表面科学与工程在纳米技术发展与应用中的直接作用

表面科学与工程在纳米技术的发展与应用中发挥着特殊的作用，尤其在纳米尺度材料的制备和纳米制造等领域。在纳米材料领域，纳米晶块材料的界面问题和纳米尺度的分子自组装的表面与界面问题是极富挑战性的前沿工作。在纳米制造领域，微机械部件的微纳米尺度的操作手设计和运动副表面的微观失效、摩擦磨损和润滑等问题也将开辟表面科学与工程新的研究领域。     

高速电弧喷涂镍铝打底层结构与性能研究

高速电弧喷涂技术是近年来发展起来的新型热喷涂技术，该技术具有优势，高效，低成本等特点，本文实验研究了高速电弧喷涂镍铝打底涂层的组织结构和力学性能，涂层的界面结合强度大于40MPa，显微硬度平均值为210HV，表面粗糙度表征参数Ra值为13．11um，涂层孔隙率为2．26％，涂层主要由镍铝合金和镍，铝氧化物组成，高速电弧喷涂镍铝涂层结合强度高，涂层组织致密，是优良的打底涂层。     

石英光纤表面Cu-石墨烯复合镀层的性能研究

为制备耐高温、寿命长的金属镀层光纤,利用化学镀技术在石英光纤表面制备Cu基镀层。同时将石墨烯片层材料引入镀液,制备了Cu-石墨烯复合镀层。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)、Raman光谱仪等,对石墨烯片层和Cu基镀层的微观形貌进行表征。利用电化学工作站、纳米压痕仪等对金属镀层的性能进行测试。利用热震法对Cu基镀层与光纤基体的结合性能进行分析,同时对金属镀层光纤进行导光测试。结果发现：Cu-石墨烯镀层相对Cu镀层,镀层组织致密,晶粒细小,质量更优。Cu-石墨烯镀层硬度、弹性模量分别提升了111.5%、34.0 %。Cu-石墨烯镀层的腐蚀电位Ecorr提升了32.3%,腐蚀电流icorr减小了22.5%,其耐蚀性能明显提升。石英光纤表面化学镀覆Cu金属镀层,能够克服光纤包层光滤除器在实际应用中因局部温度过高而烧损等问题,同时对光纤的信号光传递并无影响。石墨烯片层对光纤对表面镀层质量、提高防腐等性能影响较大,在提升光纤使用寿命方面具有重要意义。     

冷喷涂粒子速度-温度协同作用及复合喷涂新工艺研究进展

从冷喷涂粒子速度与温度协同问题出发,归纳总结了影响冷喷涂涂层质量的主要因素,并在此基础上,重点综述了喷嘴结构、气体类型与性质、粒子形态与材料等工艺参数与粒子速度-温度的作用关系.提高喷枪喷嘴扩张段膨胀比,改善黏性效应,提高高速区面积,使用高热扩散系数材料的喷嘴,均能够显著改善粒子速度-温度的协同效果.在工业应用中,可采用喷丸辅助冷喷涂、激光辅助冷喷涂、静电辅助冷喷涂、真空冷喷涂等新型复合沉积技术,实现高强低塑性喷涂粒子材料的沉积成形.最后,就如何深入研究速度-温度高质量协同并获得高质量涂层进行了展望.     

热喷涂技术的装备应用现状及发展前景

热喷涂是装备表面工程领域的一项重要涂层制备方法,在表面功能性涂层加工、废旧零部件修复再制造已取得了持续的发展,而且在金属和陶瓷等材料的近净成形或增材制造领域也表现出良好的发展潜力。综述了热喷涂在航空发动机与起落架表面防护方面的应用,其中主要采用等离子喷涂技术喷涂陶瓷涂层及新型氮化硼涂层,以显著改进涂层抗氧化性,延长涂层寿命。另一方面,从装备隐身、舰艇防腐与防滑涂层、直升机沙尘防护、零件直接增材制造等角度剖析国内外典型武器装备领域的研究应用现状,如武器装备的电磁波屏蔽涂层克服多频谱问题,"海军先进非晶涂层"克服甲板的抗磨损、抗腐蚀问题;从技术层面分析影响热喷涂发展的关键问题,亟需突破涂层残余应力、界面结合强度、组织结构缺陷等薄弱环节。最后在武器装备增材制造和再制造领域对该技术的应用前景进行了展望。主要总结热喷涂技术在典型武器装备的应用现状,分析影响热喷涂发展的关键技术问题,填补了军用热喷涂行业的综述空白。     

高速火焰电弧复合喷涂枪制备3Cr13涂层的性能

高速火焰电弧(HVAF-ARC)复合喷涂枪是高速火焰喷涂枪和电弧喷涂枪的结合体,利用产生的高速燃气来雾化加速电弧喷涂过程中产生的熔融粒子,提高了喷涂粒子的飞行速度,降低了粒子的氧化,可高效制备优质的涂层。文中利用自主开发的新型高速火焰电弧复合喷涂枪和普通高速电弧喷涂枪,分别在钢基体上制备了3Cr13涂层,通过对涂层的性能检测发现,复合喷涂枪所制备涂层的氧元素含量和孔隙率都比普通高速电弧喷涂枪制备的涂层低,分别降低了33%和49%,硬度提高了12%,复合喷涂枪制备涂层的性能得到较大的提高。     

喷雾干燥结合等离子球化法制备NbMoTaWZr-HfC粉末的特性与组织演变研究

采用喷雾干燥+射频等离子体球化法制备NbMoTaWZr-HfC球形粉末,并对粉末的宏观特性、物相组成和微观组织形貌进行研究和分析。结果表明,制备的复合粉末形状为球形,粒度范围为13.31～32.11μm,D50=19.62μm。粉末球形度、流速和松装密度分别为0.98、0.198 s/g,7.20 g/cm³。球化后粉末由体心立方(bcc)固溶体+ZrO₂+HfC物相组成,其内部组织为枝晶和胞状晶混合组织。球化后粉末颗粒整体成分均匀,但在枝晶微区存在元素偏析,其中W、Mo、Ta等高熔点元素在枝晶臂富集,Nb、Zr等低熔点元素在枝晶间富集,而Hf元素分布均匀。     

高速电弧喷涂再制造曲轴弯曲疲劳寿命及再制造效益评估

针对重载汽车发动机曲轴的再制造需求,基于六自由度机器人自动化高速电弧喷涂系统,采用研制的Fe Ni Cr Al涂层及设计的"环形"、"Z"字型喷涂路径对磨损失效曲轴进行了再制造应用。并与采用常规3Cr13涂层性能对比,采用"Z"字形路径喷涂Fe Ni Cr Al涂层后的残余应力状态与新品曲轴表面应力状态分布较为接近。依照国标QC-T637-2000对喷涂再制造后的曲轴进行弯曲疲劳性能考核,试验弯矩在2305.38 N·m,加载系数1.2时,其疲劳寿命通过1×10~7次,达到国标要求。结果表明:采用研制的Fe Ni Cr Al涂层再制造曲轴弯曲疲劳寿命高于采用常规3Cr13涂层喷涂后曲轴。经济性分析表明:采用Fe Ni Cr Al材料喷涂曲轴消耗的粉芯丝材重量仅为制造新品曲轴所需材料的3%左右,单根曲轴再制造成本,相比制造新品下降了93.8%,再制造过程耗时,相比制造新品曲轴节省了18%。     

我国再制造工程及其产业发展

再制造是维修工程和表面工程发展的高级阶段,是先进制造的重要组成,是废旧产品高技术修复、改造的产业化。近年来,中国的再制造发展迅速,已在再制造的政策法规、产业实践及基础研究方面成绩斐然。本文阐述了中国自主创新再制造的模式及内涵,综述了我国再制造质量控制关键技术,分析了国内再制造工程产业发展的前沿问题。     

铝基非晶纳米晶复合涂层显微组织与腐蚀性能研究

针对钢结构材料易腐蚀问题,采用高速电弧喷涂技术在45钢表面制备了含有高非晶含量的Al-Ni-Zr非晶纳米晶复合涂层,研究了复合涂层的显微组织、宏观腐蚀性能和微区腐蚀性能。利用XRD、SEM、EDS和TEM等技术手段,确定了复合涂层微观结构中灰色组织区为非晶富集区;采用扫描Kelvin探针显微镜技术(SKPM),发现复合涂层各相腐蚀的先后顺序依次为:富Al相、氧化物相、非晶相。复合涂层显微硬度高于45钢,约为364 HV0.1。EIS拟合结果显示,复合涂层电荷转移电阻为纯Al涂层和45钢的2~4倍,具有2个时间常数,低频区受扩散过程控制,主要与腐蚀产物的堆积和扩散有关;动电位极化曲线拟合结果显示,复合涂层的自腐蚀电位正于纯Al涂层和45钢,自腐蚀电流密度为1.08 m A/cm2,分别是纯Al涂层和45钢的7/100和1/3。复合涂层的腐蚀形貌显示,涂层表面无明显点蚀,富Al相区表面附着大量的Na Cl晶体,为优先腐蚀区,而非晶富集区表面光滑平整;同时,涂层出现了腐蚀坑、微裂纹和点蚀富集等,主要与Cl-的侵蚀作用和涂层受到溶胀作用有关。