0 引言

先進(jìn)材料是實(shí)現(xiàn)核電、船舶、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星 及航空航天飛行器等先進(jìn)裝備高性能、高可靠 性、輕量化、小型化的基礎(chǔ)和保障。隨著我國(guó)海 洋工程、空間站、深空探測(cè)、重型運(yùn)載火箭、大飛 機(jī)、天地往返以及核電等重大戰(zhàn)略工程的實(shí)施， 在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)、輻射環(huán)境 等條件下，關(guān)鍵部件材料可靠防護(hù)與長(zhǎng)期可靠服 役成為限制上述高端裝備發(fā)展的主要瓶頸之一， 其中苛刻工況下材料的腐蝕、磨損是主要失效行 為。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)材料的腐蝕與防護(hù)、減 摩與潤(rùn)滑、耐磨與強(qiáng)化以及維修與再制造 4 個(gè)領(lǐng) 域開(kāi)展了大量研究。針對(duì)海洋大氣、深海、高原 嚴(yán)寒以及核輻照環(huán)境開(kāi)展了材料腐蝕機(jī)制與防護(hù) 技術(shù)研究；針對(duì)航空航天、地質(zhì)鉆探等行業(yè)，開(kāi) 展了長(zhǎng)壽命固體潤(rùn)滑、高溫固體潤(rùn)滑、材料表層 硬化等潤(rùn)滑與強(qiáng)化技術(shù)研究；針對(duì)裝備的修復(fù)與 延壽，創(chuàng)立了再制造技術(shù)領(lǐng)域，并開(kāi)展了大量研 究。以下將從這幾個(gè)方面綜述苛刻環(huán)境下材料表 面防護(hù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展情況。

1 腐蝕與防護(hù)技術(shù) 

材料的腐蝕問(wèn)題伴隨材料的設(shè)計(jì)而產(chǎn)生，一 直影響其服役壽命。隨著我國(guó)高端裝備的發(fā)展， 材料的應(yīng)用環(huán)境愈發(fā)嚴(yán)酷，對(duì)材料的防護(hù)提出更 高的要求。軍事裝備作為國(guó)防建設(shè)的核心內(nèi)容之 一，具有種類(lèi)多、數(shù)量大、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)以及應(yīng)用 環(huán)境復(fù)雜多樣的特點(diǎn)[1]。尤其是飛機(jī)、船舶和核電 等大型裝備，通常要求其能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境中長(zhǎng) 期使用，任何一個(gè)零部件的腐蝕都會(huì)給整個(gè)裝備 帶來(lái)安全隱患，影響裝備運(yùn)行服役。在諸多自然 環(huán)境中，海洋是極為苛刻的腐蝕環(huán)境，普通的材 料氧化膜對(duì)于海洋環(huán)境的保護(hù)作用較弱。據(jù)不完 全統(tǒng)計(jì)，海洋腐蝕損失約占材料總腐蝕損失的 1/3，因此海洋腐蝕導(dǎo)致的損失是遠(yuǎn)高于其他環(huán)境 腐蝕[2]。針對(duì)海洋環(huán)境中機(jī)械腐蝕、電化學(xué)腐蝕及 生物腐蝕作用影響，其防護(hù)主要分為 3 個(gè)方面：材料的選擇和合理設(shè)計(jì)，材料的表面保護(hù)，以及 外加電流或犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)。此外，極地高原地區(qū)材料老化、風(fēng)蝕和磨 蝕，以及核反應(yīng)堆中高溫高壓和輻照等問(wèn)題同樣 值得引起關(guān)注。

1.1 海洋大氣環(huán)境腐蝕與防護(hù) 

海洋大氣腐蝕主要由潮濕大氣環(huán)境下的薄液 膜所導(dǎo)致，腐蝕多發(fā)生在高溫高濕的沿海地區(qū)。尤其是當(dāng)高溫高濕的海洋大氣中含有酸性污染物 或者鹽分顆粒時(shí)，腐蝕問(wèn)題將進(jìn)一步加重。高溫 高濕的大氣環(huán)境會(huì)造成金屬基材的腐蝕，例如輕 武器在高溫高濕的海洋大氣環(huán)境中常發(fā)生的彈匣 斑塊腐蝕等；同時(shí)極易導(dǎo)致裝備涂鍍保護(hù)層的失 效，例如彈箭在儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生的涂層老化、膜 下腐蝕、鼓泡、脫落等；高溫高濕大氣環(huán)境還會(huì) 引起橡膠、塑料等非金屬材料的變形、變脆、龜 裂、溶脹、長(zhǎng)霉等現(xiàn)象[1]。采用涂層表面防護(hù)技術(shù)對(duì)軍事裝備進(jìn)行防護(hù) 是目前廣泛應(yīng)用且行之有效的防腐技術(shù)之一。表 面防護(hù)涂鍍層的設(shè)計(jì)與選擇需充分考慮軍事裝備 不同的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)實(shí)際需要研究具有特殊功 能的涂鍍層防護(hù)體系。例如杜克勤等[3] 采用雙極 性脈沖控制方式對(duì)鎂合金進(jìn)行微弧氧化，改善了 其膜層的抗腐蝕性能。Li 等[4] 通過(guò)直流磁控濺射 在 316L 不銹鋼上制造了具有不同調(diào)制周期的 Cr/GLC 多層膜，顯著提高了其人工海水中的摩擦 磨損性能。對(duì)于容易受到海水浸泡的艦艇表面， 采用電弧噴涂鋅、鋁涂層等賦予艦艇金屬表面優(yōu) 良的耐海水腐蝕能力[5]。應(yīng)對(duì)海水中微生物的附著 及腐蝕問(wèn)題，船舶工業(yè)中采用了具有防污功能及 殺菌功能的智能涂層進(jìn)行涂裝[6]。除上述幾種常用 表面涂鍍技術(shù)外，其它表面防護(hù)技術(shù)，如非晶態(tài) 合金化學(xué)鍍層、納米顆粒復(fù)合涂層等同樣展現(xiàn)出 了巨大的應(yīng)用潛力[7]。目前石墨烯涂層以及自修復(fù)涂層等是海洋防 腐涂層近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。對(duì)于石墨烯的研究， Chen 等[8] 制備的石墨烯涂層，其抗氧化性相對(duì)于 原來(lái)的 Cu/Ni 基體有大幅度提高。對(duì)于石墨涂料 的研究主要集中于有機(jī)涂料、無(wú)機(jī)涂料兩類(lèi)， Prasai 等[9] 最早發(fā)明制備石墨烯涂料的方法，即以 聚甲基丙烯酸甲酯為中間介質(zhì)將需要的石墨烯涂 層制備在基體表面，材料的抗腐蝕性能得到了大 幅度提升。另外，石墨烯也可以用于對(duì)現(xiàn)有涂料 的改性，例如中科院寧波材料所[10] 將石墨烯添加 到水性環(huán)氧涂料，與純環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂料相比， 其涂層的性能得到改善。另一方面，石墨烯改性 在無(wú)機(jī)涂料領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，萬(wàn)春玉等[11] 研1.1 海洋大氣環(huán)境腐蝕與防護(hù) 海洋大氣腐蝕主要由潮濕大氣環(huán)境下的薄液 膜所導(dǎo)致，腐蝕多發(fā)生在高溫高濕的沿海地區(qū)。尤其是當(dāng)高溫高濕的海洋大氣中含有酸性污染物 或者鹽分顆粒時(shí)，腐蝕問(wèn)題將進(jìn)一步加重。高溫 高濕的大氣環(huán)境會(huì)造成金屬基材的腐蝕，例如輕 武器在高溫高濕的海洋大氣環(huán)境中常發(fā)生的彈匣 斑塊腐蝕等；同時(shí)極易導(dǎo)致裝備涂鍍保護(hù)層的失 效，例如彈箭在儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生的涂層老化、膜 下腐蝕、鼓泡、脫落等；高溫高濕大氣環(huán)境還會(huì) 引起橡膠、塑料等非金屬材料的變形、變脆、龜 裂、溶脹、長(zhǎng)霉等現(xiàn)象[1]。采用涂層表面防護(hù)技術(shù)對(duì)軍事裝備進(jìn)行防護(hù) 是目前廣泛應(yīng)用且行之有效的防腐技術(shù)之一。表 面防護(hù)涂鍍層的設(shè)計(jì)與選擇需充分考慮軍事裝備 不同的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)實(shí)際需要研究具有特殊功 能的涂鍍層防護(hù)體系。例如杜克勤等[3] 采用雙極 性脈沖控制方式對(duì)鎂合金進(jìn)行微弧氧化，改善了 其膜層的抗腐蝕性能。Li 等[4] 通過(guò)直流磁控濺射 在 316L 不銹鋼上制造了具有不同調(diào)制周期的 Cr/GLC 多層膜，顯著提高了其人工海水中的摩擦 磨損性能。對(duì)于容易受到海水浸泡的艦艇表面， 采用電弧噴涂鋅、鋁涂層等賦予艦艇金屬表面優(yōu) 良的耐海水腐蝕能力[5]。應(yīng)對(duì)海水中微生物的附著 及腐蝕問(wèn)題，船舶工業(yè)中采用了具有防污功能及 殺菌功能的智能涂層進(jìn)行涂裝[6]。除上述幾種常用 表面涂鍍技術(shù)外，其它表面防護(hù)技術(shù)，如非晶態(tài) 合金化學(xué)鍍層、納米顆粒復(fù)合涂層等同樣展現(xiàn)出 了巨大的應(yīng)用潛力[7]。目前石墨烯涂層以及自修復(fù)涂層等是海洋防 腐涂層近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。對(duì)于石墨烯的研究， Chen 等[8] 制備的石墨烯涂層，其抗氧化性相對(duì)于 原來(lái)的 Cu/Ni 基體有大幅度提高。對(duì)于石墨涂料 的研究主要集中于有機(jī)涂料、無(wú)機(jī)涂料兩類(lèi)， Prasai 等[9] 最早發(fā)明制備石墨烯涂料的方法，即以 聚甲基丙烯酸甲酯為中間介質(zhì)將需要的石墨烯涂 層制備在基體表面，材料的抗腐蝕性能得到了大 幅度提升。另外，石墨烯也可以用于對(duì)現(xiàn)有涂料 的改性，例如中科院寧波材料所[10] 將石墨烯添加 到水性環(huán)氧涂料，與純環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂料相比， 其涂層的性能得到改善。另一方面，石墨烯改性 在無(wú)機(jī)涂料領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，萬(wàn)春玉等[11] 研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)機(jī)防腐涂料中添加石墨烯，在涂覆 量?jī)H有 100~150 mg /dm2 的情況下，涂層的抗鹽霧 能力可高達(dá) 1200 h，說(shuō)明其防腐性能得到大幅度 改善。沈海斌等[12] 用石墨烯代替金屬鉻添加到達(dá) 克羅涂料中，涂層也可以具有較好的抗腐蝕性 能，同時(shí)對(duì)于環(huán)境也十分友好。自修復(fù)防腐涂層是新興智能防護(hù)涂層的一 種，當(dāng)涂層被破壞損傷后，涂層在一定條件下恢 復(fù)其抗腐蝕的性能?，F(xiàn)有的自修復(fù)涂層主要分為 自主修復(fù)和非自主修復(fù)兩類(lèi)，自主修復(fù)涂層常以 包埋的成膜物質(zhì)或緩蝕劑對(duì)受損涂層進(jìn)行修復(fù)。Yang 等[13] 采用界面聚合的方法，異氰酸酯與水分 子反應(yīng)填充涂層損壞后的缺陷。Aoki 等[14] 在醇酸 樹(shù)脂涂層加入十二烷胺緩蝕劑，驗(yàn)證了緩蝕劑可 以減弱其腐蝕。對(duì)于非自主修復(fù)類(lèi)的涂層，依靠 溫度、光照等外界環(huán)境對(duì)涂層進(jìn)行修復(fù)，Guo 等[15] 設(shè)計(jì)出一種基于紫外光引發(fā)陽(yáng)離子聚合的修 復(fù)涂層。

1.2 深海環(huán)境腐蝕與防護(hù) 

在深海領(lǐng)域海水的溶解氧含量、鹽度、溫度 及生物條件等都與淺海有一定差異，材料在深海 領(lǐng)域中的腐蝕行為與淺海有所不同[16-17]。就海水中 的溶氧量而言，隨著海洋深度的增加，海洋中的 溶解氧逐漸降低，但由于有洋流的補(bǔ)充，深海領(lǐng) 域中溶解氧又會(huì)逐漸增加。其次，深海領(lǐng)域中的 鹽度含量約為 35PSU，不會(huì)隨深海深度有所改 變[18]。隨著海洋深度的增加，海水的溫度逐漸降 低，這樣會(huì)降低陰極和陽(yáng)極過(guò)程的反應(yīng)速度，同 時(shí)可以降低氧的擴(kuò)散速率，深海環(huán)境中材料的腐 蝕有所減緩，尤其是碳鋼等金屬材料。此外，由 于微生物的存在，金屬材料在淺海中腐蝕較為嚴(yán) 重，而在深海領(lǐng)域中海洋微生物數(shù)量稀少，材料 的腐蝕多是由厭氧菌造成的，這種情況多發(fā)生于 深海海底。東北大學(xué)的研究者通過(guò)搭建系列深海 模擬裝置，研究發(fā)現(xiàn)深海環(huán)境的電化學(xué)腐蝕更加 嚴(yán)重，而犧牲陽(yáng)極性能下降，電偶腐蝕加劇[19]。深海領(lǐng)域設(shè)備腐蝕防護(hù)的主要措施有防腐涂 層和陰極保護(hù)。與淺海防腐涂層不同，深海環(huán)境 下涂層的防護(hù)性能和服役壽命主要與高水壓下涂 層的滲透行為有關(guān)。國(guó)外對(duì)深海環(huán)境中各類(lèi)設(shè)備 的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，都是以環(huán)氧 類(lèi)涂層為主，但尚未建立針對(duì)深海裝備的耐壓力防腐蝕涂層的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。國(guó)內(nèi)對(duì)于深海裝備 防腐涂層，要求其服役壽命一般不低于 15 年，但 目前其使用壽命距要求還有一定差距，而國(guó)內(nèi)深 海裝備防腐涂層主要有環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)防腐涂層、氟 碳防腐涂層及有機(jī)硅樹(shù)脂涂層等。相對(duì)于淺海， 陰極保護(hù)在深海環(huán)境下的中腐蝕防護(hù)系統(tǒng)因?yàn)樗?壓的問(wèn)題發(fā)生了較大變化。就犧牲陽(yáng)極保護(hù)而 言，其抗腐蝕性能在深海環(huán)境下有所下降。國(guó)外 的科研人員為解決其防護(hù)問(wèn)題需要在不同海域、 不同深度進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試研究，以開(kāi)發(fā)更 合適的犧牲陽(yáng)極材料。國(guó)內(nèi)在深海環(huán)境下陰極保 護(hù)方面的研究主要集中在保護(hù)機(jī)制和影響因素等 方面，并得到一個(gè)完整的大數(shù)據(jù)。

1.3 極寒、高原腐蝕與防護(hù) 

相對(duì)于常見(jiàn)氣候，極寒、高原地區(qū)的環(huán)境更 為嚴(yán)苛。高原環(huán)境主要為極端高低溫和高輻照強(qiáng) 度；氣溫低和風(fēng)速高也是極地的氣候特征，如北 極地區(qū)，其溫度最低達(dá)–60 ℃，風(fēng)速最大達(dá) 50 m/s。此外，極地環(huán)境還存在碎冰磨蝕等問(wèn)題。極寒、高原地區(qū)的防腐有機(jī)涂層包括傳統(tǒng)的 環(huán)氧涂層、醇酸涂層以及聚氨酯涂層等。丙烯酸 樹(shù)脂面漆也具有較好的耐候性，與環(huán)氧漆和醇酸 漆相比，其光澤保持度較好，適合在較低溫度下 使用。極寒、高原環(huán)境雖低溫干燥，但臭氧濃度 高、紫外輻照較強(qiáng)，涂層老化較快，粘結(jié)力降 低、變色、粉化、失去光澤等。針對(duì)于極寒環(huán)境的 研究熱點(diǎn)是通過(guò)降低涂層表面的粘附力實(shí)現(xiàn)抗結(jié) 冰目的，主要分為犧牲性涂層、疏冰涂層和超疏 水涂層 3 大類(lèi)[20]。Ayres 等[21] 通過(guò)溶膠-凝膠法制 備出一種抗結(jié)冰緩釋涂層，可以有效的減小表面 結(jié)冰附著力，抗結(jié)冰效果明顯。美國(guó) NuSil 公司 開(kāi)發(fā)出一種有機(jī)硅涂層，其抗結(jié)冰效果明顯，是 少有的疏冰涂層[22]。而抗結(jié)冰涂層絕大部分是超 疏水涂層涂層，Wang 等[23] 制備了納米級(jí)氟碳膜 涂層，可以有效地延遲結(jié)冰時(shí)間。金屬裝備及構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕斷裂同樣是極 地、高寒防腐領(lǐng)域面臨的重點(diǎn)問(wèn)題之一。應(yīng)力腐 蝕一般發(fā)生在較低的應(yīng)力和腐蝕性較弱的介質(zhì) 中，斷裂失效發(fā)生突然，危害極大。飛機(jī)的金屬 構(gòu)件中，例如門(mén)框、翼梁、螺旋槳轂等[24]，均會(huì)因 應(yīng)力腐蝕斷裂而遭受?chē)?yán)重破壞。高原荒漠中的沙塵會(huì)給軍用裝備、系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重磨蝕問(wèn)題[25]。例如直升機(jī)旋翼誘 發(fā)的湍流氣流中裹挾的沙塵碎石會(huì)磨損飛機(jī)的活 動(dòng)部件、金屬表面以及涂鍍層。細(xì)小的沙塵顆粒 極易進(jìn)入機(jī)身內(nèi)部，并破壞機(jī)體內(nèi)部的精密金屬 結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)。針對(duì)易遭受風(fēng)沙磨損的飛機(jī)鋁 基體蒙皮和其他金屬結(jié)構(gòu)件，采用帶有彈性聚氨 酯面漆的復(fù)合涂層能夠有效抵御砂石等堅(jiān)硬物質(zhì) 的磨蝕[26]。激光熔覆銅基、鎳基合金涂層以其硬 度高、耐磨性好等特點(diǎn)，被用于延緩火炮駐退機(jī) 節(jié)制環(huán)的磨損失效[27]。

1.4 核輻照腐蝕與防護(hù) 

對(duì)于核電技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)研究方向主要集 中在核電設(shè)備所用的燃料包殼、發(fā)電裝置等。但 是就核反應(yīng)堆而言，其高溫、高壓和強(qiáng)輻照所造 成的腐蝕對(duì)于材料的選用提出更苛刻的要求。鋯合金包殼的燃料體系已經(jīng)在輕水反應(yīng)堆 (Light water reactors, LWRs) 中成功使用了 40 多 年，表現(xiàn)出良好的抗輻照和抗腐蝕性能。在輕水 反應(yīng)堆這種苛刻環(huán)境下，對(duì)包殼材料及其他設(shè)備 的抗高溫、抗腐蝕的性能要求較高，最關(guān)鍵的是 材料也能抵抗輻照損傷。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果， 鋯合金的替代材料主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以 FeCrAl 為主的 Fe 基合金材料；另外一類(lèi)是陶瓷 材料如 SiC/SiC 復(fù)合材料、MAX 相陶瓷材料等。但不管是新型的合金材料還是陶瓷材料都存在一 定的問(wèn)題，就 Fe 基合金材料而言，其機(jī)械加工及 焊接需要進(jìn)一步研究；而陶瓷材料因?yàn)槠涔逃械?特性即脆性高、強(qiáng)度低等很難真正設(shè)計(jì)為包殼 結(jié)構(gòu)。同時(shí)，正開(kāi)發(fā)用于鋯合金的事故容錯(cuò)涂層， 該涂層可以在非正常高溫或 LOCA 條件下提供必 要的保護(hù)，也可以在 LWRs 中提高材料的抗高 溫、高壓、水蒸氣等性能。新型三元層狀結(jié)構(gòu) MAX 相陶瓷材料，具備較高的楊氏模量，較低的 維氏硬度和剪切模量，易加工，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能 較好等[28-30]。含鋁的 MAX 相材料氧化后產(chǎn)物為 Al2O3，由于其熱膨脹系數(shù)[30] 和氧化前基本一致， 使其能夠致密覆蓋在材料表面形成氧化膜?；?MAX 相材料的輻射耐受性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以將 其應(yīng)用于先進(jìn)核反應(yīng)系統(tǒng)中。MAX 相材料更高的 抗輻照損傷能力，可使目前的核反應(yīng)堆工作于更 高的溫度。國(guó)內(nèi)外對(duì) MAX 相涂層的制備進(jìn)行了 不斷嘗試，F(xiàn)rodelius 等[31] 采用超音速火焰法成功 在不銹鋼表面制備出厚度大于 100 μm 的涂層，并 且對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)分析；Zhang 等[32] 運(yùn)用離子噴 涂技術(shù)在 Inconel600 基體上噴涂 Ti2AlC 涂層，但 噴涂過(guò)程中 Ti2AlC 會(huì)發(fā)生分解，其最高的保有量 為 26.0%。Tang 等[33] 通過(guò)元素的非反應(yīng)磁控濺射 在 Zircaloy-4 基材合成致密的純相 Ti2AlC 涂層， 其厚度約為 5.5 μm；Maier 等[34] 在 Zircaloy-4 基體 上沉積了厚度 90 μm 的 Ti2AlC 涂層，700 °C 環(huán)境 空氣中的氧化試驗(yàn)和 1005 °C 下進(jìn)行的 LOCA 測(cè) 試表明，該涂層具有用于核燃料包殼的潛力。

2 減摩與潤(rùn)滑技術(shù) 

磨損失效是機(jī)械裝備失效的主要原因。減小 磨損的最有效辦法，是采用先進(jìn)的潤(rùn)滑材料和技 術(shù)。對(duì)于航空航天等高技術(shù)裝備來(lái)說(shuō)，服役工況 極端惡劣，經(jīng)常遭受高真空、高溫、高壓等特殊 考驗(yàn)，傳統(tǒng)的流體潤(rùn)滑技術(shù)已不再適用，固體潤(rùn) 滑技術(shù)為解決長(zhǎng)壽命高可靠性工程裝備設(shè)計(jì)制造 的瓶頸難題發(fā)揮了重要的作用。目前已經(jīng)發(fā)展了 以二硫化物屬、軟金屬、碳材料、聚合物、陶瓷氧 化物、氮化物、碳化物等為主的潤(rùn)滑材料體系， 采用了粉末冶金、涂料涂裝、真空氣相沉積 (PVD、 CVD 等)、熱噴涂 (等離子、超音速?lài)娡康?、激光 處理 (熔覆、合金化、熱處理、織構(gòu)化等)、液相表 面改性 (化學(xué)和電化學(xué)表面改性)、表層強(qiáng)化 (離子注入、滲碳、滲氮、噴丸等)、自組裝分子有序膜 等制備技術(shù)。隨著空間站、高推重比航空發(fā)動(dòng) 機(jī)、高溫氣冷堆等國(guó)家重大裝備工程的實(shí)施，對(duì) 潤(rùn)滑材料又提出了更高的要求：①服役環(huán)境更加 復(fù)雜、苛刻，對(duì)復(fù)雜多環(huán)境適應(yīng)性提出要求，例 如高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度范圍不斷提高，天地 往返飛行器面臨“空天地”多環(huán)境服役要求，核反 應(yīng)堆裝備還需耐受核輻射等；②更高的可靠性和 更長(zhǎng)的服役壽命，例如新型航天器機(jī)構(gòu)在軌設(shè)計(jì) 使用壽命已由原來(lái)的 3~5 年提高到 8~10 年甚至 15 年；③新型功能要求，除了滿足潤(rùn)滑功能外， 還需兼具導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防核輻射、吸波等新的功 能。以應(yīng)用需求為牽引，潤(rùn)滑材料總體向著多功 能、智能自適應(yīng)和超長(zhǎng)壽命等目標(biāo)不斷發(fā)展。

2.1 多環(huán)境自適應(yīng)智能潤(rùn)滑材料和技術(shù) 

近年來(lái)，空間/臨近空間飛行器是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。這些裝備的運(yùn)動(dòng)部件，需要在多種極端 惡劣環(huán)境以及變工況條件下服役。運(yùn)動(dòng)部件不僅 要經(jīng)受多種嚴(yán)酷環(huán)境和極端變工況 (大交變接觸應(yīng) 力、瞬時(shí)過(guò)載等) 的考驗(yàn)，而且對(duì)精度、壽命、承 載等方面的要求非常高。極端變工況和多環(huán)境服 役條件下的高效、可靠潤(rùn)滑問(wèn)題已成為空間/臨近 空間裝備關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件面臨的共性問(wèn)題。美國(guó) MTI 項(xiàng)目對(duì) NASA 多年空間機(jī)械失效的 分析指出，發(fā)展能夠適應(yīng)多種環(huán)境和變工況條件 下的新型智能潤(rùn)滑材料，是提高裝備系統(tǒng)在變工 況下可靠性和攻克其在多環(huán)境下長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵技 術(shù)之一。固體潤(rùn)滑材料要具備低環(huán)境敏感性、自 適應(yīng)、自修復(fù)等功能，必須具備兩方面條件：①必須包含在多環(huán)境和多工況條件下具有最佳潤(rùn) 滑功能的各種材料組成，以充分利用各組分的協(xié) 同效應(yīng)；②材料的成分、微結(jié)構(gòu)以及表面化學(xué)狀 態(tài)能夠?qū)Ψ蹨囟?、接觸應(yīng)力、氣氛或介質(zhì)的變化做出響應(yīng)，并表現(xiàn)出穩(wěn)定可靠的低摩擦磨損， 進(jìn)而適應(yīng)環(huán)境變化的影響。采用納米化、多元 化、復(fù)合化的組分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，借助界面結(jié) 構(gòu)、表面織構(gòu)化的主動(dòng)設(shè)計(jì)，是研制具有低摩 擦、高強(qiáng)韌、長(zhǎng)壽命、多環(huán)境適應(yīng)性 (智能) 等特 性于一體的固體潤(rùn)滑材料的基本理念和理想途 徑。21 世紀(jì)初，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室 (AFRL) 進(jìn) 一步開(kāi)展了自適應(yīng)“智能”固體潤(rùn)滑薄膜的研究工 作，發(fā)展的自適應(yīng)復(fù)合薄膜包括 YSZ/Au/DLC/ MoS2、WC/DLC/ MoS2、YZS/Ag/Mo/ MoS2 等[35-36]。此后，A.A. Voevodin 進(jìn)一步發(fā)展了自適應(yīng)固體潤(rùn) 滑復(fù)合薄膜思想[37-38]，提出在接觸應(yīng)力、摩擦熱、 外界高溫的作用下，固體潤(rùn)滑復(fù)合薄膜的微觀結(jié) 構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，如碳薄膜材料中 sp3 -sp2 的 轉(zhuǎn)變或類(lèi)金剛石向類(lèi)石墨碳的轉(zhuǎn)變，MoS2、 WS2 的重結(jié)晶和重組裝，以及復(fù)合薄膜中不同組 分之間的相互反應(yīng)等。

國(guó)內(nèi)在此方面的研究雖起步較晚，但也逐漸 引起重視并取得了良好進(jìn)展，中科院蘭州化物 所、中科院寧波材料所、清華大學(xué)等單位，都分 別對(duì)多環(huán)境自適應(yīng)潤(rùn)滑材料體系的制備物性與應(yīng) 用探索開(kāi)展了研究[ 3 9 - 4 1 ]。采用強(qiáng)碳 (W、M o、 Ti 等) 與弱碳金屬 (Al、Cu、Ag 等) 多元摻雜復(fù)合 技術(shù)，獲得了具有高硬度、高韌性以及一定摩擦 自適應(yīng)特性的碳基固體潤(rùn)滑復(fù)合薄膜，并提出了基于非晶/納米晶多尺度耦合設(shè)計(jì)的環(huán)境自適應(yīng)固 體潤(rùn)滑薄膜構(gòu)筑理念。設(shè)計(jì)制備了不同調(diào)制周期 的 MoS2/a-C:H 多層薄膜[42]，結(jié)果表明軟硬交替多 層薄膜不但界面結(jié)合良好，而且多界面的設(shè)計(jì)有 效地阻止了裂紋擴(kuò)展。多層膜兼具了軟層低剪切 力和硬層高承載力的優(yōu)異性能，在摩擦誘導(dǎo)雙元 復(fù)合協(xié)同潤(rùn)滑作用下，MoS2/a-C:H 納米多層薄膜 在真空、空氣、惰性氣氛多種環(huán)境氣氛中都展示 了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能 (GJB3032-97 測(cè)試條件下摩 擦因數(shù)均小于 0.04，磨損壽命超過(guò) 3×105 r)，實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境潤(rùn)滑適應(yīng)性。

2.2 寬溫域自適應(yīng)潤(rùn)滑材料與技術(shù) 

普通油脂類(lèi)潤(rùn)滑材料最高使用溫度一般不超 過(guò) 200 ℃，聚合物基自潤(rùn)滑材料 (包括有機(jī)涂 層) 的最高使用溫度為 400 ℃，在高溫環(huán)境下，潤(rùn) 滑材料和技術(shù)的選擇面迅速變窄。隨著高新技術(shù) 的發(fā)展，以航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣箔片軸承、渦 輪增壓器等系統(tǒng)裝備的服役溫度越來(lái)越高，尤其 是大多數(shù)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件所處的溫度高于 800 ℃，其運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑和耐磨問(wèn)題成為決定 裝備可靠性和壽命乃至整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān) 鍵。以航空領(lǐng)域?yàn)槔S著航程和速度的進(jìn)一步 提高，對(duì)發(fā)動(dòng)的推力和推重比提出了更高的要 求，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力比、進(jìn)口溫度、燃燒室溫度以 及轉(zhuǎn)速均大幅提升。發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)動(dòng)部件的工作溫 度將大幅度提高，高溫潤(rùn)滑問(wèn)題已經(jīng)成為技術(shù)發(fā) 展的瓶頸。除此之外，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與停車(chē)階 段，還需經(jīng)歷室溫至高溫和高溫至室溫的變化過(guò) 程。上述環(huán)境為典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端寬溫域環(huán) 境，迫切需要解決 1000 ℃ 范圍內(nèi)連續(xù)、多循環(huán)潤(rùn) 滑問(wèn)題。NASA Glene 研究中心率先于 20 世紀(jì) 70 年代 開(kāi)展寬溫域自潤(rùn)滑材料研究，分別發(fā)展了 PM 系 列的自潤(rùn)滑復(fù)合材料和 PS 系列的熱噴涂自潤(rùn)滑涂 層[43-45]。PM/PS212 成功地實(shí)現(xiàn)了從室溫到 800 ℃ 的連續(xù)潤(rùn)滑，他們的設(shè)計(jì)理念是將低溫潤(rùn)滑材料 (15% 的銀) 和高溫潤(rùn)滑材料 (15% 的 CaF2/BaF2 共 晶物) 分散混合在高溫金屬基體 (70% 的鎳/鈷合 金) 中，在不同溫域內(nèi)各潤(rùn)滑材料顯出各自的潤(rùn)滑 性能，從而達(dá)到寬溫域連續(xù)潤(rùn)滑。由 Ni-Cr、Cr2O3、 Ag 和 BaF2/CaF2 等組成的 PS304 等離子噴涂復(fù)合 涂層，成功應(yīng)用于箔片空氣動(dòng)壓軸承在低溫到高溫起停時(shí)的潤(rùn)滑，可達(dá)到箔片軸承在高于 650 ℃ 啟停 10 00 0 次的效果。目前國(guó)外已經(jīng)利用 PVD 技術(shù)發(fā)展了在空氣中熱穩(wěn)定性能達(dá)到 1000~ 1200 ℃ 的 PVD 硬質(zhì)高溫耐磨涂層，如 Balzers 公 司推出 AlCrN 基涂層、IonBong 公司的 TiSiN 基 涂層等。上述涂層在超過(guò) 1000 ℃ 的高溫條件下 也具有優(yōu)異的耐磨防護(hù)性能，但是這些涂層的摩 擦因數(shù)很大，高達(dá) 0.5 以上，潤(rùn)滑性能較差。在 PVD 高溫潤(rùn)滑涂層方面主要有 3 大類(lèi)型：①多元 金屬涂層如 Cu/Ni/Ag、Ag/Ti，Au/Cr 等。②雙金 屬氧化物 MexTMyOz(其中，Me 為貴金屬，TM 為過(guò)渡金屬)。如 AgMoxOy、AgVxOy、CuMoxOy 等。③氮化物基溫度自適應(yīng)涂層。該類(lèi)涂層以 MeN 為基礎(chǔ)抗磨相，采用潤(rùn)滑劑復(fù)配技術(shù)，在溫 度連續(xù)變化過(guò)程中，引發(fā)涂層發(fā)生潤(rùn)滑劑擴(kuò)散遷 移、生成氧化物等變化，使得涂層具備優(yōu)異的寬 溫域潤(rùn)滑性能。美國(guó)空軍研究基地研究 了 MoS2 與 PbO 或 WS2 與 ZnO 等低溫潤(rùn)滑劑組配制 備復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)利用摩擦化學(xué)反應(yīng)在高溫條件 下分別生成 PbMoO4 或 ZnWO4 作為高溫固體潤(rùn)滑 劑，可實(shí)現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)潤(rùn)滑劑可持續(xù)補(bǔ)充的 連續(xù)潤(rùn)滑。這一研究發(fā)現(xiàn)“激活”了寬溫域高溫固 體潤(rùn)滑材料的研究思路。美國(guó)空軍材料制造研究 室發(fā)展了 VN/Ag、MoN/Ag 涂層和 MoN/MoS2/Ag 三元復(fù)合涂層體系[46]，在室溫~300 ℃ 溫度范圍 內(nèi)，MoS2 起到潤(rùn)滑作用；在 300~500 ℃ 范圍 內(nèi)，Ag 擴(kuò)散到涂層表面起潤(rùn)滑作用；在 500~800 ℃ 時(shí)，氧化生成 AgMoxOy 層狀氧化物起到潤(rùn)滑作 用，從而實(shí)現(xiàn)室溫到 800 ℃ 高溫的連續(xù)潤(rùn)滑。然而上述設(shè)計(jì)思想的不足是：一方面，組分 太過(guò)復(fù)雜，材料結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控較為困難；另一 方面，多種潤(rùn)滑劑雖然能夠在各自溫度段發(fā)揮作 用，但在高溫下一些中低溫潤(rùn)滑相的化學(xué)組分和 結(jié)構(gòu)較初始時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆的變化，再次使用時(shí) 性能也就大幅退化。氧化物陶瓷是一種優(yōu)異的耐高溫、抗氧化材 料，而且兼具一定的潤(rùn)滑特性。然而其脆性極 差，高應(yīng)力作用下壽命受到限制。李紅軒等[47] 從 PVD 單相氧化鉻陶瓷薄膜入手，利用熱處理過(guò)程 中元素?zé)釘U(kuò)散現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)材料重結(jié)晶及結(jié)構(gòu)自組 裝，不僅克服了氧化鉻陶瓷材料的脆性問(wèn)題，同 時(shí)利用特有的自組裝表面形貌及其優(yōu)異的化學(xué)和 熱穩(wěn)定性，獲得了在 5 次熱循化條件下優(yōu)異的寬 溫域自適應(yīng)潤(rùn)滑性能 (0~1000 ℃ 溫域范圍內(nèi)，摩 擦因數(shù)小于 0.3，磨損率：1.5×10?6 mm3 /Nm)。而 且在溫度循環(huán)的摩擦過(guò)程中，熱擴(kuò)散導(dǎo)致的自組 裝結(jié)構(gòu)可以發(fā)生溫度響應(yīng)的智能補(bǔ)給，持續(xù)發(fā)揮 減摩抗磨作用。氧化物陶瓷材料是一個(gè)龐大的家 族，還擁有眾多的優(yōu)異特性，圍繞氧化物陶瓷材 料體系設(shè)計(jì)，并主動(dòng)控制熱擴(kuò)散過(guò)程，將會(huì)是寬 溫域自潤(rùn)滑材料非常有希望的研究方向。 

2.3 空間導(dǎo)電與潤(rùn)滑功能一體化材料與技術(shù)

對(duì)于高精密的空間電接觸部件，傳統(tǒng)采用金 作為電接觸材料，主要是因?yàn)?，金有著?yōu)異的化 學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在空間環(huán)境下比較 穩(wěn)定。缺點(diǎn)是硬度較低，易發(fā)生磨損，因此，常 加入鈷、銀、銅、鉑、鈀等元素做成合金來(lái)提高金的綜合性能。然而單純的金-金配副在真空載流條 件下摩擦因數(shù)會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)很高的水平，《空間摩 擦學(xué)手冊(cè)》[48] 數(shù)據(jù)表明金-金配副典型摩擦因數(shù) 為 0.8，會(huì)造成嚴(yán)重的磨損，壽命較低。為此從國(guó) 內(nèi)外就如何改善真空電接觸界面間的摩擦磨損狀 態(tài)均開(kāi)展了大量的研究工作[49-51]，主要研究機(jī)構(gòu) 有：IMI (UK)、Le Carbone (France)、Carbex (Sweden)、 ESTL, NASA (USA)、Boeing (USA)、中科院蘭州 化物所、中南大學(xué)、昆明貴金屬研究所等。改善 的途徑主要集中在復(fù)合各種潤(rùn)滑材料，結(jié)合制備 技術(shù)的發(fā)展，不斷優(yōu)化和創(chuàng)新材料體系。

潤(rùn)滑材料的復(fù)合需要綜合兼顧其導(dǎo)電性和真 空潤(rùn)滑性能。石墨是最早廣泛使用的電接觸潤(rùn)滑 材料，它兼具優(yōu)異的潤(rùn)滑、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，特 別是對(duì)于大氣環(huán)境下大載流條件，石墨/Ag 復(fù)合 材料發(fā)揮了重要的作用。然而石墨在真空環(huán)境下 摩擦性能迅速惡化，并沒(méi)有在空間電接觸部件上 有效使用。以二硫化鉬為代表的二硫化物屬潤(rùn)滑 材料在真空中具有極低的摩擦因數(shù)，但是其導(dǎo)電 性差。因此，在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更理想的潤(rùn)滑相的條件 下，只能將石墨與二硫化鉬復(fù)合添加到金屬體相 中，利用石墨發(fā)揮在大氣跑合過(guò)程的潤(rùn)滑作用， 利用二硫化鉬發(fā)揮在真空環(huán)境下的潤(rùn)滑作用，利 用金屬體相發(fā)揮導(dǎo)電作用，滿足航天滑環(huán)等使役 工況要求。但是均是以犧牲一部分材料的導(dǎo)電性 或力學(xué)性能為代價(jià)，加入的量很少。制備方法一 般為以銀、銅、金以及合金為基體、以石墨、MoS2、NbS2、WS2 等為潤(rùn)滑相，采用粉末冶金工 藝 (壓制燒結(jié)/熱壓) 或者電鍍工藝分別制備復(fù)合材 料和復(fù)合鍍層材料。典型的材料為美國(guó) NASA 開(kāi) 發(fā)的 Ag-MoS2-C 衛(wèi)星導(dǎo)電滑電刷[50]。

隨著材料制備新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，研究者們 嘗試了許多其他的新工藝和材料體系[52]：如等離 子體增強(qiáng)氣相沉積 TiNiC、TiN 等薄膜、等離子體 噴涂 AgCu 膜層、溶膠-凝膠法氧化物等。其基本 思想是直接制備導(dǎo)電、耐磨功能一體化材料，主 要利用材料本身高硬度起到延長(zhǎng)磨損壽命的作 用。其中采用物理氣相沉積技術(shù)制備的膜層具備 的膜基結(jié)合強(qiáng)、致密純度高、高硬耐磨、表面光 滑、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)極具優(yōu)勢(shì)。中科院蘭州化學(xué)物 理研究所翁立軍等人利用 PVD 技術(shù)，設(shè)計(jì)制備 了 PdNiAu 合金化導(dǎo)電潤(rùn)滑膜層，針對(duì)兼顧低電 噪聲和低磨損率的技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)制備方法、工 藝參數(shù)、組分和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，突破了潤(rùn)滑薄膜兼 顧導(dǎo)電及韌性的技術(shù)關(guān)鍵，設(shè)計(jì)制備的 PdNiAu 薄膜耐磨壽命、磨損率、電噪聲、表面粗糙度、厚 度均勻性及耐熱沖擊性能達(dá)到了較高水平。低溫 沉積技術(shù)是進(jìn)一步提高膜層致密性和耐磨壽命的 有效途徑。研究結(jié)果表明，低溫狀態(tài)下沉積膜層 有效控制了結(jié)晶速率和晶粒尺寸，結(jié)構(gòu)更為致 密，改善了應(yīng)力狀態(tài)，提高了膜-基結(jié)合強(qiáng)度，大 幅降低了磨損率。石墨烯是一種擁有獨(dú)特二維納米結(jié)構(gòu)的新型 碳材料。最重要的是石墨烯兼具優(yōu)異的電學(xué)性能 和潤(rùn)滑性能，其電子是以恒定速率傳遞的，載流 子遷移率在所有導(dǎo)體中是最大的，石墨烯是目前 發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電性能最強(qiáng)的材料；同時(shí)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外 研究表明，具有原子厚度的石墨烯不僅在微納機(jī) 械領(lǐng)域的微觀尺度下具有超潤(rùn)滑性能 (即摩擦因數(shù) 在 10-3 量級(jí)，較常規(guī)固體潤(rùn)滑材料降低 1~2 數(shù)量 級(jí))，而且還可以在宏觀力接觸方式下展現(xiàn)出非凡 的摩擦學(xué)特性。美國(guó) Argon 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人 員[53] 于 2016 年在 Science 期刊上首次報(bào)道了石墨 烯作為潤(rùn)滑劑在宏觀接觸大氣環(huán)境條件下的超低 摩擦特性，摩擦因數(shù)低至 0.004。2017 年吉利等[54] 發(fā)現(xiàn)：石墨烯在高真空、宏觀接觸條件下，也表 現(xiàn)出超低摩擦因數(shù)和長(zhǎng)壽命特性，石墨烯基膜層 在真空環(huán)境下其摩擦因數(shù)低至 0.01 以下 (較現(xiàn)役 Au 膜層 0.2~0.4 的摩擦因數(shù)降低 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí))， 0.5 GPa 接觸應(yīng)力下，耐磨壽命達(dá)到 8×105 轉(zhuǎn)以 上，可以克服傳統(tǒng)石墨類(lèi)碳材料在真空潤(rùn)滑和耐 磨不佳的問(wèn)題。同時(shí)在摩擦過(guò)程中保持了良好的 接觸電導(dǎo)性。石墨烯材料的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)石墨 材料長(zhǎng)期以來(lái)面臨的真空潤(rùn)滑失效的局限問(wèn)題， 為新型空間用超低摩擦、長(zhǎng)壽命、導(dǎo)電潤(rùn)滑材料 的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的理念和機(jī)遇。

2.4 抗核輻照潤(rùn)滑材料與技術(shù)

針對(duì)核反應(yīng)堆堆高溫、高壓、水蒸汽等惡劣 環(huán)境下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件的磨損失效機(jī)理，法國(guó)、日 本等國(guó)外機(jī)構(gòu)曾進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，認(rèn)為材料的 腐蝕磨損是主要失效機(jī)制。在我國(guó)實(shí)際故障分析 過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，滾輪跑道中有大量腐蝕產(chǎn)物、磨 損產(chǎn)物積聚。因此提高傳動(dòng)部件材料表面的耐腐 蝕性、耐磨性是必由之路。反應(yīng)堆傳動(dòng)部件整體 材料的選材在耐輻照、耐腐蝕、韌性等力學(xué)性能 等方面具有非常嚴(yán)格的要求，從整體材料本身提 高其耐磨性難度較大。而采用先進(jìn)的表面處理技術(shù)對(duì)傳動(dòng)部件表面強(qiáng)化改性被證明是簡(jiǎn)便而行之 有效的途徑。法國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等利用表面 強(qiáng)化改性技術(shù)已具備一些解決核反應(yīng)堆反應(yīng)棒驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)部件的成功經(jīng)驗(yàn)。改性的思路主要有兩 種，一種是利用潤(rùn)滑功能化處理減小磨損；另一 種是利用硬化與防腐處理達(dá)到耐磨的目的。國(guó)外 高溫反應(yīng)堆大都使用二硫化鉬潤(rùn)滑薄膜解決轉(zhuǎn)動(dòng) 部件和摩擦偶件的磨損問(wèn)題[55]。例如，高溫液態(tài) 鈉冷快增殖堆的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作在氬氣和鈉蒸氣之 中，使用二硫化鉬潤(rùn)滑，零件表面生成了抗摩的 Na2MoO4 薄膜；英國(guó)的“龍”高溫氣冷堆傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 密閉在充滿氦氣的干套管中, 對(duì)其軸承的滾珠和內(nèi) 外滾道涂鍍二流化銀后，摩擦因數(shù)可保持在 0.003，磨損量也小；此外，西德 A V R 高溫球床 堆，美國(guó)的圣·符侖堡高溫氣冷堆的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也都 是應(yīng)用二硫化鉬進(jìn)行軸承潤(rùn)滑的。而對(duì)于壓水堆 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，二硫化鉬在高溫水蒸汽環(huán)境下，潤(rùn)滑 性能喪失，而且耐腐性較差，不被使用。主要途 徑為采用鈦和鉻的氮化物/碳化物等硬質(zhì)、耐腐蝕 的陶瓷涂層材料。處理方法包括傳統(tǒng)的電鍍、滲 氮以及新近發(fā)展的離子噴涂、真空離子鍍等技 術(shù)。法國(guó)卡達(dá)拉希中心、法瑪通先進(jìn)核能公司等 機(jī)構(gòu)綜合對(duì)比了不同制備技術(shù)以及材料的性能， 認(rèn)為真空氣相沉積、離子噴涂技術(shù)制備的 CrC 復(fù)合材料熱態(tài)性能最佳[56]，其不僅具有高硬度、耐 腐蝕性能，而且潤(rùn)滑性能較好，已在壓水堆反應(yīng) 棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)噴嘴、一回路閥門(mén)、銷(xiāo)爪、絲杠、開(kāi)合 螺母 (滾輪) 等部件上成功應(yīng)用。

中科院蘭州化物所自 20 世紀(jì) 80 年代就開(kāi)始 了核反應(yīng)堆用潤(rùn)滑材料的研制工作[57]，分別采用 有機(jī)和無(wú)機(jī)粘結(jié)涂層、熱噴涂、PVD 等多種表面 工程技術(shù)，成功研制了系列核反應(yīng)堆用潤(rùn)滑耐磨 涂層/薄膜材料產(chǎn)品，完成了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng) 《大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站》(HTRPM 氣冷堆核電站)4 大系統(tǒng) 30 余種運(yùn)動(dòng)部件 (滾 輪、絲杠、分裂轉(zhuǎn)子下端軸承、大/小錐齒輪、導(dǎo) 程螺桿等) 的固體潤(rùn)滑和耐磨處理，在實(shí)驗(yàn)堆以及 示范堆中得到成功應(yīng)用，解決了零件在高濕、氦 氣、高溫、輻照環(huán)境下的長(zhǎng)壽命可靠運(yùn)行難題， 積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為抗輻射潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的選 材提供了有力的指導(dǎo)。

3 耐磨與強(qiáng)化技術(shù) 

近年來(lái)，隨著航空航天、地質(zhì)鉆探、機(jī)械加 工、模具制造等工業(yè)的飛速發(fā)展，單一的材料已 經(jīng)無(wú)法滿足高性能特種裝備的使用要求，特別是 航空和地質(zhì)勘探用高承載相對(duì)運(yùn)動(dòng)件，對(duì)材料的 承載能力和表面耐磨特性提出越來(lái)越高的要求。材料耐磨與強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用與上 述行業(yè)的運(yùn)動(dòng)部件，提高裝備的服役性能與壽命。

3.1 高承載件表面強(qiáng)化技術(shù)

硬質(zhì)耐磨強(qiáng)化涂層技術(shù)可以有效彌補(bǔ)不同應(yīng) 用環(huán)境中基體材料的性能不足，使其適應(yīng)嚴(yán)苛的 工作環(huán)境。從涂層體系來(lái)說(shuō)，高承載件表面強(qiáng)化 涂層體系主要包括碳氮化物、硼化物、氧化物等 傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層，以及金剛石、類(lèi)金剛石、立方氮 化硼、碳化硼、納米多層結(jié)構(gòu)涂層及納米復(fù)合涂 層等超硬涂層。過(guò)渡族金屬碳氮化物具有硬度高、熱穩(wěn)定性 好、耐腐蝕和抗高溫氧化等性能優(yōu)勢(shì)，被廣泛于 機(jī)械切削、礦物開(kāi)采、耐磨損和耐高溫等部件。研究最早、應(yīng)用最廣泛的是 TiN 和 CrN 涂層。在 高速鋼刀具表面沉積 TiN 涂層后，刀具的使用壽 命可提高十幾倍甚至數(shù)十倍。但 TiN 涂層的氧化 耐受溫度只有 550 ℃，相對(duì)較低，一定程度上限 制了它的使用[ 5 8 ]。CrN 涂層比 TiN 涂層耐磨減摩、耐高溫和耐腐蝕。中科院寧波材料所王永欣 等人通過(guò)陰極電弧沉積制備了厚度達(dá) 80 μm 的超 厚 CrN 涂層，從而達(dá)到長(zhǎng)效耐磨的效果[59]。對(duì)二 元涂層引入第三種元素進(jìn)行合金化，使涂層中產(chǎn) 生多元金屬化合物，能夠進(jìn)一步提高涂層的耐磨 特性。例如對(duì) TiN 涂層摻入 C 和 B 得到的 Ti-CN 涂層和 Ti-B-N 涂層比原 TiN 涂層的硬度更高， 摩擦因數(shù)更低，耐粘著磨損和磨粒磨損性能更 好,其中用 CVD 法制備的 Ti-B-N 涂層硬度可達(dá)到 50 GPa，且涂層擁有很好的韌性[60-61]。對(duì) TiC 涂層 摻入 N、B、Si 等元素得到的 Ti-C-N、Ti-B-C、TiSi-C 三元涂層，可不同程度提高 TiC 涂層的綜合 力學(xué)性能。當(dāng)對(duì)涂層引入更多元素時(shí)，可制備四 元及以上氮化物硬質(zhì)耐磨涂層，池成忠等人采用 多弧離子鍍?cè)诟咚黉摶咨铣练e制備了 Cr-Ti-AlZr-N 五元梯度超硬涂層，涂層硬度可達(dá) 4400 HV， 膜基結(jié)合力達(dá) 200 N[62]。以 Al2O3、ZrO2、Cr2O3、TiO2 為主的氧化物 涂層，因具有高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 等特性，也是硬質(zhì)耐磨防護(hù)涂層的理想選擇。其 中 Al2O3 致密穩(wěn)定，硬度最高，常用做高溫機(jī)械 零部件硬質(zhì)耐磨涂層，但其脆性較大，可通過(guò)和 TiO2 復(fù)合的方式增加涂層的韌性。ZrO2 涂層擁有 高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱系數(shù)、高熱膨脹系數(shù)、良好高溫穩(wěn) 定性、隔熱性以及生物惰性，在航空、航天、等領(lǐng) 域被廣泛應(yīng)用。具有高 sp3 含量的金剛石、類(lèi)金剛石和具有立 方結(jié)構(gòu)的立方氮化硼、碳化硼等，相較其他普通 耐磨硬質(zhì)強(qiáng)化涂層，具有極高的硬度，極低的摩 擦因數(shù)，突出的耐磨特性和化學(xué)穩(wěn)定性。熱絲化 學(xué)氣相沉積因穩(wěn)定性好，沉積面積大，工藝簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制備金剛石涂層。中科院寧 波材料所江南等人用 CVD 法生長(zhǎng)大單晶金剛石， 并成功將其產(chǎn)業(yè)化[63]。類(lèi)金剛石 (DLC) 涂層結(jié)構(gòu)介于金剛石結(jié)構(gòu)和 石墨結(jié)構(gòu)之間，其中的碳碳鍵以 sp3 共價(jià)鍵為主， 混雜一定量的 sp2 鍵，因而具有和金剛石相近的高 硬度、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)、電絕緣強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定 性。通過(guò)調(diào)控沉積參數(shù)調(diào)控 sp3 鍵的含量，能夠使 涂層的硬度達(dá)到 95 GPa；同時(shí)，DLC 中的 sp2 能 夠起到良好的潤(rùn)滑效果，使 DLC 涂層有很低的摩 擦因數(shù)，廣泛應(yīng)用于軸承、齒輪、活塞等表面作摩、耐高溫和耐腐蝕。中科院寧波材料所王永欣 等人通過(guò)陰極電弧沉積制備了厚度達(dá) 80 μm 的超 厚 CrN 涂層，從而達(dá)到長(zhǎng)效耐磨的效果[59]。對(duì)二 元涂層引入第三種元素進(jìn)行合金化，使涂層中產(chǎn) 生多元金屬化合物，能夠進(jìn)一步提高涂層的耐磨 特性。例如對(duì) TiN 涂層摻入 C 和 B 得到的 Ti-CN 涂層和 Ti-B-N 涂層比原 TiN 涂層的硬度更高， 摩擦因數(shù)更低，耐粘著磨損和磨粒磨損性能更 好,其中用 CVD 法制備的 Ti-B-N 涂層硬度可達(dá)到 50 GPa，且涂層擁有很好的韌性[60-61]。對(duì) TiC 涂層 摻入 N、B、Si 等元素得到的 Ti-C-N、Ti-B-C、TiSi-C 三元涂層，可不同程度提高 TiC 涂層的綜合 力學(xué)性能。當(dāng)對(duì)涂層引入更多元素時(shí)，可制備四 元及以上氮化物硬質(zhì)耐磨涂層，池成忠等人采用 多弧離子鍍?cè)诟咚黉摶咨铣练e制備了 Cr-Ti-AlZr-N 五元梯度超硬涂層，涂層硬度可達(dá) 4400 HV， 膜基結(jié)合力達(dá) 200 N[62]。以 Al2O3、ZrO2、Cr2O3、TiO2 為主的氧化物 涂層，因具有高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 等特性，也是硬質(zhì)耐磨防護(hù)涂層的理想選擇。其 中 Al2O3 致密穩(wěn)定，硬度最高，常用做高溫機(jī)械 零部件硬質(zhì)耐磨涂層，但其脆性較大，可通過(guò)和 TiO2 復(fù)合的方式增加涂層的韌性。ZrO2 涂層擁有 高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱系數(shù)、高熱膨脹系數(shù)、良好高溫穩(wěn) 定性、隔熱性以及生物惰性，在航空、航天、等領(lǐng) 域被廣泛應(yīng)用。具有高 sp3 含量的金剛石、類(lèi)金剛石和具有立 方結(jié)構(gòu)的立方氮化硼、碳化硼等，相較其他普通 耐磨硬質(zhì)強(qiáng)化涂層，具有極高的硬度，極低的摩 擦因數(shù)，突出的耐磨特性和化學(xué)穩(wěn)定性。熱絲化 學(xué)氣相沉積因穩(wěn)定性好，沉積面積大，工藝簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制備金剛石涂層。中科院寧 波材料所江南等人用 CVD 法生長(zhǎng)大單晶金剛石， 并成功將其產(chǎn)業(yè)化[63]。類(lèi)金剛石 (DLC) 涂層結(jié)構(gòu)介于金剛石結(jié)構(gòu)和 石墨結(jié)構(gòu)之間，其中的碳碳鍵以 sp3 共價(jià)鍵為主， 混雜一定量的 sp2 鍵，因而具有和金剛石相近的高 硬度、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)、電絕緣強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定 性。通過(guò)調(diào)控沉積參數(shù)調(diào)控 sp3 鍵的含量，能夠使 涂層的硬度達(dá)到 95 GPa；同時(shí)，DLC 中的 sp2 能 夠起到良好的潤(rùn)滑效果，使 DLC 涂層有很低的摩 擦因數(shù)，廣泛應(yīng)用于軸承、齒輪、活塞等表面作 8 中  國(guó)  表  面  工  程 2019 年 為耐磨損表面強(qiáng)化涂層以及工具涂層。日本新潟 大學(xué) Kyohei Horita 等[64] 將 DLC 涂層應(yīng)用于加工 線路板的微型鉆頭，在鉆頭鉆孔速度和使用壽命 提高的同時(shí)，大大降低成本。西安工業(yè)大學(xué)楊巍 等人利用 DLC 涂層的優(yōu)良生物兼容性，采用離子 束法在微弧氧化處理后的鈦合金表面沉積 DLC 涂 層，達(dá)到在人工關(guān)節(jié)表面制備耐磨保護(hù)涂層的目 的[65]。中科院寧波材料所汪愛(ài)英團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論計(jì) 算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)過(guò)渡族金屬元素成鍵特性進(jìn) 行篩選分類(lèi)，并采用離子束沉積和磁控濺射相結(jié) 合的方式，對(duì) DLC 涂層摻入金屬元素以降低涂層 內(nèi)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高結(jié)合力 DLC 涂層的可控制備[66]。另外，DLC 屬于亞穩(wěn)態(tài)材料，超過(guò) 300 ℃ 的高溫 環(huán)境下易發(fā)生 sp3 向 sp2 轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致涂層力學(xué)性能 大幅度下降，DAMASCENO J C 等[ 6 7 ] 通過(guò)對(duì) DLC 涂層摻入 Si 元素，改善 DLC 涂層的高溫穩(wěn)定性。

3.2 材料表層強(qiáng)化技術(shù)

新一代航天、航空、汽車(chē)、機(jī)械裝備的發(fā)展， 對(duì)材料與構(gòu)件的組織、變形以及表面完整性提出 了更高的要求，尤其是傳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)構(gòu)件， 例如活塞、閥門(mén)等采用鈦合金制件以降低結(jié)構(gòu)重 量，減小摩擦因數(shù)，提高耐磨性和抗微動(dòng)磨損能 力；要求柱塞泵靴、盤(pán)等高耐磨高導(dǎo)熱率兼?zhèn)涞?等。因此表層強(qiáng)化技術(shù)將發(fā)揮重要作用，技術(shù)研 發(fā)重點(diǎn)也從傳統(tǒng)的氣體滲碳、氣體滲氮、液體滲 氮化學(xué)熱處理技術(shù)向新型等離子體轟擊、真空低 壓、高能激光加熱、感應(yīng)加熱等方式轉(zhuǎn)移，例如 等離子體滲碳、滲氮及共滲，真空低壓滲碳及碳 氮共滲，激光淬火、感應(yīng)加熱淬火等。不銹鋼的表層強(qiáng)化工藝大致可分為形變表面 強(qiáng)化工藝和改性表面強(qiáng)化工藝。表面形變強(qiáng)化是 利用機(jī)械能使工件表面產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)變 細(xì)晶層，從而使表層硬度、強(qiáng)度提高的方法，包 括噴丸、滾壓、擠壓等傳統(tǒng)技術(shù)和超聲沖擊強(qiáng)化 等新穎表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)。超超臨界火電機(jī)組的 極限高溫高壓對(duì)鍋爐用鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性 能提出了更高要求。王銳坤通過(guò)優(yōu)化表面噴丸工 藝參數(shù)，可成功在 Super304H 奧氏體不銹鋼表面 實(shí)現(xiàn)納米晶化。0.5 MPa/3~20 min 噴丸處理后 Super304H 鋼表層硬度值均是未處理試樣硬度的 2~3 倍，在 404~554 HV 左右，極大地提高其抗高溫蒸汽氧化性能和抗高溫?zé)岣g的能力[68]。李錢(qián) 瑞以核電站關(guān)鍵構(gòu)建爆破閥拉力螺栓預(yù)斷凹槽為 研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化超聲沖擊強(qiáng)化處理的振幅、 沖擊時(shí)間和能量等參數(shù)，使得 1Cr13 馬氏體不銹 鋼的顯微硬度達(dá)到 395HV 左右，表面壓應(yīng)力和疲 勞極限提高 10 倍[69]。另外，不銹鋼的改性表面強(qiáng) 化工藝主要集中在激光淬火、真空低壓滲碳、等 離子滲氮、離子注入等先進(jìn)表面工程技術(shù)上。目 前，提高航天用高強(qiáng)鋼的構(gòu)件極限服役性能已成 為制約航天高端裝備產(chǎn)品研制的瓶頸技術(shù)之一。如某航天型號(hào)鎖緊機(jī)構(gòu)零件，需在反復(fù)鎖緊與松 開(kāi)的動(dòng)作中接受沖擊，零件整體較好的強(qiáng)韌性和 局部接觸面的高硬度 (≥50 HRC) 缺一不可。王健 波等人采用激光淬火工藝，選用 1100 W 激光功 率，4.5 mm/s 掃描速度，3 次激光寬帶掃描處理 后，20Cr13 硬化層深度>500 μm，表面晶粒極 細(xì)，硬度>600 HV0.1[70]。針對(duì)運(yùn)載型號(hào)產(chǎn)品中的襯 筒 (15Cr)、活塞筒 (20CrMnTi) 等零件，唐麗 娜[71] 等采用真空低壓滲碳處理，零件表面清潔光 亮、無(wú)晶間氧化脫碳現(xiàn)象，盲孔處滲碳層深度偏 差僅為 0. 04 mm，并很好地滿足零件表面硬度 (700 HV 以上) 和滲碳層深的技術(shù)指標(biāo)要求，顯著 優(yōu)于傳統(tǒng)氣體滲碳工藝。 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金構(gòu)件工作環(huán)境惡劣，除了高的離心負(fù)荷、振動(dòng)負(fù)荷和熱負(fù)荷，還要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化作用，因此對(duì)鈦合金進(jìn)行 表面強(qiáng)化處理是永恒的話題。鈦合金表面強(qiáng)化技 術(shù)的發(fā)展從基于熱處理、物理化學(xué)反應(yīng)的傳統(tǒng)表 面改性向以電子束、離子束、激光束等高能束的 使用為標(biāo)志的“三束改性”現(xiàn)代表面改性技術(shù)發(fā) 展，目前以及未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⑹且远喾N強(qiáng)化手 段和能量場(chǎng)結(jié)合開(kāi)發(fā)而成的復(fù)合新工藝。高玉 魁[72] 采用了噴丸強(qiáng)化、激光強(qiáng)化和低塑性拋光強(qiáng) 化對(duì) TC4 鈦合金進(jìn)行表面改性處理，從表面硬度 提升效果上看，噴丸強(qiáng)化加工硬化最明顯 (450 HV 左右)，低塑性拋光次之，而激光沖擊強(qiáng)化效果最 小 (400 HV 左右)，由于殘余應(yīng)力的引入均可提高 TC4 的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。航天八院 采用鈦合金等離子體滲氮處理，在鈦合金表面制 備一定厚度的滲氮層，白亮層由金黃色 TiN 和 Ti2N 相組成，隨著滲氮溫度的升高和保溫時(shí)間的 延長(zhǎng)，Ti2N 相對(duì)含量減少，TiN 相增多；830 ℃溫蒸汽氧化性能和抗高溫?zé)岣g的能力[68]。李錢(qián) 瑞以核電站關(guān)鍵構(gòu)建爆破閥拉力螺栓預(yù)斷凹槽為 研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化超聲沖擊強(qiáng)化處理的振幅、 沖擊時(shí)間和能量等參數(shù)，使得 1Cr13 馬氏體不銹 鋼的顯微硬度達(dá)到 395HV 左右，表面壓應(yīng)力和疲 勞極限提高 10 倍[69]。另外，不銹鋼的改性表面強(qiáng) 化工藝主要集中在激光淬火、真空低壓滲碳、等 離子滲氮、離子注入等先進(jìn)表面工程技術(shù)上。目 前，提高航天用高強(qiáng)鋼的構(gòu)件極限服役性能已成 為制約航天高端裝備產(chǎn)品研制的瓶頸技術(shù)之一。如某航天型號(hào)鎖緊機(jī)構(gòu)零件，需在反復(fù)鎖緊與松 開(kāi)的動(dòng)作中接受沖擊，零件整體較好的強(qiáng)韌性和 局部接觸面的高硬度 (≥50 HRC) 缺一不可。王健 波等人采用激光淬火工藝，選用 1100 W 激光功 率，4.5 mm/s 掃描速度，3 次激光寬帶掃描處理 后，20Cr13 硬化層深度>500 μm，表面晶粒極 細(xì)，硬度>600 HV0.1[70]。針對(duì)運(yùn)載型號(hào)產(chǎn)品中的襯 筒 (15Cr)、活塞筒 (20CrMnTi) 等零件，唐麗 娜[71] 等采用真空低壓滲碳處理，零件表面清潔光 亮、無(wú)晶間氧化脫碳現(xiàn)象，盲孔處滲碳層深度偏 差僅為 0. 04 mm，并很好地滿足零件表面硬度 (700 HV 以上) 和滲碳層深的技術(shù)指標(biāo)要求，顯著 優(yōu)于傳統(tǒng)氣體滲碳工藝。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金構(gòu)件工作環(huán)境惡劣，除 了高的離心負(fù)荷、振動(dòng)負(fù)荷和熱負(fù)荷，還要承受 環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化作用，因此對(duì)鈦合金進(jìn)行 表面強(qiáng)化處理是永恒的話題。鈦合金表面強(qiáng)化技 術(shù)的發(fā)展從基于熱處理、物理化學(xué)反應(yīng)的傳統(tǒng)表 面改性向以電子束、離子束、激光束等高能束的 使用為標(biāo)志的“三束改性”現(xiàn)代表面改性技術(shù)發(fā) 展，目前以及未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⑹且远喾N強(qiáng)化手 段和能量場(chǎng)結(jié)合開(kāi)發(fā)而成的復(fù)合新工藝。高玉 魁[72] 采用了噴丸強(qiáng)化、激光強(qiáng)化和低塑性拋光強(qiáng) 化對(duì) TC4 鈦合金進(jìn)行表面改性處理，從表面硬度 提升效果上看，噴丸強(qiáng)化加工硬化最明顯 (450 HV 左右)，低塑性拋光次之，而激光沖擊強(qiáng)化效果最 小 (400 HV 左右)，由于殘余應(yīng)力的引入均可提高 TC4 的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。航天八院 采用鈦合金等離子體滲氮處理，在鈦合金表面制 備一定厚度的滲氮層，白亮層由金黃色 TiN 和 Ti2N 相組成，隨著滲氮溫度的升高和保溫時(shí)間的 延長(zhǎng)，Ti2N 相對(duì)含量減少，TiN 相增多；830 ℃ 第 4 期 鞠鵬飛，等：苛刻環(huán)境下材料表面防護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展 9 滲氮 15 h 表面硬度可達(dá) 1056 HV、層深 125 μm， 耐磨性顯著提高[ 7 3 ]。陳宇海利用將氣體爆炸能 量、脈沖電場(chǎng)能量、等離子體多重能量共同作用 的脈沖等離子體爆炸技術(shù) (Pulsed plasma detonation, PPD)，采用純鎢電極，丙烷、氧氣、壓縮空氣作 為爆炸氣體，在 TA2 和 TC4 表面制備 PPD 改性 層，獲得由 TiN、TiN0.3、Ti xOy、Ti 以及少量 W 組成的改性層，硬度較基體提高 3.8 倍，磨損 機(jī)制主要為三體磨粒磨損，并伴有輕微的黏著磨 損特征[74]。新型等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積技 術(shù) (PIIID) 可有效地將離子注入技術(shù)和真空弧蒸發(fā) 技術(shù)結(jié)合，通過(guò)脈沖高壓電場(chǎng)將離化的等離子體 加速注入并沉積于工件表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的 表面改性。劉洪喜等人通過(guò) PIIID 技術(shù)向 TC4 鈦 合金表面注入了不同劑量的金屬 Ag，當(dāng)注入量為 當(dāng)注入劑量為 1×1017 ions/cm2 時(shí)，材料表面納米 硬度和彈性模量分別提高 62.5% 和 54.5%，耐摩 擦磨損和抗腐蝕性得到了大幅提高[75]。王寶婷等[76] 的研究發(fā)現(xiàn) TC4 鈦合金表面制備的微弧氧化+強(qiáng) 流電子脈沖 (MAO+HCPEB) 復(fù)合涂層，表面發(fā)生 重熔，形成平整的改性層，耐鹽霧腐蝕和摩擦磨 損性能更好，并可通過(guò)改變微弧氧化電參數(shù)來(lái)減 少?gòu)?fù)合層中的熔坑。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，鋁合金鉆桿已逐步替代傳 統(tǒng)鋼鉆桿，被越來(lái)越多的運(yùn)用在深井、超深井及 難進(jìn)入地區(qū)鉆探。但由于鋁合金硬度低于鋼，在 摩擦過(guò)程中，較易產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，并且在高溫及 含鹽環(huán)境中，其力學(xué)性能和耐蝕性能明顯下降， 很難達(dá)到高可靠長(zhǎng)效運(yùn)行的目的，急需對(duì)其表面 進(jìn)行強(qiáng)化耐蝕處理。激光熔覆可通過(guò)熔化鋁基體 部分表面以及不同涂層粉末 (TiC、SiC、Al2O3 等)，使鋁合金表面生成一層陶瓷復(fù)合涂層，大大 改善基體表面性能摩擦磨損和耐腐蝕性能[77]。李 琦等[7 8] 通過(guò)激光熔覆在鋁合金表面制備了一層 NiCrAl/TiC 復(fù)合涂層，結(jié)果顯示激光熔覆涂層只 發(fā)生了輕微的磨粒磨損，鋁合金基體發(fā)生嚴(yán)重的 磨粒磨損和剝層磨損；表明激光熔覆層可明顯提 高鋁合金材料的耐磨性。張志超[79] 研究了激光熔 覆參數(shù)對(duì) ZLl09 鋁合金表面 CNT/A12O3 復(fù)合涂層 的影響，表明了激光功率、掃描速度、熔覆材料 配比等都會(huì)影響到熔覆層的孔隙率和顯微硬度。表面機(jī)械強(qiáng)化與電化學(xué)改性方法的復(fù)合處理也有 望可克服單一強(qiáng)化方法的缺點(diǎn)，使得鋁合金表面 獲得更高的硬度和耐磨損性能。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)岳 文等[80] 采用超聲波冷鍛處理 (UCFT)、微弧氧化 (MAO) 及兩者相復(fù)合等表面強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)典型 2618 鋁合金鉆桿材料進(jìn)行處理，在鉆桿表面產(chǎn)生 一層強(qiáng)化層，以增加其表層硬度和耐蝕特性，研 究發(fā)現(xiàn)，和未經(jīng)處理試樣相比，UCFT 試樣、 MAO 試樣和 UCFT+MAO 試樣的耐磨特性均不同 幅度上升。在高溫環(huán)境中，尤其在液體環(huán)境中， UCFT+MAO 復(fù)合處理技術(shù)表現(xiàn)最優(yōu)。文磊等[81] 通過(guò)表面納米化-微弧氧化復(fù)合涂層處理 LY12CZ 鋁合金，發(fā)現(xiàn)機(jī)械研磨處理后，鋁合金表面生成 一層納米層，該納米層的生成對(duì)后續(xù)微弧氧化層 的致密度有很好的改善作用；同時(shí)，機(jī)械研磨處 理能夠使材料表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，耐磨性能和 疲勞壽命均有所改善。 

4 維修與再制造技術(shù) 

在高溫、高濕、輻射等苛刻環(huán)境和高速、重 載、沖擊等極端工況條件下，裝備零件腐蝕、磨 損、斷裂等各類(lèi)失效問(wèn)題更加嚴(yán)重。要恢復(fù)裝備 功能、性能，保持裝備持續(xù)作業(yè)能力，必須開(kāi)展 裝備維修與再制造技術(shù)研究。表界面是裝備零件 服役過(guò)程中承擔(dān)工作載荷、接觸苛刻環(huán)境的重要 部位，零部件的腐蝕從淺表開(kāi)始，磨損發(fā)生在表 面，疲勞裂紋大多源于表層[82]。在破壞應(yīng)力持續(xù) 作用下，表界面的局部損傷又慢慢演變?yōu)檎麄€(gè)零 件失效，最終導(dǎo)致裝備嚴(yán)重?fù)p壞甚至報(bào)廢。因此，裝備維修與再制造的關(guān)鍵在于對(duì)關(guān)鍵零件局 部損傷表面的高質(zhì)量修復(fù)、強(qiáng)化和防護(hù)[83-84]。

4.1 裝備維修與再制造工程的發(fā)展現(xiàn)狀

維修在裝備全壽命周期中具有重要作用，通 過(guò)維修恢復(fù)裝備的使用性能、延長(zhǎng)裝備服役壽 命，可產(chǎn)生顯著的軍事、經(jīng)濟(jì)效益[85]。隨著裝備更新?lián)Q代速度越來(lái)越快，大量淘汰 的老舊裝備造成了極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染， 以節(jié)約資源能源和保護(hù)環(huán)境為準(zhǔn)則、以實(shí)現(xiàn)廢舊 產(chǎn)品性能提升和壽命延長(zhǎng)為目標(biāo)、以先進(jìn)技術(shù)和 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段的高技術(shù)維修快速發(fā)展，再制 造工程應(yīng)運(yùn)而生[86-87]。美、歐、日的再制造產(chǎn)業(yè)已 日趨成熟，但國(guó)外的再制造從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)到生產(chǎn)工 藝都完全依托于現(xiàn)有制造業(yè)體系，再制造模式以“換件修理法和尺寸修理法”為主，對(duì)于損傷較重 的零件直接更換新件；對(duì)于損傷較輕的零件，則 利用車(chē)、磨、鏜等減材加工手段恢復(fù)零件配合精 度，但會(huì)改變零件的設(shè)計(jì)尺寸。這種再制造模式 的舊件利用率低、浪費(fèi)大，還會(huì)造成再制造產(chǎn)品 零部件的非標(biāo)化[88]。針對(duì)上述不足，中國(guó)自 1999 年正式提出基于 維修工程和表面工程的自主創(chuàng)新的再制造模式， 將“通過(guò)表面局部增材修復(fù)實(shí)現(xiàn)整體服役性能提 升”作為再制造的主要技術(shù)途徑。近 20 年的實(shí)踐 證明，中國(guó)的再制造雖然起步較晚，但特色鮮 明、技術(shù)先進(jìn)，具有更為優(yōu)異的綜合效益，特別 是節(jié)能環(huán)保效益突出。當(dāng)前，我國(guó)在再制造的基 礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究中已取得重要突破，再制 造的學(xué)科和人才培養(yǎng)體系已基本完善。形成了以 再制造毛坯損傷評(píng)估和再制造產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)為主 體的基礎(chǔ)理論，突破了再制造毛坯無(wú)損拆解和綠 色清洗技術(shù)、復(fù)雜約束下局部增材成形和減材加 工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了再制造過(guò)程質(zhì)量控制 和產(chǎn)品質(zhì)量保證的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。特別是在發(fā)改 委、工信部先后組織的汽車(chē)、工程機(jī)械、礦采機(jī)械、機(jī)床、船舶等多個(gè)領(lǐng)域再制造試點(diǎn)企業(yè)和再 制造產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的示范帶動(dòng)和引領(lǐng)下，全國(guó)已形 成湖南長(zhǎng)沙、上海臨港、重慶九龍工業(yè)園等 8 個(gè) 再制造產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)和示范基地，培育出年再制造 2.5 萬(wàn)臺(tái)重載汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，年再制造 1 萬(wàn)臺(tái)自動(dòng)變 速箱、年再制造 1 萬(wàn)臺(tái)礦山機(jī)械等代表性企業(yè)。在高端裝備再制造領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)再制造已成 為保障空軍高強(qiáng)度實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的重要途徑，再制 造的盾構(gòu)機(jī)已在北京地鐵建設(shè)中推廣應(yīng)用，再制 造高端醫(yī)療器械也已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用[89-90]。 

4.2 裝備維修與再制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

我國(guó)的裝備維修與再制造始終圍繞裝備關(guān)鍵 零件局部表面的損傷修復(fù)和防護(hù)、強(qiáng)化展開(kāi)，并 將無(wú)損檢測(cè)理論與技術(shù)、表面工程理論與技術(shù)和 壽命評(píng)估理論與技術(shù)等引入再制造，形成了舊件 剩余壽命評(píng)估、局部損傷增材修復(fù)、再制造產(chǎn)品 安全評(píng)價(jià)等完整的技術(shù)體系。舊件剩余壽命評(píng)估是在對(duì)再制造毛坯進(jìn)行全 面的損傷檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)磨損、腐蝕和疲 勞裂紋擴(kuò)展速率等的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)再制造對(duì)象損傷 程度的定量評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)。針對(duì)量大面廣 的鐵磁特性再制造毛坯損傷檢測(cè)難題，Dong 等[91] 開(kāi)展了基于自發(fā)弱磁信號(hào)的鐵磁性再制造毛 坯隱性損傷檢測(cè)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了以應(yīng)力集中特 征為參量的再制造毛坯隱性損傷識(shí)別與檢測(cè)，極 大提高了毛坯可再制造性的檢測(cè)精度，已批量用 于大型離心式壓縮機(jī)葉輪、重載發(fā)動(dòng)機(jī)再制造毛坯檢測(cè)。再制造零件局部損傷增材修復(fù)是再制造 的核心環(huán)節(jié)，存在新舊材料相容性差、空間遮蔽 可達(dá)性差、缺少定位基準(zhǔn)等多重限制。以發(fā)動(dòng)機(jī) 廢舊缸體再制造為例，國(guó)外一直采用鏜缸恢復(fù)表 面精度的方法，不僅改變了原始設(shè)計(jì)尺寸、破壞配副零件互換性，可修復(fù)的次數(shù)也有限。王海斗 等[92] 研制了內(nèi)孔旋轉(zhuǎn)等離子噴涂技術(shù)，并解決了半封閉空間有限距離內(nèi)噴涂熱量累積、粉塵聚集等核心難題，目前已用于航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸體， 艦船柴油機(jī)缸體和石油裝備泥漿泵缸體等內(nèi)孔類(lèi) 零件的高質(zhì)量再制造，平均壽命延長(zhǎng) 3 倍。廢舊 零件經(jīng)過(guò)表面增材修復(fù)再制造技術(shù)恢復(fù)原始尺寸 的同時(shí)，也引入了復(fù)雜的表界面結(jié)構(gòu)和微觀缺陷。開(kāi)展再制造產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)和服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)是 確保再制造產(chǎn)品安全完成下一輪服役的重要措 施。Xing 等[93] 采用等離子噴涂技術(shù)在再制造零件 表面制備兼具耐磨抗疲勞和壓電傳感功能的陶瓷 涂層，克服了傳統(tǒng)外置傳感器不能接近承載界 面、破壞構(gòu)件完整性等不足，目前已在實(shí)驗(yàn)室條 件下實(shí)現(xiàn)了再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、壓縮機(jī)主軸等運(yùn) 行中磨損和疲勞狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。 

4.3 裝備維修與再制造的發(fā)展方向探討 

我國(guó)已成為全球制造大國(guó)，但是發(fā)展模式仍 比較粗放，進(jìn)一步發(fā)展面臨能源、資源和環(huán)境的 諸多壓力。中國(guó)特色的裝備維修與再制造始終以 產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)，以恢復(fù)產(chǎn)品功能、 提升裝備性能為目標(biāo)，以表面增材修復(fù)和性能強(qiáng) 化為主要技術(shù)手段，以為經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)服務(wù)為 主線，是延長(zhǎng)裝備使用壽命、提升裝備服役性 能、實(shí)現(xiàn)資源高效循環(huán)利用的最佳途徑之一，具 有顯著的軍民融合特色和突出的節(jié)能環(huán)保效益。在政策支持、市場(chǎng)需求和社會(huì)責(zé)任等多因素 推動(dòng)和產(chǎn)、學(xué)、研、用各主體的共同努力下，裝備 維修與再制造的相關(guān)基礎(chǔ)理論、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn) 工藝和產(chǎn)業(yè)化推廣均取得了顯著成效。但我國(guó)的 再制造產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，從事高端裝備再制造的大型企業(yè)數(shù)量較少，企業(yè)中推廣應(yīng)用綠色清 洗、無(wú)損檢測(cè)、表面增材、壽命評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)的 范圍還有限，涉及再制造舊件回收、質(zhì)量檢測(cè)和 產(chǎn)品流通的政策法規(guī)尚需完善[94]。在新時(shí)期，為推進(jìn)我國(guó)裝備維修和再制造工 程的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，以期為裝備維修保障和經(jīng) 濟(jì)、社會(huì)建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)，建議重點(diǎn)開(kāi)展如下 工作：(1) 重視基礎(chǔ)科學(xué)研究的支撐和引領(lǐng)作用，為 再制造技術(shù)創(chuàng)新提供不竭動(dòng)力。深入開(kāi)展再制造 全流程的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究。例如再制造毛坯和 產(chǎn)品剩余壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)理論與方法，再制造微納 涂層材料宏微觀構(gòu)性關(guān)系，缺損零件局部增材區(qū) 域嵌合鍵合機(jī)制和應(yīng)力分布規(guī)律等等。(2) 攻克高端智能裝備再制造核心技術(shù)，進(jìn)一 步做大做強(qiáng)再制造產(chǎn)業(yè)。通過(guò)關(guān)鍵共性技術(shù)攻 關(guān)，推動(dòng)新一代信息技術(shù)、新生物學(xué)和再生學(xué)技 術(shù)與現(xiàn)有再制造技術(shù)的深度融合，不僅實(shí)現(xiàn)再制 造工藝過(guò)程及流程管理的信息化、智能化，還要 賦予再制造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)健康智能管理能力，實(shí)現(xiàn)航 空發(fā)動(dòng)機(jī)、醫(yī)療影像設(shè)備等高端裝備高質(zhì)量再制造。(3) 實(shí)施在役裝備現(xiàn)場(chǎng)、主動(dòng)、升級(jí)再制造， 促進(jìn)裝備戰(zhàn)斗力再生、降低裝備全壽命周期費(fèi) 用。在軍事領(lǐng)域，面向未來(lái)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)，需 大力提升復(fù)雜武器裝備現(xiàn)場(chǎng) (戰(zhàn)場(chǎng)) 快速再制造和 精確伴隨保障能力。在民用領(lǐng)域，面向制造業(yè)轉(zhuǎn) 型升級(jí)，通過(guò)對(duì)在役老舊機(jī)電裝備主動(dòng)再制造， 改善其信息化、智能化和環(huán)保水平，提升服役性 能、降低運(yùn)維成本。(4) 著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，全面協(xié)調(diào)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新、 商業(yè)模式創(chuàng)新和人力資源貯備。堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng)， 堅(jiān)持綠色發(fā)展，堅(jiān)持生產(chǎn)-服務(wù)并重，進(jìn)一步釋放 中國(guó)特色再制造模式的節(jié)能環(huán)保潛能，推動(dòng)服務(wù) 型再制造快速發(fā)展。堅(jiān)持學(xué)科的龍頭地位，將再 制造學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)放在首要位置，既要培 養(yǎng)能把握規(guī)劃再制造發(fā)展方向的領(lǐng)軍人才，也要 培養(yǎng)具有大國(guó)工匠素養(yǎng)的產(chǎn)業(yè)工人。 

5 總結(jié)與展望 

普通環(huán)境下的材料防護(hù)技術(shù)已經(jīng)不能滿足日 益發(fā)展的海洋、航空、航天、核能行業(yè)高速、高 溫、高壓、重載環(huán)境等苛刻環(huán)境工況下機(jī)械裝備 的需求，近年發(fā)展起來(lái)的石墨烯重防腐涂層、防 結(jié)冰涂層、自修復(fù)智能涂層等特種涂層技術(shù)解決 了材料在海洋大氣、極地環(huán)境、核電環(huán)境下的長(zhǎng) 期可靠防護(hù)難題；寬溫域潤(rùn)滑、空間長(zhǎng)壽命潤(rùn) 滑、導(dǎo)電超潤(rùn)滑等涂層技術(shù)解決了材料在復(fù)雜空 間、廣速率、寬溫域等環(huán)境下的服役難題；超硬 薄膜、強(qiáng)韌一體化薄膜、表層硬化技術(shù)解決了材 料在重載荷、高壓等環(huán)境下的高承載耐磨需求。上述技術(shù)有效支撐了我國(guó)海洋、航空航天、船舶、 核電等行業(yè)重大裝備的研制與發(fā)展。隨著高端機(jī)械裝備的發(fā)展，材料所面臨的環(huán) 境會(huì)愈加苛刻，未來(lái)材料表面防護(hù)技術(shù)將朝著適 應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的多重功能一體化，以及超長(zhǎng)壽 命方向發(fā)展。這需要基礎(chǔ)理論研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)分 析，從防護(hù)材料的設(shè)計(jì)、制備以及全壽命服役與 失效機(jī)制方面，明確材料的構(gòu)效關(guān)系、表界面作 用等，從而達(dá)到材料長(zhǎng)壽命可靠防護(hù)。此外，通過(guò)再制造技術(shù)，實(shí)施在役裝備現(xiàn)場(chǎng)的維修升級(jí)， 也是提升材料服役性能與壽命的重要發(fā)展方向之一。

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