脉冲激光冲击组织成形缺陷残余应力

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    水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

    杨高林刘谭亮雍兆郑权航...
    13-21页
    查看更多>>摘要：目的 解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题.方法 采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理.结果 同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷.在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm.多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同.在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃.同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显.厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小.结论 同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小.

    同步水冷光-粉同路增材制造温度控制能场复合数值模拟

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    超声振动对激光熔覆高熵合金涂层组织与耐磨性能的影响

    张咪娜王以珅王大锋周宇航...
    22-32页
    查看更多>>摘要：目的 研究超声振动对高熵合金涂层的裂纹抑制机理与力学性能影响.方法 采用自主设计的超声振动平台开展试验.使用激光共聚焦显微镜观察高熵合金涂层的截面形貌,对比超声添加前后裂纹的数量以及分布情况.采用扫描电镜、X射线衍射仪等测试设备,探究添加超声前后涂层的微观组织转变、元素分布趋势与晶粒尺寸等.借助显微硬度仪与往复摩擦磨损试验机研究涂层的显微硬度与耐磨性.结果 超声振动作用下,熔池的润湿角发生变化,截面由半圆状变为椭圆状.超声振动显著细化涂层的晶粒,破碎的柱状晶增加了凝固晶核的数量,同时促进了FCC相在晶界处的析出.FCC析出相形成"网状"结构,增强了晶界处吸收应力的能力,有助于抑制涂层中裂纹的扩展.涂层显微硬度由503HV0.5提升至526HV0.5,室温摩擦因数由0.669下降至0.586,摩擦曲线更加平稳.添加超声振动后,涂层的磨损机制为磨粒磨损与氧化磨损.结论 超声振动产生的空化效应与声流效应减小了熔池的温度梯度,细化了晶粒,抑制了裂纹在晶界处扩展.添加超声振动后,涂层的力学性能与摩擦性能得到提升.

    超声振动高熵合金激光熔覆裂纹抑制微观组织耐磨性能

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    超声振动对激光修复镍基高温合金晶粒特征及其缺陷的影响

    姚喆赫丁成桦迟一鸣王振...
    33-43页
    查看更多>>摘要：目的 研究超声振动对激光修复镍基高温合金梯形槽修复区显微组织及力学性能的影响,为实现高温合金的高质量激光增材修复提供参考.方法 以镍基高温合金为基体和修复材料,并将超声振动引入激光增材修复过程中.采用光学显微镜,对比分析有无超声振动时梯形槽修复区的显微组织结构;采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等设备,表征不同超声功率下梯形槽修复区的晶粒取向、析出相分布和元素组成;结合试验研究与机理分析,揭示超声振动对修复区晶粒特征和缺陷的影响规律.结果 超声振动减少了梯形槽修复区底角的缺陷,修复区一次枝晶间距平均值由6.74μm减至3.38μm,晶粒平均尺寸由58.4μm降至50.2μm,等轴晶占比由46.6％增至63.4％,Laves相析出含量减少.当超声功率为4000 W时,梯形槽修复区的平均显微硬度为256.2HV0.2,相较于无超声振动时提高了17.7HV0.2.结论 在超声振动作用下,梯形槽底角的熔合不良缺陷得到抑制,一次枝晶间距减小,长条状Laves相转变为颗粒状Laves相,且随着超声功率的增大,梯形槽修复区的平均显微硬度逐渐增大.

    超声振动激光修复镍基高温合金微观组织Laves相显微硬度

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    超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718性能影响研究

    范伟光李燕乐牛家亭戚小霞...
    44-54页
    查看更多>>摘要：目的 面向激光定向能沉积表面改性及再制造发展需求,揭示超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718零件的影响机制,为超声辅助激光定向能沉积高质量成形提供参考.方法 开展多方向超声振动辅助激光定向能沉积Inconel 718零件试验,结合原位熔池监测技术,研究沉积方向、搭接方向和扫描方向超声振动对熔池流动行为、微观结构和力学性能的影响.结果 不同方向超声振动显著影响了熔池的动态流动行为,其中搭接方向超声振动使熔池润湿面积提高了86.4％,并且形状更为规则,拖尾现象得到改善.微观组织细化方面,扫描方向振动效果最佳,晶体直径细化了46.9％,水平方向的晶体等轴晶转变优于沉积方向,而在沉积方向振动下,Laves相点球化和减少最为明显.相较于对照组的显微硬度210.4HV0.2,添加沉积、搭接和扫描方向超声振动后分别提高到了232.5HV0.2、230.9HV0.2和233.9HV0.2,变化趋势与晶体直径变化趋势基本一致.水平方向超声振动影响下,特别是扫描方向的超声振动在提高材料强度的同时,还在一定程度上保持了材料的延展性;在搭接方向上,超声振动辅助显示出较好的各向异性消除能力,获得了优异的硬度、强度和塑性匹配.结论 不同方向超声振动,通过不同方向的惯性力和热流改善了熔池的动态流动性,其中搭接方向超声振动在扩大熔池润湿面积和改善熔池动态形状方面具有优异的综合能力.由于超声强度方向性传播衰减和引起不同的声压梯度,微观组织细化和Laves相的细小点球状消减分别在扫描方向和沉积方向上最为显著,这些变化引起了显微硬度和拉伸性能的相关性提升.超声振动还均衡了材料的力学性能,提高了抗拉强度、屈服强度和延展性,尤其在搭接方向上,显示出较好的各向异性消除能力.可根据具体需求目标,选用相应的超声振动方向或者复合使用,以获得优异的Inconel 718零件熔池流动、微观形貌和力学性能匹配.

    激光定向能沉积Inconel718合金超声振动方向熔池流动微观结构力学性能

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    超音速激光沉积硬质铝合金的疲劳性能研究

    李楠王强牛文娟郭楠...
    55-63页
    查看更多>>摘要：目的 通过冷喷涂(Cold Spraying)和超音速激光沉积(Supersonic Laser Deposition)技术对预制缺口的硬质铝合金试样进行修复.方法 通过扫描电子显微镜、电子背散射衍射检测器和X射线衍射仪等,研究了不同工艺对修复层微观结构和晶粒细化的影响,对修复后试样的疲劳性能进行了测试.结果 冷喷涂和超音速激光沉积涂层中均未发现粉末材料的相变.7075铝合金颗粒在冷喷涂和超音速激光沉积过程中的严重塑性变形导致了双峰晶粒结构.激光辅助加热提高了喷涂颗粒的塑性变形能力,使涂层的平均晶粒尺寸降至0.92μm,其中局部动态再结晶是晶粒细化的主要原因.另外,超音速激光沉积层的平均显微硬度为196HV,高于冷喷涂涂层和基体.超音速激光沉积修复试样的疲劳极限为(135±15)MPa,远高于冷喷涂和未修复前的试样,这归因于修复涂层内聚和黏合强度的增加.结论 激光的引入可以改善7075铝合金颗粒的塑性变形能力,从而提高了修复层的显微硬度和修复件的疲劳极限.

    冷喷涂超音速激光沉积涂层修复疲劳

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    激光电沉积复合制备定域微纳结构及其超疏水性能研究

    孙诗成张朝阳吴予澄杨帅...
    64-74,95页
    查看更多>>摘要：目的 实现金属超疏水表面特定微纳结构的定域制备.方法 利用激光电沉积复合工艺(LECP)制备出由Cu微米锥和Ni纳米锥所组成的定域微纳结构.首先,依次使用800目和2000目砂纸机械抛光纯铜表面,皮秒激光刻蚀纯铜表面,获得周期性的微米锥结构,并电解去除熔融产物.在电沉积加工过程中引入激光辐照,进而控制Ni纳米锥结构的定域生长.分别将机械抛光、激光刻蚀、激光刻蚀后电沉积(常温、60℃)、LECP所制备的微纳结构表面进行化学改性处理,对所得样品的表面形貌、化学成分、疏水性能、自清洁、延迟结冰和耐腐蚀性能进行对比分析.结果 与激光刻蚀后电沉积相比,LECP能够定域制备Ni纳米锥结构.LECP定域制备的微纳结构表面经化学改性后实现了超疏水,其接触角为163°±2°,滚动角为1°±0.5°.与未加工微纳结构的表面相比,LECP制备样品表面水滴结冰时间延长近5倍,腐蚀电流密度减小了2个数量级.结论 本研究通过LECP实现了表面微纳结构的定域制备,为超疏水表面的应用提供了一种新的技术手段.

    微纳结构超疏水表面定域加工复合工艺激光电沉积

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    基于人工神经网络的激光冲击复合强化残余压应力预测与分布调控

    周远航冯爱新韦朋余张若楠...
    75-83页
    查看更多>>摘要：目的 通过结合人工神经网络和激光冲击有限元仿真,以减少激光冲击强化最佳参数设计的迭代次数,提高参数优化效率.方法 构建基于冲击波压力幅值的激光冲击强化Abaqus有限元模型.采用Vdload子程序与对应二次开发脚本形成光斑重叠区域残余应力的初始数据集.建立人工神经网络(ANN)算法模型,采用测试集对ANN模型进行测试,对超参数进行优化,对比分析不同机器学习算法的R2得分、MAE和RMSE.设计并优化镍铝青铜模型表面的残余应力大小与分布,对比分析经机器学习预测后的模型表面残余应力分布情况.结果 经ANN预测整个面LSCP处理的模型表面形成了高达-413 MPa的残余压应力,并且预测了均匀与非均匀的残余压应力分布;RMSE均方根误差仅为1.1891,既显示出较好的预测精度,又避免了模型的过拟合,保证了一定的泛化能力,模型综合性能远优于其他经典的ML算法回归模型.所预测的残余压应力分布模型均达到了较深的影响层深,且在1 Hz的脉冲重复频率下,最大效率达到了1.87 mm2/s.结论 激光冲击强化与机器学习的结合实现了易产生残余应力孔洞的镍铝青铜光斑重叠区域的最大残余压应力分布,且该方法优化出了整个表面的均匀与相对非均匀的残余压应力分布,为非均匀塑性应变引起镍铝青铜材料异质结构的形成开辟了新的设计途径.

    激光冲击复合强化人工神经网络复合强化残余应力

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    微弧氧化对选区激光熔化多孔Ti6Al4V力学性能的影响

    项一侯唐立威王景辉吴国龙...
    84-95页
    查看更多>>摘要：目的 探究多孔Ti6Al4V经过微弧氧化(MAO)表面改性后力学性能的变化规律.方法 采用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)制备了相对密度分别为0.30、0.38、0.47的多孔Ti6Al4V点阵材料,利用表面化学抛光预处理和MAO工艺在其表面制备MAO膜层,再通过显微观察和单轴压缩试验分析其微观形貌和力学性能.结果 经过表面化学抛光预处理和MAO之后的多级多孔Ti6Al4V表面MAO膜层的孔径大小与脉冲电压及氧化时间呈正相关,膜层厚度和膜层中的钙磷原子比与氧化时间均呈现正相关关系,且在350 V脉冲电压和10 min氧化时间条件下制备的膜层最为均匀.MAO前后多孔Ti6Al4V的压缩应力-应变曲线基本一致,两者的弹性模量和屈服强度均随相对密度的增加而提高.与G-A方程计算的理论值相比,实测的弹性模量略有下降,但不显著,这可能是因为多孔Ti6Al4V在SLM成形过程中由于快速加热和冷却导致残余应力的产生,从而导致其弹性模量减小.同时由于SLM成形的多孔Ti6Al4V点阵材料中的孔隙壁可能低于理论预测中所假设的值,这会使得孔隙壁在加载过程中发生变形或破坏,这也会导致材料整体弹性模量的降低.而实测的屈服强度高于G-A方程计算的理论值,这可能是由于SLM成形多孔Ti6Al4V点阵材料的孔隙结构相较于G-A方程的理论模型更加规则.此外,在对数坐标中,MAO前后的屈服强度与弹性模量呈强正比关系,斜率分别为1.10和1.18,十分趋近于G-A方程的理论值.这亦表明MAO对多孔Ti6Al4V的整体力学性能影响有限.结论 脉冲电压为350 V、氧化时间为10 min条件下MAO工艺所制备的膜层最为均匀,同时MAO对SLM成形多孔Ti6Al4V点阵材料的总体力学性能影响有限.

    微弧氧化选区激光熔化多级多孔Ti6Al4V点阵材料相对密度力学性能

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    带有反向正脉冲的HiPIMS技术制备ta-C膜及性能研究

    何哲秋冯利民李建中石俊杰...
    96-103页
    查看更多>>摘要：目的 提高切削刀具和耐磨零件的表面硬度和摩擦性能,延长工具的使用寿命.方法 基于高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),在每个脉冲周期尾部施加反向正脉冲,控制ta-C沉积过程,通过电镜测试、拉曼测试、XPS测试、纳米压痕硬度测试、摩擦磨损实验分别分析脉冲频率、反向正脉冲能量对ta-C薄膜沉积速度、膜结构、硬度、结合强度、耐磨性能的影响.结果 采用钨钢为基体进行实验,将频率从4000 Hz到1500 Hz依次降低,制备涂层.在频率为4000 Hz的处理条件下制备涂层时,ta-C膜层的厚度为479.2 nm,通过XPS可知,此时sp3的原子数分数达到59.53％,硬度为32.65 GPa,且得到的薄膜在12.7 N时失效,耐磨性较差,摩擦因数约为0.163.在频率为1500 Hz的处理条件下制备涂层时,涂层各项性能均有所提升,ta-C膜层的厚度为488.6 nm,通过XPS可知,此时sp3的原子数分数达到63.74％,硬度为40.485 GPa,且薄膜在14.9 N时失效,耐磨性较优,摩擦因数约为0.138.结论 通过调节脉冲频率,可以有效提高ta-C薄膜的沉积效率,改善膜的结构和性能.随着沉积ta-C薄膜频率的降低,薄膜中sp3的含量呈现增大趋势,摩擦因数也随之降低,有效改善了ta-C膜的耐磨性.

    高功率脉冲磁控溅射技术类金刚石膜脉冲频率结合力硬度耐磨性

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