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。隨著我國海洋工程、空間站、深空探測、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，國內(nèi)外針對材料的腐蝕與防護(hù)、減摩與潤滑、耐磨與強(qiáng)化以及維修與再制造4個(gè)領(lǐng)域開展了大量研究。針對海洋大氣、深海、高原嚴(yán)寒以及核輻照環(huán)境開展了材料腐蝕機(jī)制與防護(hù)技術(shù)研究；針對航空航天、地質(zhì)鉆探等行業(yè)，開展了長壽命固體潤滑、高溫固體潤滑、材料表層硬化等潤滑與強(qiáng)化技術(shù)研究；針對裝備的修復(fù)與延壽，創(chuàng)立了再制造技術(shù)領(lǐng)域，并開展了大量研究。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。隨著我國高端裝備的發(fā)展，材料的應(yīng)用環(huán)境愈發(fā)嚴(yán)酷，對材料的防護(hù)提出更高的要求。軍事裝備作為國防建設(shè)的核心內(nèi)容之一，具有種類多、數(shù)量大、存儲(chǔ)時(shí)間長以及應(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、長霉等現(xiàn)象[1]。

采用涂層表面防護(hù)技術(shù)對軍事裝備進(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)對海水中微生物的附著及腐蝕問題，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研究的熱點(diǎn)。對于石墨烯的研究，Chen等[8]制備的石墨烯涂層，其抗氧化性相對于原來的Cu/Ni基體有大幅度提高。對于石墨涂料的研究主要集中于有機(jī)涂料、無機(jī)涂料兩類，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，石墨烯改性在無機(jī)涂料領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，萬春玉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在無機(jī)防腐涂料中添加石墨烯，在涂覆量僅有100~150mg/dm2的情況下，涂層的抗鹽霧能力可高達(dá)1200h，說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。現(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，自主修復(fù)涂層常以包埋的成膜物質(zhì)或緩蝕劑對受損涂層進(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。對于非自主修復(fù)類的涂層，依靠溫度、光照等外界環(huán)境對涂層進(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)降低陰極和陽極過程的反應(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)。國外對深海環(huán)境中各類設(shè)備的腐蝕問題進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，都是以環(huán)氧類涂層為主，但尚未建立針對深海裝備的耐壓力防腐蝕涂層的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。國內(nèi)對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，而國內(nèi)深海裝備防腐涂層主要有環(huán)氧樹脂類防腐涂層、氟碳防腐涂層及有機(jī)硅樹脂涂層等。相對于淺海，陰極保護(hù)在深海環(huán)境下的中腐蝕防護(hù)系統(tǒng)因?yàn)樗畨旱膯栴}發(fā)生了較大變化。就犧牲陽極保護(hù)而言，其抗腐蝕性能在深海環(huán)境下有所下降。國外的科研人員為解決其防護(hù)問題需要在不同海域、不同深度進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)測試研究，以開發(fā)更合適的犧牲陽極材料。國內(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)

相對于常見氣候，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)50m/s。此外，極地環(huán)境還存在碎冰磨蝕等問題。

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。針對于極寒環(huán)境的研究熱點(diǎn)是通過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[20]。Ayres等[21]通過溶膠-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NuSil公司開發(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，例如門框、翼梁、螺旋槳轂等[24]，均會(huì)因應(yīng)力腐蝕斷裂而遭受嚴(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)備帶來嚴(yán)重磨蝕問題[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)

對于核電技術(shù)的發(fā)展，我國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(Lightwaterreactors,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：一類是以FeCrAl為主的Fe基合金材料；另外一類是陶瓷材料如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)槠涔逃械奶匦约创嘈愿摺?qiáng)度低等很難真正設(shè)計(jì)為包殼結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，正開發(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。基于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。國內(nèi)外對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100μm的涂層，并且對其進(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5.5μm；Maier等[34]在Zircaloy-4基體上沉積了厚度90μm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測試表明，該涂層具有用于核燃料包殼的潛力。

2 減摩與潤滑技術(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)的潤滑材料和技術(shù)。對于航空航天等高技術(shù)裝備來說，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)的流體潤滑技術(shù)已不再適用，固體潤滑技術(shù)為解決長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、超音速噴涂等)、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)、高溫氣冷堆等國家重大裝備工程的實(shí)施，對潤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，潤滑材料總體向著多功能、智能自適應(yīng)和超長壽命等目標(biāo)不斷發(fā)展。

2.1 多環(huán)境自適應(yīng)智能潤滑材料和技術(shù)

近年來，空間/臨近空間飛行器是國內(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)過載等)的考驗(yàn)，而且對精度、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、可靠潤滑問題已成為空間/臨近空間裝備關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件面臨的共性問題。

美國MTI項(xiàng)目對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)境下長壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。固體潤滑材料要具備低環(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蹨囟取⒔佑|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、長壽命、多環(huán)境適應(yīng)性(智能)等特性于一體的固體潤滑材料的基本理念和理想途徑。21世紀(jì)初，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)進(jìn)一步開展了自適應(yīng)“智能”固體潤滑薄膜的研究工作，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)變或類金剛石向類石墨碳的轉(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，都分別對多環(huán)境自適應(yīng)潤滑材料體系的制備物性與應(yīng)用探索開展了研究[39-41]。采用強(qiáng)碳(W、Mo、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測試條件下摩擦因數(shù)均小于0.04，磨損壽命超過3×105r)，實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境潤滑適應(yīng)性。

2.2 寬溫域自適應(yīng)潤滑材料與技術(shù)

普通油脂類潤滑材料最高使用溫度一般不超過200℃，聚合物基自潤滑材料(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)部件的潤滑和耐磨問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，高溫潤滑問題已經(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)與停車階段，還需經(jīng)歷室溫至高溫和高溫至室溫的變化過程。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)潤滑問題。

NASA Glene 研究中心率先于20世紀(jì)70年代開展寬溫域自潤滑材料研究，分別發(fā)展了PM系列的自潤滑復(fù)合材料和PS系列的熱噴涂自潤滑涂層[43-45]。PM/PS212成功地實(shí)現(xiàn)了從室溫到800℃的連續(xù)潤滑，他們的設(shè)計(jì)理念是將低溫潤滑材料(15%的銀)和高溫潤滑材料(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)各潤滑材料顯出各自的潤滑性能，從而達(dá)到寬溫域連續(xù)潤滑。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)的潤滑，可達(dá)到箔片軸承在高于650℃啟停10000次的效果。目前國外已經(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，潤滑性能較差。在PVD高溫潤滑涂層方面主要有3大類型：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為過渡金屬)。如AgMoxOy、AgVxOy、CuMoxOy等。③氮化物基溫度自適應(yīng)涂層。該類涂層以MeN為基礎(chǔ)抗磨相，采用潤滑劑復(fù)配技術(shù)，在溫度連續(xù)變化過程中，引發(fā)涂層發(fā)生潤滑劑擴(kuò)散遷移、生成氧化物等變化，使得涂層具備優(yōu)異的寬溫域潤滑性能。美國空軍研究基地研究了MoS2與PbO或WS2與ZnO等低溫潤滑劑組配制備復(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作為高溫固體潤滑劑，可實(shí)現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)潤滑劑可持續(xù)補(bǔ)充的連續(xù)潤滑。這一研究發(fā)現(xiàn)“激活”了寬溫域高溫固體潤滑材料的研究思路。美國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起到潤滑作用；在300~500℃范圍內(nèi)，Ag擴(kuò)散到涂層表面起潤滑作用；在500~800℃時(shí)，氧化生成AgMoxOy層狀氧化物起到潤滑作用，從而實(shí)現(xiàn)室溫到800℃高溫的連續(xù)潤滑。

然而上述設(shè)計(jì)思想的不足是：一方面，組分太過復(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：1.5×10-6mm3/Nm)。而且在溫度循環(huán)的摩擦過程中，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)散過程，將會(huì)是寬溫域自潤滑材料非常有希望的研究方向。

2.3 空間導(dǎo)電與潤滑功能一體化材料與技術(shù)

對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)椋鹩兄鴥?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》[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)均開展了大量的研究工作[49-51]，主要研究機(jī)構(gòu)有：IMI(UK)、LeCarbone(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。

潤滑材料的復(fù)合需要綜合兼顧其導(dǎo)電性和真空潤滑性能。石墨是最早廣泛使用的電接觸潤滑材料，它兼具優(yōu)異的潤滑、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，特別是對于大氣環(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，在沒有發(fā)現(xiàn)更理想的潤滑相的條件下，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)揮在大氣跑合過程的潤滑作用，利用二硫化鉬發(fā)揮在真空環(huán)境下的潤滑作用，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NASA開發(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、無污染等優(yōu)點(diǎn)極具優(yōu)勢。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)電潤滑膜層，針對兼顧低電噪聲和低磨損率的技術(shù)難點(diǎn)，通過制備方法、工藝參數(shù)、組分和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，突破了潤滑薄膜兼顧導(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)近年來國內(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滑性能(即摩擦因數(shù)在10-3量級，較常規(guī)固體潤滑材料降低1~2數(shù)量級)，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Argon國家實(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)，0.5GPa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)石墨類碳材料在真空潤滑和耐磨不佳的問題。同時(shí)在摩擦過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)石墨材料長期以來面臨的真空潤滑失效的局限問題，為新型空間用超低摩擦、長壽命、導(dǎo)電潤滑材料的設(shè)計(jì)帶來新的理念和機(jī)遇。

2.4 抗核輻照潤滑材料與技術(shù)

針對核反應(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、日本等國外機(jī)構(gòu)曾進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，認(rèn)為材料的腐蝕磨損是主要失效機(jī)制。在我國實(shí)際故障分析過程中也發(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)對傳動(dòng)部件表面強(qiáng)化改性被證明是簡便而行之有效的途徑。法國、美國、日本、韓國等利用表面強(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。國外高溫反應(yīng)堆大都使用二硫化鉬潤滑薄膜解決轉(zhuǎn)動(dòng)部件和摩擦偶件的磨損問題[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，使用二硫化鉬潤滑，零件表面生成了抗摩的Na2MoO4薄膜；英國的“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AVR高溫球床堆，美國的圣·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)行軸承潤滑的。而對于壓水堆傳動(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、銷爪、絲杠、開合螺母(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年代就開始了核反應(yīng)堆用潤滑材料的研制工作[57]，分別采用有機(jī)和無機(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)堆用潤滑耐磨涂層/薄膜材料產(chǎn)品，完成了國家科技重大專項(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，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)勘探用高承載相對運(yùn)動(dòng)件，對材料的承載能力和表面耐磨特性提出越來越高的要求。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。從涂層體系來說，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，被廣泛于機(jī)械切削、礦物開采、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℃，相對較低，一定程度上限制了它的使用[58]。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陰極電弧沉積制備了厚度達(dá)80μm的超厚CrN涂層，從而達(dá)到長效耐磨的效果[59]。對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50GPa，且涂層擁有很好的韌性[60-61]。對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在高速鋼基底上沉積制備了Cr-Ti-AlZr-N五元梯度超硬涂層，涂層硬度可達(dá)4400HV，膜基結(jié)合力達(dá)200N[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法生長大單晶金剛石，并成功將其產(chǎn)業(yè)化[63]。

類金剛石(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95GPa；同時(shí)，DLC中的sp2能夠起到良好的潤滑效果，使DLC涂層有很低的摩擦因數(shù)，廣泛應(yīng)用于軸承、齒輪、活塞等表面作為耐磨損表面強(qiáng)化涂層以及工具涂層。日本新潟大學(xué)KyoheiHorita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英團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對過渡族金屬元素成鍵特性進(jìn)行篩選分類，并采用離子束沉積和磁控濺射相結(jié)合的方式，對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，DAMASCENOJC等[67]通過對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、機(jī)械裝備的發(fā)展，對材料與構(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、盤等高耐磨高導(dǎo)熱率兼?zhèn)涞鹊取Ｒ虼吮韺訌?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。0.5MPa/3~20min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404~554HV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)斷凹槽為研究對象，通過優(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(≥50HRC)缺一不可。王健波等人采用激光淬火工藝，選用1100W激光功率，4.5mm/s掃描速度，3次激光寬帶掃描處理后，20Cr13硬化層深度>500μm，表面晶粒極細(xì)，硬度>600HV0.1[70]。針對運(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、無晶間氧化脫碳現(xiàn)象，盲孔處滲碳層深度偏差僅為0.04mm，并很好地滿足零件表面硬度(700HV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，目前以及未來的發(fā)展方向?qū)⑹且远喾N強(qiáng)化手段和能量場結(jié)合開發(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(450HV左右)，低塑性拋光次之，而激光沖擊強(qiáng)化效果最小(400HV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，Ti2N相對含量減少，TiN相增多；830℃滲氮15h表面硬度可達(dá)1056HV、層深125μm，耐磨性顯著提高[73]。陳宇海利用將氣體爆炸能量、脈沖電場能量、等離子體多重能量共同作用的脈沖等離子體爆炸技術(shù)(Pulsedplasmadetonation,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、TixOy、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，通過脈沖高壓電場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)對材料的表面改性。劉洪喜等人通過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1×1017ions/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，并可通過改變微弧氧化電參數(shù)來減少復(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)到高可靠長效運(yùn)行的目的，急需對其表面進(jìn)行強(qiáng)化耐蝕處理。激光熔覆可通過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[78]通過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、斷裂等各類失效問題更加嚴(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，通過維修恢復(fù)裝備的使用性能、延長裝備服役壽命，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，對于損傷較重的零件直接更換新件；對于損傷較輕的零件，則利用車、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]。

針對上述不足，中國自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估和再制造產(chǎn)品壽命預(yù)測為主體的基礎(chǔ)理論，突破了再制造毛坯無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、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，全國已形成湖南長沙、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2.5萬臺(tái)重載汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，年再制造1萬臺(tái)自動(dòng)變速箱、年再制造1萬臺(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，并 將無損檢測理論與技術(shù)、表面工程理論與技術(shù)和 壽命評估理論與技術(shù)等引入再制造，形成了舊件 剩余壽命評估、局部損傷增材修復(fù)、再制造產(chǎn)品 安全評價(jià)等完整的技術(shù)體系。

舊件剩余壽命評估是在對再制造毛坯進(jìn)行全面的損傷檢測的基礎(chǔ)上，通過對磨損、腐蝕和疲勞裂紋擴(kuò)展速率等的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)再制造對象損傷程度的定量評估和剩余壽命預(yù)測。針對量大面廣的鐵磁特性再制造毛坯損傷檢測難題，Dong等[91]開展了基于自發(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，極大提高了毛坯可再制造性的檢測精度，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。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)孔類零件的高質(zhì)量再制造，平均壽命延長3倍。廢舊零件經(jīng)過表面增材修復(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。開展再制造產(chǎn)品壽命預(yù)測和服役狀態(tài)監(jiān)測是確保再制造產(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。

4.3 裝備維修與再制造的發(fā)展方向探討

我國已成為全球制造大國，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)和國防建設(shè)服務(wù)為主線，是延長裝備使用壽命、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、無損檢測、表面增材、壽命評估等關(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。深入開展再制造全流程的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究。例如再制造毛坯和產(chǎn)品剩余壽命精準(zhǔn)預(yù)測理論與方法，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、主動(dòng)、升級再制造，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，面向未來一體化聯(lián)合作戰(zhàn)，需大力提升復(fù)雜武器裝備現(xiàn)場(戰(zhàn)場)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，通過對在役老舊機(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)境下的長期可靠防護(hù)難題；寬溫域潤滑、空間長壽命潤滑、導(dǎo)電超潤滑等涂層技術(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)到材料長壽命可靠防護(hù)。此外，通過再制造技術(shù)，實(shí)施在役裝備現(xiàn)場的維修升級，也是提升材料服役性能與壽命的重要發(fā)展方向之一。

作者:鞠鵬飛，張達(dá)威，吉利，馬國政，陳建敏，徐濱士

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