專家領銜策劃——高端裝備表面強化防護與再制造丨JME特邀專欄

專欄導讀

表面工程是通過表面技術，改變固態材料或器件表面的幾何形態、化學成分、組織結構和應力狀態，以賦予/提升零件表面特定性能的系統工程。因零件的失效常常起源于表面，所以表面工程技術不僅是裝備新品零件表面先進制造的重要工藝，也是高附加值零件再制造修復的必然選擇。特別是新一代航空發動機、航天高超聲速飛行器、第四代核電裝備、高端醫療器械等裝備的服役環境和設計性能指標的日益苛刻，表面工程的重要性日益突出。研究和應用表面工程基礎理論、關鍵技術和裝備表面服役行為對支撐高端裝備的高性能、長壽命、高可靠服役具有重要意義。

為此，《機械工程學報》編輯部與客座編輯團隊聯合策劃出版“高端裝備表面強化防護與再制造”專欄。專欄共收錄論文13篇，已于《機械工程學報》2025年10期正式出版。

客座專家團隊

王海斗，陸軍兵種大學研究員、博士生導師，現任機械產品再制造國家工程研究中心主任，第十三屆全國人大代表，獲國家杰出青年科學基金資助；入選國家萬人計劃領軍人才、國家百千萬工程人才、國家中青年科技創新領軍人才、軍隊科技領軍人才、北京市科技領軍人才；獲“求是”杰出青年獎、國務院政府特殊津貼、“當代發明家”等榮譽獎勵；擔任973計劃、國家重點研發計劃等項目首席科學家；獲國家自然科學二等獎、北京市自然科學一等獎、教育部技術發明一等獎、軍隊科技進步一等獎等科技獎勵17項，發表SCI論文400余篇、授權各類知識產權160余件；榮立二等功、三等功各2次。

蒲吉斌，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員、博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，現任海洋關鍵材料全國重點實驗室主任，中國機械工程學會表面工程分會青年學組主任，中國材料研究學會耐蝕材料與腐蝕控制分會副主任，中國腐蝕與防護學會非金屬耐蝕材料專委會副主任。主要從事極端環境新型功能防護涂層跨尺度結構設計及表界面行為研究。主持國家重點研發計劃項目、兩機重大專項等國家級、省部級項目20多項，授權發明專利60件，美國專利3件，發表SCI/EI論文200多篇，獲國家技術發明二等獎、中國專利獎銀獎、浙江省科技進步一等獎等。

康嘉杰，教授，博士生導師，英國帝國理工學院訪問學者。發表學術論文150余篇（SCI論文80余篇），授權國家發明專利39件，主持國家自然科學基金面上項目等科研項目10余項，獲省部級科研獎勵7項。任中國機械工程學會表面工程分會青年學組副主任委員，中國機械工程學會摩擦學分會青年論壇組委會委員，中國腐蝕與防護學會磨蝕與防護技術專業委員會委員。

張誠，華中科技大學教授，博士生導師，材料學院副院長，湖北省青年拔尖人才，湖北省杰青入選者。主持國家自然科學基金重大研究計劃培育項目、面上項目、科技部國家重點研發計劃（國際合作）項目等。在Materials Science Engineering Report, Acta Materialia等期刊上發表SCI論文70余篇, H-index=35，獲授權發明專利11項。獲中國材料學會非晶/高熵合金分會杰出青年科學家獎，教育部自然科學獎二等獎。任國際SCI期刊Surface & Coatings Technology、Coatings 編委。

周正，北京工業大學/材料科學與工程學院，研究員，博士生導師。長期從事工程材料表面改性理論與技術方面的研究工作，主持國家自然科學基金等省部級科研項目十余項，發表學術論文100余篇，授權國家發明專利40余項，獲中國腐蝕與防護學會科學技術獎一等獎、北京市科學技術獎二等獎。

馬國政，陸軍兵種大學裝備再制造技術國防科技重點實驗室副研究員，國家優秀青年科學基金獲得者，GF173計劃重點項目技術首席，軍隊重點扶持創新團隊核心成員。主持武器裝備預研、裝備研制，國家重點研發計劃課題，國家自然基金優青、面上等科研項目十余項。獲北京市、中國機械工業等省部級科技獎勵7項。發表SCI、EI等論文100余篇，授權美國專利、國家/國防發明專利52項。

01

面向裝備熱防護的碳化物超高溫陶瓷研究進展

引用格式:肖浚藝, 何鵬飛, 薛琳, 孫川, 梁秀兵, 程江波. 面向裝備熱防護的碳化物超高溫陶瓷研究進展[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 1-18.

論文摘要：

新一代空天裝備存在迫切的熱防護需求，急需發展兼具優異熱力學和抗氧化燒蝕性能的超高溫陶瓷。其中，熱學性能最為突出的碳化物超高溫陶瓷體系存在力學和抗氧化性能短板。從碳化物超高溫陶瓷的結構和性能特點出發，歸納增韌相引入和微結構仿生等強韌化設計對力學性能的增強效果；介紹調控其結構和性能的增熵化研究，涵蓋陽離子固溶、陰離子修飾、高熵化設計；梳理碳化物超高溫陶瓷熱防護涂層的主要構筑方法，總結現有涂層的抗氧化燒蝕性能與機理；最后，從材料計算設計、強韌化和增熵化協同增強、燒蝕性能機理、大尺寸構件及涂層制備等方面對碳化物超高溫陶瓷的主要發展方向進行展望。

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02

典型工況環境中類金剛石薄膜摩擦學性能研究進展

引用格式:石佳東, 馬國政, 李國祿, 李振, 趙海朝, 王海斗. 典型工況環境中類金剛石薄膜摩擦學性能研究進展[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 19-35.

論文摘要：

深空探索和深海探測要求機械部件要面對更復雜的環境考核和具有更長效可靠的服役性能。固體潤滑不僅可以提高機械部件運轉的穩定性，還可以延長其使用壽命。類金剛石薄膜由于其獨特的綜合性能，包括低摩擦因數、耐磨性、高硬度、生物相容性和化學惰性，成了最受歡迎的固體潤滑材料之一，其摩擦學性能高度依賴于薄膜的應用環境、結構特征和力學性能。綜述DLC薄膜在地面大氣環境、海洋腐蝕環境和空間輻照環境下的摩擦學行為變化；分析其在不同摩擦條件下的能量耗散機理；討論構-性關系演變規律；提出提高DLC薄膜環境適應性的可靠方法。同時，對DLC薄膜的發展趨勢進行展望，指出將向著適應苛刻多變環境的多元化和標準化發展。

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03

先進裝備表面磁控濺射技術復合防護體系研究進展

引用格式:趙立存, 王志遠, 劉洋, 姜巍, 劉金娜. 先進裝備表面磁控濺射技術復合防護體系研究進展[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 36-65.

論文摘要：

隨著科技的發展，先進裝備表面防護問題日益突出，尤其針對高精尖零部件表面的防護技術研究更是困擾眾多研究人員的關鍵科學問題之一。現如今眾多技術進步都依賴于創造具有增強性能的新型復合材料，其中磁控濺射技術由于對材料表面適配性強，元素選擇多樣，對于各類先進裝備表面防護薄膜制備提供一個新的控制維度。因此，為進一步總結先進裝備內部高精尖零部件防護需求，致力于改善裝備表面防護難題，綜述了磁控濺射薄膜沉積技術的最新進展，一方面，針對磁控濺射薄膜沉積過程變化機理、形成機制進行綜述，明確靶材濺射對基體材料的性能影響，進一步分析時空間維度上薄膜沉積的可靠性；另一方面，詳細論述各類裝備表面防護薄膜的應用特色及成形行為。最后，結合磁控濺射鍍膜技術的工藝特性，對磁控濺射薄膜沉積過程中的通量特征進行深入分析，并探討影響薄膜沉積狀態的微觀結構、表面特性等因素。綜上，本文總結先進裝備表面磁控濺射鍍膜技術的應用機理，并從磁控濺射鍍膜組織結構、力學性能、服役性能的角度出發，結合磁控濺射鍍膜技術的典型應用，綜述了磁控濺射鍍膜技術的發展趨勢，以及對應用前景的優勢和存在問題進行總結，并對磁控濺射鍍膜技術的未來先進薄膜體系進行評估和展望。

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04

等離子增強高速電弧噴涂Fe基涂層：噴涂功率對涂層組織、摩擦學性能和耐腐蝕性能的影響

引用格式: 高瑞, 劉明, 范薇, 黃艷斐, 金國, 張寒冰, 馬國政, 王海斗. 等離子增強高速電弧噴涂Fe基涂層：噴涂功率對涂層組織、摩擦學性能和耐腐蝕性能的影響[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 66-74.

論文摘要：

海工裝備服役過程中關鍵件長期處于腐蝕-磨損交互作用的復雜環境，致使其表面損傷嚴重，影響設備運行的安全性和可靠性。對工件表面進行處理形成結合良好的熱噴涂涂層是解決這一問題的有效途徑。利用等離子增強高速電弧噴涂技術(Plasma-enhanced high-speed arc technology,PE-HAS)成功制備出Fe基涂層，并研究噴涂功率對涂層微觀組織、力學性能及耐磨耐腐蝕性能的影響。研究結果表明，涂層的物相組成主要為奧氏體和馬氏體。當噴涂功率不足或過大時，涂層的組織結構會變差，從而導致其摩擦學和耐腐蝕性能變差。當噴涂電流優化至500 A時，可以提供優良的組織結構，從而提升涂層的力學性能、摩擦學和耐腐蝕性能。綜上，等離子增強高速電弧噴涂過程中控制噴涂功率對絲材熔化很重要，從而影響涂層的組織結構致密性。

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05

真空退火對超音速火焰噴涂AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層耐磨損性能的影響

引用格式:周永寬, 康嘉杰, 馬國政, 劉宇赫, 李瑞峰. 真空退火對超音速火焰噴涂AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層耐磨損性能的影響[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 75-89.

論文摘要：

為了提高煤層氣鉆探機具關鍵零部件的耐磨損性能，采用超音速火焰噴涂技術(High velocity oxygen fuel,HVOF)在35CrMo鋼基體上制備AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層，并對高熵合金涂層進行不同溫度(500、700和900℃)真空退火處理。采用SEM、XRD、顯微硬度測試儀等對高熵合金涂層微觀組織、相結構和顯微硬度進行分析，接著對高熵合金涂層進行了干摩擦磨損試驗和在煤層氣鉆井液中的腐蝕磨損試驗。試驗結果表明：真空退火處理后高熵合金涂層的組織結構更加均勻，顯微硬度和耐磨損性能得到不同程度的提升。500℃真空退火高熵合金涂層的顯微硬度最高(737±33) HV0.2，耐磨損性能最為優異，分別為(5.2±0.3)×10?5 mm3·N?1·m?1(干摩擦磨損)和(2.4±0.1)×10?5 mm3·N?1·m?1(腐蝕磨損)。干摩擦磨損時AlCoCrFeNiCu高熵合金涂層的主要磨損機理為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損；在煤層氣鉆井液中腐蝕磨損時，高熵合金涂層的主要磨損機制為磨粒磨損、粘著磨損和腐蝕磨損。

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06

大氣等離子噴涂Cu-Ni20Cr4B雙金屬防生物污損涂層的顯微結構與性能

引用格式:雒曉濤, 張國棟, 甘雨禾, 許康威, 姚建洮, 陳令杰, 李長久. 大氣等離子噴涂Cu-Ni20Cr4B雙金屬防生物污損涂層的顯微結構與性能[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 90-99.

論文摘要：

針對現有抗海洋生物污損涂料存在漆膜結合結強度低易剝落、硬度低抗導致涂層抗含砂高流速海水沖刷性能差的難題，以機械混合的Cu-Ni20Cr4B粉末為原料，采用大氣等離子噴涂制備了兩種金屬層片交替分布的雙金屬復合涂層，利用海水中Cu層片與Ni20Cr4B層片間的原電池反應持續釋放Cu2+，以達到長效防污的目的。研究粉末配比對涂層顯微組織、力學性能及抗生物污損性能的影響規律。結果表明，復合涂層孔隙率與氧化物含量隨Ni20Cr4B的增加而減小，顯著低于大氣等離子噴涂常規金屬涂層。復合涂層的結合強度與抗石英砂料漿磨損性能隨涂層中Ni20Cr4B的增加而提高，Cu與Ni20Cr4B體積比為1∶2復合涂層的結合強度達到54.2 MPa，抗石英砂漿料磨損性能約為商用丙烯酸防污涂層的16倍。Cu-Ni20Cr4B復合涂層均可穩定的釋放Cu2+且均表現出優異的抗菌性能，與TC4鈦合金相比，抗菌率可達99.3%以上。實海掛片測試結果表明，Cu-Ni20Cr4B涂層表現出優異的抗海洋生物附著性能。

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07

等離子噴涂樹脂基體抗氧化材料及涂層的研究

引用格式: 高藩, 何鑫, 柳彥博, 牟廣義, 劉少璞, 劉玲, 馬壯. 等離子噴涂樹脂基體抗氧化材料及涂層的研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 100-116.

論文摘要：

隨著航空發動機的日益發展，燃燒室火焰溫度的不斷提高，廣泛應用于航空發動機冷端部件的樹脂基復合材料面臨著更加嚴苛的氧化燒蝕環境，而在樹脂基復合材料表面制備抗氧化燒蝕涂層則是一種有效可行的應對策略。在各類涂層方案及體系中，兼具隔熱、抗氧化、應力緩沖等特點的多層結構體系受到廣泛關注，該研究提出Al/NiCoCrAl/YSZ三層結構涂層，并使用酚醛樹脂和SiO2對YSZ進行改性，利用噴霧造粒的方法對改性后的復合粉體進行制備，使用大氣等離子噴涂方法在碳纖維增強的聚酰亞胺基復合材料表面制備涂層樣品。在熱流密度為100 J/(m2·s)的氧乙炔燃流條件下，酚醛樹脂含量為6wt.%改性的涂層的防護效果最佳，試樣的線燒蝕率為4.42×10-4 mm/s，質量燒蝕率為9×10-6 g/s。

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08

CoCrFeNi摻雜DLC薄膜的摩擦載荷敏感性研究

引用格式:張維堯, 韓世超, 馬三保, 李振, 陳朱池, 趙海朝, 馬國政, 周野飛. CoCrFeNi摻雜DLC薄膜的摩擦載荷敏感性研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 117-127.

論文摘要：

類金剛石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜作為一種性能優異的固體自潤滑涂層，在工業中已經得到了廣泛的應用。然而，在高摩擦載荷工況下，DLC薄膜常受限于高殘余應力和韌性不足等問題。為提高薄膜在高摩擦載荷下的使役能力，采用非平衡離子束輔助增強磁控濺射技術在304不銹鋼基體上制備了不同CoCrFeNi高熵合金摻雜量的DLC薄膜，并對其微觀結構、納米力學性能、摩擦磨損性能及機制進行了研究。結果表明，隨著CoCrFeNi摻雜量的增加，DLC薄膜中sp2雜化碳含量上升，薄膜表面處的ID/IG值由1.27提升至2.33，G峰從1 540 cm-1上升至1 558 cm-1。同時，內應力由1.51 GPa下降至0.64 GPa。在微納力學性能方面，當摻雜靶電流為0.6 A時，薄膜的硬度和彈性模量保持穩定，并且其摩擦因數和磨損率也表現出最優的減摩耐磨性能。然而，當摻雜靶電流超過0.6 A時，過高的摻雜量導致薄膜結構破壞，力學性能和摩擦學性能都出現了明顯的下降。

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09

雙相不銹鋼CMT-P電弧等離子體傳熱行為研究

引用格式: 劉博, 張志強, 康嘉杰, 徐連勇, 龔攀, 羅任植, 張天剛. 雙相不銹鋼CMT-P電弧等離子體傳熱行為研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 128-140.

論文摘要：

冷金屬過渡與脈沖(Cold metal transfer with pulse,CMT-P)技術拓寬了電弧成形過程中的熱輸入范圍，并在雙相不銹鋼再制造修復過程中實現了對熱輸入的精確控制。然而，目前對于雙相不銹鋼CMT-P電弧成形過程中的熱量傳輸、電弧形態和熔池流動等復雜物理過程尚不清楚。因此為了解決這一問題，采用雙相不銹鋼為研究對象，基于電磁動力學、流體力學及熱力學等多學科理論，構建一個三維瞬態CMT-P電弧熔池多物理場耦合數值模型，闡明雙相不銹鋼CMT-P電弧成形過程中的傳熱行為。結果表明在脈沖階段，弧柱區溫度與輸入電流存在正相關。在CMT階段中，弧柱區溫度不僅與輸入電流存在正相關也會受到導電通路的影響。在送絲階段，弧柱區溫度隨著導電通路的減小呈現著先增大后減小的變化趨勢。此外，導電通路的減小會導致電流密度增大和高速區消失，進而增強了送絲階段的成形穩定性。熔池形貌呈現雙橢球狀，并且熔池溫度場形貌的變化與輸入電流之間存在著滯后效應。

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10

Al0.6CoCrFeNiTi/TiC高熵合金熔覆層組織與摩擦磨損行為

引用格式:程靖越, 姚海華, 趙萬新, 楊延格, 王國紅, 周正. Al0.6CoCrFeNiTi/TiC高熵合金熔覆層組織與摩擦磨損行為[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 141-151.

論文摘要：

針對連鑄輥表面耐磨防護需求，采用激光熔覆技術制備Al0.6CoCrFeNiTi/TiC高熵合金熔覆層，研究TiC析出量對熔覆層組織與不同溫度下摩擦磨損行為的影響。結果表明，HEA-C0熔覆層(無TiC析出)由無序BCC結構的A2相(富Fe-Cr)和有序BCC結構的B2相(富Al-Ni-Ti)構成。隨著TiC析出量增加，固溶Ti元素含量減少，熔覆層基體組織向A2相轉變，且A2相硬度逐漸降低。HEA-C0熔覆層磨損率隨溫度上升而顯著增大，呈現出較強的溫度敏感性。TiC析出相在高溫下強化作用顯著，但A2相硬度降低對熔覆層耐磨性有不利影響，綜合作用下HEA-C0.5(TiC部分析出)熔覆層從室溫至600℃具有相對最為優異的耐磨性。高熵合金熔覆層磨損機制隨溫度升高發生轉變，25℃時主要為疲勞磨損和輕微氧化磨損，300℃時由粘著磨損和磨粒磨損主導，600℃時轉變為氧化磨損和磨粒磨損為主。

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11

激光電弧復合增材制造鋁合金的組織和性能研究

引用格式:賀世偉, 朱麗娜, 張志強, 康嘉杰. 激光電弧復合增材制造鋁合金的組織和性能研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 152-163.

論文摘要：

激光電弧復合增材制造過程中成形質量控制及微觀組織演變規律等較焊接過程更為復雜。為了明確掃描速度對激光電弧復合增材制造高強鋁合金成形質量、微觀組織以及顯微硬度等的影響規律，以2024高強鋁合金為研究對象，采用激光與冷金屬過渡加脈沖(Cold metal transfer and plus，CMT-P)電弧復合增材制造技術制備了不同掃描速度下的薄壁構件。研究掃描速度對薄壁構件的成形質量、微觀組織演變規律以及顯微硬度的影響規律。研究結果表明，合理調節掃描速度可以有效提高薄壁構件的成形精度以及降低增材制造過程中的飛濺程度；所有試樣均呈現周期性明暗分層結構，其晶粒結構沿沉積方向呈現梯度演變特征，底部區域為定向生長的柱狀晶，頂部區域由粗大的柱狀晶和等軸晶的混合結構組成；同時，不同掃描速度下的增材試樣沿著增材方向從下到上的顯微硬度走勢基本相同，且增材試樣穩定區域的顯微硬度是基板硬度的80%～85%，其基本保持在90～115 HV0.98N。

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12

超聲輔助激光熔覆Ni-WC梯度復合涂層組織及性能研究

引用格式:郝敬賓, 杜沁, 牛慶偉, 付天池, 劉昊, 楊海峰, 劉新華. 超聲輔助激光熔覆Ni-WC梯度復合涂層組織及性能研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 164-177.

論文摘要：

隨著工業機械裝備在極端環境中對關鍵部件表面性能要求的提高，Ni-WC功能梯度材料(Functionally graded material，FGM)在提升關鍵部件表面性能方面展現出更加廣泛的應用潛力。本研究采用超聲輔助激光熔覆技術(Ultrasonic-assisted laser cladding，UALC)在H13鋼基板上制備Ni-WC梯度復合涂層，通過控制WC顆粒與Ni60粉末的混合比例，成功構建三種不同WC含量的涂層(WC15、WC25、WC35)。超聲振動的引入顯著優化了涂層的微觀結構，減少了內部缺陷(如：裂紋和氣孔)，提升了涂層的致密性和均勻性。結果表明：梯度設計和超聲輔助能有效減少涂層內部裂紋和氣孔，提高涂層成形質量；超聲輔助促進層間物質交換，減少應力集中和性能差異；超聲輔助的梯度涂層在硬度、耐磨性和抗沖擊性能方面均有提升，硬度相較于傳統多層單一WC25涂層提高了約10%、磨損率降低了55.56%、沖擊吸收功提升了18.7%；超聲梯度涂層展現出最佳的沖擊韌性，斷口分析顯示其具有更多的韌窩。研究結果證實了UALC技術在提升梯度涂層性能方面的有效性，為機械關鍵部件的表面強化提供了一種新的技術途徑。

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13

核用鋯合金表面CrAlX(X=Nb、Mo)涂層的硼鋰水腐蝕特性及摩擦學性能研究

引用格式:趙佳欣, 金國, 崔秀芳, 劉昌昊, 齊萌, 吳頔. 核用鋯合金表面CrAlX(X=Nb、Mo)涂層的硼鋰水腐蝕特性及摩擦學性能研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(10): 178-190.

論文摘要：

鋯合金因其優異的力學性能、抗腐蝕性能和低熱中子吸收截面，被廣泛應用于核工業，尤其是核燃料包殼材料。然而，其在苛刻服役工況下的耐磨性和耐腐蝕性能仍需進一步提升。為此，本研究采用激光熔覆技術，在鋯合金表面成功制備了摻入少量Nb和Mo元素的CrAl涂層，旨在提高其表面性能。通過對涂層的微觀組織、摩擦學性能及硼鋰水中的耐腐蝕性進行系統研究，結果表明，三種CrAlX涂層均由Cr-BCC相、富Zr相及Al2Zr-Laves相組成，摻入的Nb和Mo有效抑制了Zr元素向涂層中的稀釋。CrAlX涂層的顯微硬度顯著高于鋯合金基體，含Mo涂層硬度最高，達916.91 HV0.5，為基體的5.1倍。摩擦學性能測試結果顯示，含Mo涂層的摩擦因數和磨損失重最低，展現出最佳的耐磨性。電化學測試結果顯示，含Mo涂層的腐蝕電流密度最低，且其鈍化膜的致密性和抗點蝕能力最強。XPS分析揭示了CrAlX涂層鈍化膜中不完全氧化的Cr元素對其化學穩定性可能存在影響。因此，本研究為通過激光熔覆技術增強鋯合金表面性能，特別是在核工業中的應用，提供了重要的理論基礎和試驗支持。

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責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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