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引言

超高强度钢兼具有高强度（抗拉强度> 1380 MPa、屈服强度> 1200 MPa）及良好的韧性，一般作为重要的承力部件广泛应用于航空航天、舰船、汽车、模具等行业，其典型应用包括飞机起落架、主梁、传动零件、承力螺栓等。常见的超高强度钢力学性能如表1所示。该类材料的强度远高于常规材料，部分牌号抗拉强度已达到2000 MPa，一般具有相对较高的氢脆、应力腐蚀敏感性。由超高强度钢制备的零部件，其服役环境往往十分苛刻，尤其是当装备服役于海洋环境时，若不采取合理的表面防护处理工艺，则易在服役寿命内发生氢脆断裂、腐蚀、应力腐蚀、疲劳断裂、磨损等失效情况，严重时将导致事故的发生。例如2002年美国F14舰载机起落架减震支柱外筒发生点蚀，导致机毁人亡。

在超高强度钢表面制备一层有别于基体组织（成分）的防护层，是提升超高强度钢性能，尤其是耐腐蚀、耐磨性能的有效手段。现阶段广泛使用的防护工艺包括电镀与喷涂，涂层或镀层将基体与外界环境隔绝开来，显著提高了超高强度钢表面的耐腐蚀、耐氢脆、耐磨损等能力，增加了该类型材料零部件的服役寿命。本文综述了现阶段超高强度钢表面电镀与喷涂处理的相关研究进展，以期对相关领域的工程技术人员提供技术指导和理论支持，并对超高强度钢表面防护处理的未来发展提出了展望。

表 1 典型超高强度钢的力学性能

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电镀

电镀属于传统表面防护工艺，起源于19世纪初，意大利科学家Brugnatelli最早实现了在银质金属表面电镀金工艺。该工艺原理为带正电的金属离子M

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在阴极沉积，并获得电子，形成M金属镀层。适用于超高强度钢的主流电镀工艺具体包括电镀铬、电镀镉。

1.1 电镀铬

电镀铬处理可增强超高强度钢零部件的耐磨和耐腐蚀性能。但目前面临问题包括：（1）常用的六价铬镀铬工艺产生酸雾和废水，污染环境，其对动植物均有毒性；（2）电镀铬工艺通常会降低基体的疲劳性能，一方面镀铬层往往存在内裂纹，易出现镀层磨损、剥落，若镀层内裂纹的密度较高，会降低试样的疲劳强度；另一方面，电镀过程中，阴极会发生析氢反应，增加了材料的氢脆断裂风险，材料的疲劳强度也会随之降低。

为降低镀铬过程的污染，较为环保的三价镀铬工艺受到了较多学者青睐。Gruba等指出通过优化电解液成分，采用新的电解液成分(基于三价铬离子的四铬酸盐电解液等)，引入添加剂(氧化镁、钨酸钠氟化铵等)，可优化镀铬工艺。部分学者在对电解液成分改进的同时，还引入了细小硬质相颗粒，进一步增强镀铬层性能。

Khani等通过三价铬浴法在超高强度钢AISI 4140基体上电沉积了复合铬涂层，通过在电解液溶剂中加入聚溴化十六烷基三甲铵、二烯丙基二甲基氯化铵和氧化铝粒子，提高离子传输性质，获得了一种均匀的复合铬镀层，其维氏显微硬度达到860 HV，厚度为42 μm，性能与传统铬酸电解液所得的镀铬层相当。随氧化铝粒子的加入，涂层中裂纹宽度由3 μm降低至200 nm，氧化铝颗粒与金属共沉积状态下，将阻断金属晶粒生长，并提供更多的形核质点，降低应力水平，且氧化铝颗粒本身硬度较高，形成复合镀层后增加了镀层硬度与耐磨性能。

Liao等在含纳米氮化硅悬浮的三价镀铬液中，在直流条件下电沉积得到了Cr-C/Si

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N

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复合镀层，随着电镀槽中Si

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N

4

浓度、电流密度的上升，制备镀层中Si

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N

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粒子体积分数均先升高后下降，仅在电镀槽中Si

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N

4

浓度为5 g/L，电流密度为20 A/dm

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时，氮化硅均匀分布在电沉积的Cr-C基体中，体积分数达到17.22 %，镀层显微硬度达到950 HV，并获得较好的耐磨性能。

为提高镀铬材料的疲劳性能，必须控制镀铬层中的微裂纹扩展或调控残余应力，较为有效的方法为包括制备多层复合镀层或喷丸强化。多层复合镀（涂）层比单一镀（涂）层性能更加优异，尤其是抗裂纹扩展的能力，当裂纹要通过镀层界面时，界面两侧材料性能的差异使裂纹易于偏转和分叉，并降低了裂纹尖端的应力强度因子。

Voorwald等研究了在超高强度钢AISI 4340基体上化学镀镍-电镀铬复合镀层试样的旋转弯曲疲劳性能，相较于单一镀铬层试样，试样疲劳性能有较大提高，复合镀层试样疲劳性能与无镀层的AISI 4340试样相当，镀镍中间层的存在能够抑制硬铬外层许多原始裂纹的扩展，从而显著提高试样的疲劳性能。

在电镀之前，对零件进行喷丸处理，可在表面形成压应力区域，将有效抑制电镀层裂纹向基体的传播。Nascimento等先在超高强度钢AISI 4340基体进行了喷丸处理，再进行电镀硬铬处理后，其疲劳强度高于未喷丸处理的试样。

Sundar等研究了在超高强度不锈钢15-5 PH基体表面进行激光喷丸预处理+电镀硬铬处理后试样的三点弯曲疲劳性能，其疲劳寿命高出单一电镀硬铬试样47%，在镀层与基体界面处，可观察到裂纹扩展路径的偏转及疲劳条带的形成，疲劳裂纹萌生自镀层处的微裂纹，在残余压应力的基体区域发生多次偏转，延缓了疲劳裂纹的扩展，从而增加了试样的疲劳寿命。

电镀铬防护处理工艺已有百年历史，现在广泛应用于有耐磨....