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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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    重载铁路磨耗与接触疲劳失效车轮损伤机制研究

    窦随权张晓峰张沭玥丁昊昊...
    131-142,168页
    查看更多>>摘要：目的 分析重载铁路车轮材料磨损与滚动接触疲劳损伤的失效机制.方法 用维氏硬度计在现场失效车轮横截面上测量轮缘、名义滚动圆及外轮辋处的表面硬度分布.用线切割机在车轮轮缘、名义滚动圆、外轮辋处分别沿纵剖面及横截面切割车轮,将试样经金相处理后进行微观分析.利用光学显微镜和扫描电子显微镜观测车轮材料表面及剖面损伤.结果 踏面剥离车轮名义滚动圆及外轮辋处的加工硬化层深度为磨耗过限车轮的约2倍;磨耗过限车轮和踏面剥离车轮损伤失效最严重的区域均在踏面名义滚动圆处,而轮缘与外轮辋相对较轻微;磨耗过限车轮名义滚动圆处疲劳裂纹较小、较浅,且均匀分布于车轮纵剖面,而踏面剥离车轮疲劳裂纹近乎遍布整个车轮剖面,多条裂纹交织形成网状裂纹.踏面剥离车轮在名义滚动圆处的加工硬化层深度、最大裂纹角度、最大裂纹长度及最大裂纹深度分别可达6 mm、90°、2.5 mm、1 mm,分别约为磨耗过限车轮的2、2.5、2、1.5倍.结论 磨耗过限车轮损伤失效起因是较大且频繁的轮轨接触应力所导致的车轮踏面凹形磨耗,改变了轮轨接触状态,进而导致车轮材料失效.踏面剥离车轮损伤形成的根本原因是多条疲劳裂纹的萌生并持续扩展,最终交织形成大面积网状裂纹,进而导致材料破碎.同时,外界环境的水介质进入裂纹中会改变裂纹扩展方向,并加速裂纹的扩展.磨耗过限车轮廓形磨损程度大于踏面剥离车轮,而其滚动接触疲劳损伤程度小于踏面剥离车轮,即车轮现场服役中材料磨损与滚动接触疲劳间存在互相制约的关系.

    列车车轮名义滚动圆轮缘外轮辋磨耗剥离滚动接触疲劳

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    硬质TiAlCN多层膜的微观结构设计与摩擦磨损性能研究

    张而耕付巧慧梁丹丹陈强...
    143-152页
    查看更多>>摘要：目的 利用阴极电弧离子镀技术在不锈钢基体上分别制备了以TiN为打底层的TiAlCN单层涂层、TiAlN-TiAlCN双层涂层及TiAlN-TiAlCN多层涂层,研究并得出多层结构能提高TiAlCN涂层力学性能和耐磨性能.方法 采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪表征TiAlCN涂层的微观形貌和物相组成;进一步,通过纳米压痕仪、维氏硬度计评估TiAlCN涂层的力学性能;最后,通过摩擦磨损试验机、拉曼光谱仪和能谱仪(EDS)等分析了 TiAlCN涂层的摩擦磨损性能.结果 所制备的TiAlCN单层涂层、TiAlN-TiAlCN双层涂层及TiAlN-TiAlCN多层涂层均存在液滴,且多层结构能够显著提高TiAlCN涂层的表面质量.3种涂层的主要组成相均为(Ti,Al)(C,N),且沿着(111)、(200)、(220)的晶面择优生长.相较于TiAlCN单层和TiAlN-TiAlCN双层涂层,TiAlN-TiAlCN多层涂层表现出较高的硬度和较好的韧性.摩擦磨损后,3种涂层的ID/IG值均提高,表明涂层的石墨化程度均增加.另外,TiAlCN涂层的磨损机理均为磨粒磨损和氧化磨损,其中TiAlN-TiAlCN多层涂层的摩擦因数最高(0.26)、磨损率最低(9.3×10-6 mm3/(N·m)).结论 结构对于TiAlCN涂层的力学性能及摩擦学性能有显著的影响,相较于单层及双层涂层,多层结构的引入有效提高了 TiAlCN涂层的力学性能及耐磨性.

    TiAlCN多层涂层结构设计力学性能摩擦学性能

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    多源仿生柔性滑移涂层的制备及其减阻性能研究

    周嘉杰胡弘毅朱萍曾志翔...
    153-158,179页
    查看更多>>摘要：目的 研究多源仿生技术构建高性能减阻涂层的方法.方法 在铝片上旋涂双组分硅胶,生成柔性涂层(模拟柔性的海豚皮肤),然后喷涂疏水纳米二氧化硅粒子,得到柔性超疏水(SHS)涂层(同时模拟柔性的海豚皮肤和SHS荷叶),再浇筑二甲基硅油,得到柔性滑移(SLIPS)涂层(同时模拟柔性的海豚皮肤和SLIPS特性的鲨鱼皮肤).结果 低速时(200 r/min),所有涂层均有减阻效果.柔性SLIPS涂层、柔性涂层和柔性SHS涂层的减阻率分别为23.2％、18.4％、10.2％.高速时(800～1 400 r/min),柔性涂层和柔性SLIPS涂层的减阻率分别4.0％、5.6％,而柔性SHS涂层的减阻率为-15.0％,即减阻表面转化为增阻表面.结论 无论低速还是高速,柔性SLIPS涂层的减阻效果均优于柔性涂层和柔性SHS涂层.该研究对于降低海洋航行器航行时的摩擦阻力,提高其航速与航程具有极大的借鉴性.

    减阻仿生涂层滑移表面超疏水表面柔性材料

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    关井过程防喷器胶芯的冲蚀性能研究

    胡四海赵广慧张川刘涛...
    159-168页
    查看更多>>摘要：目的 预测井涌或井喷发生时关闭防喷器闸板对胶芯的冲蚀,为评估关井后胶芯的密封性能提供依据.方法 首先依据橡胶试件的冲蚀试验,基于LM优化算法反演分析确定丁腈橡胶的冲蚀模型参数,将所确定的冲蚀模型通过UDF嵌入Fluent软件,建立关井过程中防喷器半封闸板附近流场的数值模型,计算密封胶芯的冲蚀性能,研究关井全过程胶芯材料去除量与关井时长的变化规律.结果 得到了丁腈橡胶材料的改进Finnie冲蚀模型参数,该冲蚀模型预测的试件冲蚀率随冲击角的变化与试验数据的最大相对误差仅为5.77％,可用于模拟丁腈橡胶构件的冲蚀性能.在防喷器关阀过程中,携岩钻井液对胶芯的冲蚀主要发生在端面边缘处的岩屑高速碰撞区.胶芯的冲蚀率与钻井液的含砂量呈线性正相关,与钻井液的流速呈非线性正相关.随着闸板开度的减小,冲蚀率呈现指数增长.在文中的参数条件下,当闸板开度分别为104、26、6 mm时,胶芯的材料去除率分别为1.52、5.22、28.3 mm3/s,表明在关井后期闸板即将关闭前,胶芯受到的冲蚀最严重.在关井全过程中,胶芯的材料去除量随着关井时长的增加而增加,关井时长分别为3、8 s时对应的胶芯体积去除量分别为5.04、13.43 mm3.结论 在井涌或井喷发生时,关闭防喷器闸板的时机和时长对于处置事故至关重要,需综合评价关井时长对井口动载荷和胶芯冲蚀量的影响,制定科学的关井预案,以保障井筒、地面装备和施工人员的安全.

    防喷器半封闸板密封胶芯冲蚀模型反演分析关井过程

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    超声辅助拆卸螺纹副的减摩特性分析

    王奔李展业赵哲宋畅...
    169-179页
    查看更多>>摘要：目的 探究不同超声参数对螺纹副拆卸扭矩及表面形貌的影响.方法 由于拆卸扭矩由螺纹副接触面摩擦力决定,因此对不同超声方向、振幅和频率下超声拆卸螺纹副的减摩趋势进行分析.基于模态耦合原理的超声试验装置进行螺纹副拆卸试验,分别记录不同超声参数下扭矩传感器输出的拆卸扭矩,并进行对比,使用超景深显微镜观察拆卸后螺纹面的形貌.结果 扭向、纵向、纵扭复合3个方向的超声减摩率分别为4.5％、10.2％、11.9％,在显微镜下普通拆卸的螺纹表面有较大的剥落屑.施加超声后,大块剥落屑变为剥落颗粒,螺纹面损伤依次减小;在超声振幅为0.1、0.3、0.5µm时,其减摩率分别为2.9％、7.9％、11.9％;振幅为0.1 μm的表面有大面积的剥落颗粒以及部分划痕;当振幅增加到0.5 μm时,剥落颗粒基本消失,螺纹面损伤呈降低趋势;在超声频率为20、28、40 kHz时,其减摩率分别为11.2％、11.5％、11.9％,螺纹面的烧蚀面积逐渐增大.结论 纵扭复合超声的减摩效果最好,且螺纹面损伤最小.随着超声振幅的增加,减摩效果提高,螺纹面损伤降低.超声频率对螺纹副拆卸的减摩效果的影响较小,但频率的增加会导致接触面烧蚀面积增加,因此在超声方向和超声振幅相同的前提下,选用低频超声更适宜.研究结果可以为超声螺纹副拆卸装置的设计提供参考.

    超声振动模态耦合纵扭复合螺纹副减摩率

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    6061铝合金的印压式微坑阵列制备技术研究

    林晓辉孙宇奇孙国梁许嘉洺...
    180-189页
    查看更多>>摘要：目的 提升6061铝合金的表面耐磨性能,并延长其使用寿命.方法 采用工业机器人辅助的印压式微坑阵列加工技术,利用印压头产生的冲击力效应,在6061铝合金表面形成圆柱形微坑及其阵列.构建电磁式印压制备系统,采集印压力信息,并进行分析.设计印压力迭代学习控制系统,保证印压力输出准确稳定、微坑深度可控,提高微坑阵列制备质量.进行6061铝合金的印压微坑加工实验,探究印压力对微坑形貌的影响,并评价微坑阵列的一致性.进行微坑阵列的销-盘式摩擦实验,探究印压式微坑阵列表面的减摩耐磨性能.结果 微坑表面形貌与深度受到印压力的影响较大,印压力为25～35 N时可获得规则的表面形貌.印压力与微坑深度呈正相关,有效制备深度为50～85 μm.微坑的间距误差主要由工业机器人的定位误差引起.微坑阵列深度误差为3％,直径误差为2％,阵列具有良好的一致性.微坑阵列样品的摩擦因数均小于原始样品的摩擦因数.摩擦因数先随着微坑面积密度的增大而减小,当面积密度达到14％后,摩擦因数有所增大.相对于微坑面积密度,微坑深度对摩擦因数的影响甚微.微坑阵列储油、存储磨粒能够改善试样表面耐磨性能,与原始试样相比,磨痕截面积最大可减少63.4％.结论 印压式制备工艺可高效、绿色、高质量地制备微坑阵列,有效改善了 6061铝合金的表面减摩耐磨性能.

    印压微坑力控制6061铝合金阵列摩擦性能

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    井筒清洗工具与套管的往复滑动摩擦磨损行为研究

    赵玉滢薛伟海高禩洋郑博文...
    190-203页
    查看更多>>摘要：目的 为了减少井筒清洁时间及成本,针对井筒清洗工具的石油钻井井筒工况,对一体化井筒清洁工具中的刮削块部分,采用激光熔覆涂层表面处理技术提高其耐磨性.方法 采用多功能摩擦磨损实验机进行洗井液介质下套管与刮削块间的往复滑动摩擦磨损,通过螺旋测微器、电子天平、轮廓仪和白光干涉三维形貌仪测量套管与刮削块的损失量.采用光学显微镜、X射线衍射仪和扫描电镜表征涂层结构及磨损形貌.结果 实验结果表明,刮削块与套管间的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损,最佳的摩擦配副为销试样AISI4330V和板试样Ni55涂层.该配副销试样的质量损失为0.35 g,高度损失为26 μm,与未处理的42CrMo板试样对磨后的数值接近,板试样的磨痕深度为12μm,该损失量远小于其他板试样的损失量.其中硬度居中的激光熔覆Ni55涂层在磨损过程中,其亚表层内的碳化物组织破碎为块状颗粒,在摩擦磨损中起到了很好的承载作用.硬度较高的Stellite6涂层组织结合不致密,在摩擦磨损过程中易发生变形和破碎,且亚表层的碳化物组织在磨损的过程中破碎为更细小的颗粒,非但不能很好地抵抗磨损,还可能作为第三体磨粒进一步加剧磨损.结论 在针对刮削块表面进行的激光熔覆涂层技术中,激光熔覆Ni55涂层可以作为提高刮削块耐磨性的有效方法.

    井筒清洁刮削块激光熔覆摩擦磨损耐磨性

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    Mo含量对激光熔覆316L组织和耐蚀性能的影响

    董刚曾宇胡健东庞靖凯...
    204-215页
    查看更多>>摘要：目的 研究不同Mo添加量对316L熔覆层组织和耐腐蚀性能的影响,进一步提高316L激光熔覆层耐海水腐蚀的能力,以实现高质量的激光再制造修复.方法 利用激光熔覆技术和316L不锈钢合金粉末,通过在粉末中添加不同比例的球形Mo粉(质量分数为2％、4％、6％)来制备熔覆层,利用金相显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站对熔覆层的宏观形貌、微观组织、物相组成、元素分布、晶粒取向和耐腐蚀性能进行表征.结果 Mo的添加量不超过4％时,熔覆层内的物相并未发生改变,仍由奥氏体组成.当Mo的添加量达到6％时,过冷度增大导致奥氏体向马氏体转变,熔覆层内出现大量未完全熔化的Mo颗粒.随着Mo含量的增加,晶粒在<001>方向的织构强度下降,有向<111>方向生长的趋势.平均晶粒尺寸由235.59 μm下降到184.35μm,小尺寸晶粒占比增大,导致位错在晶粒内部积累,熔覆层内位错密度增大.同时,晶粒细化有助于形成更致密的钝化膜.电化学测试中,随着Mo含量的增加,点蚀坑数量明显下降,熔覆层的耐腐蚀性能得到提升.Mo的添加量为4％时,自蚀电流密度较不添加组由8.253×10-6 A/cm2减小至4.540×10-7 A/cm2,钝化电阻由4 927 Ω·cm2增大到8 702Ω·cm2,提升约75％.结论 在激光熔覆316L时,适量增加Mo元素含量,能够细化晶粒,使得熔覆层表面形成的钝化膜更加致密,提高钝化膜抵抗侵蚀的能力,进一步提升316L熔覆层的耐海水腐蚀能力.

    激光熔覆316LMo元素耐蚀性能晶粒尺寸晶粒取向

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    激光熔覆工艺对CoCrMo钴基合金涂层组织与性能的影响

    赵永胜葛超吴影陈春伦...
    216-227页
    查看更多>>摘要：目的 以激光熔覆技术在制动盘表面制备CoCrMo钴基涂层,提高其摩擦面的力学性能.方法 以24CrNiMo钢为基体,CoCrMo合金粉末为涂层材料,研究了工艺参数对熔宽、熔高、熔深和稀释率的影响规律.通过组织和性能测试,分析不同工艺参数下涂层的组织、拉伸性能和耐磨损性能等.结果 稀释率随着激光功率和扫描速度的增加而增大,但随送粉速度的增加而减小.熔宽和熔高分别随激光功率和送粉速度的增加而增大,但随扫描速度的增加而减小.涂层物相主要由γ-Co、Ni-Cr-Co-Mo和少量的ε-Co相组成.显微硬度随着激光功率和送粉率的增加而增大,但随着扫描速度增加而减小,最大值约为304HV0.2.抗拉强度和伸长率随着激光功率的增加而增大,但随送粉速率的增加而减小,而随扫描速度的增加先增大而减小.抗拉强度和伸长率最大值分别达到了(1 202±60)MPa和(17.4±1.3)％.激光功率和送粉率较高或扫描速度较低时,具有良好的耐磨性,但耐磨性提高不显著,磨损机理为磨粒磨损和黏着磨损.结论 激光熔覆工艺对熔宽、熔高和稀释率影响显著,但对涂层微观组织影响不明显.优化激光熔覆工艺参数可以有效提高熔覆层的硬度和拉伸性能,但对耐磨性的影响较小.

    CoCrMo钴基合金24CrNiMo钢制动盘微观组织拉伸性能耐磨性

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    超声辐射对激光熔覆Ni基WC涂层性能的影响

    赵昌龙杜伟龙于子策张自豪...
    228-241页
    查看更多>>摘要：目的 研究不同振幅超声波辐射对激光熔覆Ni基WC涂层组织结构及力学性能的影响规律,为降低熔覆层残余应力,提高熔覆层力学性能,提升零部件服役寿命提供技术支持.方法 在Cr12MoV模具钢表面激光熔覆Ni基WC涂层,将激光熔覆技术与超声波辐射技术相结合,以消除熔覆层中存在的裂纹和气孔等缺陷,提高成形工件的力学性能.首先,基于超声波在金属凝固过程中的空化效应和声流效应,结合晶粒生长规律,研究振幅参数对熔池和熔覆层宏观形貌、微观组织结构和物相组成的影响.其次,通过涂层硬度和耐磨性等对比试验分析超声辐射工艺对熔覆层力学性能的影响.最后,利用X-RAYS衍射仪测量熔覆层的纵向残余应力,探究超声辐射对熔覆层应力的影响,并解释超声波辐射增强熔覆层性能的作用机理.结果 不同振幅超声辐射熔覆层的平均晶粒尺寸最大降低66.47％,显微组织主要由柱状晶和等轴晶组成,涂层物相主要是Ni-Cr-Fe和γ-(Fe,Ni)固溶体.磨损量分别降低了 65.17％、95.74％、96.49％、76.67％、73.03％.熔覆层的平均显微硬度分别提高了 14.86％、23.20％、28.10％、22.84％、16.76％,平均残余应力降低173.0 MPa,最大降幅点可达95.31％.结论 超声波辐射有效降低了熔覆层残余应力和裂纹的产生,提高了熔覆层质量,进而增加零部件的使用寿命.随着超声波辐射振幅的提高,熔覆层表面粗糙度降低,显微硬度和耐磨性先提高、后降低,残余应力显著降低.综合判断,振幅为14 μm的涂层晶粒细化程度最高,硬度和耐磨性最好.

    激光熔覆超声波辐射材料表征残余应力工艺参数

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