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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。
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    超高速激光熔覆影响细长活塞杆弯曲变形的仿真分析与试验

    龚曙光冯应朗卢海山
    117-125页
    查看更多>>摘要：目的 针对细长活塞杆在超高速激光熔覆过程中产生变形的问题,开展热-结构耦合的数值模拟和试验研究.方法 采用高斯热源和单向耦合方式,建立细长活塞杆超高速激光熔覆的热-结构耦合仿真分析模型,探讨活塞杆在不同功率和扫描速度下瞬态温度和应力分布的演化过程.构建超高速激光熔覆细长活塞杆变形的试验测试方案,提出9组激光熔覆工况参数,并将试验测试结果与有限元仿真进行对比.结果 在激光功率相同时,熔池形貌随扫描速度的增大而发生变化,其等温线呈现彗星状,活塞杆表面上的温度变化曲线要经历3个峰值,然后冷却至室温,最后趋于稳定.熔池区域的等效应力值最大,且会随激光光源的轴向移动而发生演化,而涂层与基体结合界面处的等效应力在极短时间内会经历先升后降的多次循环,然后趋于稳定.沿活塞杆轴向的等效应力呈现两端高、中间低且顶尖端最大的趋势,等效应力值均随激光功率的增加而增大,其应力差值与活塞杆的变形量相对应.当功率为3500 W、扫描速度为25 m/min时,应力差值最小,且变形量也最小.结论 热应力是引起活塞杆轴向应力分布变化的主要影响因素,轴向等效应力的差值决定着活塞杆变形量的大小,所得结论可为细长轴类零件表面处理的超高速激光熔覆工艺参数选取提供指导.

    超高速激光熔覆细长活塞杆温度应力变形

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    Y2O3含量对TC4表面WC增强钛基激光熔覆层组织与摩擦学性能的影响

    操慧珺张祺雨张天刚甄灏...
    126-140页
    查看更多>>摘要：目的 增加航空TC4合金的安全服役寿命.方法 采用同轴送粉激光熔覆技术在其表面制备了TC4+Ni-MoS2+WC+xY2O3(x=0％、1％、2％、3％、4％,质量分数)耐磨复合涂层,利用着色渗透探伤、XRD、SEM、EDS、EBSD和TEM等多种检测手段和设备,分析了Y2O3添加对涂层组织与摩擦学性能的影响规律.结果 3％Y2O3涂层的成形质量最优,所有涂层生成相相同,主要由TiC、Ti2Ni、Ti2S、基体 β-Ti以及未熔WC组成.Y2O3与TiC、Ti2S、Ti2Ni之间形成了共格依附生长关系,所有涂层中均有效合成了TiC-Ti2S、TiC-Ti2Ni和Ti2S-Ti2Ni共格复合结构相.随着Y2O3含量增大,基体显露面积增加,其余物相逐步细化、团聚并沿晶界连续生长.所有涂层的显微硬度均高于TC4基材,大小与Y2O3含量呈负相关变化.所有涂层的摩擦因数均高于基材,磨损率均低于基材,摩擦因数和磨损率随着Y2O3含量增加,出现了先降低后升高的变化规律,其中3％Y2O3涂层的摩擦因数最低(μ=0.4813),耐磨性(3.55×104 mm3/(N·m))和磨损面质量(Ra=21.24μm)最优.结论 适量Y2O3有助于改善涂层的成形质量,Y2O3添加并未影响涂层物相种类,且可作为异质形核基底细化相互依附生长的TiC-Ti2S-Ti2Ni共格结构相,除基体相外,Y2O3易吸引其余物相在涂层晶界处钉扎;Y2O3含量增加不能增大涂层显微硬度,所有涂层均不具备减摩性能,但耐磨性均优于TC4基材,适量Y2O3添加可使涂层综合摩擦学性能达到最优.

    激光熔覆TC4Y2O3微观组织细化机理摩擦学性能

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    304LN表面沉积异质合金过程多组元传输行为数值模拟

    赵天碕赵吉宾何振丰王志国...
    141-152页
    查看更多>>摘要：目的 探究在304LN不锈钢表面上激光沉积Stellite 6合金过程中的多元素传输机制.方法 采用流体体积法VOF(Volume of Fluid),建立气-液两相传热传质激光沉积模型.模型中使用改进VOF法对熔池表面进行追踪,结合多组分传输模型与熔凝杠杆原则(Lever Rule),对异质材料熔覆界面的多元素传输进行模拟,采用扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)观察组织结构和元素分布,对比模拟结果分析多组沉积层宏观形貌和元素分布特征.结果 沉积过程中,熔池的流动与材料导热对温度的传输起着重要作用,前端对流不断地将已熔化的基材金属运输至熔池中部,后端对流则将卷积的Fe元素和Co元素进一步混合.最终沉积层的宏观形貌平均误差为2.67％,主要元素Fe、Co、Cr的质量分数误差分别为0.64％、1.27％、0.31％.结论 Fe元素浓度整体区域分布相对均匀,但在沉积层底部,Fe元素浓度迅速升高,Co元素浓度随沉积深度加深逐渐降低,Cr元素在沉积层中部富集的分布特性.该优化后的模型可以准确模拟异质合金沉积过程中的温度场、流场与质量传输过程.

    表面沉积多组分传输元素分布热量传输钴基合金

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    激光冲击诱导应力波对残余应力孔洞形成的影响

    盛湘飞谭慧勇袁文志苟江龙...
    153-163页
    查看更多>>摘要：目的 揭示残余应力孔洞形成的影响机制.方法 采用有限元动力学仿真,实现对激光冲击诱导应力波传播过程的捕捉和特性分析.结果 在2000 ns以内的光斑作用区域,材料的初始应力仅受到激光冲击诱导Ⅱ类应力波的扰动作用,此扰动作用由光斑中心向外依次减弱,引起的应力波动幅值由2459 MPa降至224 MPa;在其他工艺参数相同的情况下,残余应力孔洞随着峰值压力和脉宽的增加而变得更加明显,应力幅值差σk分别由0、114 MPa增至454、568 MPa,孔洞直径dk分别由0、0.8 mm增至约1.4 mm,光斑直径的影响相对较弱.在激光能量3 J的作用下,空间高斯分布对应结果存在应力孔洞,σk、dk分别为190 MPa、1 mm.将空间平顶分布激光能量增至7 J,对应结果由3 J激光能量时的无应力孔洞转变为存在明显应力孔洞,σk、dk分别为634 MPa、1.4 mm.另外,在激光能量3 J的作用下,材料1的应力孔洞最显著,σk、dk分别为207 MPa、1.4 mm,均高于材料2和材料3的对应值.凸圆面、平面和凹圆面对应的σk分别为212、190、83 MPa,dk均为1 mm.结论 在圆形光斑激光冲击载荷作用下,加载和卸载过程中形成的应力波在光斑中心的汇聚作用均较强,导致光斑中心区域材料持续出现正反向屈服,进而形成残余应力孔洞;在相同参数条件下,激光能量越高,则材料的力学性能越低,应力波扰动作用越强,应力孔洞现象越明显.

    激光冲击应力波残余应力应力孔洞有限元分析镍基高温合金

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    激光除锈技术对Q345钢表面残余应力和腐蚀性能的影响

    任志国王烁王振兴郝军...
    164-172页
    查看更多>>摘要：目的 探究激光除锈过程中激光对Q345钢金属基底表面残余应力和腐蚀性能的影响.方法 采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析激光除锈试样表面形貌和氧元素含量,采用金相显微镜观察激光除锈后试样横截面的热影响层.采用背散射电子衍射仪(EBSD)和X射线衍射仪定性和定量地表征激光除锈后金属基底表面的残余应力.采用动电位极化曲线和零电阻安培法(ZRA)表征原始试样和激光除锈后试样表面的抗腐蚀性能.结果 在激光除锈Q345钢过程中,基于激光局部热处理的原因,金属基底表面产生了100～150 MPa的残余拉应力.同时,在激光与金属基底的作用下,金属基底近表面形成了一层厚度约为25μm的热影响层,热影响层中的渗碳体和铁素体形成的微电池含量减少,渗碳体含量与铁素体含量的比值增大,使得自腐蚀电位增至-490 mV,腐蚀电流密度减至17μA/cm2.结论 在激光除锈过程中激光与金属基底的作用下,金属基底表面产生了残余拉应力,近表面形成了一层厚度约为25μm的热影响层,在二者的综合作用下提高了激光除锈后试样表面的抗腐蚀性能,延长了其使用寿命.

    激光除锈Q345钢残余应力腐蚀性能表面处理

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    人工缺陷下感应淬火重载铁路车轴损伤容限评价

    吴鹏程高杰维赵海于文坛...
    173-185页
    查看更多>>摘要：目的 研究不同感应淬火工艺对重载铁路车轴钢试样梯度结构的影响,阐明不同人工缺陷下感应淬火试样的疲劳断裂行为,并评价损伤容限,为重载铁路车轴感应淬火工艺设计和损伤容限评价提供理论基础和评价方法.方法 在AAR-CM车轴钢试样表面采用不同感应淬火工艺参数制备不同深度淬硬层,采用X射线测量淬硬层残余应力分布,通过电火花和空气炮在正火态和感应淬火试样表面制备不同尺寸的电火花或冲击损伤,采用疲劳试验机研究损伤试样的弯曲疲劳性能,借助光学显微镜和扫描电镜分析试样的损伤机理和疲劳断裂行为,并对其疲劳性能进行评价.结果 在3种工艺下感应淬火试样有效淬硬层深度分别为800、1200、1400μm.在电火花缺口尺寸较小时,感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高出50％.在冲击损伤尺寸较小时,感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高出40％.较小的尺寸冲击损伤对正火态和感应淬火处理试样的疲劳强度无影响.结论 感应淬火可提高重载铁路车轴钢试样表面强度,进而提高其耐冲击性能,残余压应力减弱了电火花缺口试样和低速冲击损伤对试样疲劳强度的影响,高速冲击破坏了试样表面完整性,并削弱了残余压应力的作用,试样的疲劳强度急剧降低.文中设计的淬硬层深度对感应淬火试样损伤容限的影响较小.

    铁路车轴感应淬火淬硬层深度人工缺陷损伤容限

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    电脉冲对9SiCr钢超声滚压表面性能的影响

    徐梓真赵天永彭绍坤王猛...
    186-192页
    查看更多>>摘要：目的 提高9SiCr钢表面硬度、光洁度,获得更好的表面质量.方法 对9SiCr钢棒状试样进行车削加工,然后分别进行不同参数下的超声滚压(USRP)和高能电脉冲辅助超声滚压(EP-USRP)加工.通过表面粗糙度测试、微观形貌分析、表层显微维氏硬度测试,分别评价不同加工状态试样的表面粗糙度、表面形貌、表层一定深度内的硬度梯度分布,并通过光学显微镜和扫描电子显微镜对试样表层形貌进行分析.结果 车削后试样的表面粗糙度为0.45μm,经施加压力为1000 N的USRP加工后,试样表面粗糙度为0.043μm,对试样进行EP-USRP加工,当均方根电流密度为0.71 A/mm2时,表面粗糙度降至0.032μm,比单纯USRP加工后试样的表面粗糙度降低了25.6％.经车削后,试样的显微维氏硬度约为550HV,经施加压力为800 N的USRP加工后,试样表层硬度为590HV.当对试样施加均方根电流密度为0.71 A/mm2的EP-USRP处理后,其硬度为612HV,比USRP加工后的硬度增加了3.8％.从硬化层深度来看,经USRP加工后试样径向表层到心部大概有300μm得到硬化,而经EP-USRP加工后硬化层的深度可以增至400μm.从微观形貌分析可以看出,试样表层具有一定深度的细晶层,随着加工状态的不同,晶粒大小和细晶层深度也不同.结论 采用USRP、EP-USRP加工都可以在一定程度上提高9SiCr钢的表面质量,电脉冲可以提高USRP加工的效果,进一步提高表面质量.

    电脉冲超声滚压9SiCr钢粗糙度显微硬度表面质量

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    氧气/燃料比对超音速火焰喷涂WC-Ni涂层抗冲击性能的影响

    张书姣朱小鹏苑菁茹奚恒恒...
    193-200,222页
    查看更多>>摘要：目的 研究超音速火焰喷涂工艺参数对WC-12Ni硬质合金涂层抗冲击性能的影响.方法 依据氧气/燃料比(λO/F)调节工艺参数,以λO/F=1.1为基准点,分别固定氧气流量811 L/min、降低煤油流量,或者固定煤油流量22.7 L/h、增大氧气流量,均使λO/F增至1.2和1.3,制备了5组涂层,分析涂层组织及力学性质的变化规律,研究柱-面接触大载荷冲击下的涂层抗冲击行为.结果 λO/F对涂层组织及力学性质的影响并非已报道的单调变化规律.固定氧气流量、降低煤油流量使λO/F由1.1增至1.3时,涂层孔隙率由0.91％增至1.24％,硬度和弹性模量分别由10.1、344.0 GPa降至8.6、313.9 GPa;冲击坑体积由2.1×10-3增至3.3×10-3 mm3,且损伤微观特征由WC颗粒剥落向涂层开裂发展.当固定煤油流量、增加氧气流量使λO/F由1.1增至1.3时,孔隙率降至0.85％,硬度和弹性模量分别增至10.8、382.5 GPa,冲击坑体积增至2.6×10-3 mm3,直到λO/F=1.3时涂层表面开始出现裂纹.结合涂层硬度和弹性模量分析结果可知,在H3/E2≤8.4 MPa时,涂层发生开裂损伤,裂纹长度随着H3/E2的增加而减小.在H3/E2>8.4 MPa时,涂层损伤以WC颗粒剥落为主,且随着H3/E2的增加而减轻.高H3/E2可提高涂层的抗冲击性能,当H3/E2由6.4 MPa增至8.7 MPa时,坑体积和WC剥落程度分别降低了36％、35％.结论 超音速火焰喷涂WC-Ni涂层的H3/E2定量表征了其抵抗塑性变形和开裂的能力,决定了涂层的抗冲击性能.

    超音速火焰喷涂氧气/燃料比WC-Ni涂层力学性能抗冲击性能

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    基体温度对等离子喷涂铁基非晶合金涂层耐磨耐蚀性的影响

    王红哲杨德明赵中杰高伟强...
    201-211页
    查看更多>>摘要：目的 探究基体温度对铁基非晶涂层耐磨及耐蚀性的影响.方法 采用大气等离子喷涂技术,在3种不同基体温度(平均约为90、380、650℃)条件下制备铁基非晶涂层,分析非晶粉末颗粒的铺展形貌,研究基体温度对涂层的非晶含量、氧化程度、显微硬度、孔隙率及相组成的影响,并分析3种涂层在载荷3、5、9 N下的摩擦学性能,以及在质量分数3.5％的氯化钠溶液中的电化学性能.结果 随着基体温度的提高,涂层的氧化程度逐渐加大,非晶含量逐渐下降,显微硬度先上升后下降,在380℃时达到最大值.受到非晶粉末颗粒在不同温度基体上铺展形貌的影响,涂层的孔隙率随着基体温度的提高呈先上升后下降的趋势,液滴在基体上延展得越剧烈,涂层的孔隙率越高.在380℃下制备的非晶含量为86.7％的涂层具有最小的孔隙率(0.64％)和最高的显微硬度(1001.46HV0.3),且在载荷3、5、9 N下的比磨损率最低,主要原因是基体温度降低了非晶含量,同时降低了孔隙率,提高了显微硬度,细晶强化增强了涂层的耐磨性.在380℃时涂层在氯化钠溶液(3.5％)中也表现出最低的自腐蚀电流密度(Jcorr=3.39×10-6 A/cm2),其原因为低孔隙率的涂层在腐蚀过程中不易为腐蚀介质提供侵蚀通道,遏制了点蚀的发生.结论 相较于较低或较高的基体温度,在适中的基体温度(380℃左右)下制备的涂层具有更好的耐磨性能及耐腐蚀性能,这为制备高性能的非晶涂层提供了理论依据.

    大气等离子喷涂非晶涂层基体温度铺展形貌耐磨耐蚀

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    HVOF喷涂CoCrWSi和Stellite-6涂层的结构与高温摩擦学性能研究

    陈基容张进王伟曹晓英...
    212-222页
    查看更多>>摘要：目的 提高F92耐热钢基体在600、630℃下的高温耐磨性能.方法 采用超音速火焰喷涂方法(High velocity oxy-fuel,HVOF)在F92表面制备CoCrWSi、Stellite-6两种涂层,利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)分析涂层的表面、截面形貌和物相组成,通过显微维氏硬度计(HV-1000STA)、高温摩擦磨损试验机(UMT-TRIBOLAB)、二维轮廓仪(TencorD-100)测定其显微硬度、高温摩擦学性能和磨痕体积.结果 采用超音速火焰喷涂技术制备的CoCrWSi、Stellite-6两种涂层表面较平整,与基体结合紧密,内部组织均匀无裂纹,涂层的厚度约为200μm.XRD分析表明,CoCrWSi、Stellite-6涂层在室温下的物相都由γ(Co)、Cr7C3、CrSi2组成.硬度及耐磨性能测试显示,CoCrWSi、Stellite-6涂层的维氏硬度相较于F92基体分别提高了3.12、2.68倍,F92耐热钢在600、630℃时的平均摩擦因数分别为0.87、0.86,体积磨损率分别为0.49×10-4、1.11×10-4 mm3/(N·m),其磨损机理主要为疲劳磨损、黏着磨损、氧化磨损.相较于基体,CoCrWSi涂层在2种温度下的平均摩擦因数分别降低了68％、71％,约为0.28、0.25,体积磨损率分别降低了约95％、97％,为0.20×10-5、0.30×10-5 mm3/(N·m),这主要归功于内部的Cr2O3、γ(Co)、Co3O4相在高温摩擦过程中具有良好的润滑效果.Stellite-6涂层也能在一定程度上改善基体的高温耐磨性能,其平均摩擦因数为0.85、0.71,体积磨损率为0.32×10-4、0.57×10-4 mm3/(N·m).2种涂层的主要磨损机理均为磨粒磨损和黏着磨损.结论 采用超音速火焰喷涂制备的CoCrWSi、Stellite-6涂层可以改善F92耐热钢在600、630℃下的耐高温滑动磨损性能,且CoCrWSi涂层的防护效果更佳.

    CoCrWSi涂层超音速火焰喷涂高温摩擦Stellite-6涂层磨损机制摩擦学性能

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