2024年, 第53卷, 第23期　
刊出日期：2024-12-10

  

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专题—生物材料表面改性
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  生物医用水凝胶涂层研究进展

  王雅楠, 张凡军, 罗日方, 王云兵

  表面技术. 2024, 53(23): 1-15. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.001

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  水凝胶具有高含水量、高保水性、黏附性、生物相容性好等特点，被广泛应用于生物医学领域。水凝胶涂层则能够在保留水凝胶本身优点基础上，赋予固体基材表面如抗菌、抗污等多功能性。最近，水凝胶涂层已经能够在不同基材表面实现厚度可控且牢固结合，这为水凝胶涂层在植入式医疗器械表面的修饰增加了更多可能性。首先概述了生物医用水凝胶涂层的研究背景，包括水凝胶的特点、水凝胶涂层的发展以及研究现状。之后归纳了现阶段常用水凝胶涂层在植入式医疗器械表面的制备方法及原理，包括表面桥接法、表面引发法，并阐述了近年来出现的新型水凝胶涂层制备方法。在此基础上，总结了水凝胶涂层的应用场景，包括其在润滑防污性、药物递送、生物传感方面的应用。随后，对近年来水凝胶涂层的研究热点进行了总结，包括智能响应性水凝胶涂层、组织工程领域及水凝胶性能等。最后对未来水凝胶涂层的发展提出了展望。
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  药物涂层球囊的研究进展

  丁浩, 张紫鑫, 赵学钰, 田诗雨, 匡睿智, 沈令伟, 王进, 赵元聪, 王述尧, 李欣

  表面技术. 2024, 53(23): 16-30. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.002

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  从抗增殖药物的优化、赋形剂的创新、包衣方法的改进以及智能药物涂层球囊(DCB)这几方面进行了综述。介绍了紫杉醇(PTX)、西罗莫司及其衍生物这两种常用抗增殖药物的优缺点和未来优化方向，阐述了碘普罗胺、聚氧化乙烯(PEO)、柠檬酸酯、角糖(KOS)等作为赋形剂的作用机理和未来应用前景。然后对微吸管法、浸渍包衣法、刷涂法、喷涂法等包衣方法进行了概述，阐释了各自的优缺点。随后对智能响应技术和DCB相结合的技术进行简述，介绍了超声响应型、光驱动型、气体驱动型、活性氧(ROS)响应型及微针(MN)涂层等智能DCB的作用原理和潜在应用。最后，在上述基础上对DCB存在的问题进行了分析，对DCB的未来发展方向进行了展望。
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  蛋白质基防生物污染涂层研究进展

  王雪霆, 晋晓倩, 葛婉仪, 刘丽媛, 邓旭东, 尹大川

  表面技术. 2024, 53(23): 31-45, 110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.003

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  生物污染已成为一个影响全球的当代社会问题，它波及医疗、食品加工、环境保护等多个领域，并引发了严重的健康和环境安全隐患。近年来，蛋白质基涂层作为一种新兴的防污技术，受到了广泛关注。综述了生物污染在食品、生物医学和工业生产中的危害，并分析了蛋白质表面涂层策略在防止生物污染中的优势。具体包括，利用蛋白质特异性结构和功能团，通过自组装或化学修饰形成抗生物污染涂层;蛋白质与小分子复合，以增强抗菌能力;蛋白质与高分子材料结合，形成具有优异力学强度和化学稳定性的涂层。最后总结了蛋白质基防污涂层的优势及其未来面临的挑战。
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  涂层改性策略在血液接触材料研究中的应用与展望

  任星蓉, 余涛, 王云兵

  表面技术. 2024, 53(23): 46-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.004

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  从生物学角度出发，分析探讨了导致血液接触材料失效的凝血与炎症机制，着重介绍了生物惰性涂层、生物活性涂层和仿生内皮化涂层的研究策略，并探讨了其临床应用前景。研究表明，生物惰性涂层可以通过抑制蛋白吸附和减少免疫排斥反应来延长材料的使用寿命;生物活性涂层则通过引入抗凝、抗炎及促内皮化等活性分子提升血液相容性;仿生内皮化涂层能够模仿天然内皮细胞及细胞微环境功能，促进材料表面内皮化并减少血栓形成。尽管这些涂层策略已取得显著进展，但涂层的稳定性及功能持久性仍存在挑战。未来的研究需进一步优化涂层设计方案，以实现多功能涂层在临床中的应用，特别是在心血管疾病治疗领域。
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  镁基骨植入物表面改性研究进展

  王镔彬, 张皓, 申孝龙, 王海波, 杨成, 范兴平, 杨晓凤, 杨宇松, 吴邦杰, 周清瑞

  表面技术. 2024, 53(23): 61-77. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.005

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  镁基骨植入物是一种用于骨固定或骨修复的新型生物可降解材料。概述了骨植入器械临床需求，镁及其合金作为骨植入物的材料优势，以及镁基骨植入物的体内应用环境。同时，阐述了镁基骨植入物临床应用存在的问题，包括过快的降解速率和生物相容性问题。在此基础上，重点综述了近年来镁基骨植入物表面改性研究进展，按涂层功能分为耐腐蚀涂层(微弧氧化涂层、溶胶-凝胶涂层、水热涂层及低温等离子聚合涂层)、促骨自愈合涂层(骨愈合药物涂层、类骨生物活性物质涂层)、抗菌涂层(金属离子或氧化物涂层、抗菌药物涂层)、自修复涂层(自发式涂层、触发式涂层)及生物免疫性涂层(免疫活性物质涂层)等。针对各种功能的表面改性涂层，分别从制备方法、功能特性、作用机理、实验结果对比等方面进行归纳，并指出其存在的问题。最后，总结了镁基骨植入物表面改性面临的问题，并展望了未来的发展方向。
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  超声喷涂技术制备细胞膜涂层工艺初探

  吉诚, 安永琪, 王雅楠, 蒋青, 罗日方, 王云兵

  表面技术. 2024, 53(23): 78-87. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.006

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  目的 利用超声喷涂技术在宏观界面构建具有抗污、抗凝血功能的细胞膜涂层，以提高涂层制备过程的原料利用率、涂层的均匀性和稳定性。方法 使用超声喷涂技术将制备的红细胞膜(EMs)逐层喷涂在基底界面，使用荧光显微镜、扫描电子显微镜、水接触角等验证红细胞膜涂层(EMC)的组装过程、涂层稳定性的影响因素和涂层在多种材料表面的稳定涂覆。并通过蛋白吸附实验、血小板黏附和半体内血液循环实验评价涂层的抗污性能和血液相容性。结果 在膜蛋白质量浓度为1 mg/mL的条件下，约30 μL/cm²的喷涂量，可获得厚度约500 nm的红细胞膜涂层，并且随着红细胞膜喷涂量的增加，红细胞膜涂层厚度逐渐增加至1~2 μm。由于超声喷涂时涉及液滴快速蒸发和膜成分融合的过程，分散介质的盐离子浓度以及基底界面的特性将影响涂层的稳定性。超纯水体系有助于避免盐结晶行为对膜融合的阻碍。加热基底有助于加快喷涂速率，抑制不均匀的咖啡环结构。此外，富含官能团的亲水界面可以有效促进微液滴的融合和铺展，提高涂层的稳定性。优化工艺后，利用超声喷涂技术可在无机、金属和多种聚合物基材表面形成稳定的红细胞膜涂层，在基底表面形成水接触角34°的亲水性涂层。蛋白吸附实验表明，制得的红细胞膜涂层具有良好的抗污性能。血液相容性实验表明，红细胞膜涂层可有效减少血小板的黏附和激活以及材料表面血栓形成。结论 超声喷涂技术可在多种材料表面形成可控、均匀和稳定的红细胞膜涂层，赋予材料表面良好的抗污、抗凝血性能。
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  制备简单的润滑、抗菌两性离子/阳离子聚合物刷涂层

  金荷渊, 付伟豪, 曹佳乐, 张向宽, 宋鑫忠, 刁统祥, 满佳

  表面技术. 2024, 53(23): 88-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.007

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  目的 避免导尿管引起的细菌感染与摩擦损伤。方法 开发一种简单的主被动结合的基于甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMA)亲水两性离子材料和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)阳离子材料的聚合物刷抗菌涂层策略。通过紫外光引发接枝方法，一步聚合SBMA单体与DMC单体形成混合的PSBMA/DMC聚合物刷涂层，并调控聚合单体溶液中SBMA与DMC的摩尔比，制备不同类型的PSBMA/DMC聚合物刷涂层。通过表面水接触角测试、AFM摩擦测试、蛋白质黏附测试与细菌黏附测试等分别表征对比各聚合物刷涂层的润湿性、润滑性、抗蛋白黏附性及抗菌效果。结果 在PSBMA/DMC涂层中，SBMA含量越高，表面润湿性越强，表面润滑性越强。在只含有SBMA的PSBMA/DMC-100聚合物刷涂层表面，细菌的黏附量下降了96.1%，但黏附的少量细菌均为活细菌，这对于其长效抗菌性的实现是不利的。SBMA占比25%，DMC占比75%的PSBMA/DMC-25混合聚合物刷涂层能通过结合主被动抗菌策略实现良好的抗菌效果，细菌黏附量下降了92%，且黏附的细菌全部死亡，这使其具有长效抗菌的潜力。结论 两性离子与阳离子材料混合的聚合物刷涂层制备过程简单，结合主被动抗菌策略，兼顾表面润滑特性和抗菌性能，有望解决导尿管面临的细菌感染以及摩擦损伤问题，并在相关医疗器械表面涂层领域中具有潜在的应用前景。
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  取向性PCL-SF/DFO复合支架的制备及用于周围神经再生的研究

  柳小军, 申火云, 高红霞, 管文超, 许琳琳, 李贵才

  表面技术. 2024, 53(23): 97-110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.008

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  目的 制备具有各向异性拓扑结构的聚己内酯(PCL)-丝素蛋白(SF)/去铁胺(DFO)复合功能支架，定向诱导神经再生。方法 首先通过静电纺丝技术制备各向异性PCL-SF支架，然后通过多巴胺(DA)对复合支架进行修饰，并接枝DFO形成PCL-SF/DFO功能化复合支架。对支架进行一系列表征和成分分析，之后通过MTT探讨支架的细胞毒性。培养施万细胞(SCs)和内皮细胞(ECs)验证细胞活力，并进行免疫荧光染色，研究SCs和ECs在支架上的行为。最后通过RT-qPCR试验探讨相关的分子机制。结果 力学性能和亲水性测试表明，复合支架的杨氏模量和亲水性得到提升。通过生物学评价发现，支架可协同各向异性拓扑性结构和DFO，促进SCs和ECs的增殖，有效引导细胞定向生长。最后RT-qPCR表明，该功能化复合支架可使神经再生的相关基因YAP、Cntn2和促进血管化的关键基因VEGF的mRNA表达水平上调。结论 该支架可通过各向异性拓扑结构对SCs和ECs细胞的增殖及定向生长的行为进行调控，同时协同DFO促进神经损伤处血管化，从而加速周围神经再生。
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  COMSOL模拟的钛合金基体表面纯镁涂层制备及性能研究

  王晓悉, 于晓明, 马雪鑫, 娄长胜, 郭菁, 滕莹雪

  表面技术. 2024, 53(23): 111-120. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.009

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  目的 解决目前临床应用的钛合金植入物功能性欠佳的问题，既利用钛合金的力学性能优势，又发挥镁基金属的生物活性作用，把镁基金属的应用拓展到承力部位，为理想骨植入材料提供一种新的选择。方法 采用真空蒸镀技术在钛合金表面制备镁涂层，采用模拟软件结合实验的方法，利用COMSOL Multiphysic软件模拟真空蒸镀法在钛合金基体上制备纯镁涂层，结合涂层沉积实验，研究不同蒸发温度、沉积时间和基体表面温度对镁涂层质量的影响，利用模拟结果设计实验，并进行优化，对涂层的表面形貌、浸润性、可降解性、抗菌性进行实验分析。结果 在钛合金基体表面制备的纯镁涂层靠近蒸发材料中心轴的表面部分沉积的涂层较厚，涂层厚度由中心轴向四周逐渐减小，最厚部位比最薄部位厚约13.6%;在影响涂层厚度的3个因素中，材料蒸发温度的影响最大;在700 ℃下制备的涂层的表面颗粒分布均匀，涂层表面平整度最高，且其接触角大于90°，表现为疏水性，在该温度下体外降解速率最低，材料抗菌率>90%。结论 采用真空蒸镀技术可在钛合金基体表面获得纯镁涂层，该涂层提高了钛合金基材的生物活性，其降解产生的碱性环境具有抗菌性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较强的杀灭作用，有望提高植入材料的稳定性，解决术后感染问题。
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  基于多酚-银络合物的pH响应型抗菌涂层制备及研究

  杨晓凤, 张皓, 申孝龙, 范兴平, 王海波, 杨成, 王镔彬, 程波, 李晓洁, 杨靖

  表面技术. 2024, 53(23): 121-130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.010

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  目的 赋予医用钛表面pH响应性的抗菌功能。方法 采用阳极氧化首先在纯钛表面制备二氧化钛纳米管(TNTs)，随后超声沉积聚多巴胺层(PDA)，再通过化学接枝法将没食子酸和银离子的络合物装载在纳米管表面，制备纯钛表面载银二氧化钛纳米管。通过SEM、XRD、FTIR、XPS对涂层的形貌及成分进行分析，并对涂层在不同pH条件下银离子的释放行为及抗菌能力进行评价。结果 TNTs-PDA-Ag样品具有良好的多孔结构，管径缩小至60 nm，实现了银离子的有效装载，表面Ag的原子数分数约为2.9%，C的原子数分数(69.13 %)相对于TNTs-PDA的原子数分数(37.09 %)明显增加。经体外矿化，TNTs-PDA- Ag表面形成了HA(羟基磷灰石)。涂层在不同pH的磷酸盐缓冲溶液中表现出差异性的Ag⁺释放速率，在pH为4.5的环境中浸泡至7 d时，银离子释放速度和释放比例(97.65%)相对于中性条件下均得到明显提高。在抗菌实验中，Ag⁺的释放浓度在5.56~13 μmol/L之间，对大肠杆菌具有明显的抑菌作用。结论 制备的载银二氧化钛纳米管涂层可以有效提高材料的骨生物相容性，具有一定的pH响应性抗菌功能，在医用钛表面有较大的应用潜力。
摩擦磨损与润滑
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  重载铁路磨耗与接触疲劳失效车轮损伤机制研究

  窦随权, 张沭玥, 张晓峰, 丁昊昊, 王文健, 刘启跃, 周仲荣

  表面技术. 2024, 53(23): 131-142, 168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.011

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  目的 分析重载铁路车轮材料磨损与滚动接触疲劳损伤的失效机制。方法 用维氏硬度计在现场失效车轮横截面上测量轮缘、名义滚动圆及外轮辋处的表面硬度分布。用线切割机在车轮轮缘、名义滚动圆、外轮辋处分别沿纵剖面及横截面切割车轮，将试样经金相处理后进行微观分析。利用光学显微镜和扫描电子显微镜观测车轮材料表面及剖面损伤。结果 踏面剥离车轮名义滚动圆及外轮辋处的加工硬化层深度为磨耗过限车轮的约2倍;磨耗过限车轮和踏面剥离车轮损伤失效最严重的区域均在踏面名义滚动圆处，而轮缘与外轮辋相对较轻微;磨耗过限车轮名义滚动圆处疲劳裂纹较小、较浅，且均匀分布于车轮纵剖面，而踏面剥离车轮疲劳裂纹近乎遍布整个车轮剖面，多条裂纹交织形成网状裂纹。踏面剥离车轮在名义滚动圆处的加工硬化层深度、最大裂纹角度、最大裂纹长度及最大裂纹深度分别可达6 mm、90°、2.5 mm、1 mm，分别约为磨耗过限车轮的2、2.5、2、1.5倍。结论 磨耗过限车轮损伤失效起因是较大且频繁的轮轨接触应力所导致的车轮踏面凹形磨耗，改变了轮轨接触状态，进而导致车轮材料失效。踏面剥离车轮损伤形成的根本原因是多条疲劳裂纹的萌生并持续扩展，最终交织形成大面积网状裂纹，进而导致材料破碎。同时，外界环境的水介质进入裂纹中会改变裂纹扩展方向，并加速裂纹的扩展。磨耗过限车轮廓形磨损程度大于踏面剥离车轮，而其滚动接触疲劳损伤程度小于踏面剥离车轮，即车轮现场服役中材料磨损与滚动接触疲劳间存在互相制约的关系。
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  硬质TiAlCN多层膜的微观结构设计与摩擦磨损性能研究

  张而耕, 付巧慧, 梁丹丹, 陈强, 周琼, 黄彪

  表面技术. 2024, 53(23): 143-152. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.012

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  目的 利用阴极电弧离子镀技术在不锈钢基体上分别制备了以TiN为打底层的TiAlCN单层涂层、TiAlN-TiAlCN双层涂层及TiAlN-TiAlCN多层涂层，研究并得出多层结构能提高TiAlCN涂层力学性能和耐磨性能。方法 采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪表征TiAlCN涂层的微观形貌和物相组成;进一步，通过纳米压痕仪、维氏硬度计评估TiAlCN涂层的力学性能;最后，通过摩擦磨损试验机、拉曼光谱仪和能谱仪(EDS)等分析了TiAlCN涂层的摩擦磨损性能。结果 所制备的TiAlCN单层涂层、TiAlN-TiAlCN双层涂层及TiAlN-TiAlCN多层涂层均存在液滴，且多层结构能够显著提高TiAlCN涂层的表面质量。3种涂层的主要组成相均为(Ti,Al)(C,N)，且沿着(111)、(200)、(220)的晶面择优生长。相较于TiAlCN单层和TiAlN-TiAlCN双层涂层，TiAlN-TiAlCN多层涂层表现出较高的硬度和较好的韧性。摩擦磨损后，3种涂层的ID/IG值均提高，表明涂层的石墨化程度均增加。另外，TiAlCN涂层的磨损机理均为磨粒磨损和氧化磨损，其中TiAlN-TiAlCN多层涂层的摩擦因数最高(0.26)、磨损率最低(9.3×10^?6 mm³/(N?m))。结论 结构对于TiAlCN涂层的力学性能及摩擦学性能有显著的影响，相较于单层及双层涂层，多层结构的引入有效提高了TiAlCN涂层的力学性能及耐磨性。
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  多源仿生柔性滑移涂层的制备及其减阻性能研究

  周嘉杰, 胡弘毅, 朱萍, 曾志翔, 王刚, 朱丽静, 凌志远

  表面技术. 2024, 53(23): 153-158, 179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.013

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  目的 研究多源仿生技术构建高性能减阻涂层的方法。方法 在铝片上旋涂双组分硅胶，生成柔性涂层(模拟柔性的海豚皮肤)，然后喷涂疏水纳米二氧化硅粒子，得到柔性超疏水(SHS)涂层(同时模拟柔性的海豚皮肤和SHS荷叶)，再浇筑二甲基硅油，得到柔性滑移(SLIPS)涂层(同时模拟柔性的海豚皮肤和SLIPS特性的鲨鱼皮肤)。结果 低速时(200 r/min)，所有涂层均有减阻效果。柔性SLIPS涂层、柔性涂层和柔性SHS涂层的减阻率分别为23.2%、18.4%、10.2%。高速时(800~1 400 r/min)，柔性涂层和柔性SLIPS涂层的减阻率分别4.0%、5.6%，而柔性SHS涂层的减阻率为?15.0%，即减阻表面转化为增阻表面。结论 无论低速还是高速，柔性SLIPS涂层的减阻效果均优于柔性涂层和柔性SHS涂层。该研究对于降低海洋航行器航行时的摩擦阻力，提高其航速与航程具有极大的借鉴性。
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  关井过程防喷器胶芯的冲蚀性能研究

  胡四海, 赵广慧, 张川, 刘涛, 贾宇喆, 马封安

  表面技术. 2024, 53(23): 159-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.014

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  目的 预测井涌或井喷发生时关闭防喷器闸板对胶芯的冲蚀，为评估关井后胶芯的密封性能提供依据。方法 首先依据橡胶试件的冲蚀试验，基于LM优化算法反演分析确定丁腈橡胶的冲蚀模型参数，将所确定的冲蚀模型通过UDF嵌入Fluent软件，建立关井过程中防喷器半封闸板附近流场的数值模型，计算密封胶芯的冲蚀性能，研究关井全过程胶芯材料去除量与关井时长的变化规律。结果 得到了丁腈橡胶材料的改进Finnie冲蚀模型参数，该冲蚀模型预测的试件冲蚀率随冲击角的变化与试验数据的最大相对误差仅为5.77%，可用于模拟丁腈橡胶构件的冲蚀性能。在防喷器关阀过程中，携岩钻井液对胶芯的冲蚀主要发生在端面边缘处的岩屑高速碰撞区。胶芯的冲蚀率与钻井液的含砂量呈线性正相关，与钻井液的流速呈非线性正相关。随着闸板开度的减小，冲蚀率呈现指数增长。在文中的参数条件下，当闸板开度分别为104、26、6 mm时，胶芯的材料去除率分别为1.52、5.22、28.3 mm³/s，表明在关井后期闸板即将关闭前，胶芯受到的冲蚀最严重。在关井全过程中，胶芯的材料去除量随着关井时长的增加而增加，关井时长分别为3、8 s时对应的胶芯体积去除量分别为5.04、13.43 mm³。结论 在井涌或井喷发生时，关闭防喷器闸板的时机和时长对于处置事故至关重要，需综合评价关井时长对井口动载荷和胶芯冲蚀量的影响，制定科学的关井预案，以保障井筒、地面装备和施工人员的安全。
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  超声辅助拆卸螺纹副的减摩特性分析

  王奔, 李展业, 赵哲, 宋畅, 季财行, 李昕旸

  表面技术. 2024, 53(23): 169-179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.015

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  目的 探究不同超声参数对螺纹副拆卸扭矩及表面形貌的影响。方法 由于拆卸扭矩由螺纹副接触面摩擦力决定，因此对不同超声方向、振幅和频率下超声拆卸螺纹副的减摩趋势进行分析。基于模态耦合原理的超声试验装置进行螺纹副拆卸试验，分别记录不同超声参数下扭矩传感器输出的拆卸扭矩，并进行对比，使用超景深显微镜观察拆卸后螺纹面的形貌。结果 扭向、纵向、纵扭复合3个方向的超声减摩率分别为4.5%、10.2%、11.9%，在显微镜下普通拆卸的螺纹表面有较大的剥落屑。施加超声后，大块剥落屑变为剥落颗粒，螺纹面损伤依次减小;在超声振幅为0.1、0.3、0.5 μm时，其减摩率分别为2.9%、7.9%、11.9%;振幅为0.1 μm的表面有大面积的剥落颗粒以及部分划痕;当振幅增加到0.5 μm时，剥落颗粒基本消失，螺纹面损伤呈降低趋势;在超声频率为20、28、40 kHz时，其减摩率分别为11.2%、11.5%、11.9%，螺纹面的烧蚀面积逐渐增大。结论 纵扭复合超声的减摩效果最好，且螺纹面损伤最小。随着超声振幅的增加，减摩效果提高，螺纹面损伤降低。超声频率对螺纹副拆卸的减摩效果的影响较小，但频率的增加会导致接触面烧蚀面积增加，因此在超声方向和超声振幅相同的前提下，选用低频超声更适宜。研究结果可以为超声螺纹副拆卸装置的设计提供参考。
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  6061铝合金的印压式微坑阵列制备技术研究

  林晓辉, 孙宇奇, 孙国梁, 许嘉洺

  表面技术. 2024, 53(23): 180-189. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.016

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  目的 提升6061铝合金的表面耐磨性能，并延长其使用寿命。方法 采用工业机器人辅助的印压式微坑阵列加工技术，利用印压头产生的冲击力效应，在6061铝合金表面形成圆柱形微坑及其阵列。构建电磁式印压制备系统，采集印压力信息，并进行分析。设计印压力迭代学习控制系统，保证印压力输出准确稳定、微坑深度可控，提高微坑阵列制备质量。进行6061铝合金的印压微坑加工实验，探究印压力对微坑形貌的影响，并评价微坑阵列的一致性。进行微坑阵列的销-盘式摩擦实验，探究印压式微坑阵列表面的减摩耐磨性能。结果 微坑表面形貌与深度受到印压力的影响较大，印压力为25~35 N时可获得规则的表面形貌。印压力与微坑深度呈正相关，有效制备深度为50~85 μm。微坑的间距误差主要由工业机器人的定位误差引起。微坑阵列深度误差为3%，直径误差为2%，阵列具有良好的一致性。微坑阵列样品的摩擦因数均小于原始样品的摩擦因数。摩擦因数先随着微坑面积密度的增大而减小，当面积密度达到14%后，摩擦因数有所增大。相对于微坑面积密度，微坑深度对摩擦因数的影响甚微。微坑阵列储油、存储磨粒能够改善试样表面耐磨性能，与原始试样相比，磨痕截面积最大可减少63.4%。结论 印压式制备工艺可高效、绿色、高质量地制备微坑阵列，有效改善了6061铝合金的表面减摩耐磨性能。
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  井筒清洗工具与套管的往复滑动摩擦磨损行为研究

  赵玉滢, 薛伟海, 高禩洋, 郑博文, 马汝涛, 段德莉

  表面技术. 2024, 53(23): 190-203. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.017

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  目的 为了减少井筒清洁时间及成本，针对井筒清洗工具的石油钻井井筒工况，对一体化井筒清洁工具中的刮削块部分，采用激光熔覆涂层表面处理技术提高其耐磨性。方法 采用多功能摩擦磨损实验机进行洗井液介质下套管与刮削块间的往复滑动摩擦磨损，通过螺旋测微器、电子天平、轮廓仪和白光干涉三维形貌仪测量套管与刮削块的损失量。采用光学显微镜、X射线衍射仪和扫描电镜表征涂层结构及磨损形貌。结果 实验结果表明，刮削块与套管间的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损，最佳的摩擦配副为销试样AISI4330V和板试样Ni55涂层。该配副销试样的质量损失为0.35 g，高度损失为26 μm，与未处理的42CrMo板试样对磨后的数值接近，板试样的磨痕深度为12 μm，该损失量远小于其他板试样的损失量。其中硬度居中的激光熔覆Ni55涂层在磨损过程中，其亚表层内的碳化物组织破碎为块状颗粒，在摩擦磨损中起到了很好的承载作用。硬度较高的Stellite6涂层组织结合不致密，在摩擦磨损过程中易发生变形和破碎，且亚表层的碳化物组织在磨损的过程中破碎为更细小的颗粒，非但不能很好地抵抗磨损，还可能作为第三体磨粒进一步加剧磨损。结论 在针对刮削块表面进行的激光熔覆涂层技术中，激光熔覆Ni55涂层可以作为提高刮削块耐磨性的有效方法。
激光表面改性技术
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  Mo含量对激光熔覆316L组织和耐蚀性能的影响

  董刚, 曾宇, 胡健东, 庞靖凯, 杨高林, 石岳林, 张群莉, 姚建华

  表面技术. 2024, 53(23): 204-215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.018

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  目的 研究不同Mo添加量对316L熔覆层组织和耐腐蚀性能的影响，进一步提高316L激光熔覆层耐海水腐蚀的能力，以实现高质量的激光再制造修复。方法 利用激光熔覆技术和316L不锈钢合金粉末，通过在粉末中添加不同比例的球形Mo粉(质量分数为2%、4%、6%)来制备熔覆层，利用金相显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站对熔覆层的宏观形貌、微观组织、物相组成、元素分布、晶粒取向和耐腐蚀性能进行表征。结果 Mo的添加量不超过4%时，熔覆层内的物相并未发生改变，仍由奥氏体组成。当Mo的添加量达到6%时，过冷度增大导致奥氏体向马氏体转变，熔覆层内出现大量未完全熔化的Mo颗粒。随着Mo含量的增加，晶粒在<001>方向的织构强度下降，有向<111>方向生长的趋势。平均晶粒尺寸由235.59 μm下降到184.35 μm，小尺寸晶粒占比增大，导致位错在晶粒内部积累，熔覆层内位错密度增大。同时，晶粒细化有助于形成更致密的钝化膜。电化学测试中，随着Mo含量的增加，点蚀坑数量明显下降，熔覆层的耐腐蚀性能得到提升。Mo的添加量为4%时，自蚀电流密度较不添加组由8.253×10^–6 A/cm²减小至4.540×10^–7 A/cm²，钝化电阻由4 927 Ω.cm²增大到8 702 Ω.cm²，提升约75%。结论 在激光熔覆316L时，适量增加Mo元素含量，能够细化晶粒，使得熔覆层表面形成的钝化膜更加致密，提高钝化膜抵抗侵蚀的能力，进一步提升316L熔覆层的耐海水腐蚀能力。
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  激光熔覆工艺对CoCrMo钴基合金涂层组织与性能的影响

  赵永胜, 葛超, 吴影, 陈春伦, 刘艳, 陈辉

  表面技术. 2024, 53(23): 216-227. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.019

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  目的 以激光熔覆技术在制动盘表面制备CoCrMo钴基涂层，提高其摩擦面的力学性能。方法 以24CrNiMo钢为基体，CoCrMo合金粉末为涂层材料，研究了工艺参数对熔宽、熔高、熔深和稀释率的影响规律。通过组织和性能测试，分析不同工艺参数下涂层的组织、拉伸性能和耐磨损性能等。结果 稀释率随着激光功率和扫描速度的增加而增大，但随送粉速度的增加而减小。熔宽和熔高分别随激光功率和送粉速度的增加而增大，但随扫描速度的增加而减小。涂层物相主要由γ-Co、Ni-Cr-Co-Mo和少量的ε-Co相组成。显微硬度随着激光功率和送粉率的增加而增大，但随着扫描速度增加而减小，最大值约为304HV0.2。抗拉强度和伸长率随着激光功率的增加而增大，但随送粉速率的增加而减小，而随扫描速度的增加先增大而减小。抗拉强度和伸长率最大值分别达到了(1 202±60) MPa和(17.4±1.3)%。激光功率和送粉率较高或扫描速度较低时，具有良好的耐磨性，但耐磨性提高不显著，磨损机理为磨粒磨损和黏着磨损。结论 激光熔覆工艺对熔宽、熔高和稀释率影响显著，但对涂层微观组织影响不明显。优化激光熔覆工艺参数可以有效提高熔覆层的硬度和拉伸性能，但对耐磨性的影响较小。
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  超声辐射对激光熔覆Ni基WC涂层性能的影响

  赵昌龙, 杜伟龙, 于子策, 张自豪, 白宇阳, 张书豪, 董博, 杨俊宝

  表面技术. 2024, 53(23): 228-241. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.23.020

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  目的 研究不同振幅超声波辐射对激光熔覆Ni基WC涂层组织结构及力学性能的影响规律，为降低熔覆层残余应力，提高熔覆层力学性能，提升零部件服役寿命提供技术支持。方法 在Cr12MoV模具钢表面激光熔覆Ni基WC涂层，将激光熔覆技术与超声波辐射技术相结合，以消除熔覆层中存在的裂纹和气孔等缺陷，提高成形工件的力学性能。首先，基于超声波在金属凝固过程中的空化效应和声流效应，结合晶粒生长规律，研究振幅参数对熔池和熔覆层宏观形貌、微观组织结构和物相组成的影响。其次，通过涂层硬度和耐磨性等对比试验分析超声辐射工艺对熔覆层力学性能的影响。最后，利用X-RAYS衍射仪测量熔覆层的纵向残余应力，探究超声辐射对熔覆层应力的影响，并解释超声波辐射增强熔覆层性能的作用机理。结果 不同振幅超声辐射熔覆层的平均晶粒尺寸最大降低66.47%，显微组织主要由柱状晶和等轴晶组成，涂层物相主要是Ni-Cr-Fe和γ-(Fe, Ni)固溶体。磨损量分别降低了65.17%、95.74%、96.49%、76.67%、73.03%。熔覆层的平均显微硬度分别提高了14.86%、23.20%、28.10%、22.84%、16.76%，平均残余应力降低173.0 MPa，最大降幅点可达95.31%。结论 超声波辐射有效降低了熔覆层残余应力和裂纹的产生，提高了熔覆层质量，进而增加零部件的使用寿命。随着超声波辐射振幅的提高，熔覆层表面粗糙度降低，显微硬度和耐磨性先提高、后降低，残余应力显著降低。综合判断，振幅为14 μm的涂层晶粒细化程度最高，硬度和耐磨性最好。