2019年, 第32卷, 第1期　刊出日期：2019-01-19

  

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综述论文
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  钛合金表面织构化与构建生物活性涂层的研究进展

  张颖鑫,徐勇,曾志翔

  中国表面工程. 2019, 32(1): 1-11.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181030002

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  医用钛合金作为临时基质的植入材料对周围新组织的生长具有特殊的诱导作用。针对椎弓根螺钉固定系统对钛合金基材表面机械性能和生物活性的共同需求，表面织构与生物活性涂层对钛合金表面的改性展示出独特的优越性。文中详细介绍了钛合金表面织构化对其摩擦学性能和生物相容性的影响，以及构建生物活性涂层的种类；总结了钛合金表面织构的作用机理，生物活性涂层的改善机制，阐述了表面织构化与构建生物活性涂层各自的局限性，并指出钛合金作为生物医用材料仍需要解决的问题及未来的研究趋势。
表面工程
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  织构参数对复合绝缘子硅橡胶表面疏水性能的影响

  赵美云,田森,吴阳,李伟,赵新泽

  中国表面工程. 2019, 32(1): 12-21.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181012001

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  为提高硅橡胶复合绝缘子抗污闪及冰闪能力，采用激光雕刻机在其伞裙试样表面加工一系列不同类型的织构，使其具有超疏水性。采用三维形貌仪、SEM观察织构表面形貌特征，采用接触角测量仪、高速摄像机等进行疏水性能分析。分析了织构参数对硅橡胶表面疏水性能的影响，得到各织构疏水性能最佳时的尺寸参数及水滴弹跳性能。结果表明：设计的表面织构可明显改善硅橡胶表面疏水性能；不同织构疏水性最佳时织构高度基本相同，但织构宽度和间距参数不同。凸起织构相较于凹坑织构表现出了更好的疏水性能，其中菱柱织构表面具有最优的超疏水综合特性，能够有效的减少水滴在表面的停留，减少覆冰。
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  仿生多尺度沟槽织构对表面摩擦性能的影响

  缪晨炜,郭智威,袁成清

  中国表面工程. 2019, 32(1): 22-30.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181010001

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  仿生织构是仿照生物结构在摩擦副表面加工出特定尺度的纹理结构，以达到预期的表面性能，在工况恶劣的机械摩擦中拥有广阔的应用前景。参考蚯蚓头部多尺度沟槽织构，基于沟槽织构的基本结构参数深度、宽度、间距，在球墨铸铁和灰铸铁表面设计并激光加工多种梯度变化的沟槽织构，利用RTEC多功能摩擦磨损试验机中的销盘模块进行试验，从摩擦因数、磨损量、表面形貌、能量损耗、SEM、元素分布等方面分析其表面摩擦性能及机理。结果表明：同种织构应用于不同材料表面时，摩擦副的摩擦性能会呈现差异性，材料应作为设计织构参数时考虑的要素之一；沟槽织构的结构参数是影响表面抗磨损能力的主要因素之一；间距梯度沟槽织构相较于其它类型的多尺度沟槽织构，拥有最佳的表面性能，得益于其优秀的油膜形成、补充、稳定以及磨屑储存、冲刷能力。
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  超疏水/超亲油铜网表面的一步法制备及其油水分离应用

  张东光,李陵汉,吴亚丽,王佳鹏,李冰,孙桓五

  中国表面工程. 2019, 32(1): 31-37.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180806001

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  以紫铜网为基体材料，通过阳极氧化一步法，制备了超疏水/超亲油铜网表面，利用热场发射电子显微镜、X射线光电子能谱分析仪、接触角测量仪和万能力学测试机对表面的微观结构，化学成分，润湿性和剥离强度进行表征。结果表明：当阳极氧化电压为10 V时，表面具有明显的微/纳二元粗糙结构，化学成分为豆蔻酸铜；表面上水滴接触角为153°±2.3°，且水滴在表面上的受到的粘附力极低，滚动角为7.5°，油滴接触角为0°；豆蔻酸铜牢固地附着在铜网上，表面具有良好的机械稳定性。油水分离试验表明，制备的超疏水/超亲油铜网对不同种类的油水混合液具有很好的分离效果，分离效率均达到96%以上；经过10次循环试验后，对煤油/水混合液的分离效率仍可达到90%以上，具有良好的可循环使用性。
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  新型光斑搭接对平顶激光冲击钛合金力学性能的影响

  李翔,何卫锋,聂祥樊,罗思海,杨竹芳

  中国表面工程. 2019, 32(1): 38-47.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180905002

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  针对平顶光束的特点，为简化工艺，提高加工效率，提出了一种简化加工过程的搭接率工艺方法。采用一种纵向25%、横向56.5%的搭接率工艺，并对该搭接率下的残余应力、显微硬度、高周疲劳极限等力学性进行验证，对比其与传统50%搭接率下的性能差异。结果表明：在新型搭接率下，平顶激光冲击钛合金表面产生的残余压应力均值为-564.5 MPa，影响深度达0.82 mm；在传统搭接率下，表面产生的残余压应力均值为-559.2 MPa，影响深度达0.81 mm。在新型和传统两种搭接率下，平顶激光冲击钛合金表面重叠次数多的位置，显微硬度平均值分别为570.9和562.6 HV_0.3，重叠次数少的显微硬度平均值分别为432.1和453.4 HV_0.3；钛合金截面上的硬化层深度均为0.4 mm。在新型和传统两种搭接率下，平顶光束冲击钛合金的疲劳极限分别为256.3和264.6 MPa。基于平顶光束，与传统工艺相比，简化的新型搭接率工艺可以获得较好的力学性能，并提高加工效率，降低加工成本。
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  喷丸强化DD6单晶合金中温单轴拉伸性能

  王欣,王科昌,许春玲,韩梅,刘青海,汤智慧

  中国表面工程. 2019, 32(1): 48-52.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180403001

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  为研究喷丸对单晶合金中温拉伸性能影响，采用陶瓷弹丸对DD6单晶合金（后简称单晶）进行喷丸，研究了[001]取向单晶原始/喷丸后600、650和850℃的单轴拉伸性能。采用显微硬度和透射电镜分析了喷丸单晶表层组织，并采用扫描电镜观察了拉伸断口。结果表明：喷丸对单晶中温抗拉、屈服强度及850℃拉伸塑性无影响，而喷丸后单晶的600和650℃拉伸塑性显著下降。650℃时，延长率和断面收缩率分别由16.1%和20.1%下降到喷丸后的3.8%和6.9%；600℃时，延长率和断面收缩率分别由10.5%和18.4%下降到喷丸后的2.8%和7.5%。喷丸单晶表面形成了以{111}交叉滑移孪晶面，与600和650℃拉伸主滑移面重合，孪晶使得拉伸过程进一步表面变形困难，内部金属变形受到限制，表现为喷丸单晶600和650℃拉伸塑性下降。单晶850℃拉伸过程中，除开动八面体滑移外，还开动了六面体滑移，未出现喷丸孪晶面与拉伸主滑移面重合问题，故喷丸不影响850℃单晶拉伸塑性。
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  N含量对ZrCuAl(N)涂层结构及抗腐蚀性能的影响

  吴玉美,葛芳芳,黄峰,王刚

  中国表面工程. 2019, 32(1): 53-62.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180928001

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  采用磁控溅射方法在ZrCuAl非晶涂层中掺杂不同含量N，采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等对涂层的显微结构进行表征，采用纳米压痕仪、显微硬度仪、划痕仪评估涂层的力学性能，通过极化试验评估涂层的抗腐蚀性能。结果表明，N掺杂可将涂层的硬度提高约3倍，弹性模量提高约2倍，结合力从1.51 N增加到22.76 N，但涂层的韧性有所下降。同时，N掺杂可使涂层发生钝化现象，提高涂层的耐腐蚀能力。当掺杂N原子数分数为35.8%时，涂层经极化试验后无点蚀现象，表面保持良好的形貌，无腐蚀迹象。因此，一定含量的N掺杂能同时提高Zr基非晶涂层的力学性能和耐蚀能力。
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  偏压对离子源辅助HiPIMS制备纳米TiN薄膜力学性能和耐蚀性能的影响

  贺贞,孙德恩,黄佳木

  中国表面工程. 2019, 32(1): 63-71.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180906002

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  为提高磁控溅射制备薄膜的致密度，减少结构缺陷，研究薄膜显微结构对硬度、韧性及耐蚀性能的影响，尝试在改变离子源和基材偏压的条件下，采用离子源辅助HiPMIS技术在304不锈钢和P型（100）晶向硅片上制备TiN纳米薄膜。采用扫描电子显微镜、小角X射线衍射仪对薄膜的形貌和晶体结构进行分析；采用纳米压痕仪和维氏硬度计分别测量计算薄膜的硬度和韧性，并通过电化学工作站对薄膜的耐蚀性能进行检测。结果表明：随着偏压的增加以及离子源的引入，离子的轰击效应增强，薄膜的沉积速率下降，致密度增加。偏压为-200 V时，薄膜的硬度达到最大值16.2 GPa，且对应的晶粒尺寸最小，（111）晶面衍射峰的强度最高。离子源的加入使所制备薄膜的硬度略有下降。此外，随着偏压的增加，薄膜的韧性和耐腐蚀性能也有一定提高。
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  自配对含氢类石墨碳薄膜超滑性能

  欧玉静,王永富,岳照凡,张俊彦

  中国表面工程. 2019, 32(1): 72-77.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181008004

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  采用等离子体增强化学气相沉积与原位渗氮复合技术在硅片和轴承钢球上制备了类石墨碳薄膜，将两者组成摩擦配伍对，并讨论自配对类石墨薄膜在氮气中摩擦学行为。利用往复摩擦机、扫描电子显微镜、三维表面轮廓仪考察自配对类石墨碳薄膜在不同载荷下摩擦磨损性能；采用高分辨透射电镜、拉曼光谱和红外吸收谱分析类石墨碳薄膜摩擦前后结构变化。摩擦测试结果表明：在载荷4 N时，薄膜摩擦因数为0.01；在8 N时，薄膜摩擦因数降低到0.005。这种变化归因于摩擦诱导薄膜结构进一步有序化以及沿滑动方向形成更加有序且更长石墨烯以及片状磨屑。证实了采用自配对碳薄膜方案是实现固体超滑一种有效途径。
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  热喷涂可磨耗涂层的三维显微结构

  汤智慧,郭孟秋,周子民,高俊国,王长亮

  中国表面工程. 2019, 32(1): 78-87.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180708001

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  采用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂在高温合金表面制备由金属粘结层NiCoCrAlYTa和陶瓷面层Dy₂O₃稳定的ZrO₂组成的可磨耗涂层，利用X射线显微镜（XRM）对涂层三维微观结构进行表征，结合扫描电子显微镜对经高温后的涂层孔隙、界面及裂纹演变进行研究。结果表明：在1100 ℃高温氧化条件下，随着氧化时间增加，粘结层中的富Ta相逐渐溶解并向晶界扩散，60 h后Ta元素完全固溶；粘结层/面层界面处形成双氧化层，由较致密均匀的氧化铝内层和混合氧化物外层构成；涂层的剥落失效主要由涂层中的裂纹缺陷导致，其在高温下优先沿界面、贯穿孔隙扩展。
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  WC晶体结构特征对HVOF喷涂纳米结构WC-CoCr涂层组织及性能的影响

  王大锋,马冰,陈东高,马良超,刘红伟,吴进明

  中国表面工程. 2019, 32(1): 88-97.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181128002

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  为提高纳米结构WC-CoCr涂层的综合力学性能，采用超音速火焰喷涂（HVOF）工艺制备纳米结构和超细结构WC-CoCr涂层。探讨了不同晶体特征的WC粉末对颗粒飞行和沉积变形过程的脱碳行为、涂层微观组织及力学性能的影响。结果表明：含有高密度位错的超细WC粉末在喷涂过程中发生了严重的氧化脱碳，形成了大量的W₂C相，涂层孔隙率较大，断裂韧性显著降低。而含有显著孪晶的纳米WC颗粒具有抑制WC脱碳和增强涂层断裂韧性的作用，纳米结构涂层呈现低脱碳率、高致密性、高硬度和高断裂韧性的优良综合性能。
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  CoCrNiAlY涂层制备工艺对组织形态及高温氧化行为的影响

  范念青,武芯羽,夏志新,巴依尔·白穆,赖云亭

  中国表面工程. 2019, 32(1): 98-107.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180927002

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  为了研究CoCrNiAlY涂层微观组织结构对高温氧化行为和剥落行为的影响规律，采用激光熔覆技术和等离子喷涂工艺在718高温合金表面制备CoCrNiAlY涂层，观察其微观组织形态。利用XRD和SEM对1150 ℃高温氧化试验样品进行氧化层物相分析和形貌观察。结果表明，激光熔覆制备的CoCrNiAlY涂层中形成了胞状亚结构的等轴晶凝固组织，相对于等离子喷涂制备的CoCrNiAlY涂层结构更致密，具有更优异的抗高温氧化性能。在高温氧化过程中，等离子喷涂CoCrNiAlY涂层生成了以Cr₂O₃结构为主的复合氧化膜。激光熔覆CoCrNiAlY涂层生成Al₂O₃结构的单一氧化膜，而且熔覆层中原位形成的Y₂O₃钉扎作用能有效提高氧化膜的抗剥落性。文中系统分析讨论了两种不同工艺制备的组织形态对高温氧化膜形成机制的影响，激光熔覆涂层在高温下主要是以界面扩散方式形成致密的Al₂O₃膜，等离子喷涂涂层在高温下以界面反应的方式快速形成Cr₂O₃复合氧化膜。
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  开放条件下气流对激光重熔过程中氧化行为的影响

  叶正挺,方铮,杨高林,张群莉,VOLODYMYR Kovalenko,姚建华

  中国表面工程. 2019, 32(1): 108-116.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180918001

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  在激光加工过程中，保护气和载粉气对熔池氧含量有很重要的影响，为了减少在开放条件下激光加工过程中产生的氧化，需要研究保护气和载粉气工艺参数对激光加工过程中氧化行为的影响。以激光重熔45钢为例，通过测定熔池上方气氛以及重熔后基材表层的氧含量，对比研究了不同保护气流量、载粉气流量和离焦量对激光重熔过程中氧化行为的影响。结果表明：气流量较低时，气流卷吸周围空气，载粉气流量、保护气流量以及离焦量升高会加剧激光重熔时的氧化。当载粉气流量超过84 L/min时，大量氩气对周围空气进行了稀释，熔池上方气氛中的氧含量会有所降低。但是保护气流量过高会加剧熔池飞溅。降低熔池上方气氛中氧含量的气流量工艺参数为：保护气流量8.5 L/min，载粉气流量6.5 L/min。
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  T15高速钢异质材料激光熔覆过程的多相流模型

  王翔宇,王罡,罗升,尤浩兴,融亦鸣

  中国表面工程. 2019, 32(1): 117-123.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181026001

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  激光熔覆过程中熔池的演变包含能量输入、质量添加、高温金属液体流动、金属熔化凝固以及材料扩散等复杂过程。基于多相流理论，建立了T15高速钢在42CrMo基板上激光熔覆的物质传输模型。其中，质量添加与能量输入过程采用添加在熔池表面单元的源项模拟，而气液界面的捕捉则采用了CLSVOF方法。通过试验获得的熔覆层关键形貌参数，被用来验证数值模型的有效性。结果表明，T15高速钢由于其自身含有较高的硫含量，在激光熔覆熔池中，在Marangoni力的驱动下具有明显内向流动的特征。高温液体向下流动，形成较大的熔深。以熔覆层高度、深度、稀释率等3个形貌参数为比较依据，验证了异质材料激光熔覆的多相流模型，在不同工艺参数组合下试验值与仿真值均具有较好的一致性，证明了该模型可准确反映激光熔覆过程熔池内的微流动与物质传输行为。
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  激光熔覆工艺热-弹-塑-流多场耦合数值模拟与试验

  李昌,于志斌,高敬翔,韩兴,董欣

  中国表面工程. 2019, 32(1): 124-134.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180915001

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  熔覆过程存在极其复杂的传热及热-弹-塑-流多场耦合变化，将影响对流、传热、传质、凝固和相变，而熔覆中的急冷急热会产生复杂的残余应力与变形，产生熔覆裂纹，影响熔覆层质量。揭示熔覆过程中多场耦合演变机理是控制和避免产生熔覆裂纹的关键。文中以CALPHAD法计算温变物性参数，建立了碟片激光器激光熔覆过程多场耦合模型，综合考虑了光束与粉末间的相互作用，熔池表面张力、浮力对液态金属流动的影响，熔覆带的瞬时变化，计算得出了熔覆过程温度场、速度场、应力场的瞬时变化规律。运用Zeiss-∑IGMA HD扫描电镜进行金相实验，验证了所建模型的准确性。计算表明：形成近似2 mm×1.5 mm×1 mm椭球体熔池，最高温度在光斑中心偏后位置；700 ms后，等效热应力稳定在548 MPa左右，熔池底部热应力最大。该研究为减小和消除残余应力提供了有效途径与方法。
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  海洋细菌和舟形底栖硅藻在辣椒素防污涂层上的附着行为与机制

  高强,张占平,齐育红,孙晓峰,李占明

  中国表面工程. 2019, 32(1): 135-144.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180802003

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  针对目前含辣椒素防污涂层抑菌、抑藻试验主要集中在如金黄色葡萄球菌等特定菌种的情况，为了考察含辣椒素防污涂层对海洋微生物的影响，选取大连黄海海域的天然海洋细菌和舟形底栖硅藻作为研究对象，通过对添加辣椒素海水饱和溶液（60 mg/L）的天然新鲜海水和舟形底栖硅藻进行培养，研究了辣椒素对海洋细菌和底栖硅藻生长活性的影响。通过海洋细菌附着试验、海洋细菌的分层取样试验和底栖硅藻的叶绿素a值测定，研究了辣椒素及辣椒素涂层对海洋细菌和舟形底栖硅藻的作用机制。结果表明，海水饱和溶液浓度的辣椒素并不会对海洋细菌和舟形底栖硅藻的生长活性造成影响；含辣椒素防污涂层能够通过辣椒素的驱避作用有效地抑制海洋细菌在涂层表面附着；而辣椒素对舟形底栖硅藻在涂层上的附着无抑制作用。
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  磷化聚苯胺固化含环氧基硅树脂涂层的制备及性能

  李玉峰,张若男,李继玉,李怀阳,王万兵,李硕

  中国表面工程. 2019, 32(1): 145-151.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180830001

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  为了改善有机硅树脂的固化条件及其涂层的防腐蚀性能，以γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）、硅酸乙酯（TEOS）、二甲基二乙氧基硅烷（DMDMS）为硅烷单体，采用溶胶-凝胶法制备了含环氧基的硅树脂（ESiR），并以磷化聚苯胺（PANI）为固化剂制备了硅树脂防腐蚀涂层，分析了PANI固化含环氧基硅树脂的固化反应。通过测试固化时间、涂层的柔韧性和硬度、热失重曲线等考察了PANI添加量对涂层固化程度的影响；通过附着力、接触角、吸水率、电化学阻抗谱和极化曲线测试了PANI添加量对涂层性能的影响。结果表明：当PANI添加量（质量分数）为3 %时，得到的涂层固化效果较好，涂层既具有良好的柔韧性，又有较高的硬度；且涂层表现出较好的疏水性、附着力和优异的防腐蚀性能，其接触角为103.5°，吸水率为8.91%；涂层的干、湿附着力均为0级；腐蚀电流密度为7.58×10^-8 A/cm²，电化学阻抗值达到3.4×10⁶ Ω·cm²。
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  高分子复合润滑涂层对低碳钢表面摩擦学性能的影响

  缪军,龚红英,姜天亮,钱勇,廖泽寰,许志敏

  中国表面工程. 2019, 32(1): 152-159.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180802002

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  为替代磷化-皂化处理工艺，通过浸涂高分子复合润滑液的方法在低碳钢试样表面制备涂层。利用HT-500型球盘摩擦试验机考察了低碳钢在高分子复合润滑涂层、磷皂化膜、无润滑介质这3种不同润滑条件下摩擦学性能，同时分析了干摩擦接触表面上摩擦切应力，并应用VHX-600K型超景深显微镜对磨损表面形貌观察，探讨磨损机制。结果表明：高分子复合润滑涂层与磷皂化膜具有相接近的润滑减摩特性，摩擦因数与干摩擦相比分别减小67.33%和68.79%，对摩初期5 min内前者略低2.1%，且减摩性能都较稳定。此外，磨损机制与不同润滑条件下的摩擦行为有关。干摩擦过程中，磨粒磨损、氧化磨损起主导作用；表面有磷皂化膜的摩擦磨损机制主要为轻微磨粒磨损与少量氧化磨损；高分子复合润滑涂层作用下，表面磨损程度最小，主要表现为轻微磨粒磨损。