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2026年, 第59卷, 第7期 
刊出日期:2026-07-15
  
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  • 尹晨伟, 柴青, 殷硕
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    冷喷涂(Cold Spray,CS)作为一种低温固态沉积技术,能够有效避免传统热喷涂过程中的氧化与相变问题,但存在沉积致密度不足、高强高硬材料难沉积及对氦气依赖等局限。激光辅助冷喷涂(Laser Assisted Cold Spray,LACS)通过引入同步激光加热,实现颗粒与基体沉积区的局部热软化,在保持固态沉积特征的前提下降低临界沉积速度、增强塑性变形能力,从而提升沉积效率、界面结合强度与涂层致密性,并拓展难沉积材料冷喷涂的工艺窗口。系统综述了LACS的工作原理与沉积机制,总结其在纯金属、结构合金、高熵合金及金属基复合材料中的研究进展,并重点分析了激光热输入对微观结构演化与性能调控的作用规律。最后对装备集成、多参数调控及机理研究的发展方向进行了展望。
  • 王岩, 刘珂娴, 洪鑫, 王忠禹, 李文波, 曾良, 褚欣, 谢迎春, 邓春明
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    钛合金具有高比强度、高耐蚀性等优点,是重要的航空发动机材料。针对钛合金Ti55531表面耐磨性提升的需求,采用冷喷涂技术在Ti55531钛合金表面制备了IN718和IN718+WC10Co4Cr 2种镍基耐磨涂层。通过光学显微镜、SEM分析了涂层的微观形貌,采用硬度计和拉力试验机测试了涂层的显微硬度和结合强度,利用材料表面综合性能测试仪及疲劳试验机对涂层的耐磨和疲劳性能进行了表征,并结合磨损表面、疲劳断口形貌及涂层应力分布情况分析了涂层试样的磨损机理和疲劳影响机制。结果表明:2种冷喷涂镍基涂层的组织均均匀致密,且与基体界面结合良好;2种冷喷涂镍基涂层的磨损机制均为轻微黏着磨损和磨粒磨损,其中冷喷涂IN718+WC10Co4Cr涂层磨损率为(55±28) μm3/(N·m),磨损体积为(14 540±7 428) μm3,耐磨性能最佳;钛合金基体经冷喷涂制备涂层后,其高周疲劳强度下降,采用多道次喷涂方式的涂层试样的疲劳强度显著优于一次性喷涂试样,主要原因为其更优的涂层内部残余应力分布。
  • 侯灵若, 刘新, 刘瑞良
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    为优化低压冷喷涂设备工艺参数,采用Fluent软件模拟了喷涂距离及Al和Ti金属颗粒粒径对低压冷喷涂AlTi合金的影响,并通过低压冷喷涂实验对模拟结果进行验证。首先利用ABAQUS软件建立了不同粒径的Al、Ti单颗粒撞击AZ31镁合金基体的拉格朗日模型,模拟了不同粒径金属颗粒对喷涂过程中的颗粒形貌、等效塑性应变的影响,并获得了粒径10~30 μm金属颗粒对应的临界沉积速度。将临界沉积速度与预测的撞击速度对比,获得低压冷喷涂条件下最佳颗粒粒径,并通过实验进行了验证。模拟结果表明:在设计的10~30 mm间12个喷涂距离中,喷涂距离20 mm为低压冷喷涂时最佳喷涂距离,且随Al、Ti金属粒径的增大,金属颗粒的临界沉积速度变化趋势逐渐变缓,其中Al颗粒的临界沉积速度在420~650 m/s之间,Ti颗粒的临界沉积速度在510~680 m/s之间;通过对比临界沉积速度与预测撞击速度,预测出Al、Ti金属在低压冷喷涂时的最佳颗粒中径D50分别为20μm和25 μm,其中20 μm的Al金属颗粒的临界沉积速度和预测撞击速度分别为420 m/s和418.33 m/s,25 μm的Ti金属颗粒的临界沉积速度和预测撞击速度分别为510 m/s和366.29 m/s。低压冷喷涂实验结果表明:在温度500℃、喷涂距离20 mm的条件下,可达到Al金属颗粒的临界沉积速度,实现Al金属的有效沉积,但无法达到Ti金属的临界沉积速度,实验结果与模拟结果吻合。
  • 卢佳嫒, 何艺珍, 李博文, 李微微, 薛娜, 陈英伟, 朱流, 邵玲
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    针对冷喷Cu涂层在Al合金基体上易出现加工硬化和界面结合强度较弱等问题,通过热处理实验和分子动力学模拟方法,系统探讨了6061-T6 Al合金基体冷喷涂纯Cu涂层经热处理后的微观结构演变规律。在实验研究中,将冷喷Cu涂层在400 ℃条件下进行热处理,并利用X射线衍射仪与扫描电子显微镜对涂层的物相组成与微观结构演变进行分析。在分子动力学模拟方面,基于LAMMPS软件与嵌入式原子势构建Cu颗粒与Al基板模型,模拟冷喷涂沉积与427 ℃热处理过程,并借助OVITO软件对原子尺度结构进行表征。实验结果表明,400 ℃热处理可促进Cu涂层发生再结晶,改善Cu涂层与Al合金基体之间的界面结合。分子动力学模拟进一步表明,在427 ℃热处理过程中,随热处理时间的延长,Cu颗粒内部的无序结构含量呈现先升后降的趋势,FCC结构比例逐步提高;晶粒数量表现出先减少后增加的演化特征。同时,Cu原子向Al基板的扩散行为表现得更加明显,体系中位错以Shockley位错为主,位错密度在初期迅速降低后趋于稳定。本研究揭示了热处理中Cu涂层的原子扩散行为及微观结构演变机制,明确了微观结构与热处理时间的依赖关系,可为优化冷喷纯Cu涂层性能及拓展其在铝合金基体上的应用提供理论依据与技术支撑。
  • 龙雨, 钱庄, 雷力明, 赵宇辉, 谢迎春, 褚欣
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    为解决4340结构件耐磨性差的问题,采用超音速火焰喷涂(HVOF)与冷喷涂(CS)工艺,通过优化工艺参数,在4340钢表面成功制备了WC-10Co4Cr涂层。采用扫描电子显微镜、光学显微镜、X射线衍射仪、维氏微硬度测试仪、万能试验机、摩擦磨损试验机及三维轮廓仪,系统表征了2种涂层的微观结构、物相组成、孔隙率、显微硬度、结合强度与滑动磨损、微动磨损性能,并对比分析了冷喷涂(CS)与超音速火焰喷涂(HVOF)工艺对涂层结构及性能的影响规律。结果表明:2种涂层在微观结构、力学性能与耐磨行为上存在显著差异。CS涂层孔隙率低于0.1%,而HVOF涂层的孔隙率约为0.3%。物相分析结果显示,CS涂层中的WC相保持稳定,而HVOF涂层中WC相发生脱碳并生成W2C新相。CS涂层的平均显微硬度达到1 617.2 HV0.3,较HVOF涂层(1 061.3 HV0.3)高出约52.4%。滑动磨损测试中,CS涂层的滑动磨损率为1.7×10-6 μm3/(N·m),仅为HVOF涂层的39.5%;其微动磨损率为1.28 μm3/(N·m),较HVOF涂层大37.6%。然而,CS涂层的结合强度(35.0 MPa)明显低于HVOF涂层(73.5 MPa)。综上所述,与传统HVOF工艺相比,CS工艺制备的WC-10Co4Cr涂层具有更高的硬度、更致密的微观结构以及更优异的滑动磨损性能,显示出良好的工程应用前景。
  • 周宏, 王瑛, 陈韦蒙, 陈嘉威, 李亚群
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    高压电缆铝护套在长期服役过程中,受环境腐蚀与机械应力等多因素耦合作用易诱发局部损伤,严重威胁电网运行安全,亟需研发高效、可靠的原位修复技术。针对高压电缆铝护套原位修复中传统热钎焊易损伤绝缘层的问题。冷喷涂固态增材技术凭借其优异的低温固态沉积特性,成为铝护套原位修复的理想方案。颗粒撞击速度是决定冷喷涂沉积和修复质量的核心参数,但高压电缆铝护套普遍采用的轧纹曲面结构会剧烈干扰超音速流场的分布特征,进而显著影响颗粒的动力学行为。采用计算流体力学与离散相耦合方法建立三维数值模型,对比研究了平面和轧纹曲面基底下的激波演化特征,量化了法向入射条件下5~45 μm粒径颗粒穿透激波时的速度衰减规律,并配套开展了不同粒径分步粉末的对比沉积实验。仿真发现,曲型近壁面受激波影响,气体速度梯度剧增;粒径小于15 μm时,颗粒速度衰减最为剧烈。实验结果表明,通过剔除微细粉末(优化粒径区间为15~45 μm)并协同调控载气参数0.65 MPa,可有效弱化激波影响,获得更致密的涂层。通过揭示曲面基体下冷喷涂中颗粒动能耗散机制,证实了通过粒径梯度优化提升轧纹铝护套修复质量的可行性,为电力设备原位修复工艺开发提供了理论支撑。
  • 何泽阳, 吴杨, 高名传, 周大朋, 刘睿翔, 贺定勇
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    悬浮液等离子喷涂(SPS)是一种先进的喷涂技术,通过液相送料的方式解决了纳米尺度粉末输送的难题,能够直接沉积出具有柱状微观结构或垂直裂纹结构的涂层。详细介绍了SPS的技术原理与沉积机理,综述了不同悬浮液特性(溶剂种类、溶质粒径、固含量等)对涂层微观形貌的影响,讨论了喷涂工艺参数(喷涂功率、喷涂距离、送料速度)和粘结层表面粗糙度对于涂层形貌、热疲劳性能、抗腐蚀性能以及力学性能等的影响。最后,对SPS未来发展方向进行了展望。
  • 张彭辉, 姜浩, 徐铖, 白雪寒, 李青音
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    各种装备结构材料在自然环境中不可避免地会发生腐蚀。随着算法理论和计算机技术的发展,针对其腐蚀行为的预测模型得到了广泛关注与应用。为此,对灰色预测模型、支持向量机模型、人工神经网络模型等典型腐蚀预测模型进行了简介,介绍了其在腐蚀领域的应用进展,并对深度学习、集成学习等机器学习方法进行了概述,并指出通过算法结构优化、性能提升及集成联用等方式可有效提高模型性能,是未来腐蚀预测模型发展与应用的重点方向。
  • 毕俊, 袁跃峰, 陆卫中, 张贺琦, 王红飞, 陈颖, 谭泽宇, 解伟
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    热塑性乙烯-甲基丙烯酸共聚物(Ethylene-Methacrylic Acid Copolymer,EMAA)因具有良好的成膜性、界面黏附性、韧性及热触发可修复特性,在自修复涂层、防腐涂层及功能复合涂层等领域受到广泛关注。围绕EMAA涂层的研究进展,系统梳理了EMAA材料特性、化学与物理改性、粉末制造与涂层制备工艺及典型应用研究;提出EMAA在力学强度、耐磨性、抗冲蚀性和化学稳定性等方面仍有增强改进空间;总结了微纳米材料、纤维及复合改性对EMAA涂层致密性、力学性能、耐磨性、抗冲蚀性和介质阻隔性能的影响规律;对球磨、螺杆熔融挤出-粉碎等粉末制造方法,以及热喷涂、静电喷涂等涂层制备工艺进行了归纳对比分析;概述了EMAA在自修复涂层、防腐涂层及功能复合材料中的典型应用,展望了未来EMAA涂层在复杂服役工况下需开展的研究工作,为其工程化应用提供了理论与技术参考。
  • 廖兴利, 顾佳羽, 白炳城, 叶正强, 罗志颖, 苏国峰, 赖德林
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    为提升锌层的耐腐蚀性能,以有机-无机复合体系为设计基础,采用一步喷涂法在锌基底上制备了HMDS-SiO2/PDMS超疏水涂层。使用六甲基二硅胺烷(HMDS)对粒径分别为30、100、500 nm的二氧化硅(SiO2)进行疏水改性,系统考察了SiO2粒径对涂层表面形貌、润湿性、耐磨性及耐腐蚀性能的影响。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、接触角测量仪及电化学工作站等仪器,探究了粒径差异对涂层结构与性能的内在调控机制。结果表明,经HMDS改性后,3种粒径的SiO2疏水性能均得到提高。当粒径为30、100、500 nm的HMDS-SiO2与聚二甲基硅氧烷(PDMS)的质量比分别为1∶2、1∶1、2∶1时,所制备的HMDS-SiO2/PDMS涂层的接触角均高于150°,可稳定实现超疏水状态。其中,HMDS-30SiO2/PDMS涂层的基底低频阻抗模值达3.69×105 Ω·cm2,较纯锌提高了3个数量级。该涂层经30次磨损后仍能保持超疏水性能,在3.5%(质量分数) NaCl溶液中浸泡18 h内超疏水特性无明显衰减,耐腐蚀性能显著优于纯锌基底及纯PDMS涂层。本研究系统阐明了HMDS-SiO2粒径对HMDS-SiO2/PDMS超疏水涂层结构与性能的调控规律,为锌层防腐蚀用超疏水涂层的粒径优选与配方设计提供了实验依据。
  • 郝娇山, 周志强, 孙德恩, 李权, 姚小松, 景欢
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    为提升2507双相不锈钢在海洋环境下的服役性能,采用空气燃料超音速火焰喷涂(HVAF)技术在其表面分别制备了2种工业常用的WC-20Cr3C2-7Ni(73WC)和WC-10Co-4Cr(86WC)涂层。利用SEM、EDS及XRD分析2种涂层的显微组织与物相组成,采用显微硬度计、销-盘式摩擦磨损试验机及CHI660E电化学工作站分别测试2种涂层的硬度、摩擦磨损性能及在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。结果表明:2种涂层均呈致密层状结构,与基体实现牢固结合,平均孔隙率分别为0.16%和0.31%。73WC涂层主要由WC硬质相、Ni粘结相、Cr7C3与(W,Cr)2C相组成,86WC涂层则以WC硬质相、Co粘结相为主。显微硬度结果显示,73WC涂层和86WC涂层的平均值硬度分别为1 182 HV0.3与1 286 HV0.3。摩擦磨损结果表明,73WC涂层的摩擦系数较低(0.32),但磨损率较高[(4.26±0.09)×10-5 mm3/(N·m)];而86WC涂层摩擦系数较高(0.51),磨损率更低[(2.54±0.06)×10-5 mm3/(N·m)]。在3.5%NaCl溶液中,73WC涂层表现出更优异的耐蚀性,其腐蚀电位为-421 mV,腐蚀电流密度仅为2.87×10-7 A/cm2。本研究创新性地从工程应用角度出发,揭示了2种涂层体系在模拟海洋环境中的综合性能,并指出摩擦系数与耐磨性之间存在非同步提升的规律性,为海洋及化工领域中WC基涂层的优化设计与工程应用提供了理论支持与实践参考。
  • 莫家豪, 尹森豪, 喻航伟, 张钰, 陈勇, 申龙章, 邹新长, 邱长军
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    高γ′相镍基高温合金因其优异的高温性能,被广泛用于航空发动机热端构件。然而,其复杂的成分体系和狭窄的凝固温度区间导致其在激光增材制造过程中易产生裂纹,严重限制其应用。为兼顾成形性与高温性能,基于计算与实验相结合的方法,对IN738LC进行成分优化。通过将Al和Ti各控制在约3.0%(质量分数,下同)并调节W含量(7.41%、8.41%、9.41%、10.41%),研究了W含量对γ′相稳定性、有害相析出及力学性能的影响。JMatPro计算表明,随W含量升高,合金在900 ℃下γ′相的质量分数略有增加,同时引入TCP相并显著提高其析出温度;沉积态样品中,Al、Ti主要与γ′相形成相关,而随W含量增加,枝晶间W、C及部分Nb富集增强,,促进MC型碳化物数量增加并部分半连续化;经固溶+双级时效处理后,γ′相均匀弥散析出并长大到合适尺寸,但高W样品仍存在半连续碳化物与少量针状TCP相;当W达到9.41%时,样品表现出塑性与强度的优化匹配,但此时TCP相开始过量析出;继续增加至10.41%时,晶界碳化物与TCP相显著增多,导致延展性下降,断口形貌由细密韧窝向准解理转变。综合计算与实验结果,确定IN738LC合金在激光增材制造条件下的W含量优化区间为7.41%~8.41%。本工作可为激光增材制造专用镍基高温合金的成分优化提供参考。
  • 王华东, 崔学军, 齐玉明, 向乾, 郭太雄, 邢然
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    为增强锌铝镁镀层钢板的美观性,通过硝酸铜-磷酸盐化学氧化发黑工艺在锌铝镁镀层钢板表面制备黑色装饰性膜层。以中铝锌铝镁镀层钢板为基体,采用化学氧化工艺制备该膜层。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)观察膜层的微观形貌、元素组成及分布、物相组成、化学元素的种类及其氧化态分布;通过高精度色差仪(LAB色度系统)以(|L*|+|a*|+|b*|)定量分析膜层黑度(值越小越黑)。结合动电位极化曲线与中性盐雾试验评价膜层耐蚀性。结果表明:所制备的黑色氧化膜均匀致密,黑度值为29.07,厚度为2.63 μm,粗糙度为0.458 μm,显微维氏硬度达189.2 HV0.1,较基体(110.3 HV0.1)显著提高。膜层主要由金属Zn、Al相及其氧化物ZnO、Al2O3和CuO等物相组成,其显色由CuO与磷酸盐协同调控———CuO不足会导致膜层泛红,磷酸盐过量则引起泛白。经1 440 h中性盐雾试验后,黑化处理后的镀层钢板未出现红锈,表明该致密黑色膜层有效阻隔了腐蚀介质的渗透,提升了锌铝镁镀层钢板的耐蚀性能。研究表明,化学氧化法能够在锌铝镁镀层表面构建兼具良好装饰性与一定防护功能的黑色膜层,膜层中ZnO含量最高,为结构主体;CuO与磷酸盐协同调控膜层的显色效果与稳定性。
  • 胡榈庶, 刘吉良, 廖深虎, 林毅, 谢文, 匡传训
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    为了模拟刀具切削过程中切削液对刀具的淬火现象,分别设计了200、400、600、800 ℃的淬火温度对TiAlN涂层硬质合金车刀进行热处理以考察其磨损性能。同时,还研究了转速(60、90 m/min和150 m/min)对车刀磨损性能的影响。通过维氏硬度仪、X射线衍射仪及划痕仪测试了车刀的表面硬度、物相结构与涂层结合性能。采用数控车床对200、400、600 ℃淬火处理后的车刀进行钛合金切削试验,并监测车刀的切削温升;采用扫描电镜(SEM)观测车刀截面及磨损表面,并对磨损区进行能谱分析。结果表明:淬火后的刀具磨损更为严重,并且基体材料更容易产生裂纹。刀具淬火温度对表面涂层的结合性能也有显著影响,随着淬火温度的增加,涂层的结合性能降低。转速对切削温升和前刀面磨损有重要影响,在干切削状态转速为90 m/min和150 m/min时,相对于60 m/min的切削温度分别提高了27.8%和48.9%;在湿切削状态切削速率为60 m/min和90 m/min的前刀面磨损面积明显小于干切削工况,仅为干切削的79.2%及59.1%。
  • 吴亚平, 杜宝帅, 樊志彬, 慈文斌, 张博颐, 安江峰
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    在输变电领域,铝部件在通电条件下会发生更为复杂的腐蚀现象。传统基于试验和经验公式的腐蚀预测方法精度有限且效率低下。提出一种融合Mamba与时间卷积网络(TCN)的多模态预测方法,通过数值时序数据与表面形貌图像的深度融合,精确预测铝在电流密度梯度和时间梯度条件下的失重情况。研究结果表明:该方法在小样本条件下仍能有效捕捉腐蚀过程中的短期波动与长期演化趋势,其预测精度显著优于传统经验模型及单模态深度学习方法,展示出在材料腐蚀预测与智能监测领域的良好应用潜力。
  • 万里平, 尹俊杰, 孙兆岩, 郭广平
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    连续油管氮气作业是一项具有广阔应用前景的实用技术,但由于氮气中氧的存在,连续油管在井下高温高压环境下易发生腐蚀失效,存在较大的井控风险。通过室内高温高压失重腐蚀试验,并结合扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分别测试了CT90与CT110连续油管在模拟井下氮气作业环境(氮气纯度95%~99%、温度80~120 ℃、压力50~90 MPa)中的腐蚀行为。结果表明:在氮气作业腐蚀环境下,随着氮气纯度的升高,气/液相环境中CT90和CT110腐蚀速率均逐渐降低,液相变化较大,且CT90气/液相腐蚀速率均高于CT110。随着压力的升高,液相环境中CT90和CT110腐蚀速率均随着压力升高而增大;气相环境中CT110呈平缓上升趋势,CT90先呈平缓升高趋势,后大幅升高。随着温度的升高,气/液相环境中CT90和CT110腐蚀速率均显著增大,液相增幅远大于气相。通过对腐蚀产物进行微观分析发现:CT90和CT110液相腐蚀试片主要腐蚀产物为Fe3O4和Fe2O3,液相产物膜疏松多孔,腐蚀较为严重;在单次入井时间为10 h,最低抗拉安全系数为1.5的情况下,基于剩余抗拉强度准则下可知,氮气纯度越高,连续油管入井次数越多,且相同条件下CT110的最大入井次数约为CT90的2.4倍。本工作主要从不同条件下油管腐蚀形貌及腐蚀产物等角度进行分析,并结合管道服役情况及失效理论,对管道安全服役寿命进行评估,为油田生产中管道的安全运行提供技术指导。