钛及钛合金表面处理技术研究进展

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温以及生物相容性好等优点,广泛应用于航空航天、国防军工、海洋船舶、生物医疗等重要领域。同时钛及钛合金极容易被氧化,存在硬度低、导热性差、电极电位较正等缺点,明显限制了其应用。表面处理可以改变基体的表面状态,提升视觉观感及使用性能,甚至可以获得基体不具备的某些新功能,对提高钛及钛合金产品的寿命、可靠性及扩展其应用领域具有重要意义。当前几乎所有表面处理技术都逐步延伸到钛及钛合金表面处理领域,但仍不能完全满足其使用性能要求。综述了钛及钛合金在表面修饰、表面耐磨耐腐蚀、表面着色及表面隔离4个功能领域中常用的表面处理技术的特点及研究进展,并展望了钛及钛合金表面处理技术的发展方向。

激光表面强化与微纳制造技术研究进展

我国激光表面强化技术和表面微纳结构制造技术虽然起步较晚,但近年来发展十分迅速,已在激光与物质瞬态作用基础理论、激光冲击强化、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光表面直写、激光诱导表面微结构等方面取得了重要进展;但是,与对激光技术研究起步更早的国家相比,我国仍然存在缺乏首创工艺技术、激光与物质瞬态作用基础理论研究薄弱等问题,在工业技术应用和装备研制方面也存在一定差距。综述了激光表面强化与微纳制造技术的研究进展。随着微纳结构制造产业的不断发展进步、新合金新材料应用需求的增加以及环保要求的提高,激光表面强化和激光表面微纳结构制造技术会向着效率更高、精度更高、性能更高的方向继续迈进,在实际生产中的应用也将得到进一步的发展。

氟表面活性剂的合成及油田应用的最新进展(待续)

与碳氢表面活性剂相比,氟表面活性剂降低表面张力的效率更高,且具有高热稳定性并能改善表面性能。然而,氟表面活性剂的亲水性不如碳氢表面活性剂。这一点限制了氟表面活性剂在更大范围内的应用。例如,Yoshino等合成了含有2条氟烷基链的阴离子型氟表面活性剂(图9)。

第九届表面工程国际会议(第二轮通知)

表面工程作为一门新兴的交叉学科,涉及面宽,应用面广。通过表面工程再设计和制造,使材料表面赋予特殊的性质,如表面功能化、表面强化、表面防护、表面装饰等。近年来,随着我国与国际互通合作的日益加深,表面工程领域的国际交流也越来越多,为了增强我国表面工程领域与国际学者间的深入交流及合作,在成功举办前8届表面工程国际会议的基础上,经中国机械工程学会表面工程分会第七届主任委员会讨论同意,本次第9届表面工程国际会议将在大连举办。

齿轮表面摩擦学设计与表面织构化研究进展

我国国防事业的飞速发展对航空高速齿轮提出了更高要求,而有关齿轮副表面摩擦学设计仍是薄弱环节。表面织构技术已成为摩擦学领域的研究热点,在减摩抗磨、减振、抗粘附和抗蠕爬等多个领域展示出良好的应用潜力。有关齿面织构化设计研究尚处于起步阶段,还远未能形成规范成熟的设计理念和方法。对当前在齿轮表面摩擦学设计及表面织构化方面的研究工作进行全面综述。首先从齿轮表面摩擦学设计基本要求展开介绍,指出表面粗糙度和表面纹理是齿轮副表面摩擦学设计的关键,而大量研究已经证实,不管是滚动还是滑动摩擦,并非表面越光滑摩擦学性能越优异,在齿轮副表面织构化设计方面的研究工作已经展开。随后对现有齿轮副表面织构化的研究工作进行梳理,总结齿面织构化处理后带来的性能增益,主要包括减摩抗磨效应、表面强化效应、减振和降温效应。接着,介绍齿轮弹流润滑数值计算方面的研究进展,总结在表面纹理、表面织构对齿轮副的弹流润滑特性影响机制方面的研究。随后,对齿轮副表面织构加工技术进行对比分析,主要包括织构激光刻蚀、织构掩膜电解和织构微磨料射流等特种加工技术的优劣。对现有研究不足和潜在研究方向进行展望,从织构设计和加工等方面对齿轮表面织构化设计提供指导,研究结果可为未来航空高速齿轮副表面织构化设计提供科学指导和数据支撑,填补该领域研究空白并扩大表面织构应用领域。

氟表面活性剂的合成及油田应用的最新进展(续完)

1.5 gemini型氟表面活性剂.gemini表面活性剂因其独特的化学结构而广受关注。传统表面活性剂为单头单尾,而gemini表面活性剂则是双头双尾,头基间通过间隔基连结。gemini表面活性剂的物理化学性质包括较低的cmc和高于单体(常规)表面活性剂的表面性能。为寻找长碳氟链氟表面活性剂的替代品,Du等合成了一系列含有全氟醚链的gemini表面活性剂,并对其表面张力进行了研究。采用酰胺化反应和季铵化反应两步合成了gemini表面活性剂。在第1步中,N,N-二甲基-1,3-丙二胺分别与氟化酯或酰氟反应生成氟化酰胺中间体。第2步,该中间体与二溴化物反应,通过季铵化得到gemini表面活性剂(图17)[46]。

炔属二醇表面活性剂在环氧树脂灌浆材料中的作用

通过在CW环氧树脂灌浆材料浆液中加入2种不同结构的非离子表面活性剂炔属二醇,制备了2种改性环氧树脂灌浆材料,并开展了黏度、表面张力、接触角、渗透性和浆材固化物力学强度的研究。结果表明:加入表面活性剂对浆液的黏度、浆材固结体抗压强度、抗拉强度无明显影响,但可以提高浆材的粘接强度和抗剪强度,降低浆液的表面张力和接触角,提高浆液在黏土中渗透性。其中,加入表面活性剂S 1对浆液的粘接强度、拉伸剪切强度和在黏土中的浸润渗透高度提升更为显著,分别提高了23.6%、37.5%和109.4%。基于以上试验,初步探讨了表面活性剂提高浆液渗透性的机理。

CoMo170型表面污染仪测量不确定度评定

通过建立数学模型,对仪器测量数据进行了不确定度来源分析,并用实例解析了测量不确定度的评定步骤,结果表明:CoMo170型表面污染仪测量结果在标准规定的±20%偏差区间内,且稳定性较好,α表面污染测量结果准确性的主要不确定因素为仪器本底计数引入的不确定度,β表面污染测量结果准确性主要不确定因素为仪器检定引入的不确定度。

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

风化砂岩石窟表面热响应及力学性能变化:对砂岩石窟本体表层风化(劣化)评价的启示

表层风化问题严重影响石窟寺类文物的长久保存。如何通过风化表层的性能变化来对石窟寺进行病害诊断和风险评估是预防性保护的关键问题。本研究利用便携式无损检测手段(ProceqEquotip 550里氏硬度计、FLIR T660红外热成像仪)对甘肃庆阳北石窟寺外立面8个研究面进行表面硬度测试及表面温度监测,分析其典型风化病害的热响应情况及力学性能变化规律。研究结果显示,病害类型对其表面硬度值和温度波动幅度有不同程度的方向性影响。水锈结壳的表面昼夜温度波动幅度最小,表面硬度离散地分布在较高水平;粉化剥落和泛盐的表面昼夜温度波动较平缓,表面硬度值集中分布在较低水平;沟槽状溶蚀(差异风化)的表面昼夜温度波动幅度略高于粉化剥落表面,其表面硬度集中分布在较高水平;微生物覆盖的表层,昼夜温度波动幅度最大,表面硬度值离散地分布在较低水平。上述病害-性能对应关系有助于在石窟寺类文物的日常监测中判别风化病害的分布及变化趋势,对砂岩石窟的风险预警有一定指示作用。

砂光处理对翅荚木表面特性影响研究

以17年生翅荚木人工林木材为研究对象,对不同粒度砂光与涂饰处理前后的木材材色、表面粗糙度、表面润湿性及表面光泽度进行测定分析。结果表明:翅荚木人工林木材属于高明度、浅红色、高饱和度的黄色调为主的木材,不同粒度砂光处理对涂饰处理前后翅荚木人工林木材各色度学指标的影响均很小。砂光处理砂纸粒度从120目增至240目,翅荚木人工林木材表面Ra、Rz和Rsm随着砂纸粒度的增大均显著减小,而砂纸粒度从240目增至400目,Ra、Rz和Rsm随着砂纸粒度的增大变化均很小。翅荚木人工林木材表面自由能和润湿性随砂纸粒度的增大而增大。涂饰处理后,翅荚木人工林木材表面光泽度明显增大,经醇酸清漆和聚氨酯清漆涂饰处理后,表面光泽度分别在砂纸粒度为320目、400目时增幅最大。

激光除漆对铝合金基材表面质量的影响

目的研究激光除漆后对铝合金基材表面阳极氧化膜的损伤情况。方法采用纳秒脉冲激光器对涂覆复合漆层的2A12铝合金表面进行激光清洗试验。采用超景深显微镜对清洗后表面形貌与横截面进行观察,利用扫描电子显微镜与能谱仪观察清洗后的微观形貌,并利用维氏硬度计对表面显微硬度进行检测。结果选择合适的激光参数能够完全除去复合漆层,当激光功率过高或激光扫描速度较低时,会发生过度清洗现象,清洗后表面的阳极氧化膜层发生损伤,甚至被去除的情况。在激光功率为450、400 W,扫描速度为4.5 mm/s时,清洗后表面的阳极氧化膜层发生破损;在激光功率为450、400 W,扫描速度为4 mm/s时,清洗后表面的阳极氧化膜层已经被去除。在激光功率为500 W,扫描速度为5.5 mm/s,与激光功率为450 W,扫描速度为5 mm/s时,完全去除复合漆层后的阳极氧化膜层表面的平均维氏硬度分别约为211HV与242HV,在工艺参数为450 W、4.5 mm/s时,表面平均维氏硬度约为168HV。结论在激光除漆的过程中,采用合适的激光工艺参数彻底去除漆层后,铝合金表面阳极氧化膜层的显微硬度并未受到影响。在发生过度清洗时,铝合金表面的阳极氧化膜层会发生烧蚀损伤以及弹性振动剥离。

基于非线性超声表面波的轴承钢激光损伤程度表征

【目的】针对轴承钢在激光加工过程中易出现表面损伤的情况,研究利用非线性超声表面波对轴承钢激光加工损伤程度进行表征的方法。【方法】利用不同工艺参数的激光对轴承钢GCr15试件进行表面处理,形成不同程度的表面损伤;搭建非线性超声表面波检测系统,测量不同损伤程度下的轴承钢超声表面波的非线性系数,分析损伤程度与表面波非线性系数的关系。【结果】经激光表面处理后,轴承钢的表面波非线性系数变大且与损伤程度成正相关关系,当出现重度损伤时,非线性系数变化更为剧烈;与传统的线性声学参数相比,表面波非线性系数对轴承钢的表面损伤程度更加敏感。对常规线性与非线性声学参数进行归一化处理后,发现波速几乎不受表面损伤程度的影响,声衰减系数随损伤程度的变化率仅为0.25,而表面波非线性系数随损伤程度的变化率为0.98。【结论】利用表面波非线性系数可以对轴承钢表面的激光损伤程度进行有效表征。

内燃机活塞环材料及表面处理技术研究现状与发展趋势

活塞环是内燃机中重要的零部件之一,该部件的摩擦损耗占内燃机总摩擦损失的26%。因此,活塞环材料的选用及其表面处理研究对于优化提升内燃机性能、延长服役寿命具有重要意义。简单介绍并总结了内燃机活塞环常用材料及其发展趋势,详细综述了激光表面织构技术、表面涂层技术以及表面复合技术在内燃机活塞环减摩抗磨方面的研究和应用现状。其中,激光表面织构技术(LST)可起到接纳磨屑、保持油膜等作用,从而降低活塞环表面摩擦和磨损,但由于织构形貌和几何参数特征对摩擦学性能的影响较为复杂,仍需结合实际工况进一步研究并优化。以镀铬、热喷涂、气相沉积及激光熔覆为代表的涂层技术也常用于活塞环的表面强化处理,但涂层材料种类繁多,难以形成统一的行业标准进而规模应用。此外,通过合理复合多种表面处理技术,比如微弧氧化与电泳沉积复合、超声滚压与离子渗氮技术复合、磁控溅射和低温离子渗硫复合等,可实现优势互补、发挥协同作用,有效改善接触表面的摩擦性能,为活塞环的减摩增寿研究开拓了新的思路。最后对未来活塞环材料开发应用及其减摩抗磨方面的研究发展进行了展望。

影响冷轧板表面转化膜形成质量因素研究

磷化膜、硅烷膜是冷轧板常见的转化膜,除自身工艺对其形成质量有很大的影响外,冷轧板表面状态及形貌对其形成质量也有很大的影响。研究了冷轧板表面残油、残碳,表面夹杂物及析出相,表面缺陷,表面合金元素偏聚,表面微观形貌表征参数等对转化膜形成质量的影响,并就转化膜对电泳漆膜耐腐蚀性能的影响及未来研究方向进行了讨论。结果表明:冷轧板表面的洁净化,表面夹杂物及析出相、偏聚元素、划痕缺陷控制的少量化,表面微观形貌表征参数控制的精细化,可以提高冷轧板转化膜的形成质量。

表面效应对热-机多孔悬臂纳米梁力学性能的影响

表面效应对纳米结构的力学性能有重要影响。飞机上很多微纳尺度的结构可简化为悬臂梁。本工作分析表面效应对随从载荷作用下梯度多孔材料纳米悬臂梁在高温环境下非线性力学响应的影响。基于GurtinMurdoch表面弹性理论和非线性梁理论,建立梯度多孔材料梁在随从载荷以及温度场中的非线性控制微分方程。假定梯度多孔材料的性能在整个厚度范围内连续变化,且沿厚度呈两种余弦形式的非均匀孔隙率分布模式。采用打靶法求解梯度多孔材料悬臂纳米梁在热-随从载荷下的非线性力学响应。获得各种孔隙率系数和不同非均匀升温下悬臂纳米梁非线性力学响应的数值解,详细讨论材料表面弹性常数和表面应力对纳米悬臂梁力学响应的影响。结果表明:不同孔隙率系数和不同非均匀升温下梁的力学行为是不同的;纳米梁表现出十分显著的表面效应。

基于多位置振动融合的精整车削表面形貌仿真

针对高精度加工工件表面粗糙度及表面形貌精确预测的难题,提出根据多位置振动信号融合,并结合刀具轮廓轨迹合成的形貌仿真模型。首先建立刀具轮廓轨迹方程,然后通过主成分分析法分析表面精整车削主要影响振动部位对表面粗糙度的贡献度,将不同部位的振动信号进行融合,最后将以上两部分进行叠加得到表面粗糙度表面形貌仿真模型。根据振动信号的来源方式不同,分别建立了刀具轮廓轨迹-振动仿真模型(PTS)和刀具轮廓轨迹-振动实测模型(PTM)两种模型进行研究。其中PTS模型中振动信号为根据车削动力学模型求解得到的振动位移,PTM模型中的振动信号为切削实验中实际采集的振动位移信号。通过仿真与试验结果的对比,表明PTM模型较PTS模型精确度更高,同时两种模型表面形貌仿真模型都具有较高的准确性,均可为实际加工生产提供参考。

外电场作用下纳米结构表面润湿转变机理研究

采用分子动力学模拟方法,研究了外电场作用下液膜在带有纳米凹槽的疏水表面处由Cassie态向Wenzel态的润湿态转变过程,并分析了其转变机理。结果表明,润湿状态转变所需时长并不随着电场强度的增大而降低,而是存在一个促进润湿状态转变的最佳电场强度。基于电场作用下的液滴润湿角及液柱极化应力的计算分析表明,一方面外电场可以增强表面润湿性,有利于Cassie态向Wenzel态的润湿态转变,另一方面,液膜受电场极化的影响而沿电场方向伸长,从而减缓了液膜向纳米凹槽的渗入。因此,随着电场强度的增大,液膜润湿状态转变时长呈现先减小后增大的趋势。本研究揭示了外电场作用下纳米结构表面的润湿态转变的机理,有助于深入理解微纳米结构表面的电润湿现象。

漫反射与非漫反射表面间的辐射传递系数快速计算

针对蒙特卡洛方法计算目标表面间辐射传递系数耗时过长的问题,提出了一种计算漫反射灰体与非漫反射灰体表面间辐射传递系数的快速方法。首先,利用蒙特卡洛方法在漫反射表面生成发射光束集并进行射线追踪,计算漫反射表面对目标表面的辐射传递系数;然后,在非漫反射表面生成发射光束并进行射线追踪,如果射线在多次反射过程中击中任意漫反射表面,则利用反射光束的漫反射特性,直接调用漫反射表面的辐射传递系数对反射能量进行分配,并停止射线追踪。对正六面体模型内表面(两个漫反射面元、四个镜反射面元)的辐射传递系数进行仿真,结果表明,当表面反射率ρ=0.4时,镜反射表面的辐射传递系数计算时间仅为蒙特卡洛方法的1/3;ρ=0.8时,相应的计算时间占比低于1/10,并且保持良好的计算精度。理论推导并分析了影响该方法计算速度的模型参数,结果表明:表面反射率越高,系统中漫反射表面占比越大,快速方法中单束光线的平均追踪次数较蒙特卡洛方法越少,非漫反射表面的辐射传递系数计算优势越明显。

超声振动辅助电火花加工表面成形机理研究

以TC4钛合金作为工件材料,通过建立高斯热源在工件表面的分布模型,描述了单脉冲电火花加工凹坑的成形机理。为了验证模型的准确性,进行了仿真和实验验证。结果表明:通过分析仿真得到的温度场云图和实验测得的数据发现,高斯热源分布模型与两者一致。在引入超声振动后,表面粗糙度降低35%~46%,材料表面凹坑明显减少,表面形貌发生显著变化。随振幅增大,高斯热源分布曲线的最大值减小,温度场中心最高温度降低,深度变浅的表面凹坑数量增加,单个凹坑的面积增加,表面粗糙度变好。