Bi2Te3基微型热电器件的尺寸越小, 界面结合强度及接触电阻对于器件力学性能、开路电压以及输出功率等的影响就越显著。因此开发成本低、工艺简单的热电单元制备技术, 并使n型Bi2Te3基块体材料与阻挡层间的界面兼具低接触电阻、高结合强度具有重要意义。本工作将n型Bi2Te3基热电材料薄片在混合酸溶液(pH~3)中进行表面处理, 随后进行化学镀Ni(5 μm), 再与Cu电极焊接制备得到热电单元。腐蚀后, n型Bi2Te3基热电材料表面大的沟壑与Ni阻挡层间形成锚固效应, 腐蚀6 min的材料结合强度高达15.88 MPa。大沟壑表面进一步腐蚀后出现的精细分支与Ni阻挡层间形成纳米孔洞, 显著增大了界面接触电阻, 腐蚀2 min的材料达到2.23 Ω?cm2。最终, 腐蚀4 min后镀Ni的n型Bi2Te3基热电片材与p型Bi2Te3基热电片材制备的微型热电器件在20 K温差(高温端306 K, 低温端286 K)下的输出功率高达3.43 mW, 相较于商用电镀镀层制备的同尺寸器件提升了31.92%。本工作将为微型热电器件的性能优化提供支撑。
Bi2Te3 界面结合强度 界面接触电阻 镍阻挡层 微型热电器件 Bi2Te3 interface bonding strength interface contact resistance Ni barrier layer micro thermoelectric device
1 大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连6024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米系统重点实验室，辽宁大连11604
在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中，经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题，本文从界面钝化膜的角度，采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响，通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算，计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高，在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%；为探究过渡金属对界面结合强度的影响，分别以Cu，Cr，Ti作为过渡层，与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系，计算体系的结合能，计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高，与未引入过渡金属相比，引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上，开展了电解活化实验，通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜，实验结果表明：电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度；同时开展了铜过渡层实验，对比了有无Cu过渡层的界面结合强度，实验结果表明：引入Cu后，铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上，制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900 μm的微惯性开关。
微惯性开关 微电铸 界面结合强度 分子动力学 电解活化 micro inertial switch micro electroforming interface bonding strength molecular dynamics electrolytic activation 光学 精密工程
2023, 31(10): 1464
1 西安交通大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710049
2 宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021
为研究激光熔覆修复过程中稀释率的主要影响因素及其对修复性能的影响，在300M钢表面对12Cr17Ni2B新型不锈钢粉末进行激光熔覆试验。为了使粉末充分熔化并减小基体热影响区的软化程度，调整粉焦高于基体表面。分别探索扫描速度及粉末吸热率（激光功率与送粉速率之比）对稀释率的影响，结果表明：两种工艺参数均可以显著改变稀释率的大小，扫描速度会显著改变熔覆层的面积，粉末吸热率会显著改变熔合区的面积。为了明晰稀释率对修复性能的影响，采用粉末吸热率为自变量的工艺调控稀释率，并分析稀释率对修复性能的影响；结果表明：稀释率对修复件界面结合强度的影响不大，但对热影响区的软化程度有一定影响，基体对熔覆层的稀释有利于熔合区硬度的提高，但过大的稀释率会导致熔合区开裂。
激光技术 激光熔覆 单因素试验 稀释率 300M钢 界面结合强度 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2314005
为了研究不同微织构形貌对刀具表面涂层性能的影响, 利用光纤激光在其表面制备了不同面积占有率的毛化和沟槽微织构形貌, 并利用PVD磁控溅射镀膜技术对织构化的试样表面进行TiAlN涂层的沉积。采用Nanofocus共聚焦显微镜检测涂层前后的织构形貌; 应用AMH-61显微硬度计检测试样表面的显微硬度; 采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪检测织构化涂层表面的残余应力; 采用Rtec MFT-5000型表面性能试验机对涂层表面进行划痕试验, 表征涂/基结合力。结果表明: 一定面积占有率的毛化形貌有利于提高涂层显微硬度, 沟槽形貌对涂层显微硬度有较小的削弱作用, 面积占有率对其影响不大。两种织构形貌均能减小涂层内部残余应力, 残余应力下降幅度与织构面积占有率呈正相关。一定面积占有率的织构有利于增强涂层结合强度, 毛化相比沟槽更有效, 结合力最高可提升19.2%。两种微织构形貌有效提高了刀具表面涂层性能。
硬质合金 激光微织构 TiAlN涂层 残余应力 结合强度 cemented carbide laser micro-texturing TiAlN coating residual stress bonding strength
1 中国石油大学(华东), 山东 青岛 266580
2 中国石油大学胜利学院, 山东 东营 257061
3 兰州兰石工程研究院有限公司青岛分公司, 山东 青岛 266000
参考复合钢板性能试验方法, 利用压力试验机和自主设计的试验夹具配合测试激光熔覆层结合强度。借助有限元分析方法探究涂层结合面尺寸变化对结合强度的影响, 以获得最优的强度测试试样尺寸, 并通过剪切实验对试样的最优尺寸进行了验证。结果表明, 采用所设计的剪切试验装置配合压力试验机能够开展熔覆层结合强度的测试试验。涂层与剪切刀结合处受应力最大, 是最先受到剪切破坏的位置, 随着涂层结合面长度的增加其平均应力先增大后减小, 被测试样结合面尺寸大于或小于3 mm时均会产生较大的应力集中, 使得结合面提前断裂。当熔覆层厚度为2 mm、结合面长度为3 mm时, 为最优强度测试试样尺寸。
激光熔覆 结合强度 应力分布 结构设计 laser cladding bonding strength stress distribution structure design
华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
为了研究激光功率对不锈钢与铜-镍镀层低碳钢激光焊点性能的影响, 采用300W的Nd∶YAG激光器焊接不锈钢与铜-镍镀层低碳钢, 用光学显微镜观察焊点并测量尺寸, 用万能拉伸试验仪测试焊点结合强度。结果表明, 随着激光功率的增加, 低碳钢一侧焊点截面的尺寸增加。在焊点边缘原镀层区域附近富集的铜会导致裂纹的产生, 而激光功率的变化并不能消除焊点边缘铜的富集。激光功率的增加, 焊接模式由热导焊向深熔焊过渡, 导致焊点的尺寸显著增加, 焊点的结合强度提高。该结果对于研究激光功率对铜镍镀层低碳钢/不锈钢激光点焊是有帮助的。
激光技术 激光脉冲焊 铜-镍镀层 结合强度 激光功率 裂纹 laser technique laser pulse welding Cu-Ni coating bond strength laser power crack
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学激光技术研究所, 江苏 镇江 212013
将Abaqus模拟与实验相结合，研究了激光诱导冲击波在膜基结构材料中的传输及其对膜层基体结合强度的影响。建立不同声阻抗匹配模式的膜基结构模型，改变膜层厚度，分别进行模拟和实验。分析不同时刻深度方向的应力分布，膜层脱落的凸起形貌，不同膜层厚度对应的最大应力值、持续时间。结果发现：当膜层声阻抗小于基体时，膜层表面覆盖合适的约束层，可以避免膜层基体界面处形成拉应力，两者结合强度不会减弱，材料表面性能得到强化；当膜层声阻抗大于基体时，应根据加工要求，决定是否可以进行激光冲击；当拉应力不可避免时，膜层厚度需慎重选择，既要考虑材料表面的强化效果，也要减小界面处拉应力强度。
激光加工 激光冲击 膜基结构 冲击波传输 结合强度 数值模拟
常州大学 机械工程学院, 江苏 常州 213016
利用阴极弧离子镀在Cr12MoV钢表面制备了TiAlCN涂层，通过扫描电镜(SEM)、能量分散光谱法（EDS）、X射线衍射术（XRD）等手段分析了TiAlCN涂层的表面界面形貌、化学元素分布和物相特性，并对其界面结合机理进行了探讨。结果表明，Al原子第一电离能低于Ti原子，容易从靶材上气化电离出来沉积在基体上，使得涂层中Al元素含量较高；涂层中TiN、AlN和AlTiN为硬质相，其中涂层中高含量的Al原子有利于提高抗磨损性能，无定形C原子有利于降低摩擦系数；Ti、Al、C、N等原子在涂层中产生富集现象，在结合界面处发生扩散，是形成冶金结合的主要机制。 另外，用划痕法测得涂层界面结合强度为76.9 N，具有较高的抗剥落能力。文中的结果为TiAlCN涂层在冷作模具表面改性处理中的应用提供了实验基础。
TiAlCN涂层 阴极弧离子镀 线扫描 面扫描 结合强度 TiAlCN coating cathodic arc ion plating line scanning plane scanning bonding strength
1 南京航空航天大学机电学院， 江苏 南京 210016
2 铜陵学院机械工程系， 安徽 铜陵 244000
采用压片预置式激光多层熔覆制备了厚纳米Al2O3-13%TiO2(质量分数)涂层，研究了涂层的微观组织和结合性能，并分析了涂层厚度对结合强度的影响。结果表明，陶瓷涂层各层之间无明显界面，过渡缓和自然，涂层内部致密、连续，基本无孔隙及贯穿性大裂纹等缺陷；涂层由等轴晶的完全熔化区和残留纳米颗粒的部分熔化区组成，并且涂层中的裂纹基本集中于部分熔化区，另外晶粒尺寸表现为上小下大的梯度过渡特征。随着涂层厚度的增加，结合强度逐渐下降，其减小的趋势为先快后慢。厚度为175 μm的试样结合强度高于78.6 MPa，而厚度为350、525、700 μm的涂层结合强度分别为66.3、47.4、36.2 MPa。
激光技术 激光熔覆 多层熔覆 压片预置 厚纳米陶瓷涂层 结合强度
北京有色金属研究总院 国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京 100088
为满足某装置用阀门密封面材料不能含有钴的要求,通过激光熔覆两种无钴镍基合金粉末,在0Cr18Ni10Ti不锈钢表面制备出具有梯度硬度分布的较厚涂层,分析了涂层的微观组织、硬度及界面结合强度。结果表明,采用硬度较低的镍基合金涂层作为过渡层,解决了具有较高硬度镍基合金涂层的开裂问题;涂层与基体及两种镍基合金涂层之间界面连续过渡,硬度呈梯度变化,涂层表面硬度达HRC47;涂层与基体界面为完全冶金结合,其界面结合强度大于565MPa;经弯曲及热震试验后,涂层未出现开裂及剥落现象,说明涂层具有良好的抗热震性能。
激光技术 激光熔覆 无钴镍基合金涂层 微观组织 硬度 界面结合强度 laser technique laser cladding cobalt-free nickel-based alloy coating microstructure hardness interface bonding strength
