利用带有晶格结构的消耗性棒材进行摩擦表面处理，制备含银的不锈钢涂层

《Surface and Coatings Technology》：Fabrication of Ag-bearing stainless steel coatings using friction surfacing with lattice structured consumable bars

本研究将激光粉末床融合（LPBF）技术与摩擦表面处理（FS）结合，制备Ag掺杂不锈钢涂层，对比LPBF结构化耗材棒与预钻孔商用耗材棒的性能，发现前者实现更均匀的纳米银分布、细化晶粒（<5μm）、硬度提升至532HV，抗菌率达99.8%以上，且耐腐蚀性优于后者。

　　本研究探讨了将激光粉末床熔融（LPBF）技术与摩擦喷涂（Friction Surfacing, FS）技术相结合，用于制造含银（Ag）的不锈钢涂层的可行性。银作为一种贵金属，因其独特的物理和化学特性，如高反射率、优异的热电导率、延展性、耐腐蚀性和抗菌性能，广泛应用于电气、可再生能源、热管理以及生物医学等多个领域。然而，由于银与钢的互溶性较低，且银的热导率高、激光吸收率低，传统熔铸方法在制造含银不锈钢材料时存在一定的局限性，这导致了该领域的研究相对较少。因此，寻找一种能够有效引入银元素、同时保持不锈钢优良性能的新工艺显得尤为重要。

摩擦喷涂技术作为一种高效的表面处理方法，近年来被广泛应用于制造厚实、耐用且无缺陷的涂层。该技术通过旋转的可消耗棒（consumable bar）与基材表面接触，利用轴向力和摩擦热使材料以连续层的形式转移到基材上。这种工艺不仅能够实现均匀的晶粒结构，还能够显著提升涂层的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性。然而，摩擦喷涂在制造含银不锈钢涂层时也面临一些挑战，如银颗粒的分布不均、涂层厚度受限于可消耗棒上预钻孔的深度（通常在12至30毫米之间），以及如何在不损害基材性能的前提下实现银的有效掺杂。

为了克服这些限制，本研究提出了一种创新的制造方法，即通过激光粉末床熔融技术制造具有晶格结构的中空可消耗棒，结合摩擦喷涂技术的机械合金化能力，以实现含银不锈钢涂层的高效制备。这种新型方法不仅能够突破传统摩擦喷涂中因预钻孔深度限制导致的涂层厚度问题，还能通过调整晶格结构的尺寸参数来精确控制银的含量，从而优化涂层的抗菌性能和机械性能。在实验过程中，两种类型的可消耗棒均填充了相同比例的预混合AISI 316L不锈钢粉与纯银粉，通过对比分析其微观结构、硬度、电化学性能以及抗菌效果，验证了该方法的优越性。

实验结果表明，无论是使用LPBF制造的晶格结构可消耗棒还是传统预钻孔的商业可消耗棒，所制备的含银不锈钢涂层均表现出超过99%的抗菌效果。然而，使用LPBF制造的晶格结构可消耗棒所制备的涂层在银颗粒分布的均匀性、晶粒尺寸的细化以及硬度和耐腐蚀性能方面均优于传统方法。这一现象主要归因于LPBF技术在制造可消耗棒过程中能够形成更加精细的晶格结构，从而在摩擦喷涂过程中促进银元素的均匀扩散。此外，LPBF制造的可消耗棒在喷涂过程中能够提供更稳定的材料供给，避免了因预钻孔深度不足而导致的涂层厚度限制问题。

在微观结构分析方面，研究团队利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱仪（EDS）对涂层进行了详细的表征。结果显示，两种类型的可消耗棒在喷涂过程中均能形成连续且致密的涂层层，且涂层与基材之间的结合强度较高。然而，LPBF制造的晶格结构可消耗棒所形成的涂层在微观结构上更加均匀，银颗粒的分布更为精细，这有助于提升涂层的抗菌性能。此外，晶格结构的引入还有效减小了涂层的晶粒尺寸，从而增强了其机械性能和耐腐蚀性。

在抗菌性能测试中，研究团队选择了两种常见的细菌菌株——大肠杆菌（*Escherichia coli*）和金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）作为测试对象。测试结果显示，无论使用哪种类型的可消耗棒，所制备的含银不锈钢涂层均表现出优异的抗菌能力，其抗菌率均超过99%。值得注意的是，使用LPBF制造的晶格结构可消耗棒所制备的涂层在抗菌性能方面表现出更高的稳定性，这可能与其更均匀的银颗粒分布以及更精细的微观结构有关。

在电化学性能测试中，研究团队通过电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线分析方法，评估了涂层的耐腐蚀性能。结果表明，两种类型的可消耗棒所制备的涂层均具有良好的耐腐蚀性，但在某些测试条件下，使用LPBF制造的晶格结构可消耗棒所形成的涂层表现出更高的耐腐蚀能力。这可能是因为晶格结构的引入不仅优化了银的分布，还通过细化晶粒和减少缺陷提高了涂层的整体性能。

此外，研究团队还对两种类型的可消耗棒进行了设计和制造方面的分析。对于传统预钻孔的商业可消耗棒，其孔径和深度是固定的，因此在喷涂过程中银的含量和分布受到一定限制。相比之下，使用LPBF制造的晶格结构可消耗棒则具有更高的设计自由度，可以通过调整晶格结构的尺寸参数来精确控制银的含量。这种灵活性使得该方法在制造含银不锈钢涂层时具有更大的优势。

在实际应用中，含银不锈钢涂层因其优异的抗菌性能而被广泛应用于医疗器械、食品加工设备以及建筑装饰等领域。然而，传统方法在制造这类涂层时往往面临银含量控制困难、涂层厚度受限以及表面质量不佳等问题。本研究提出的新方法通过结合LPBF和FS技术，不仅解决了这些问题，还进一步提升了涂层的性能。这为未来在抗菌材料领域的发展提供了新的思路和技术路径。

本研究的创新之处在于，通过激光粉末床熔融技术制造具有晶格结构的中空可消耗棒，从而实现对银元素的精确控制和均匀分布。这种技术的应用使得摩擦喷涂工艺能够更加高效地制造含银不锈钢涂层，同时避免了传统方法中因银含量过高而导致的材料性能下降问题。此外，该方法还能够在不显著影响涂层耐腐蚀性能的前提下，实现银元素的高含量掺杂，从而满足不同应用场景对材料性能的需求。

在研究过程中，团队还对实验参数进行了优化，以确保涂层的质量和性能。例如，通过调整摩擦喷涂的速度、压力以及可消耗棒的旋转速度，能够进一步优化银颗粒的分布和涂层的均匀性。此外，对粉末混合物的配比和粒径进行了细致的控制，以确保其在摩擦喷涂过程中的稳定性和均匀性。这些优化措施不仅提高了实验的成功率，也为未来大规模生产提供了可行的方案。

综上所述，本研究通过将激光粉末床熔融技术与摩擦喷涂技术相结合，成功制备了具有优异抗菌性能的含银不锈钢涂层。实验结果表明，这种新型方法在银含量控制、颗粒分布均匀性以及涂层性能提升方面均优于传统方法。未来，随着该技术的进一步发展和优化，有望在更多领域实现含银不锈钢涂层的广泛应用，为抗菌材料的开发和应用提供更加可靠的技术支持。