2021年, 第50卷, 第2期　
刊出日期：2021-02-20

  

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专题—生物医用金属材料表面改性
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  生物医用金属表面水滑石涂层的研究进展

  李峰, 殷正正, 张芬, 邹玉红, 崔蓝月, 曾荣昌

  表面技术. 2021, 50(2): 1-12. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.001

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  随着我国人口老龄化和生活水平提高，人们对性能优异的生物医疗器械和植入材料需求剧增。目前，常见医用植入金属或合金的一些性能，如耐蚀性和生物相容性等，往往不能完全满足临床要求，因此有必要对医用金属材料进行表面改性处理。首先，结合水滑石(LDHs)的特点、性质及近年来的发展情况，综述了常见医用载药LDHs进展，提出了载药LDHs在缓释控释、靶向运输和癌症治疗等方面的应用前景，含有元素Mg、Zn的LDHs具有特殊作用。然后，重点总结常见医用可降解金属(镁、锌合金)和不可降解金属(钛合金)表面单一和复合LDHs涂层的制备方法，介绍不同种类LDHs涂层及其优点，着重分析当前不同医用金属表面LDHs涂层所存在的不足和潜在的应用。另外，金属表面LDHs复合涂层多方面性能均强于单一涂层，致密的LDHs涂层通常作为上层涂层可以起到封孔作用。最后，展望了含Zn、Mg元素LDHs在生物医用方向的应用前景，并分析了含Al、Li元素LDHs在生物医用方向发展需要注意之处和受阻的可能原因，为医用金属表面LDHs涂层的发展提供参考。
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  多孔镁表面微弧氧化涂层和氟化学转化涂层的对比研究

  陈姗姗, 顾桂松, 郭全忠, 张炳春, 杜克勤, 杨柯, 李玉海

  表面技术. 2021, 50(2): 13-21. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.002

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  目的 多孔镁具有生物可降解特性，降解过程中产生的碱性环境会促进新生骨形成，其多孔结构可以为新生骨长入提供通道，是一种理想的骨填充材料。与块体镁相比，多孔镁的降解速率更快，为了避免因快速降解引起局部环境碱性过高而可能导致的溶骨现象，需要通过表面改性来降低多孔镁的降解速率，使其降解速率与骨组织愈合速率相匹配。方法 以块体镁表面防护涂层研究为基础，根据前期研究结果和前人的研究结果筛选出一种效果较好的微弧氧化和氟化学转化涂层制备方法对多孔镁进行表面改性，以降低多孔镁的降解速率。通过扫描电镜对多孔镁(带有微弧氧化涂层和带有氟化学转化涂层)的表面与孔隙内的形貌、涂层元素组成及涂层厚度进行表征，并采用浸泡法对涂层处理多孔镁的降解性能进行研究，分析浸泡后涂层形貌、涂层元素和涂层厚度的变化。结果 多孔镁表面微弧氧化涂层具有多孔结构，涂层厚度在15 μm左右，孔隙内同样被涂层覆盖，孔隙内的涂层厚度低于外表面涂层厚度。氟化学转化涂层致密、均匀，涂层厚度在2 μm左右，孔隙内同样被涂层覆盖，孔隙内的涂层厚度比外表面的涂层厚度薄。与氟化学转化涂层相比，微弧氧化涂层对多孔镁的防护作用相对稳定，由于涂层的多孔结构，初期对基体的防护效果比氟化学转化涂层略差，但随着浸泡时间的延长，涂层变得相对致密，对多孔镁基体的防护作用也越来越明显。微弧氧化涂层处理的多孔镁在降解过程中引起的环境酸碱度变化更适宜骨细胞增殖。结论 微弧氧化涂层与氟化学转化涂层均能有效降低多孔镁的降解速率。
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  异质金属调控下医用镁的氢气释放对肿瘤细胞的影响

  姜浩淼, 昝睿, 彭宏州, 孙钰, 张小农, 锁涛, 王坚

  表面技术. 2021, 50(2): 22-29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.003

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  目的 通过异质金属引发的电偶腐蚀效应，引起高纯镁在不同程度上的氢气释放，达到不同程度的抗肿瘤效应。方法 将高纯镁(Mg)与镁合金(AZ91)、纯钛(TA2)、不锈钢(316L)分别连接。在37 ℃水浴环境、PBS溶液环境中，通过电化学工作站测定了高纯镁的开路电位和极化曲线，同时，通过浸泡试验测定了析氢曲线。最后，在体外研究了不同异质金属调控下，高纯镁的不同氢气释放量对Cal-62肿瘤细胞系的生物学效应，包括氢气对肿瘤细胞的抑制增殖、促进凋亡和阻滞细胞周期的影响。结果 三种金属都引起了不同程度的极化作用，且极化作用越强，高纯镁的开路电位、腐蚀电位和腐蚀电流密度越大，试样的析氢量也随之增多。氢气释放48 h后，显著抑制了Cal-62肿瘤细胞的增殖，抑制率最高可达55%。一方面，氢气能够促进肿瘤细胞凋亡;另一方面，氢气使肿瘤细胞G0/G1期比例增加，S期比例减少，将肿瘤细胞周期阻滞在G0/G1期，且随着氢气释放量增多，凋亡和阻滞周期的作用更为显著。结论 异质金属调控下，能够通过引起高纯镁不同程度的腐蚀，加速释放产生更多的氢气，达到更为显著的抗肿瘤效应。
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  骨植入镁合金表面缓蚀剂覆载的微弧氧化/PLGA复合涂层的制备与表征

  石梦佳, 李伟杰, 马小爽, 朱世杰, 关绍康

  表面技术. 2021, 50(2): 30-38. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.004

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  目的 在可降解镁合金表面制备缓蚀剂覆载的微弧氧化/聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)复合涂层，提高其耐蚀性。方法 首先利用微弧氧化技术在镁合金表面制备出适合复合缓蚀剂涂层的微弧氧化(Micro-Arc Oxidation，MAO)涂层，之后在微弧氧化多孔涂层上浸涂PLGA-缓蚀剂涂层，得到复合涂层，缓蚀剂选择天然植物提取物姜黄素(Curcumin，Cur)。利用SEM&EDS、FTIR和AFM等实验对涂层形貌、成分及结构进行分析，通过电化学测试、体外浸泡实验评价涂层的耐蚀性能。结果 FTIR结果表明Cur可成功覆载在涂层中，且不与PLGA发生反应。电化学测试和体外浸泡实验表明MAO/PLGA-Cur涂层能有效提高镁合金的耐蚀性。动电位极化曲线显示MAO/PLGA-Cur涂覆样品的腐蚀电流密度比基体下降了3个数量级，浸泡14 d的质量损失比基体下降62.04%，比未覆载的样品减少26.63%。结论MAO时间为10 min为最合适复合缓蚀剂涂层的参数。Cur作为缓蚀剂的最佳添加量为0.12%，PLGA的最佳添加量为12%，最佳浸涂角度为0°。
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  不同工艺参数对微弧氧化医用纯锌表面微观组织和性能的影响

  张昕, 王婷, 白晶, 薛烽, 储成林

  表面技术. 2021, 50(2): 39-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.005

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  目的 通过控制微弧氧化工艺参数来优化纯锌的耐蚀性，以实现临床降解的可控性。方法 通过设置正向电压、反应时间、占空比、负向电压和分段处理等，在纯锌表面制备微弧氧化膜层。利用扫描电镜(SEM)观察膜层的表面形貌和截面厚度，结合能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析膜层元素和相结构，采用表面张力测量仪和电化学极化曲线分析润湿性和耐蚀性。结果 通过提高正向电压，降低占空比，控制处理时间和负向电压，可有效降低膜层孔隙率和腐蚀速度。微弧氧化处理可明显增强试样表面亲水性，分段处理对润湿性和耐蚀性有显著影响。当正向电压为300 V，占空比为10%，反应时间为5 min，负向电压为–100 V时，可获得亲水性好、耐蚀性强的微弧氧化膜层，其孔隙率为10.95%，膜层厚度为5.29 μm，腐蚀电流密度达5.74×10^–6 A/cm²。结论 微弧氧化处理可明显增强纯锌表面润湿性，可通过调节不同微弧氧化工艺参数改变膜层结构，优化其亲水性和耐蚀性。
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  EDTA-CuNa2对医用镁合金微弧氧化膜性能的影响

  张淑芳, 赵龙志, 张荣发, 赵融芳, 李国强, 师晓亭

  表面技术. 2021, 50(2): 48-57, 73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.006

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  目的 在镁合金表面生成一层含铜氧化膜，以提高镁合金的耐蚀性和抗菌性。方法 利用微弧氧化技术在镁合金表面生成含铜氧化膜，用SEM、EDS和电化学工作站研究含铜电解质浓度对镁合金氧化膜的表面形貌、成分和耐蚀性的影响，及含铜氧化膜的腐蚀机理。结果 随着EDTA-CuNa2浓度的增加，一方面，更多的Cu/Mg构成微电偶腐蚀电池，加速镁合金的腐蚀;另一方面，析出的Cu覆盖在镁合金基体表面对镁合金起着保护作用，同时由于Cu的电位更正，促使镁合金的腐蚀电位正移，降低镁合金腐蚀倾向。EDTA离子是一种腐蚀性介质，0.01 mol/L EDTA^–的腐蚀性比3.5%NaCl略强。随着EDTA-CuNa2浓度的增加，溶液中含有更多的EDTA离子和Cu离子，导致镁合金基体的腐蚀电流增大，耐蚀性降低。镁合金在含EDTA-CuNa2的电解质中氧化时，由于EDTA离子和Cu离子共同对镁合金腐蚀导致Cu离子难以参与成膜。EDTA离子和铜离子对镁合金均具有腐蚀作用，所以限制了铜离子进入氧化膜中。结论 随着EDTA-CuNa2浓度的增加，氧化膜中的铜元素含量缓慢增加，氧化膜的腐蚀电位正移，腐蚀电流密度变化不大。
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  ZnO表面改性Zn-Cu组织工程支架的研究

  任浩征, 潘超, 许迎, 孙小淏, 刘德宝

  表面技术. 2021, 50(2): 58-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.007

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  目的 利用ZnO对Zn-Cu组织支架材料进行表面改性，以提高其亲水性和抑菌、抗菌性能。方法 采用气压渗流铸造法制备了理论孔隙率约为60%的Zn-xCu(x=0,1,2,3)合金组织工程支架，并利用水热法对Zn-xCu(x=0,1,2,3)组织工程多孔支架进行ZnO表面修饰。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪，对制备的多孔支架宏微观形貌、相组成进行了表征。通过滴液法测定样品表面接触角，评价了材料表面的亲/疏水性。采用细菌铺板法研究了ZnO表面修饰前后支架材料的抑菌、抗菌性能。结果 制备的支架体孔洞分布均匀，连通性良好。没有ZnO表面修饰的支架材料表面表现为强疏水性，利用ZnO进行表面改性后，支架材料的表面润湿性能明显改善。修饰后的Zn-3Cu支架抑菌效果更优，未经ZnO表面修饰的Zn-3Cu合金支架的有效灭菌最长距离为7.8 mm，经ZnO表面修饰后的Zn-3Cu合金支架的有效灭菌最长距离为9.8 mm，并且修饰后的Zn-3Cu支架材料浸提液与菌液共培养后分别划线与涂布，与空白菌液相比，菌落稀疏松散。结论 利用气压渗流铸造结合ZnO表面修饰的方法，可制备出具备一定抗菌性能且材料表面呈亲水性的Zn-Cu合金组织工程支架。
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  医用镁合金表面肝素/蒙脱石涂层耐蚀性研究

  田景睿, 李慧, 邹玉红, 曾荣昌

  表面技术. 2021, 50(2): 66-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.008

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  目的 为解决镁合金血管支架使血管内皮化、造成再狭窄等问题，在AZ31镁合金表面制备具有抗凝特性的肝素(HS)/蒙脱石(MMT)复合涂层，并研究其耐蚀性能。方法 采用水热法在AZ31镁合金表面制备钠蒙脱石(Na-MMT)涂层，在此基础上通过浸泡法以蒙脱石为载体，制备肝素/蒙脱石复合涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)对所得涂层进行表面分析，通过电化学分析和析氢速率测定研究涂层的耐蚀性。结果 表面分析结果显示，通过水热法和浸泡法得到了均匀致密的HS-MMT涂层，厚度为41 mm。HS-MMT涂层的EDS元素分析图中出现了N、S及蒙脱石的基本元素，同时该涂层的FT-IR和XRD图出现了肝素及蒙脱石的特征峰。耐蚀性研究显示，与AZ31镁合金相比，HS-MMT涂层的自腐蚀电位升高了0.29 V，腐蚀电流密度降低了2个数量级，且其平均析氢速率为0.016 mL/(cm×h)，仅为AZ31镁合金平均析氢速率的18%。 结论 采用水热法和浸泡法在AZ31镁合金表面成功制备了HS-MMT涂层，该涂层具有良好的耐蚀性能，为镁合金血管支架的研究提供了一种新方案。
研究综述
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  高熵合金薄膜制备、微观结构与性能的研究进展

  安邦, 王亚强, 张金钰, 刘刚, 孙军

  表面技术. 2021, 50(2): 74-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.009

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  相较于传统的薄膜，高熵合金薄膜具有更加优异的力学性能和独特的物理化学性能，在近14年获得了长足发展。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展，首先介绍了高熵合金薄膜的制备工艺方法(溅射沉积、等离子喷涂、激光熔覆、等离子转移电弧熔覆、电化学沉积以及阴极电弧沉积等)，详细说明了应用范围最广的溅射沉积技术的分类和特点，并且阐述了各工艺技术的优缺点及应用范围。其次，总结了高熵合金薄膜的微观结构特征和性能(力学性能、耐腐蚀、耐磨损、抗辐照以及耐高温氧化性能等)。高熵合金打破了传统合金通过添加其他合金元素来获得特定性能的设计准则，是一种多主元合金固溶体，因此微观结构更加致密，相结构更加稳定且体系更加复杂，这使得高熵合金薄膜/涂层同样表现出比传统涂层更加优良的综合性能。最后，讨论了目前研究工作的问题和不足之处，主要存在的问题是针对结构和性能之间关系的研究不够透彻，内在机理尚不明确，未来的研究应该着重于此。
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  铜基自润滑涂层的研究进展

  陈雨晴, 余敏, 曹开, 陈辉

  表面技术. 2021, 50(2): 91-100, 220. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.010

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  相比于传统的润滑油、润滑脂，固体润滑剂能够满足极端条件下的润滑要求。向铜基体中掺入固体润滑剂、合适的增强相颗粒，能形成铜基自润滑复合涂层，可以显著提高铜基涂层的减摩耐磨性。在国内外铜基自润滑复合涂层已有研究的基础上，首先综述了铜基自润滑复合涂层的材料体系，即常用固体润滑剂和增强相的适用范围及其作用机理。润滑性能与强度配合协调的问题是铜基自润滑涂层的一个研究关键。然后介绍了制备铜基自润滑复合涂层的传统“热”技术，如粉末冶金、激光熔覆、热喷涂等，但都具有一定的局限性。对比发现，“低温”条件下进行的冷喷涂技术，在制备铜基自润滑涂层方面具有传统涂层制备技术不可替代的优势，可有效克服“热”技术问题，拥有极大的潜在应用价值。要获得厚度大、结合强度高、自润滑性能好且能适应复杂严苛服役环境的涂层，面临着巨大挑战，所以急需研发多润滑相/增强相新型涂层，或尝试冷喷涂复合加工技术。
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  非晶合金表面极端润湿性的研究进展

  肖思明, 郭胜锋

  表面技术. 2021, 50(2): 101-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.011

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  随着近代仿生学的不断发展，极端润湿性界面材料作为一种新型功能材料，已成为材料科学研究领域的热点之一。非晶合金由于具有较低的表面(自由)能以及在过冷液相区的超塑性，成为了制备功能性表界面的理想材料之一，尤其是超疏液表面的理想材料。利用Young′s、Wenzel、Cassie-Baxter三种不同的润湿模型，对非晶合金表面润湿行为进行了系统的讨论，分析了表面微纳结构对超疏液和超亲液非晶合金表面的影响规律。表面微纳结构的构筑会很大程度地改变固体表面润湿性。表面微纳结构在几何尺寸增大初期，液体与表面之间存储的气体越来越多，直接表现为接触角增大;几何尺寸继续增大，使得液体与粗糙表面直接接触，导致接触角减小。同时，论述了非晶合金表面能和液体表面张力对润湿性的影响。固体表面能越大，液体在表面的接触角越小;而对于液体，其表面张力越大，在固体表面的接触角越大。指出了当前极端润湿性非晶合金表面在制备工艺、耐久性等方面存在的问题和研究难点。最后，展望了非晶合金极端润湿性表面的未来发展趋势和应用前景。
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  仿生织构图案的设计、加工及应用的研究进展

  吕延军, 方重阳, 邢志国, 郭伟玲, 黄艳斐, 王海斗

  表面技术. 2021, 50(2): 112-122, 159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.012

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  表面织构在提升零件的耐磨性、界面接触的减摩性、材料表面的减阻性以及增强或降低材料的吸附性等方面展现出良好的效果。根据表面功能的不同，分别从耐磨表面、减阻表面、疏水表面、粘(脱)附性表面进行研究，综述了各种仿生织构的设计、加工及应用现状。研究发现，耐磨仿生织构图案尺寸相对较大，多在20 μm以上，稳定的结构可以承受较大的外力;减阻疏水表面具有细微的突起状结构，能有效地通过微结构改变表面力学性能;粘附性表面得益于生物体微结构的形状尺寸，毛状微结构拥有良好的吸附性。加工方式上，激光刻蚀能精确控制加工尺寸和几何形状，化学刻蚀能得到更细微的表面形貌。仿生织构在机械密封、活塞环、刀具、滑动轴承及齿轮等应用上起到了良好的效果，但是截至目前，表面仿生织构研究较杂，并且未形成体系，相关设计和作用机理并不完善。通过分析仿生织构图案的功能性设计、多尺度复合加工和对零件服役性能的影响，为仿生织构图案的设计提供思路和更加科学的设计方法，并找到适合每种功能表面的加工技术。将仿生学应用于织构技术上，从生物体借鉴优良的功能特性，以期在工程上得到更广泛的应用。
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  面向等离子体壁材料的腐蚀行为与涂层防护综述

  龙海川, 邱长军, 郑鹏飞, 刘豪, 陈勇

  表面技术. 2021, 50(2): 123-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.013

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  面向等离子体材料(Plasma Facing Materials, PFMs)可保护磁约束核聚变装置部件，使此部件不受芯部边缘等离子体的影响，但等离子体与壁相互作用(Plasma-Wall Interactions, PWI)所引起的高温腐蚀、辐射损伤和燃料滞留等问题已然成为先进核聚变装置的发展瓶颈。目前，低Z材料(C、Be)掺杂元素合金化、高Z材料(W、Mo)掺杂元素合金化以及不锈钢防护涂层是面向等离子体壁材料缓解等离子体作用的首选防护涂层。阐述了固体等离子体壁材料的一般腐蚀机制和常见PFMs的主要特征，发现热流等离子体作用下的壁蒸发和溅射是造成壁材料腐蚀的主要原因，而粒子辐照带来的组织结构缺陷将增强氢同位素在壁材料中的溶解与扩散，并随杂质共同沉积在壁材料表面。其次，重点综述了国内外关于等离子体作用下碳壁、钨壁、铍壁材料蒸发与溅射引起的腐蚀和碳氢结合的化学腐蚀原理，以及在此基础上开发出的碳基复合材料、钨基复合材料和不锈钢防护涂层等离子体壁材料的最新研究进展，对比发现高Z合金化的防护涂层和制备技术具有巨大的应用前景。最后分析了当前已开发的耐热腐蚀和等离子体相容性良好的壁材料亟待解决的一些关键基础问题，提出了未来PFMs的主要技术方向和发展趋势，期望为极端工况下服役的聚变反应堆新型防护涂层材料的研发提供重要参考。
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  高能束熔覆制备耐磨涂层技术研究现状与展望

  李响, 来佑彬, 于锦, 吴海龙, 孙铭含, 孙世杰, 苑仁月, 王冬阳, 杨波

  表面技术. 2021, 50(2): 134-147, 159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.014

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  耐磨涂层是指在材料基体表面涂覆具有高耐磨性的薄层，在保证涂层与基体之间具有足够的结合强度的同时，使基材表面达到耐磨的目的。高能束熔覆技术是一种高效、可靠的表面处理技术，在耐磨涂层的制备方面具有广阔的应用前景。从高能束熔覆技术、高能束熔覆制备耐磨涂层、耐磨涂层强化机制、耐磨涂层质量调控等四个方面，介绍了高能束熔覆制备耐磨涂层技术的研究现状。其中，在高能束熔覆技术方面，概述了以激光熔覆、等离子熔覆为代表的高能束熔覆的工作原理及特点。在高能束熔覆制备耐磨涂层研究方面，综述了Ni、Co、Fe基自熔性合金涂层及金属基复合涂层、梯度功能材料涂层的特点。在耐磨涂层强化机制方面，分析了涂层的磨损机理，同时讨论了添加硬质颗粒和元素对耐磨涂层性能的影响。在耐磨涂层质量调控方面，阐述了熔覆过程中工艺优化和数值模拟仿真对改善高能束熔覆技术成形工艺的作用。最后，总结了高能束熔覆技术在耐磨涂层制备上存在的问题，并提出了展望。
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  掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

  汪科良, 周晖, 张凯锋, 贵宾华, 蒋钊, 张延帅, 刘兴光, 郑玉刚

  表面技术. 2021, 50(2): 148-159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.015

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  类金刚石(Diamond like carbon，DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点，已广泛应用于各行各业，但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题，制约了DLC薄膜的应用。在DLC薄膜中，掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp³杂化键含量，可有效地减小薄膜内应力，提高结合力并改善摩擦学性能。首先介绍了掺杂DLC薄膜的起源和制备方法，简要分析了各种制备方式的优缺点，并从掺杂元素在DLC薄膜中的存在形式和sp³杂化键含量两个方面，讨论了掺杂对DLC薄膜微观结构的影响，并简要介绍了掺杂对DLC薄膜机械性能的影响。金属元素掺入DLC薄膜后，以原子溶解、单质纳米晶或金属碳化物纳米晶的形式，分布于非晶基体中;非金属元素掺入DLC薄膜后，主要以原子溶解形式溶于非晶基体。随后,系统讨论了掺杂对DLC薄膜摩擦学性能的影响。S、Ag元素的掺入能够有效减小真空环境下DLC薄膜的摩擦系数;B、N、F、Si或过渡金属的掺入能够提高DLC薄膜的热稳定性，拓宽DLC薄膜的使用温度范围;Si、F、B以及钛等过渡金属元素的掺入能够降低DLC薄膜摩擦学性能对湿度的敏感性。最后，提出了多元素掺杂和多种方法联合应用是DLC薄膜未来的重点研究方向。
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  超声表面滚压纳米化技术研究现状

  唐洋洋, 李林波, 王超, 方钊, 毛维博

  表面技术. 2021, 50(2): 160-169. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.016

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  传统表面纳米化多采用机械处理法，利用剧烈的塑性变形(SPD)使材料表面生成高强度、高硬度的纳米层，但其表面粗糙度高且存在严重集中的应力变形。超声表面滚压(USRP)纳米技术中，滚压头按照预定路线处理材料表面，能同时改善表面粗糙度和强度、硬度。介绍了USRP表面纳米化工艺机理和工艺参数。USRP引起晶体缺陷反复湮灭与再生，高位错能材料以“位错分割”方法细化晶粒至纳米量级。结合国内外现状，联合晶粒细化机理分析USRP处理前后材料性能的变化，包括表面粗糙度和残余应力、扩散性能、耐腐蚀性能、抗疲劳性能和耐磨损性能。综合阐述了USRP复合工艺对材料性能的影响，包括等离子氮化(PN)、高能离子注渗技术(HEII)、加热辅助等。剧烈塑形可增加材料表面活性，加速渗氮反应进行;USRP+HEII处理后，高转速下未出现疲劳磨损，材料的耐磨性能和疲劳性能提高;加热辅助USRP可实现晶粒细化和应变强化;Al2O3粉末结合USRP可实现表面纳米化和高硬度Al2O3薄膜。最后对USRP技术进行了展望，可深入研究中低层错能纳米化机理，强化USRP工艺标准研究，加快USRP复合工艺的发展。
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  超疏水化合物在金属腐蚀与防护领域的应用进展

  魏润芝, 刘峥, 孙丹, 吕奕菊, 韦文厂

  表面技术. 2021, 50(2): 170-177. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.017

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  近年来，随着现代工业不断发展，金属材料的应用日趋广泛，同时金属材料的腐蚀问题也受到大家的广泛关注。超疏水化合物因其优良的化学特性而被应用于金属腐蚀防护领域。介绍了超疏水化合物在金属基底进行防护的原理，综述了近年来常用于制备超疏水表面的方法，如通过氟化物、硬脂酸类化合物、长链的烷基或者是硅烷基等疏水性物质对低表面能的化合物进行改性，构建出具有低表面能的超疏水表面。超疏水化合物与有机金属框架化合物(MOFs)、缓蚀剂以及微胶囊3种特殊的具有防腐特性的物质，可通过协同作用对金属基体进行防护:(1)利用一些疏水性化合物对具有特殊的表面特性的有机金属框架化合物(MOFs)纳米材料进行改性，制造出超疏水表面;(2)通过一些长链疏水性化合物对缓蚀剂进行改性，以提高其疏水性能，进而可获得更优异的防腐效果;(3)具有自修复功能的微胶囊与疏水性化合物，通过协同作用发挥其最佳防腐性能。最后对超疏水化合物在金属腐蚀与防护领域的应用前景进行了展望。
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  聚乙烯膜表面能提升改性的研究进展

  徐迪, 戴力, 水佳鑫, 杨光瑞, 张贺龙, 张添

  表面技术. 2021, 50(2): 178-189. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.018

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  聚乙烯膜表面改性的目的是在膜表面引入极性基团，提高膜表面的粗糙度，消除弱界面层，提高膜表面能。综述了聚乙烯膜的几种表面改性方法，包括化学改性法、火焰及热处理法、表面接枝法、等离子体处理法、电晕处理法、共混改性法、共同作用法等，并对比了各改性方法的优缺点。聚乙烯是非极性材料，表面能比较低(30~32 dynes/cm)，其表面呈惰性和疏水性，因此不易与其他材料相复合或相混合，从而造成其亲水性、印刷性、染色性、抗静电性、粘接性以及与其他极性聚合物或无机填料的相容性差，限制了聚乙烯的进一步应用。通过文献检索、效果及机理分析、对比、评论等方法，综合展现和比较聚乙烯膜表面改性。化学法、共混法操作简单，化学法、接枝法、共混法效果稳定，共同作用法操作条件温和且效果持久，添加剂掺入量为1000 mg/L时，能够维持表面能38 dynes/cm三个月以上，且添加剂对极性溶剂稳定，不影响聚乙烯本体的性能，具有工业应用价值。
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  六方氮化硼在防腐涂料中的应用研究进展

  姚久提, 魏铭, 刘晓芳, 胡可, 叶桐, 董群锋, 杨立峰

  表面技术. 2021, 50(2): 190-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.019

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  六方氮化硼(h-BN)具有优异的热稳定性、阻隔性、耐高温性等性能，日益受到各国研究人员的广泛关注。将h-BN引入到当前防腐涂料体系中，有助于提升防腐涂料的性能，因此成为当前防腐涂料领域的研究热点之一。首先介绍了h-BN及其纳米片(BNNSs)的物化性质。接着对BNNSs的“自上而下”和“自下而上”制备方式进行了介绍，并对其优缺点进行了分析比较，重点结合当前使用较为广泛的超声辅助液相剥离技术，对其研究进展进行了概述，并介绍了近年来涌现的BNNSs制备新策略。h-BN应用于防腐涂料中，其“分散性”和“相容性”是当前首要解决的问题，功能化修饰可以有效地改善BNNSs在涂料体系中的“分散性”和涂膜的“相容性”，因此对BNNSs的“共价功能化”和“非共价功能化”修饰方法进行了分析、对比和总结，并介绍了等离子气体处理制备功能化BNNSs的新技术。结合目前在防腐涂料领域中应用较为广泛的环氧涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸涂料，对h-BN在防腐涂料中的应用进展进行了介绍，并结合相关研究进展对其增强涂层防腐的机理进行了说明。最后，基于当前h-BN在防腐涂料领域中的应用现状，对其今后研究的侧重点提出相关建议。
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  氧化石墨烯膜的制备、改性及应用研究进展

  栗雯绮, 陈文革, 崔晓娟, 菊军武

  表面技术. 2021, 50(2): 199-210. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.020

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  石墨烯的衍生物——氧化石墨烯(GO)因可实现逐层堆叠，在片层之间形成一定间距的纳米通道，通过粒子的尺寸大小不同，进行尺寸筛分，故可应用于物质的选择性分离，在膜材料领域引起了研究者们的广泛关注。基于氧化石墨烯独特的二维结构，为探索氧化石墨烯在膜分离领域的应用，对氧化石墨烯分离膜的制备技术及改性进行简要地概述。在氧化石墨烯分离膜的制备方法中，关于制备技术的研究报道多种多样。梳理了几种常见的制备方法，如旋涂法、真空抽滤法、浸涂法、喷涂法、层层自组装等，同时结合前人在相应制备方法上的研究成果，进行了对比分析。氧化石墨烯类材料主要通过掺杂或表面功能基因团嫁接进行改性，表面改性可提高GO膜对某些离子的选择性、水通量或者是增强膜的机械稳定性和抗污染性。氧化石墨烯在分离膜油水分离、污水净化、海水淡化、气体分离、重金属离子分离等领域均表现出优异的分离特性。最后，展望了氧化石墨烯分离膜在上述三个层面未来的发展和面临的挑战。
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  油气管道SRB腐蚀研究新进展

  李鑫, 尚东芝, 于浩波, 陈长风

  表面技术. 2021, 50(2): 211-220. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.021

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  由硫酸盐还原菌(SRB)引发的腐蚀是造成管道材料破坏和失效的重要原因，研究微生物腐蚀机制和防控措施具有重要的科学意义和经济价值。首先通过介绍国内外油气管道微生物腐蚀的失效案例，说明SRB对油气管道破坏的严重性。接着介绍了管道表面微生物膜的微观形成过程和结构特点，梳理了微生物膜作用下管材发生局部腐蚀的机理，主要对当前较为流行的微生物电化学腐蚀(EMIC)理论和管道微生物腐蚀预测模型做了深入探讨。综合考虑管道运行实际工况，结合模拟试验结果，进一步阐述了管线钢即使处于正常阴极保护条件下，由于受SRB生命代谢活动的影响，管道表面Fe中的电子通过细菌的新陈代谢作用直接获取，从而导致管材依然发生局部腐蚀甚至更为严重。而焊缝及其附近热影响区是管道发生腐蚀穿孔的薄弱区。最后全面总结了油气管道工业中抗SRB腐蚀防护前沿的理念和方法，分析了当前各种防护技术在实际应用中的不足，对微生物腐蚀如何更有效地防治提供了富有价值的参考，为管道工程SRB腐蚀防护技术的未来发展指明了方向。
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  天然多糖及衍生物在金属缓蚀剂中的研究进展

  郑云香, 王向鹏, 宗丽娜

  表面技术. 2021, 50(2): 221-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.022

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  缓蚀剂是一种减缓金属在外界环境中发生腐蚀反应的有效物质。随着人类绿色环保意识的增强，来源广、可再生、易降解、含有大量活性吸附中心的天然大分子链多糖物质已成为目前环境友好型缓蚀剂的研究热点之一。概述了近几年国内外天然多糖及衍生物和复合材料在抑制金属腐蚀方面的研究，重点综述了淀粉、纤维素、壳聚糖和其他天然多糖类物质的分子结构特点及在不同腐蚀环境中对金属的缓蚀性能。在此基础上，梳理了各类天然多糖物质的化学改性合成方法及改性后各衍生物的缓蚀能力，简要介绍了部分基于多糖物质或其衍生物制备的复合材料在缓蚀领域的研究进展。同时，从吸附模型及吸附方式(物理吸附、化学吸附)等方面，归纳了多糖类物质保护金属的作用机制。最后，分析了各类多糖及衍生物在金属缓蚀方面所存在的几点不足，如单一未改性的天然物质缓蚀效果差，部分改性产品溶解性差，部分改性方法复杂，缓蚀机理研究较少等，并展望了各类多糖及衍生物在未来缓蚀剂领域的发展趋势。
表面强化技术
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  Ti-Al-Si-N多层梯度涂层的微观结构及力学性能研究

  吴雁, 王冰, 肖礼军, 王犁, 张而耕, 陈强, 黄彪

  表面技术. 2021, 50(2): 232-237. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.023

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  目的 分析Ti-Al-Si-N多层梯度涂层微观结构特征和力学性能，得到涂层强化机制。方法 采用阴极电弧离子镀镀膜工艺，使用4个靶材交替沉积的方式，分别在高速钢和Si基底上制备Ti-Al-Si-N多层梯度涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和纳米压痕仪对Ti-Al-Si-N多层梯度涂层晶相组织、微观结构和力学性能进行了表征。结果 Ti-Al-Si-N多层梯度涂层中主要相为(Ti,Al)N晶相，择优取向(200)。Ti-Al-Si-N多层梯度涂层由TiN、TiAlN、TiAlSiN三种层区组成，层区厚度分别为41.7、1458.3、1450 nm。通过HRTEM实验观察TiN、TiAlN层区结构发现，在TiAlN层区内部形成了TiAlN/TiN周期变化的结构，证实为TiAlN/TiN纳米多层涂层微结构特征，其中TiN调制层为1 nm左右，TiAlN调制层约为0.5 nm，调制周期约为1.5 nm。此外，发现TiAlN层区存在nc-TiAlN/α-Si3N4结构，TiAlN晶粒大约为6 nm左右，非晶层Si3N4大约为2~3 nm。制备的Ti-Al-Si-N多层梯度涂层硬度为27.7 GPa，弹性模量为338.0 GPa。结论 构建了Ti-Al-Si-N多层梯度涂层示意图，对于涂层的强化机制，可以用模量差理论、交变应力场理论及nc-TiN/α-Si3N4模型进行说明，其主要强化机制为nc-TiN/α-Si3N4模型理论。
摩擦磨损与润滑
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  不同服役温度下聚氨酯密封材料的摩擦学行为研究

  季德惠, 何晓荣, 沈明学, 李波, 熊光耀, 张执南

  表面技术. 2021, 50(2): 238-245. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.024

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  目的 探讨高寒/热服役温度(?50~60 ℃)对聚氨酯材料摩擦学行为的影响。方法 以聚氨酯/316L不锈钢为研究对象，采用UMT-3型摩擦磨损试验机，并结合高低温试验装置进行不同服役温度下的摩擦磨损实验。着重分析聚氨酯/316L密封副界面的摩擦系数演变规律、聚氨酯磨损表面形貌及损伤机制等重要特性。结果 低温区段(?50~0 ℃)时，随温度升高，摩擦副界面的摩擦系数由?50 ℃时的1.08降低至0 ℃的0.77;聚氨酯的磨损率均在0.5 kg/m以下，抗磨损性能增强;由于微切削作用，发生了微观分子的断裂，导致磨损表面颗粒物较多，?50 ℃时的磨屑平均尺寸为87.3 μm，其主要磨损机制为磨粒磨损。常温(25 ℃)及高温(60 ℃)环境则加剧了材料的磨损，磨损率均高于1 kg/m，界面的摩擦系数分别为0.98和0.62。常温环境下，宏观分层剥落起主导作用，表现为疲劳磨损特征;高温时，则因摩擦热导致磨损表面出现轻微的粘着现象，所产生的磨屑因参与磨损而呈现出尺寸偏大(平均386.7 μm)的条状结构。另外，材料磨损表面伴随着片状剥离层的脱落，均形成了月牙状凹坑，相同面积下，0 ℃时的凹坑数量约是60 ℃时的4倍。结论 温度对聚氨酯摩擦磨损性能有显著影响，不同服役温度会使聚氨酯材料呈现出不同的损伤机制。
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  局部织构无限长可倾瓦推力轴承流体动压润滑分析

  纪敬虎, 邓智文, 陈天阳, 房鲁南, 符永宏

  表面技术. 2021, 50(2): 246-253. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.025

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  目的 研究局部凹坑织构对无限长可倾瓦推力轴承的流体动压润滑性能的影响。方法 基于质量守恒空化边界条件的雷诺方程，建立了局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承动压润滑二维理论模型。采用多重网格法求解雷诺方程，模拟局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承的流体动压分布，分析局部织构比、位置比、深度、水平间距及数量对流体动压润滑性能的影响。结果 所建立的二维局部织构无限长可倾瓦推力轴承理论模型的数值解与解析解误差较小，能够有效地分析油膜流体动压润滑性能。当收敛比较小时，在入口区进行局部微凹坑织构化处理能增强流体动压润滑效应，并存在最优局部织构比使得油膜承载能力达到最大;而当收敛比较大时，局部微凹坑织构对油膜承载能力的影响较小。油膜承载能力随着局部织构位置比的增大而逐渐减小。存在最优凹坑深度能够最大化轴承的承载能力，并且最佳凹坑深度随着收敛比的增加而减小。油膜承载能力随着凹坑纵向间距的增大而减小，随着凹坑数目的增大而增大。结论 局部织构能够有效地改善可倾瓦推力轴承的摩擦学性能，增强轴承的承载能力，而局部织构的几何参数与轴瓦的收敛比相互影响，存在着最优织构几何参数和收敛比的组合能够最大化轴承的承载能力。
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  天然气水合物喷射破碎压控滑套冲蚀磨损特性研究

  唐洋, 何胤, 姚佳鑫, 孙鹏

  表面技术. 2021, 50(2): 254-260, 270. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.026

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  目的 研究天然气水合物开采过程中，钻井液对喷射破碎压控滑套冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法 基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型，建立了滑套冲蚀磨损数值分析模型，预测了压控滑套在使用过程中易发生冲蚀磨损的区域。探究了不同的钻井液粒径、入口液相流速、质量流量及封堵块位置的变化，对冲蚀磨损过程的影响规律。结果 压控滑套的易冲蚀区域为封堵块面、过流通道口、内壁面三个位置。在控制单因素变量条件下，易冲蚀区域最大冲蚀率和冲蚀面积随着粒径增大而增大，粒径从0.1 mm增大到1.1 mm时，易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了63.4倍，并在不同粒径段呈现不同变化趋势。随着封堵块与滑套距离减小，易冲蚀区域平均最大冲蚀率增加，距离从50 mm降低到5 mm时，平均最大冲蚀率增大了3.8倍，并在不同的距离段呈现不同变化趋势;同时随着封堵块与滑套距离减小，内壁面的冲蚀面积降低明显，封堵块和过流通道冲蚀面积没有显著变化。随着入口流速和流体质量流量的增加，易冲蚀区域最大冲蚀率呈现指数增加，流速从6 m/s增大到14 m/s时，易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了9.5倍，流体质量流量从0.001 kg/s增大到0.007 kg/s时，易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了5.6倍，但冲蚀面积都没有显著变化。结论 滑套封堵块面、过流通道和内壁面最易发生冲蚀破坏。冲蚀颗粒直径应该小于0.3 mm为宜，封堵块与滑套距离应该大于30 mm，同时入口流速和质量浓度越小，冲蚀情况越好。综合最大冲蚀率数值及增长倍数分析，粒径是冲蚀率增长的主要因素。该研究为喷射破碎压控滑套的设计和应用提供了指导意义。
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  DLC薄膜对TC4钛合金微动磨损行为的影响

  景鹏飞, 俞树荣, 宋伟, 尘强, 张克菲

  表面技术. 2021, 50(2): 261-270. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.027

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  目的 为提高TC4钛合金的抗微动磨损性能，对比研究类金刚石薄膜(DLC)和TC4钛合金在干摩擦条件下的微动磨损行为，揭示DLC薄膜抗微动磨损的机理。方法 在TC4钛合金基体上利用非平衡磁控溅射技术制备DLC薄膜。利用原子力显微镜、拉曼光谱和纳米压痕仪分析薄膜的表面形貌、物相组成以及纳米硬度。利用球/平面接触形式SRV-V微动摩擦磨损试验机研究DLC薄膜和TC4钛合金的微动摩擦磨损性能。采用激光共聚焦显微镜和自带能谱分析仪的场发射扫描电镜分析材料的磨痕情况。通过Ft-D-N曲线、三维轮廓、磨损形貌及磨痕化学成分分析来揭示DLC薄膜和TC4钛合金微动损伤机理。结果 DLC薄膜与TC4钛合金相比，摩擦因数和磨损体积都很小。载荷为10 N 时，DLC薄膜的摩擦因数为0.01~0.03，TC4钛合金的摩擦因数为0.07~0.12。从磨损率来看，TC4钛合金的磨损率随着位移幅值的增大而增大，DLC薄膜的磨损率随着位移幅值的增大而减小。位移幅值为100 μm时，TC4钛合金的磨损率取得最大值(5.02×10^?5 mm³/(N?m))，DLC薄膜的磨损率取得最小值(6.70×10^?8 mm³/(N?m))。TC4钛合金磨损严重，磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳剥层和氧化磨损，同时伴随有塑性变形;而DLC薄膜磨损轻微，磨损机制以磨粒磨损为主。结论 DLC薄膜具有较高的硬度和良好的润滑特性。在干摩擦条件下，DLC薄膜可以显著提高TC4钛合金的抗微动磨损性能。
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  铬铁原矿粉掺杂制备CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层及其组织性能

  李刚, 刘囝, 常雷明, 李立轩, 熊梓连

  表面技术. 2021, 50(2): 271-276, 370. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.028

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  目的 以40Cr钢为基体，制备掺杂铬铁原矿粉的CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层，提高其硬度与耐磨性。方法 在Cr、Fe、Ni、Al、Si纯金属粉末中掺杂铬铁原矿粉，矿粉有效原子数分数为0%、5%、10%、15% 时，采用激光熔覆技术，在40Cr钢基体上制备CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层。利用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜，表征高熵合金涂层的物相结构及微观组织。利用硬度计、磨粒磨损机，对涂层的硬度及耐磨性能进行表征。结果 不含铬铁原矿粉时，高熵合金涂层为单一的BCC相，铬铁原矿粉为10%时，出现FCC相。高熵合金涂层微观组织以胞状树枝晶为主，涂层与结合区存在明显分界，与基体呈良好的冶金结合。不含铬铁原矿粉时，高熵合金涂层平均硬度值为643.5HV;铬铁原矿粉为15%时，涂层平均硬度值为838.1HV，是基体的3.4倍。磨损率随铬铁原矿粉占比的增加而降低，铬铁原矿粉有效原子数分数为15%时，磨损率约为0.14 mg/mm²，耐磨性能最好。结论 在40Cr钢基体上成功制备出了以铬铁原矿粉为掺杂组元的高熵合金涂层，铬铁原矿粉的掺入，提升了CrFeNiSiAl0.5高熵合金涂层的硬度与耐磨性。
腐蚀与防护
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  激光增材再制造IN939修复区显微组织与拉伸性能研究

  夏国俊, 姚喆赫, 陈健, 张群莉, Liu Rong, 姚建华

  表面技术. 2021, 50(2): 277-286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.029

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  目的 研究采用IN939粉材对镍基高温部件增材修复的可行性，获得增材修复区微观组织与性能分布规律，为燃机部件修复提供支持。方法 探索了IN939合金激光熔覆成形工艺，并进一步开展了IN939增材修复镍基合金梯形槽试验研究，分析了增材修复区显微组织结构与物相组成，研究了激光再制造过程组织变化对修复区显微硬度、拉伸性能的影响。结果 IN939激光修复区形貌良好，组织致密，无明显裂纹、气孔等缺陷。熔覆层主要存在γ奥氏体相和Laves相。IN939修复区由底部至顶部，冷却速率逐渐减小，导致一次枝晶间距逐渐增大，Laves相分布先增多后略有减小。修复区界面处的平均横向残余拉应力为346 MPa。修复区显微硬度由底部至顶部呈现先增大后略有减小的趋势，修复区的平均显微硬度强于基体。修复件的平均屈服强度为548 MPa，极限抗拉强度为959 MPa。激光修复件的拉伸断裂于基体上，显示出IN939合金与基体良好的冶金结合。结论 激光增材修复后，IN939镍基合金修复区的机械性能与结合性能良好，采用IN939粉材进行镍基高温合金的激光增材修复具备可行性。
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  Q345R板材表面冷喷涂Al-Zn涂层的组织及性能研究

  王强, 王永刚, 牛文娟, Ming-xing ZHANG, 刘鑫

  表面技术. 2021, 50(2): 287-293. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.030

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  目的 研究添加元素Zn含量的变化对涂层的显微组织、孔隙率、硬度及涂层-基体间界面结合强度等的影响规律。方法 采用冷喷涂技术在Q345R板材表面制备性能优良的纯Al和Al-Zn复合涂层，通过扫描电子显微镜对涂层的形貌进行分析，通过维氏显微硬度计对涂层的力学性能进行表征，并揭示涂层与基体间的界面结合机理。结果 冷喷涂纯Al和Al-Zn复合涂层与Q345R钢基体的结合良好，界面处无明显的孔洞及裂纹。随着Zn含量的增加，复合涂层的致密度、硬度逐渐提高;纯Al和Al-20wt.%Zn复合涂层的界面结合强度相当，且失效断裂形式为典型的界面粘结断裂。随着添加元素Zn含量的增加，涂层与基体间的界面结合强度逐渐增大，Al-40wt.%Zn涂层的结合强度为35 MPa，且断裂方式由界面粘着断裂转变为以界面粘着断裂为主、涂层内部粘聚断裂为辅的复合失效模式。结论 以低温固态沉积为特点的冷喷涂技术可有效避免氧化、相变、热裂等高温导致的不利影响，在沉积过程中，随着添加元素Zn含量的增加，对涂层的夯实作用不断加强，提高了涂层的致密性，从而使涂层的力学性能得到改善。
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  地铁杂散电流干扰下管地电位波动特征的傅里叶分析

  董亮, 姚知林, 葛彩刚, 石超杰, 陈金泽

  表面技术. 2021, 50(2): 294-303. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.031

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  目的 辨识埋地管道受到地铁杂散电流干扰时管地电位的波动特征。方法 对上海、广州、深圳、武汉等4个城市中与地铁轨道邻近而受干扰的埋地管道进行24 h管地电位测试，并利用ORIGIN软件对管地电位数据分别进行快速傅里叶变换处理，统计分析不同城市埋地管道中地铁杂散电流干扰频率的分布特征。结果 管地通电电位对杂散电流干扰的响应快，傅里叶变换后具有明显的幅值和频率分布特征，统计发现同一测试点在干扰的不同时段内，幅值较大即占主导的干扰频率范围接近，最大幅值对应的干扰主频率一致。上海、广州、深圳、武汉等4个城市测试点地铁杂散电流干扰中占主导的干扰频率范围分别为6~33、5~37、6~18、4~36 mHz，干扰主频率分别为9、7、7、5 mHz，对应的地铁杂散电流干扰周期范围和主周期均与附近地铁线的站间行车间隔范围和主要站间行车间隔吻合，这表明测试点附近地铁线的站间行车间隔决定了地铁杂散电流的干扰周期。结论 地铁杂散电流干扰下管地电位经傅里叶变换后能够得到其干扰频率范围及分布特征，结合地铁线的站间行车间隔可以辨识出地铁杂散电流的具体干扰来源，并为管道防腐或杂散电流腐蚀实验研究提供参考。
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  预镀镍层对一种C-Mn-Si高强钢选择性氧化行为的影响

  蒋光锐, 王海全, 刘广会, 周建, 滕华湘

  表面技术. 2021, 50(2): 304-309. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.032

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  目的 抑制高强钢中合金元素在表面选择性氧化。方法 在一种C-Mn-Si体系高强钢表面预先电镀100 nm厚度的镍，然后在镀锌模拟器上进行模拟退火处理。使用扫描电镜及其附属的X射线能谱仪观察分析了试样表面形貌和元素构成，使用辉光放电光谱仪研究了样品退火后表面的元素深度分布，使用X射线光电子能谱鉴定了样品退火后的表面化合物种类。结果 预镀镍样品退火后，表面存在一层疏松的镍层，少量颗粒状氧化物分布在镍层表面;而未镀镍样品退火后，则在表面晶界和晶粒中均出现颗粒分布的氧化物。延长退火时间会显著增加表面氧化物的数量，降低表面镍含量。辉光放电光谱分析表明，表面沉积的镍镀层能够抑制合金元素在表面的选择性氧化。退火10 s后，Mn元素的表面富集量减少了52%，Si元素的表面富集量减少了23%;而退火50 s后，Mn元素和Si元素的表面富集量均减少42%。X射线光电子能谱分析表明，镀镍样品表面的氧化物以不定型氧化物为主，而未镀镍样品表面的氧化物主要为晶态氧化物。 结论 100 nm厚度的预镀镍能够有效降低Si和Mn向外的扩散速率，抑制Si和Mn元素在表面的富集程度，改变表面选择性氧化产物的种类，减少高强钢表面氧化物的数量。
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  改性氧化石墨烯基环氧富锌涂层的防腐蚀性能

  崔淦, 张楚楚, 毕真啸, 王炳英, 李自力, 杨峰, 李守钦, 刘建国

  表面技术. 2021, 50(2): 310-320. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.033

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  目的 通过添加改性氧化石墨烯，提高环氧富锌涂层的防腐性能。方法 采用对氨基苯磺酸重氮盐、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及磺化碳纳米管(SMWCNT)作为改性剂，分别对氧化石墨烯(GO)进行改性处理，并制备改性氧化石墨烯基环氧富锌涂层。采用X-射线衍射谱、傅里叶红外转换光谱和扫描电镜，分析了GO改性前后的结构变化和在涂层中的分散效果。选择改性效果最佳的氧化石墨烯基环氧富锌涂层，并通过电化学交流阻抗谱、盐雾试验、扫描电镜和开路电位等手段分析涂层在腐蚀环境中的腐蚀行为，测试其耐腐蚀性能。结果 三种改性GO被成功制备，片层分散效果均得到提升，其中经SMWCNT改性后，GO的片层间距由0.83 nm变为0.88 nm，且在涂层中的分散效果最佳，形成的涂层致密无孔隙。加入改性氧化石墨烯后，环氧富锌涂层的阴极保护时间得到延长，物理屏蔽作用得以增强。在盐雾试验1680 h后，涂层表面完整无起泡现象，金属基底腐蚀坑的最大坑深由42.31 μm降至16.09 μm。涂层在电解质溶液的浸泡过程中均表现出比纯环氧富锌涂层更高的阻抗模量，且在浸泡72 d后，涂层的低频阻抗值由10³ Ω.cm²提升到10⁴ Ω.cm²，耐蚀性能优于纯环氧富锌涂层。结论 环氧富锌涂层中添加改性石墨烯后，防腐性能提升了62.4%。
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  利用电化学阻抗谱研究水在聚丙烯涂层中的传输行为

  佘祖新, 李茜, 张伦武, 李胤铭, 王忠维

  表面技术. 2021, 50(2): 321-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.034

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  目的 研究聚丙烯涂层的失效机制。方法 利用电化学阻抗谱技术，对某聚丙烯涂层在3.5%NaCl溶液中的失效机制及水在该涂层中的传输行为进行了研究，使用等效电路图对电化学阻抗谱数据进行了拟合，评价了涂层在不同浸泡时间后的腐蚀保护性能，并计算了水在涂层中的扩散速率。结果 聚丙烯涂层浸泡在3.5%NaCl溶液后，其腐蚀防护性能会快速下降，当浸泡到第6天时，涂层阻值从初始5.33×10⁹ Ω.cm²快速下降至1.08×10⁹ Ω.cm²，随后开始稳定。通过对在10 kHz下涂层电容值随浸泡时间的变化关系获知，在浸泡初期，水在涂层中的渗透是均匀的，其传输行为符合Fick第二定律，属于复杂的非稳态过程，其扩散系数为3.12×10^–11 cm²/s。水在涂层中的均匀传输时间与涂层阻值下降并达到稳定的时间基本相符，大约为144 h，此时涂层吸水率为8.25%。结论 聚丙烯树脂涂层在NaCl溶液中浸泡时，水的浸入及向金属基体方向传输是导致涂层失效的主要原因。在浸泡初期，水在涂层中的传输符合Fick第二定律，当水在涂层中传输不再符合Fick第二定律，水在涂层中到达饱和，此时涂层的保护性能大幅下降，腐蚀反应已经开始在界面发生。电化学阻抗谱技术可以很好地检测水在涂层中的传输行为，并给出量化数据，这可以用于评价涂层防护性能、预测涂层使用寿命和分析涂层失效机制。
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  弹性应力下304L不锈钢点蚀行为的有限元模拟研究

  李嘉栋, 林冰, 张世贵, 王莹莹, 朱元强, 聂臻, 唐鋆磊

  表面技术. 2021, 50(2): 327-337. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.035

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  目的 通过有限元理想化建模和模拟计算，采用四点弯曲的应力加载方式，获得了不同弹性拉应力条件下，304L不锈钢薄板上点蚀坑内最大等效应力的变化规律和点蚀坑几何形状的变化情况，以及采用轴向拉伸的应力加载方式，获得了不同弹性拉应力条件下，304L不锈钢管道上随着蚀坑形状和尺寸的变化，点蚀坑内最大等效应力的变化规律。方法 采用有限元法分别构建出具有半球体、圆锥体或圆柱体点蚀缺陷的304L不锈钢薄板和管道模型，并采用有限元仿真的方法系统研究了不同弹性拉应力对304L不锈钢薄板和管道模型上点蚀坑内的应力分布规律，以及通过模拟计算得出点蚀坑内最大等效应力的变化情况，用以分析点蚀在力学影响下的生长扩展机理。结果 随着弹性拉应力的增加，304L不锈钢薄板模型上半球体点蚀坑内的最大等效应力从68.508 MPa增至328 MPa，圆锥体点蚀坑内的最大等效应力从115.960 MPa增至554.610 MPa，圆柱体点蚀坑内的最大等效应力从97.244 MPa增至466.200 MPa。半球体、圆锥体和圆柱体点蚀坑的最大等效应力增长斜率分别为2.01、3.40、2.86。随着弹性拉应力的增加，304L不锈钢表面产生的点蚀坑逐渐从应力集中区域延伸扩展，从而发生形状改变。此外，在点蚀坑尺寸相似的情况下，304L不锈钢管道模型上半球体和圆锥体点蚀坑，在无轴向弹性拉应力作用下的最大等效应力分别为26.421、49.029 MPa，在轴向弹性拉应力作用下的最大等效应力分别为135.920、300.850 MPa。但当点蚀坑尺寸增大时，圆锥体点蚀坑的最大等效应力在无轴向弹性拉应力条件下从49.029 MPa下降到36.355 MPa，在轴向弹性拉应力作用下从135.920 MPa下降至212.140 MPa。结论 随着弹性拉应力的增加，304L不锈钢薄板模型上半球体、圆锥体和圆柱体点蚀坑内的最大等效应力逐渐增加，其中圆锥体点蚀坑内的最大等效应力最高。此外，随着弹性拉应力的增加，304L不锈钢表面产生的点蚀坑形状在应力集中的影响下逐渐从圆孔形状转变为长条形状。在不同的弹性拉应力条件下，304L不锈钢管道模型上圆锥体点蚀均比半球体点蚀的应力集中程度更大并且最大等效应力更高。但是，随着圆锥体点蚀坑尺寸的增加，点蚀坑内的最大等效应力逐渐减小。
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  基于RSM-BBD的新型锡镍铜合金电镀添加剂的制备

  姚助, 刘定富

  表面技术. 2021, 50(2): 338-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.036

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  目的 制备一种电镀锡镍铜合金添加剂，利用此种添加剂制得黑色、光亮并且综合性能良好的锡镍铜合金镀层。方法 基础镀液组成为:33.28 g/L氯化镍，29.33 g/L氯化锡，5 g/L硫酸铜，265 g/L焦磷酸钾，6 g/L L-半胱氨酸，20 mL/L乙二胺，40 g/L柠檬酸三铵。工艺条件为:pH=8.5，温度40 ℃，电流密度1.3 A/dm²，电镀时间5 min。以此基础镀液为基础，在单因素试验的基础上，应用响应曲面法设计三因素(糖精钠、1.4-丁炔二醇和硫脲)三水平试验，以镀层 60°光泽度为响应值，通过回归分析，得到了各个因素参数对响应值的影响规律，并且通过优化分析得到了电镀添加剂的最佳配方。利用百格刀、维氏硬度计对最佳配方制备的镀层的附着力、表面硬度进行分析，用交流阻抗法研究添加剂对锡镍铜合金镀层耐蚀性的影响，利用SEM、EDS对表面形貌及成分进行分析。结果 经过响应面试验优选出的最佳添加剂配方为:0.4 g/L 1.4-丁炔二醇，3.5 g/L糖精钠，0.06 g/L硫脲。采用该添加剂配方，在上述基础镀液及工艺条件下，可获得镀层表面平整、光亮的枪黑色试片。该镀层的60°光泽度达到200 GU，附着力的ISO等级为1，ASTM等级为4B，维氏硬度为280.56HV1.0。通过电化学分析结果得知，镀层的耐腐蚀性良好。结论 复合添加剂可以制备出平整且光泽度较高的枪黑色镀层，且镀层结合力好，硬度以及耐腐蚀性都有明显的改善，可以满足工业要求。
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  电镀工艺对氨基磺酸盐体系镍镀层内应力的影响

  蔡磊, 马泽贤, 刘新宽, 盛荣生, 雷雪松, 方峰

  表面技术. 2021, 50(2): 347-354. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.037

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  目的 在氨基磺酸盐电镀体系中，探索出各电镀工艺参数对镀层内应力的影响规律。方法 采用一种改良的双阳极-阴极弯曲的办法测试镀层应力。通过X射线衍射实验(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及KEYENCE数码显微系统，分别分析应力状态下镀层织构、微观畸变以及镀层形貌。结果 电流密度越大，镀层的张应力越大，当电流密度达到15 A/dm²时，继续增加电流密度，镀层张应力值不变。电镀时间越长，镀层越厚，张应力值越大，电镀15 min后，镀层应力保持不变。Cl^?浓度越高，镀层的张应力值越大。电流密度对张应力的影响程度比电镀时间显著。X射线衍射全谱拟合表明，磁场的加入会抑制Ni(111)织构的形成，对Ni(200)有择优取向，同时使晶粒的微观畸变变小，磁场强度越强，应力越小。超声空化作用对镀层织构影响不明显，但会降低晶粒的微观畸变，并减小镀层张应力。结论 在氨基磺酸镍体系中，电流密度、电镀时间以及Cl^?浓度的增大都会显著增大张应力。磁场和超声的加入在细化晶粒的同时，减小了镀层张应力。
精密与超精密加工
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  微裂纹缺陷对CVD金刚石涂层微刀具损伤失效的影响研究

  白清顺, 张亚博, 王永旭, 何欣

  表面技术. 2021, 50(2): 355-362. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.038

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  目的 研究微裂纹缺陷在CVD金刚石涂层中的扩展规律，揭示CVD金刚石涂层微刀具的涂层脱落机理。方法 基于ABAQUS开展预置涂层内部竖直微裂纹和涂层基底界面水平微裂纹的CVD金刚石涂层单向拉伸有限元仿真，分析单裂纹和多裂纹扩展过程中裂纹尖端的应力分布和应力强度因子变化规律。开展CVD金刚石涂层刀具微铣削Ti6Al4V实验，分析刀具的磨损形态和刀尖的断面形貌，验证仿真结果。结果 涂层内部竖直微裂纹扩展到涂层基底界面时，裂纹尖端的应力强度因子小于硬质合金的断裂韧性537.6 MPa.mm^1/2，大于金刚石的断裂韧性289.7 MPa.mm^1/2，裂纹在界面发生偏转。涂层和基底界面间的水平微裂纹在扩展过程中裂纹尖端的应力强度因子小于金刚石和硬质合金的断裂韧性，裂纹沿着界面逐步扩展。CVD金刚石涂层刀具微铣削Ti6Al4V后表现出涂层脱落、刀尖破损和崩刃的损伤特征，其断面表现出穿晶断裂、沿晶断裂和微裂纹的形貌特征。结论 涂层脱落损伤主要源于涂层内部竖直裂纹扩展诱导的涂层断裂和界面裂纹扩展引起的粘接层脱落。涂层内部竖直裂纹的竞争作用会抑制涂层断裂，粘接层水平裂纹间的耦合作用会加速涂层脱粘。
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  具有沟槽微织构的超硬材料刀具切削仿真与实验研究

  徐明刚, 宋恩禹, 张海旭, 程曦, 吴志伟

  表面技术. 2021, 50(2): 363-370. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.039

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  目的 探究微织构置入切削刀具表面对切削性能产生的影响。方法 在具有沟槽微织构的超硬材料刀具上，设计了切削仿真与实验。基于流体动压射流和流体二次润滑，以J-C准则作为车削的本构关系，采用ABAQUS进行仿真。在相同条件下，对有无沟槽微织构的超硬材料刀具进行了三维切削Al6061模拟，并结合刀具应力和前刀面切削温度，对切削性能进行了分析。采用飞秒激光工艺制备了新型沟槽微织构超硬材料车刀，并在CA6136车床上进行单因素切削实验。结果 刀具在置入沟槽微织构后，不仅降低了摩擦副间的接触面积，而且在切削液的双重作用下，瞬时高温现象也得到了缓解。在干切削条件下，沟槽微织构刀具的前刀面不具有较好的减磨抗粘能力，刀具磨损较快。在切削液润滑、流体动压射流现象和沟槽微织构共同作用下，刀具的摩擦磨损状况得到很大改善，使用寿命得到延长。结论 综合切削仿真与实验结果可知，微织构置入切削刀具表面能够提升刀具切削性能并缓解刀具磨损情况。
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  基于双自激振荡腔室磨粒流抛光的流体脉冲特性研究

  邓乾发, 周辉, 吕冰海, 汪杨笑, 袁巨龙, 楼飞燕

  表面技术. 2021, 50(2): 371-379. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.040

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  目的 自激振荡脉冲磨粒流抛光方法主要应用于型腔零件内表面的抛光，为进一步增强抛光液的自激振荡脉冲特性，以提高抛光效率，提出一种基于双自激振荡腔室的磨粒流脉冲特性抛光方法。方法 利用串联的两个自激振荡腔体，对抛光液的流体脉冲特性进行二次放大，增强抛光液的峰值速度以及湍流动能。利用数值模拟分析双自激振荡腔室的脉冲特性，搭建串联式双自激振荡腔室磨粒流脉冲特性抛光实验平台，实验验证新增一个自激振荡腔室对提高抛光液脉冲特性的有效性。结果 仿真结果表明，双自激振荡腔室有增大峰值速度的作用，从单个腔室的66.8 m/s增加到了76.8 m/s。对直径为6 mm的不锈钢管内表面进行抛光的实验结果表明，在相同的实验条件下，加工10 h，采用双自激振荡腔室抛光的工件内表面粗糙度Ra从452 nm降低到了42 nm，且内表面具有显著的镜面效果;而采用单个自激振荡腔室加工的不锈钢管内表面粗糙度Ra降到了100 nm，内表面相对暗淡，还需要继续抛光2 h才能达到42 nm。同时，实验还证明了流体的脉冲特性在流道中存在衰减。结论 通过数值模拟与实验分析验证了双腔室自激振荡磨粒流抛光方法的有效性，具有进一步增强抛光液峰值速度及湍动能的效果。为充分利用自激振荡脉冲特性，需要将工件安装在靠近腔体下游出口处。