0 引言

先进材料是实现核电、船舶、运载火箭、卫星 及航空航天飞行器等先进装备高性能、高可靠 性、轻量化、小型化的基础和保障。随着我国海 洋工程、空间站、深空探测、重型运载火箭、大飞 机、天地往返以及核电等重大战略工程的实施， 在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质、辐射环境 等条件下，关键部件材料可靠防护与长期可靠服 役成为限制上述高端装备发展的主要瓶颈之一， 其中苛刻工况下材料的腐蚀、磨损是主要失效行 为。近年来，国内外针对材料的腐蚀与防护、减 摩与润滑、耐磨与强化以及维修与再制造 4 个领 域开展了大量研究。针对海洋大气、深海、高原 严寒以及核辐照环境开展了材料腐蚀机制与防护 技术研究；针对航空航天、地质钻探等行业，开 展了长寿命固体润滑、高温固体润滑、材料表层 硬化等润滑与强化技术研究；针对装备的修复与 延寿，创立了再制造技术领域，并开展了大量研 究。以下将从这几个方面综述苛刻环境下材料表 面防护技术应用现状与发展情况。

1 腐蚀与防护技术 

材料的腐蚀问题伴随材料的设计而产生，一 直影响其服役寿命。随着我国高端装备的发展， 材料的应用环境愈发严酷，对材料的防护提出更 高的要求。军事装备作为国防建设的核心内容之 一，具有种类多、数量大、存储时间长以及应用 环境复杂多样的特点[1]。尤其是飞机、船舶和核电 等大型装备，通常要求其能够在严酷的环境中长 期使用，任何一个零部件的腐蚀都会给整个装备 带来安全隐患，影响装备运行服役。在诸多自然 环境中，海洋是极为苛刻的腐蚀环境，普通的材 料氧化膜对于海洋环境的保护作用较弱。据不完 全统计，海洋腐蚀损失约占材料总腐蚀损失的 1/3，因此海洋腐蚀导致的损失是远高于其他环境 腐蚀[2]。针对海洋环境中机械腐蚀、电化学腐蚀及 生物腐蚀作用影响，其防护主要分为 3 个方面：材料的选择和合理设计，材料的表面保护，以及 外加电流或牺牲阳极的阴极保护。此外，极地高原地区材料老化、风蚀和磨 蚀，以及核反应堆中高温高压和辐照等问题同样 值得引起关注。

1.1 海洋大气环境腐蚀与防护 

海洋大气腐蚀主要由潮湿大气环境下的薄液 膜所导致，腐蚀多发生在高温高湿的沿海地区。尤其是当高温高湿的海洋大气中含有酸性污染物 或者盐分颗粒时，腐蚀问题将进一步加重。高温 高湿的大气环境会造成金属基材的腐蚀，例如轻 武器在高温高湿的海洋大气环境中常发生的弹匣 斑块腐蚀等；同时极易导致装备涂镀保护层的失 效，例如弹箭在储存过程中发生的涂层老化、膜 下腐蚀、鼓泡、脱落等；高温高湿大气环境还会 引起橡胶、塑料等非金属材料的变形、变脆、龟 裂、溶胀、长霉等现象[1]。采用涂层表面防护技术对军事装备进行防护 是目前广泛应用且行之有效的防腐技术之一。表 面防护涂镀层的设计与选择需充分考虑军事装备 不同的应用环境，根据实际需要研究具有特殊功 能的涂镀层防护体系。例如杜克勤等[3] 采用双极 性脉冲控制方式对镁合金进行微弧氧化，改善了 其膜层的抗腐蚀性能。Li 等[4] 通过直流磁控溅射 在 316L 不锈钢上制造了具有不同调制周期的 Cr/GLC 多层膜，显着提高了其人工海水中的摩擦 磨损性能。对于容易受到海水浸泡的舰艇表面， 采用电弧喷涂锌、铝涂层等赋予舰艇金属表面优 良的耐海水腐蚀能力[5]。应对海水中微生物的附着 及腐蚀问题，船舶工业中采用了具有防污功能及 杀菌功能的智能涂层进行涂装[6]。除上述几种常用 表面涂镀技术外，其它表面防护技术，如非晶态 合金化学镀层、纳米颗粒复合涂层等同样展现出 了巨大的应用潜力[7]。目前石墨烯涂层以及自修复涂层等是海洋防 腐涂层近年来研究的热点。对于石墨烯的研究， Chen 等[8] 制备的石墨烯涂层，其抗氧化性相对于 原来的 Cu/Ni 基体有大幅度提高。对于石墨涂料 的研究主要集中于有机涂料、无机涂料两类， Prasai 等[9] 最早发明制备石墨烯涂料的方法，即以 聚甲基丙烯酸甲酯为中间介质将需要的石墨烯涂 层制备在基体表面，材料的抗腐蚀性能得到了大 幅度提升。另外，石墨烯也可以用于对现有涂料 的改性，例如中科院宁波材料所[10] 将石墨烯添加 到水性环氧涂料，与纯环氧树脂防腐涂料相比， 其涂层的性能得到改善。另一方面，石墨烯改性 在无机涂料领域的应用逐渐增多，万春玉等[11] 研1.1 海洋大气环境腐蚀与防护 海洋大气腐蚀主要由潮湿大气环境下的薄液 膜所导致，腐蚀多发生在高温高湿的沿海地区。尤其是当高温高湿的海洋大气中含有酸性污染物 或者盐分颗粒时，腐蚀问题将进一步加重。高温 高湿的大气环境会造成金属基材的腐蚀，例如轻 武器在高温高湿的海洋大气环境中常发生的弹匣 斑块腐蚀等；同时极易导致装备涂镀保护层的失 效，例如弹箭在储存过程中发生的涂层老化、膜 下腐蚀、鼓泡、脱落等；高温高湿大气环境还会 引起橡胶、塑料等非金属材料的变形、变脆、龟 裂、溶胀、长霉等现象[1]。采用涂层表面防护技术对军事装备进行防护 是目前广泛应用且行之有效的防腐技术之一。表 面防护涂镀层的设计与选择需充分考虑军事装备 不同的应用环境，根据实际需要研究具有特殊功 能的涂镀层防护体系。例如杜克勤等[3] 采用双极 性脉冲控制方式对镁合金进行微弧氧化，改善了 其膜层的抗腐蚀性能。Li 等[4] 通过直流磁控溅射 在 316L 不锈钢上制造了具有不同调制周期的 Cr/GLC 多层膜，显着提高了其人工海水中的摩擦 磨损性能。对于容易受到海水浸泡的舰艇表面， 采用电弧喷涂锌、铝涂层等赋予舰艇金属表面优 良的耐海水腐蚀能力[5]。应对海水中微生物的附着 及腐蚀问题，船舶工业中采用了具有防污功能及 杀菌功能的智能涂层进行涂装[6]。除上述几种常用 表面涂镀技术外，其它表面防护技术，如非晶态 合金化学镀层、纳米颗粒复合涂层等同样展现出 了巨大的应用潜力[7]。目前石墨烯涂层以及自修复涂层等是海洋防 腐涂层近年来研究的热点。对于石墨烯的研究， Chen 等[8] 制备的石墨烯涂层，其抗氧化性相对于 原来的 Cu/Ni 基体有大幅度提高。对于石墨涂料 的研究主要集中于有机涂料、无机涂料两类， Prasai 等[9] 最早发明制备石墨烯涂料的方法，即以 聚甲基丙烯酸甲酯为中间介质将需要的石墨烯涂 层制备在基体表面，材料的抗腐蚀性能得到了大 幅度提升。另外，石墨烯也可以用于对现有涂料 的改性，例如中科院宁波材料所[10] 将石墨烯添加 到水性环氧涂料，与纯环氧树脂防腐涂料相比， 其涂层的性能得到改善。另一方面，石墨烯改性 在无机涂料领域的应用逐渐增多，万春玉等[11] 研究发现，在无机防腐涂料中添加石墨烯，在涂覆 量仅有 100~150 mg /dm2 的情况下，涂层的抗盐雾 能力可高达 1200 h，说明其防腐性能得到大幅度 改善。沈海斌等[12] 用石墨烯代替金属铬添加到达 克罗涂料中，涂层也可以具有较好的抗腐蚀性 能，同时对于环境也十分友好。自修复防腐涂层是新兴智能防护涂层的一 种，当涂层被破坏损伤后，涂层在一定条件下恢 复其抗腐蚀的性能。现有的自修复涂层主要分为 自主修复和非自主修复两类，自主修复涂层常以 包埋的成膜物质或缓蚀剂对受损涂层进行修复。Yang 等[13] 采用界面聚合的方法，异氰酸酯与水分 子反应填充涂层损坏后的缺陷。Aoki 等[14] 在醇酸 树脂涂层加入十二烷胺缓蚀剂，验证了缓蚀剂可 以减弱其腐蚀。对于非自主修复类的涂层，依靠 温度、光照等外界环境对涂层进行修复，Guo 等[15] 设计出一种基于紫外光引发阳离子聚合的修 复涂层。

1.2 深海环境腐蚀与防护 

在深海领域海水的溶解氧含量、盐度、温度 及生物条件等都与浅海有一定差异，材料在深海 领域中的腐蚀行为与浅海有所不同[16-17]。就海水中 的溶氧量而言，随着海洋深度的增加，海洋中的 溶解氧逐渐降低，但由于有洋流的补充，深海领 域中溶解氧又会逐渐增加。其次，深海领域中的 盐度含量约为 35PSU，不会随深海深度有所改 变[18]。随着海洋深度的增加，海水的温度逐渐降 低，这样会降低阴极和阳极过程的反应速度，同 时可以降低氧的扩散速率，深海环境中材料的腐 蚀有所减缓，尤其是碳钢等金属材料。此外，由 于微生物的存在，金属材料在浅海中腐蚀较为严 重，而在深海领域中海洋微生物数量稀少，材料 的腐蚀多是由厌氧菌造成的，这种情况多发生于 深海海底。东北大学的研究者通过搭建系列深海 模拟装置，研究发现深海环境的电化学腐蚀更加 严重，而牺牲阳极性能下降，电偶腐蚀加剧[19]。深海领域设备腐蚀防护的主要措施有防腐涂 层和阴极保护。与浅海防腐涂层不同，深海环境 下涂层的防护性能和服役寿命主要与高水压下涂 层的渗透行为有关。国外对深海环境中各类设备 的腐蚀问题进行系统的实验和总结，都是以环氧 类涂层为主，但尚未建立针对深海装备的耐压力防腐蚀涂层的相关标准规范。国内对于深海装备 防腐涂层，要求其服役寿命一般不低于 15 年，但 目前其使用寿命距要求还有一定差距，而国内深 海装备防腐涂层主要有环氧树脂类防腐涂层、氟 碳防腐涂层及有机硅树脂涂层等。相对于浅海， 阴极保护在深海环境下的中腐蚀防护系统因为水 压的问题发生了较大变化。就牺牲阳极保护而 言，其抗腐蚀性能在深海环境下有所下降。国外 的科研人员为解决其防护问题需要在不同海域、 不同深度进行了系统的试验测试研究，以开发更 合适的牺牲阳极材料。国内在深海环境下阴极保 护方面的研究主要集中在保护机制和影响因素等 方面，并得到一个完整的大数据。

1.3 极寒、高原腐蚀与防护 

相对于常见气候，极寒、高原地区的环境更 为严苛。高原环境主要为极端高低温和高辐照强 度；气温低和风速高也是极地的气候特征，如北 极地区，其温度最低达–60 ℃，风速最大达 50 m/s。此外，极地环境还存在碎冰磨蚀等问题。极寒、高原地区的防腐有机涂层包括传统的 环氧涂层、醇酸涂层以及聚氨酯涂层等。丙烯酸 树脂面漆也具有较好的耐候性，与环氧漆和醇酸 漆相比，其光泽保持度较好，适合在较低温度下 使用。极寒、高原环境虽低温干燥，但臭氧浓度 高、紫外辐照较强，涂层老化较快，粘结力降 低、变色、粉化、失去光泽等。针对于极寒环境的 研究热点是通过降低涂层表面的粘附力实现抗结 冰目的，主要分为牺牲性涂层、疏冰涂层和超疏 水涂层 3 大类[20]。Ayres 等[21] 通过溶胶-凝胶法制 备出一种抗结冰缓释涂层，可以有效的减小表面 结冰附着力，抗结冰效果明显。美国 NuSil 公司 开发出一种有机硅涂层，其抗结冰效果明显，是 少有的疏冰涂层[22]。而抗结冰涂层绝大部分是超 疏水涂层涂层，Wang 等[23] 制备了纳米级氟碳膜 涂层，可以有效地延迟结冰时间。金属装备及构件的应力腐蚀断裂同样是极 地、高寒防腐领域面临的重点问题之一。应力腐 蚀一般发生在较低的应力和腐蚀性较弱的介质 中，断裂失效发生突然，危害极大。飞机的金属 构件中，例如门框、翼梁、螺旋桨毂等[24]，均会因 应力腐蚀断裂而遭受严重破坏。高原荒漠中的沙尘会给军用装备、系统和机载设备带来严重磨蚀问题[25]。例如直升机旋翼诱 发的湍流气流中裹挟的沙尘碎石会磨损飞机的活 动部件、金属表面以及涂镀层。细小的沙尘颗粒 极易进入机身内部，并破坏机体内部的精密金属 结构及电子系统。针对易遭受风沙磨损的飞机铝 基体蒙皮和其他金属结构件，采用带有弹性聚氨 酯面漆的复合涂层能够有效抵御砂石等坚硬物质 的磨蚀[26]。激光熔覆铜基、镍基合金涂层以其硬 度高、耐磨性好等特点，被用于延缓火炮驻退机 节制环的磨损失效[27]。

1.4 核辐照腐蚀与防护 

对于核电技术的发展，我国研究方向主要集 中在核电设备所用的燃料包壳、发电装置等。但 是就核反应堆而言，其高温、高压和强辐照所造 成的腐蚀对于材料的选用提出更苛刻的要求。锆合金包壳的燃料体系已经在轻水反应堆 (Light water reactors, LWRs) 中成功使用了 40 多 年，表现出良好的抗辐照和抗腐蚀性能。在轻水 反应堆这种苛刻环境下，对包壳材料及其他设备 的抗高温、抗腐蚀的性能要求较高，最关键的是 材料也能抵抗辐照损伤。根据现有的研究成果， 锆合金的替代材料主要分为两类：一类是以 FeCrAl 为主的 Fe 基合金材料；另外一类是陶瓷 材料如 SiC/SiC 复合材料、MAX 相陶瓷材料等。但不管是新型的合金材料还是陶瓷材料都存在一 定的问题，就 Fe 基合金材料而言，其机械加工及 焊接需要进一步研究；而陶瓷材料因为其固有的 特性即脆性高、强度低等很难真正设计为包壳 结构。同时，正开发用于锆合金的事故容错涂层， 该涂层可以在非正常高温或 LOCA 条件下提供必 要的保护，也可以在 LWRs 中提高材料的抗高 温、高压、水蒸气等性能。新型三元层状结构 MAX 相陶瓷材料，具备较高的杨氏模量，较低的 维氏硬度和剪切模量，易加工，导热、导电性能 较好等[28-30]。含铝的 MAX 相材料氧化后产物为 Al2O3，由于其热膨胀系数[30] 和氧化前基本一致， 使其能够致密覆盖在材料表面形成氧化膜。基于 MAX 相材料的辐射耐受性和结构稳定性，可以将 其应用于先进核反应系统中。MAX 相材料更高的 抗辐照损伤能力，可使目前的核反应堆工作于更 高的温度。国内外对 MAX 相涂层的制备进行了 不断尝试，Frodelius 等[31] 采用超音速火焰法成功 在不锈钢表面制备出厚度大于 100 μm 的涂层，并 且对其进行了系统分析；Zhang 等[32] 运用离子喷 涂技术在 Inconel600 基体上喷涂 Ti2AlC 涂层，但 喷涂过程中 Ti2AlC 会发生分解，其最高的保有量 为 26.0%。Tang 等[33] 通过元素的非反应磁控溅射 在 Zircaloy-4 基材合成致密的纯相 Ti2AlC 涂层， 其厚度约为 5.5 μm；Maier 等[34] 在 Zircaloy-4 基体 上沉积了厚度 90 μm 的 Ti2AlC 涂层，700 °C 环境 空气中的氧化试验和 1005 °C 下进行的 LOCA 测 试表明，该涂层具有用于核燃料包壳的潜力。

2 减摩与润滑技术 

磨损失效是机械装备失效的主要原因。减小 磨损的最有效办法，是采用先进的润滑材料和技 术。对于航空航天等高技术装备来说，服役工况 极端恶劣，经常遭受高真空、高温、高压等特殊 考验，传统的流体润滑技术已不再适用，固体润 滑技术为解决长寿命高可靠性工程装备设计制造 的瓶颈难题发挥了重要的作用。目前已经发展了 以二硫化物属、软金属、碳材料、聚合物、陶瓷氧 化物、氮化物、碳化物等为主的润滑材料体系， 采用了粉末冶金、涂料涂装、真空气相沉积 (PVD、 CVD 等)、热喷涂 (等离子、超音速喷涂等)、激光 处理 (熔覆、合金化、热处理、织构化等)、液相表 面改性 (化学和电化学表面改性)、表层强化 (离子注入、渗碳、渗氮、喷丸等)、自组装分子有序膜 等制备技术。随着空间站、高推重比航空发动 机、高温气冷堆等国家重大装备工程的实施，对 润滑材料又提出了更高的要求：①服役环境更加 复杂、苛刻，对复杂多环境适应性提出要求，例 如高推重比发动机热端温度范围不断提高，天地 往返飞行器面临“空天地”多环境服役要求，核反 应堆装备还需耐受核辐射等；②更高的可靠性和 更长的服役寿命，例如新型航天器机构在轨设计 使用寿命已由原来的 3~5 年提高到 8~10 年甚至 15 年；③新型功能要求，除了满足润滑功能外， 还需兼具导电、导热、防核辐射、吸波等新的功 能。以应用需求为牵引，润滑材料总体向着多功 能、智能自适应和超长寿命等目标不断发展。

2.1 多环境自适应智能润滑材料和技术 

近年来，空间/临近空间飞行器是国内外研究的热点。这些装备的运动部件，需要在多种极端 恶劣环境以及变工况条件下服役。运动部件不仅 要经受多种严酷环境和极端变工况 (大交变接触应 力、瞬时过载等) 的考验，而且对精度、寿命、承 载等方面的要求非常高。极端变工况和多环境服 役条件下的高效、可靠润滑问题已成为空间/临近 空间装备关键运动部件面临的共性问题。美国 MTI 项目对 NASA 多年空间机械失效的 分析指出，发展能够适应多种环境和变工况条件 下的新型智能润滑材料，是提高装备系统在变工 况下可靠性和攻克其在多环境下长寿命的关键技 术之一。固体润滑材料要具备低环境敏感性、自 适应、自修复等功能，必须具备两方面条件：①必须包含在多环境和多工况条件下具有最佳润 滑功能的各种材料组成，以充分利用各组分的协 同效应；②材料的成分、微结构以及表面化学状 态能够对服役温度、接触应力、气氛或介质的变化做出响应，并表现出稳定可靠的低摩擦磨损， 进而适应环境变化的影响。采用纳米化、多元 化、复合化的组分结构设计思路，借助界面结 构、表面织构化的主动设计，是研制具有低摩 擦、高强韧、长寿命、多环境适应性 (智能) 等特 性于一体的固体润滑材料的基本理念和理想途 径。21 世纪初，美国空军研究实验室 (AFRL) 进 一步开展了自适应“智能”固体润滑薄膜的研究工 作，发展的自适应复合薄膜包括 YSZ/Au/DLC/ MoS2、WC/DLC/ MoS2、YZS/Ag/Mo/ MoS2 等[35-36]。此后，A.A. Voevodin 进一步发展了自适应固体润 滑复合薄膜思想[37-38]，提出在接触应力、摩擦热、 外界高温的作用下，固体润滑复合薄膜的微观结 构会发生相应的转变，如碳薄膜材料中 sp3 -sp2 的 转变或类金刚石向类石墨碳的转变，MoS2、 WS2 的重结晶和重组装，以及复合薄膜中不同组 分之间的相互反应等。

国内在此方面的研究虽起步较晚，但也逐渐 引起重视并取得了良好进展，中科院兰州化物 所、中科院宁波材料所、清华大学等单位，都分 别对多环境自适应润滑材料体系的制备物性与应 用探索开展了研究[ 3 9 - 4 1 ]。采用强碳 (W、M o、 Ti 等) 与弱碳金属 (Al、Cu、Ag 等) 多元掺杂复合 技术，获得了具有高硬度、高韧性以及一定摩擦 自适应特性的碳基固体润滑复合薄膜，并提出了基于非晶/纳米晶多尺度耦合设计的环境自适应固 体润滑薄膜构筑理念。设计制备了不同调制周期 的 MoS2/a-C:H 多层薄膜[42]，结果表明软硬交替多 层薄膜不但界面结合良好，而且多界面的设计有 效地阻止了裂纹扩展。多层膜兼具了软层低剪切 力和硬层高承载力的优异性能，在摩擦诱导双元 复合协同润滑作用下，MoS2/a-C:H 纳米多层薄膜 在真空、空气、惰性气氛多种环境气氛中都展示 了优异的摩擦学性能 (GJB3032-97 测试条件下摩 擦因数均小于 0.04，磨损寿命超过 3×105 r)，实现了多环境润滑适应性。

2.2 宽温域自适应润滑材料与技术 

普通油脂类润滑材料最高使用温度一般不超 过 200 ℃，聚合物基自润滑材料 (包括有机涂 层) 的最高使用温度为 400 ℃，在高温环境下，润 滑材料和技术的选择面迅速变窄。随着高新技术 的发展，以航空航天发动机、空气箔片轴承、涡 轮增压器等系统装备的服役温度越来越高，尤其 是大多数军用发动机运动部件所处的温度高于 800 ℃，其运动部件的润滑和耐磨问题成为决定 装备可靠性和寿命乃至整个系统设计成败的关 键。以航空领域为例，随着航程和速度的进一步 提高，对发动的推力和推重比提出了更高的要 求，发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以 及转速均大幅提升。发动机中运动部件的工作温 度将大幅度提高，高温润滑问题已经成为技术发 展的瓶颈。除此之外，在发动机启动与停车阶 段，还需经历室温至高温和高温至室温的变化过 程。上述环境为典型的航空发动机极端宽温域环 境，迫切需要解决 1000 ℃ 范围内连续、多循环润 滑问题。NASA Glene 研究中心率先于 20 世纪 70 年代 开展宽温域自润滑材料研究，分别发展了 PM 系 列的自润滑复合材料和 PS 系列的热喷涂自润滑涂 层[43-45]。PM/PS212 成功地实现了从室温到 800 ℃ 的连续润滑，他们的设计理念是将低温润滑材料 (15% 的银) 和高温润滑材料 (15% 的 CaF2/BaF2 共 晶物) 分散混合在高温金属基体 (70% 的镍/钴合 金) 中，在不同温域内各润滑材料显出各自的润滑 性能，从而达到宽温域连续润滑。由 Ni-Cr、Cr2O3、 Ag 和 BaF2/CaF2 等组成的 PS304 等离子喷涂复合 涂层，成功应用于箔片空气动压轴承在低温到高温起停时的润滑，可达到箔片轴承在高于 650 ℃ 启停 10 00 0 次的效果。目前国外已经利用 PVD 技术发展了在空气中热稳定性能达到 1000~ 1200 ℃ 的 PVD 硬质高温耐磨涂层，如 Balzers 公 司推出 AlCrN 基涂层、IonBong 公司的 TiSiN 基 涂层等。上述涂层在超过 1000 ℃ 的高温条件下 也具有优异的耐磨防护性能，但是这些涂层的摩 擦因数很大，高达 0.5 以上，润滑性能较差。在 PVD 高温润滑涂层方面主要有 3 大类型：①多元 金属涂层如 Cu/Ni/Ag、Ag/Ti，Au/Cr 等。②双金 属氧化物 MexTMyOz(其中，Me 为贵金属，TM 为过渡金属)。如 AgMoxOy、AgVxOy、CuMoxOy 等。③氮化物基温度自适应涂层。该类涂层以 MeN 为基础抗磨相，采用润滑剂复配技术，在温 度连续变化过程中，引发涂层发生润滑剂扩散迁 移、生成氧化物等变化，使得涂层具备优异的宽 温域润滑性能。美国空军研究基地研究 了 MoS2 与 PbO 或 WS2 与 ZnO 等低温润滑剂组配制 备复合薄膜，发现利用摩擦化学反应在高温条件 下分别生成 PbMoO4 或 ZnWO4 作为高温固体润滑 剂，可实现在宽温度范围内润滑剂可持续补充的 连续润滑。这一研究发现“激活”了宽温域高温固 体润滑材料的研究思路。美国空军材料制造研究 室发展了 VN/Ag、MoN/Ag 涂层和 MoN/MoS2/Ag 三元复合涂层体系[46]，在室温~300 ℃ 温度范围 内，MoS2 起到润滑作用；在 300~500 ℃ 范围 内，Ag 扩散到涂层表面起润滑作用；在 500~800 ℃ 时，氧化生成 AgMoxOy 层状氧化物起到润滑作 用，从而实现室温到 800 ℃ 高温的连续润滑。然而上述设计思想的不足是：一方面，组分 太过复杂，材料结构及性能调控较为困难；另一 方面，多种润滑剂虽然能够在各自温度段发挥作 用，但在高温下一些中低温润滑相的化学组分和 结构较初始时会发生不可逆的变化，再次使用时 性能也就大幅退化。氧化物陶瓷是一种优异的耐高温、抗氧化材 料，而且兼具一定的润滑特性。然而其脆性极 差，高应力作用下寿命受到限制。李红轩等[47] 从 PVD 单相氧化铬陶瓷薄膜入手，利用热处理过程 中元素热扩散现象实现材料重结晶及结构自组 装，不仅克服了氧化铬陶瓷材料的脆性问题，同 时利用特有的自组装表面形貌及其优异的化学和 热稳定性，获得了在 5 次热循化条件下优异的宽 温域自适应润滑性能 (0~1000 ℃ 温域范围内，摩 擦因数小于 0.3，磨损率：1.5×10?6 mm3 /Nm)。而 且在温度循环的摩擦过程中，热扩散导致的自组 装结构可以发生温度响应的智能补给，持续发挥 减摩抗磨作用。氧化物陶瓷材料是一个庞大的家 族，还拥有众多的优异特性，围绕氧化物陶瓷材 料体系设计，并主动控制热扩散过程，将会是宽 温域自润滑材料非常有希望的研究方向。 

2.3 空间导电与润滑功能一体化材料与技术

对于高精密的空间电接触部件，传统采用金 作为电接触材料，主要是因为，金有着优异的化 学稳定性、导电性和导热性，在空间环境下比较 稳定。缺点是硬度较低，易发生磨损，因此，常 加入钴、银、铜、铂、钯等元素做成合金来提高金的综合性能。然而单纯的金-金配副在真空载流条 件下摩擦因数会呈现一个很高的水平，《空间摩 擦学手册》[48] 数据表明金-金配副典型摩擦因数 为 0.8，会造成严重的磨损，寿命较低。为此从国 内外就如何改善真空电接触界面间的摩擦磨损状 态均开展了大量的研究工作[49-51]，主要研究机构 有：IMI (UK)、Le Carbone (France)、Carbex (Sweden)、 ESTL, NASA (USA)、Boeing (USA)、中科院兰州 化物所、中南大学、昆明贵金属研究所等。改善 的途径主要集中在复合各种润滑材料，结合制备 技术的发展，不断优化和创新材料体系。

润滑材料的复合需要综合兼顾其导电性和真 空润滑性能。石墨是最早广泛使用的电接触润滑 材料，它兼具优异的润滑、导电和导热性能，特 别是对于大气环境下大载流条件，石墨/Ag 复合 材料发挥了重要的作用。然而石墨在真空环境下 摩擦性能迅速恶化，并没有在空间电接触部件上 有效使用。以二硫化钼为代表的二硫化物属润滑 材料在真空中具有极低的摩擦因数，但是其导电 性差。因此，在没有发现更理想的润滑相的条件 下，只能将石墨与二硫化钼复合添加到金属体相 中，利用石墨发挥在大气跑合过程的润滑作用， 利用二硫化钼发挥在真空环境下的润滑作用，利 用金属体相发挥导电作用，满足航天滑环等使役 工况要求。但是均是以牺牲一部分材料的导电性 或力学性能为代价，加入的量很少。制备方法一 般为以银、铜、金以及合金为基体、以石墨、MoS2、NbS2、WS2 等为润滑相，采用粉末冶金工 艺 (压制烧结/热压) 或者电镀工艺分别制备复合材 料和复合镀层材料。典型的材料为美国 NASA 开 发的 Ag-MoS2-C 卫星导电滑电刷[50]。

随着材料制备新技术的不断涌现，研究者们 尝试了许多其他的新工艺和材料体系[52]：如等离 子体增强气相沉积 TiNiC、TiN 等薄膜、等离子体 喷涂 AgCu 膜层、溶胶-凝胶法氧化物等。其基本 思想是直接制备导电、耐磨功能一体化材料，主 要利用材料本身高硬度起到延长磨损寿命的作 用。其中采用物理气相沉积技术制备的膜层具备 的膜基结合强、致密纯度高、高硬耐磨、表面光 滑、无污染等优点极具优势。中科院兰州化学物 理研究所翁立军等人利用 PVD 技术，设计制备 了 PdNiAu 合金化导电润滑膜层，针对兼顾低电 噪声和低磨损率的技术难点，通过制备方法、工 艺参数、组分和结构的调整，突破了润滑薄膜兼 顾导电及韧性的技术关键，设计制备的 PdNiAu 薄膜耐磨寿命、磨损率、电噪声、表面粗糙度、厚 度均匀性及耐热冲击性能达到了较高水平。低温 沉积技术是进一步提高膜层致密性和耐磨寿命的 有效途径。研究结果表明，低温状态下沉积膜层 有效控制了结晶速率和晶粒尺寸，结构更为致 密，改善了应力状态，提高了膜-基结合强度，大 幅降低了磨损率。石墨烯是一种拥有独特二维纳米结构的新型 碳材料。最重要的是石墨烯兼具优异的电学性能 和润滑性能，其电子是以恒定速率传递的，载流 子迁移率在所有导体中是最大的，石墨烯是目前 发现的导电性能最强的材料；同时近年来国内外 研究表明，具有原子厚度的石墨烯不仅在微纳机 械领域的微观尺度下具有超润滑性能 (即摩擦因数 在 10-3 量级，较常规固体润滑材料降低 1~2 数量 级)，而且还可以在宏观力接触方式下展现出非凡 的摩擦学特性。美国 Argon 国家实验室研究人 员[53] 于 2016 年在 Science 期刊上首次报道了石墨 烯作为润滑剂在宏观接触大气环境条件下的超低 摩擦特性，摩擦因数低至 0.004。2017 年吉利等[54] 发现：石墨烯在高真空、宏观接触条件下，也表 现出超低摩擦因数和长寿命特性，石墨烯基膜层 在真空环境下其摩擦因数低至 0.01 以下 (较现役 Au 膜层 0.2~0.4 的摩擦因数降低 1~2 个数量级)， 0.5 GPa 接触应力下，耐磨寿命达到 8×105 转以 上，可以克服传统石墨类碳材料在真空润滑和耐 磨不佳的问题。同时在摩擦过程中保持了良好的 接触电导性。石墨烯材料的出现颠覆了传统石墨 材料长期以来面临的真空润滑失效的局限问题， 为新型空间用超低摩擦、长寿命、导电润滑材料 的设计带来新的理念和机遇。

2.4 抗核辐照润滑材料与技术

针对核反应堆堆高温、高压、水蒸汽等恶劣 环境下传动机构部件的磨损失效机理，法国、日 本等国外机构曾进行过系统的研究，认为材料的 腐蚀磨损是主要失效机制。在我国实际故障分析 过程中也发现，滚轮跑道中有大量腐蚀产物、磨 损产物积聚。因此提高传动部件材料表面的耐腐 蚀性、耐磨性是必由之路。反应堆传动部件整体 材料的选材在耐辐照、耐腐蚀、韧性等力学性能 等方面具有非常严格的要求，从整体材料本身提 高其耐磨性难度较大。而采用先进的表面处理技术对传动部件表面强化改性被证明是简便而行之 有效的途径。法国、美国、日本、韩国等利用表面 强化改性技术已具备一些解决核反应堆反应棒驱 动机构部件的成功经验。改性的思路主要有两 种，一种是利用润滑功能化处理减小磨损；另一 种是利用硬化与防腐处理达到耐磨的目的。国外 高温反应堆大都使用二硫化钼润滑薄膜解决转动 部件和摩擦偶件的磨损问题[55]。例如，高温液态 钠冷快增殖堆的传动机构工作在氩气和钠蒸气之 中，使用二硫化钼润滑，零件表面生成了抗摩的 Na2MoO4 薄膜；英国的“龙”高温气冷堆传动机构 密闭在充满氦气的干套管中, 对其轴承的滚珠和内 外滚道涂镀二流化银后，摩擦因数可保持在 0.003，磨损量也小；此外，西德 A V R 高温球床 堆，美国的圣·符仑堡高温气冷堆的传动机构也都 是应用二硫化钼进行轴承润滑的。而对于压水堆 传动机构，二硫化钼在高温水蒸汽环境下，润滑 性能丧失，而且耐腐性较差，不被使用。主要途 径为采用钛和铬的氮化物/碳化物等硬质、耐腐蚀 的陶瓷涂层材料。处理方法包括传统的电镀、渗 氮以及新近发展的离子喷涂、真空离子镀等技 术。法国卡达拉希中心、法玛通先进核能公司等 机构综合对比了不同制备技术以及材料的性能， 认为真空气相沉积、离子喷涂技术制备的 CrC 复合材料热态性能最佳[56]，其不仅具有高硬度、耐 腐蚀性能，而且润滑性能较好，已在压水堆反应 棒驱动机构喷嘴、一回路阀门、销爪、丝杠、开合 螺母 (滚轮) 等部件上成功应用。

中科院兰州化物所自 20 世纪 80 年代就开始 了核反应堆用润滑材料的研制工作[57]，分别采用 有机和无机粘结涂层、热喷涂、PVD 等多种表面 工程技术，成功研制了系列核反应堆用润滑耐磨 涂层/薄膜材料产品，完成了国家科技重大专项 《大型先进压水堆及高温气冷堆核电站》(HTRPM 气冷堆核电站)4 大系统 30 余种运动部件 (滚 轮、丝杠、分裂转子下端轴承、大/小锥齿轮、导 程螺杆等) 的固体润滑和耐磨处理，在实验堆以及 示范堆中得到成功应用，解决了零件在高湿、氦 气、高温、辐照环境下的长寿命可靠运行难题， 积累了丰富的基础数据，为抗辐射润滑设计的选 材提供了有力的指导。

3 耐磨与强化技术 

近年来，随着航空航天、地质钻探、机械加 工、模具制造等工业的飞速发展，单一的材料已 经无法满足高性能特种装备的使用要求，特别是 航空和地质勘探用高承载相对运动件，对材料的 承载能力和表面耐磨特性提出越来越高的要求。材料耐磨与强化技术应运而生，并广泛应用与上 述行业的运动部件，提高装备的服役性能与寿命。

3.1 高承载件表面强化技术

硬质耐磨强化涂层技术可以有效弥补不同应 用环境中基体材料的性能不足，使其适应严苛的 工作环境。从涂层体系来说，高承载件表面强化 涂层体系主要包括碳氮化物、硼化物、氧化物等 传统硬质涂层，以及金刚石、类金刚石、立方氮 化硼、碳化硼、纳米多层结构涂层及纳米复合涂 层等超硬涂层。过渡族金属碳氮化物具有硬度高、热稳定性 好、耐腐蚀和抗高温氧化等性能优势，被广泛于 机械切削、矿物开采、耐磨损和耐高温等部件。研究最早、应用最广泛的是 TiN 和 CrN 涂层。在 高速钢刀具表面沉积 TiN 涂层后，刀具的使用寿 命可提高十几倍甚至数十倍。但 TiN 涂层的氧化 耐受温度只有 550 ℃，相对较低，一定程度上限 制了它的使用[ 5 8 ]。CrN 涂层比 TiN 涂层耐磨减摩、耐高温和耐腐蚀。中科院宁波材料所王永欣 等人通过阴极电弧沉积制备了厚度达 80 μm 的超 厚 CrN 涂层，从而达到长效耐磨的效果[59]。对二 元涂层引入第三种元素进行合金化，使涂层中产 生多元金属化合物，能够进一步提高涂层的耐磨 特性。例如对 TiN 涂层掺入 C 和 B 得到的 Ti-CN 涂层和 Ti-B-N 涂层比原 TiN 涂层的硬度更高， 摩擦因数更低，耐粘着磨损和磨粒磨损性能更 好,其中用 CVD 法制备的 Ti-B-N 涂层硬度可达到 50 GPa，且涂层拥有很好的韧性[60-61]。对 TiC 涂层 掺入 N、B、Si 等元素得到的 Ti-C-N、Ti-B-C、TiSi-C 三元涂层，可不同程度提高 TiC 涂层的综合 力学性能。当对涂层引入更多元素时，可制备四 元及以上氮化物硬质耐磨涂层，池成忠等人采用 多弧离子镀在高速钢基底上沉积制备了 Cr-Ti-AlZr-N 五元梯度超硬涂层，涂层硬度可达 4400 HV， 膜基结合力达 200 N[62]。以 Al2O3、ZrO2、Cr2O3、TiO2 为主的氧化物 涂层，因具有高硬度、高化学稳定性和热稳定性 等特性，也是硬质耐磨防护涂层的理想选择。其 中 Al2O3 致密稳定，硬度最高，常用做高温机械 零部件硬质耐磨涂层，但其脆性较大，可通过和 TiO2 复合的方式增加涂层的韧性。ZrO2 涂层拥有 高熔点、低导热系数、高热膨胀系数、良好高温稳 定性、隔热性以及生物惰性，在航空、航天、等领 域被广泛应用。具有高 sp3 含量的金刚石、类金刚石和具有立 方结构的立方氮化硼、碳化硼等，相较其他普通 耐磨硬质强化涂层，具有极高的硬度，极低的摩 擦因数，突出的耐磨特性和化学稳定性。热丝化 学气相沉积因稳定性好，沉积面积大，工艺简单 等优点，被广泛用于制备金刚石涂层。中科院宁 波材料所江南等人用 CVD 法生长大单晶金刚石， 并成功将其产业化[63]。类金刚石 (DLC) 涂层结构介于金刚石结构和 石墨结构之间，其中的碳碳键以 sp3 共价键为主， 混杂一定量的 sp2 键，因而具有和金刚石相近的高 硬度、电阻率、导热系数、电绝缘强度和化学稳定 性。通过调控沉积参数调控 sp3 键的含量，能够使 涂层的硬度达到 95 GPa；同时，DLC 中的 sp2 能 够起到良好的润滑效果，使 DLC 涂层有很低的摩 擦因数，广泛应用于轴承、齿轮、活塞等表面作摩、耐高温和耐腐蚀。中科院宁波材料所王永欣 等人通过阴极电弧沉积制备了厚度达 80 μm 的超 厚 CrN 涂层，从而达到长效耐磨的效果[59]。对二 元涂层引入第三种元素进行合金化，使涂层中产 生多元金属化合物，能够进一步提高涂层的耐磨 特性。例如对 TiN 涂层掺入 C 和 B 得到的 Ti-CN 涂层和 Ti-B-N 涂层比原 TiN 涂层的硬度更高， 摩擦因数更低，耐粘着磨损和磨粒磨损性能更 好,其中用 CVD 法制备的 Ti-B-N 涂层硬度可达到 50 GPa，且涂层拥有很好的韧性[60-61]。对 TiC 涂层 掺入 N、B、Si 等元素得到的 Ti-C-N、Ti-B-C、TiSi-C 三元涂层，可不同程度提高 TiC 涂层的综合 力学性能。当对涂层引入更多元素时，可制备四 元及以上氮化物硬质耐磨涂层，池成忠等人采用 多弧离子镀在高速钢基底上沉积制备了 Cr-Ti-AlZr-N 五元梯度超硬涂层，涂层硬度可达 4400 HV， 膜基结合力达 200 N[62]。以 Al2O3、ZrO2、Cr2O3、TiO2 为主的氧化物 涂层，因具有高硬度、高化学稳定性和热稳定性 等特性，也是硬质耐磨防护涂层的理想选择。其 中 Al2O3 致密稳定，硬度最高，常用做高温机械 零部件硬质耐磨涂层，但其脆性较大，可通过和 TiO2 复合的方式增加涂层的韧性。ZrO2 涂层拥有 高熔点、低导热系数、高热膨胀系数、良好高温稳 定性、隔热性以及生物惰性，在航空、航天、等领 域被广泛应用。具有高 sp3 含量的金刚石、类金刚石和具有立 方结构的立方氮化硼、碳化硼等，相较其他普通 耐磨硬质强化涂层，具有极高的硬度，极低的摩 擦因数，突出的耐磨特性和化学稳定性。热丝化 学气相沉积因稳定性好，沉积面积大，工艺简单 等优点，被广泛用于制备金刚石涂层。中科院宁 波材料所江南等人用 CVD 法生长大单晶金刚石， 并成功将其产业化[63]。类金刚石 (DLC) 涂层结构介于金刚石结构和 石墨结构之间，其中的碳碳键以 sp3 共价键为主， 混杂一定量的 sp2 键，因而具有和金刚石相近的高 硬度、电阻率、导热系数、电绝缘强度和化学稳定 性。通过调控沉积参数调控 sp3 键的含量，能够使 涂层的硬度达到 95 GPa；同时，DLC 中的 sp2 能 够起到良好的润滑效果，使 DLC 涂层有很低的摩 擦因数，广泛应用于轴承、齿轮、活塞等表面作 8 中  国  表  面  工  程 2019 年 为耐磨损表面强化涂层以及工具涂层。日本新潟 大学 Kyohei Horita 等[64] 将 DLC 涂层应用于加工 线路板的微型钻头，在钻头钻孔速度和使用寿命 提高的同时，大大降低成本。西安工业大学杨巍 等人利用 DLC 涂层的优良生物兼容性，采用离子 束法在微弧氧化处理后的钛合金表面沉积 DLC 涂 层，达到在人工关节表面制备耐磨保护涂层的目 的[65]。中科院宁波材料所汪爱英团队通过理论计 算和实验相结合，对过渡族金属元素成键特性进 行筛选分类，并采用离子束沉积和磁控溅射相结 合的方式，对 DLC 涂层掺入金属元素以降低涂层 内应力，实现高结合力 DLC 涂层的可控制备[66]。另外，DLC 属于亚稳态材料，超过 300 ℃ 的高温 环境下易发生 sp3 向 sp2 转变，导致涂层力学性能 大幅度下降，DAMASCENO J C 等[ 6 7 ] 通过对 DLC 涂层掺入 Si 元素，改善 DLC 涂层的高温稳定性。

3.2 材料表层强化技术

新一代航天、航空、汽车、机械装备的发展， 对材料与构件的组织、变形以及表面完整性提出 了更高的要求，尤其是传动、转动等运动构件， 例如活塞、阀门等采用钛合金制件以降低结构重 量，减小摩擦因数，提高耐磨性和抗微动磨损能 力；要求柱塞泵靴、盘等高耐磨高导热率兼备等 等。因此表层强化技术将发挥重要作用，技术研 发重点也从传统的气体渗碳、气体渗氮、液体渗 氮化学热处理技术向新型等离子体轰击、真空低 压、高能激光加热、感应加热等方式转移，例如 等离子体渗碳、渗氮及共渗，真空低压渗碳及碳 氮共渗，激光淬火、感应加热淬火等。不锈钢的表层强化工艺大致可分为形变表面 强化工艺和改性表面强化工艺。表面形变强化是 利用机械能使工件表面产生塑性变形，产生应变 细晶层，从而使表层硬度、强度提高的方法，包 括喷丸、滚压、挤压等传统技术和超声冲击强化 等新颖表面机械强化技术。超超临界火电机组的 极限高温高压对锅炉用钢的高温强度和抗氧化性 能提出了更高要求。王锐坤通过优化表面喷丸工 艺参数，可成功在 Super304H 奥氏体不锈钢表面 实现纳米晶化。0.5 MPa/3~20 min 喷丸处理后 Super304H 钢表层硬度值均是未处理试样硬度的 2~3 倍，在 404~554 HV 左右，极大地提高其抗高温蒸汽氧化性能和抗高温热腐蚀的能力[68]。李钱 瑞以核电站关键构建爆破阀拉力螺栓预断凹槽为 研究对象，通过优化超声冲击强化处理的振幅、 冲击时间和能量等参数，使得 1Cr13 马氏体不锈 钢的显微硬度达到 395HV 左右，表面压应力和疲 劳极限提高 10 倍[69]。另外，不锈钢的改性表面强 化工艺主要集中在激光淬火、真空低压渗碳、等 离子渗氮、离子注入等先进表面工程技术上。目 前，提高航天用高强钢的构件极限服役性能已成 为制约航天高端装备产品研制的瓶颈技术之一。如某航天型号锁紧机构零件，需在反复锁紧与松 开的动作中接受冲击，零件整体较好的强韧性和 局部接触面的高硬度 (≥50 HRC) 缺一不可。王健 波等人采用激光淬火工艺，选用 1100 W 激光功 率，4.5 mm/s 扫描速度，3 次激光宽带扫描处理 后，20Cr13 硬化层深度>500 μm，表面晶粒极 细，硬度>600 HV0.1[70]。针对运载型号产品中的衬 筒 (15Cr)、活塞筒 (20CrMnTi) 等零件，唐丽 娜[71] 等采用真空低压渗碳处理，零件表面清洁光 亮、无晶间氧化脱碳现象，盲孔处渗碳层深度偏 差仅为 0. 04 mm，并很好地满足零件表面硬度 (700 HV 以上) 和渗碳层深的技术指标要求，显著 优于传统气体渗碳工艺。 

航空发动机用钛合金构件工作环境恶劣，除了高的离心负荷、振动负荷和热负荷，还要承受环境介质的腐蚀与氧化作用，因此对钛合金进行 表面强化处理是永恒的话题。钛合金表面强化技 术的发展从基于热处理、物理化学反应的传统表 面改性向以电子束、离子束、激光束等高能束的 使用为标志的“三束改性”现代表面改性技术发 展，目前以及未来的发展方向将是以多种强化手 段和能量场结合开发而成的复合新工艺。高玉 魁[72] 采用了喷丸强化、激光强化和低塑性抛光强 化对 TC4 钛合金进行表面改性处理，从表面硬度 提升效果上看，喷丸强化加工硬化最明显 (450 HV 左右)，低塑性抛光次之，而激光冲击强化效果最 小 (400 HV 左右)，由于残余应力的引入均可提高 TC4 的旋转弯曲疲劳寿命和疲劳强度。航天八院 采用钛合金等离子体渗氮处理，在钛合金表面制 备一定厚度的渗氮层，白亮层由金黄色 TiN 和 Ti2N 相组成，随着渗氮温度的升高和保温时间的 延长，Ti2N 相对含量减少，TiN 相增多；830 ℃温蒸汽氧化性能和抗高温热腐蚀的能力[68]。李钱 瑞以核电站关键构建爆破阀拉力螺栓预断凹槽为 研究对象，通过优化超声冲击强化处理的振幅、 冲击时间和能量等参数，使得 1Cr13 马氏体不锈 钢的显微硬度达到 395HV 左右，表面压应力和疲 劳极限提高 10 倍[69]。另外，不锈钢的改性表面强 化工艺主要集中在激光淬火、真空低压渗碳、等 离子渗氮、离子注入等先进表面工程技术上。目 前，提高航天用高强钢的构件极限服役性能已成 为制约航天高端装备产品研制的瓶颈技术之一。如某航天型号锁紧机构零件，需在反复锁紧与松 开的动作中接受冲击，零件整体较好的强韧性和 局部接触面的高硬度 (≥50 HRC) 缺一不可。王健 波等人采用激光淬火工艺，选用 1100 W 激光功 率，4.5 mm/s 扫描速度，3 次激光宽带扫描处理 后，20Cr13 硬化层深度>500 μm，表面晶粒极 细，硬度>600 HV0.1[70]。针对运载型号产品中的衬 筒 (15Cr)、活塞筒 (20CrMnTi) 等零件，唐丽 娜[71] 等采用真空低压渗碳处理，零件表面清洁光 亮、无晶间氧化脱碳现象，盲孔处渗碳层深度偏 差仅为 0. 04 mm，并很好地满足零件表面硬度 (700 HV 以上) 和渗碳层深的技术指标要求，显著 优于传统气体渗碳工艺。航空发动机用钛合金构件工作环境恶劣，除 了高的离心负荷、振动负荷和热负荷，还要承受 环境介质的腐蚀与氧化作用，因此对钛合金进行 表面强化处理是永恒的话题。钛合金表面强化技 术的发展从基于热处理、物理化学反应的传统表 面改性向以电子束、离子束、激光束等高能束的 使用为标志的“三束改性”现代表面改性技术发 展，目前以及未来的发展方向将是以多种强化手 段和能量场结合开发而成的复合新工艺。高玉 魁[72] 采用了喷丸强化、激光强化和低塑性抛光强 化对 TC4 钛合金进行表面改性处理，从表面硬度 提升效果上看，喷丸强化加工硬化最明显 (450 HV 左右)，低塑性抛光次之，而激光冲击强化效果最 小 (400 HV 左右)，由于残余应力的引入均可提高 TC4 的旋转弯曲疲劳寿命和疲劳强度。航天八院 采用钛合金等离子体渗氮处理，在钛合金表面制 备一定厚度的渗氮层，白亮层由金黄色 TiN 和 Ti2N 相组成，随着渗氮温度的升高和保温时间的 延长，Ti2N 相对含量减少，TiN 相增多；830 ℃ 第 4 期 鞠鹏飞，等：苛刻环境下材料表面防护技术的研究进展 9 渗氮 15 h 表面硬度可达 1056 HV、层深 125 μm， 耐磨性显著提高[ 7 3 ]。陈宇海利用将气体爆炸能 量、脉冲电场能量、等离子体多重能量共同作用 的脉冲等离子体爆炸技术 (Pulsed plasma detonation, PPD)，采用纯钨电极，丙烷、氧气、压缩空气作 为爆炸气体，在 TA2 和 TC4 表面制备 PPD 改性 层，获得由 TiN、TiN0.3、Ti xOy、Ti 以及少量 W 组成的改性层，硬度较基体提高 3.8 倍，磨损 机制主要为三体磨粒磨损，并伴有轻微的黏着磨 损特征[74]。新型等离子体浸没离子注入与沉积技 术 (PIIID) 可有效地将离子注入技术和真空弧蒸发 技术结合，通过脉冲高压电场将离化的等离子体 加速注入并沉积于工件表面，从而实现对材料的 表面改性。刘洪喜等人通过 PIIID 技术向 TC4 钛 合金表面注入了不同剂量的金属 Ag，当注入量为 当注入剂量为 1×1017 ions/cm2 时，材料表面纳米 硬度和弹性模量分别提高 62.5% 和 54.5%，耐摩 擦磨损和抗腐蚀性得到了大幅提高[75]。王宝婷等[76] 的研究发现 TC4 钛合金表面制备的微弧氧化+强 流电子脉冲 (MAO+HCPEB) 复合涂层，表面发生 重熔，形成平整的改性层，耐盐雾腐蚀和摩擦磨 损性能更好，并可通过改变微弧氧化电参数来减 少复合层中的熔坑。在地质勘探领域，铝合金钻杆已逐步替代传 统钢钻杆，被越来越多的运用在深井、超深井及 难进入地区钻探。但由于铝合金硬度低于钢，在 摩擦过程中，较易产生严重磨损，并且在高温及 含盐环境中，其力学性能和耐蚀性能明显下降， 很难达到高可靠长效运行的目的，急需对其表面 进行强化耐蚀处理。激光熔覆可通过熔化铝基体 部分表面以及不同涂层粉末 (TiC、SiC、Al2O3 等)，使铝合金表面生成一层陶瓷复合涂层，大大 改善基体表面性能摩擦磨损和耐腐蚀性能[77]。李 琦等[7 8] 通过激光熔覆在铝合金表面制备了一层 NiCrAl/TiC 复合涂层，结果显示激光熔覆涂层只 发生了轻微的磨粒磨损，铝合金基体发生严重的 磨粒磨损和剥层磨损；表明激光熔覆层可明显提 高铝合金材料的耐磨性。张志超[79] 研究了激光熔 覆参数对 ZLl09 铝合金表面 CNT/A12O3 复合涂层 的影响，表明了激光功率、扫描速度、熔覆材料 配比等都会影响到熔覆层的孔隙率和显微硬度。表面机械强化与电化学改性方法的复合处理也有 望可克服单一强化方法的缺点，使得铝合金表面 获得更高的硬度和耐磨损性能。中国地质大学岳 文等[80] 采用超声波冷锻处理 (UCFT)、微弧氧化 (MAO) 及两者相复合等表面强化技术，对典型 2618 铝合金钻杆材料进行处理，在钻杆表面产生 一层强化层，以增加其表层硬度和耐蚀特性，研 究发现，和未经处理试样相比，UCFT 试样、 MAO 试样和 UCFT+MAO 试样的耐磨特性均不同 幅度上升。在高温环境中，尤其在液体环境中， UCFT+MAO 复合处理技术表现最优。文磊等[81] 通过表面纳米化-微弧氧化复合涂层处理 LY12CZ 铝合金，发现机械研磨处理后，铝合金表面生成 一层纳米层，该纳米层的生成对后续微弧氧化层 的致密度有很好的改善作用；同时，机械研磨处 理能够使材料表面处于压应力状态，耐磨性能和 疲劳寿命均有所改善。 

4 维修与再制造技术 

在高温、高湿、辐射等苛刻环境和高速、重 载、冲击等极端工况条件下，装备零件腐蚀、磨 损、断裂等各类失效问题更加严重。要恢复装备 功能、性能，保持装备持续作业能力，必须开展 装备维修与再制造技术研究。表界面是装备零件 服役过程中承担工作载荷、接触苛刻环境的重要 部位，零部件的腐蚀从浅表开始，磨损发生在表 面，疲劳裂纹大多源于表层[82]。在破坏应力持续 作用下，表界面的局部损伤又慢慢演变为整个零 件失效，最终导致装备严重损坏甚至报废。因此，装备维修与再制造的关键在于对关键零件局 部损伤表面的高质量修复、强化和防护[83-84]。

4.1 装备维修与再制造工程的发展现状

维修在装备全寿命周期中具有重要作用，通 过维修恢复装备的使用性能、延长装备服役寿 命，可产生显著的军事、经济效益[85]。随着装备更新换代速度越来越快，大量淘汰 的老旧装备造成了极大的资源浪费和环境污染， 以节约资源能源和保护环境为准则、以实现废旧 产品性能提升和寿命延长为目标、以先进技术和 产业化生产为手段的高技术维修快速发展，再制 造工程应运而生[86-87]。美、欧、日的再制造产业已 日趋成熟，但国外的再制造从技术标准到生产工 艺都完全依托于现有制造业体系，再制造模式以“换件修理法和尺寸修理法”为主，对于损伤较重 的零件直接更换新件；对于损伤较轻的零件，则 利用车、磨、镗等减材加工手段恢复零件配合精 度，但会改变零件的设计尺寸。这种再制造模式 的旧件利用率低、浪费大，还会造成再制造产品 零部件的非标化[88]。针对上述不足，中国自 1999 年正式提出基于 维修工程和表面工程的自主创新的再制造模式， 将“通过表面局部增材修复实现整体服役性能提 升”作为再制造的主要技术途径。近 20 年的实践 证明，中国的再制造虽然起步较晚，但特色鲜 明、技术先进，具有更为优异的综合效益，特别 是节能环保效益突出。当前，我国在再制造的基 础理论和关键技术研究中已取得重要突破，再制 造的学科和人才培养体系已基本完善。形成了以 再制造毛坯损伤评估和再制造产品寿命预测为主 体的基础理论，突破了再制造毛坯无损拆解和绿 色清洗技术、复杂约束下局部增材成形和减材加 工技术等关键技术，构建了再制造过程质量控制 和产品质量保证的系列标准规范。特别是在发改 委、工信部先后组织的汽车、工程机械、矿采机械、机床、船舶等多个领域再制造试点企业和再 制造产业集聚区的示范带动和引领下，全国已形 成湖南长沙、上海临港、重庆九龙工业园等 8 个 再制造产业聚集区和示范基地，培育出年再制造 2.5 万台重载汽车发动机，年再制造 1 万台自动变 速箱、年再制造 1 万台矿山机械等代表性企业。在高端装备再制造领域，航空发动机再制造已成 为保障空军高强度实战化训练的重要途径，再制 造的盾构机已在北京地铁建设中推广应用，再制 造高端医疗器械也已经进入临床应用[89-90]。 

4.2 装备维修与再制造关键技术及应用

我国的装备维修与再制造始终围绕装备关键 零件局部表面的损伤修复和防护、强化展开，并 将无损检测理论与技术、表面工程理论与技术和 寿命评估理论与技术等引入再制造，形成了旧件 剩余寿命评估、局部损伤增材修复、再制造产品 安全评价等完整的技术体系。旧件剩余寿命评估是在对再制造毛坯进行全 面的损伤检测的基础上，通过对磨损、腐蚀和疲 劳裂纹扩展速率等的计算，实现再制造对象损伤 程度的定量评估和剩余寿命预测。针对量大面广 的铁磁特性再制造毛坯损伤检测难题，Dong 等[91] 开展了基于自发弱磁信号的铁磁性再制造毛 坯隐性损伤检测技术研究，实现了以应力集中特 征为参量的再制造毛坯隐性损伤识别与检测，极 大提高了毛坯可再制造性的检测精度，已批量用 于大型离心式压缩机叶轮、重载发动机再制造毛坯检测。再制造零件局部损伤增材修复是再制造 的核心环节，存在新旧材料相容性差、空间遮蔽 可达性差、缺少定位基准等多重限制。以发动机 废旧缸体再制造为例，国外一直采用镗缸恢复表 面精度的方法，不仅改变了原始设计尺寸、破坏配副零件互换性，可修复的次数也有限。王海斗 等[92] 研制了内孔旋转等离子喷涂技术，并解决了半封闭空间有限距离内喷涂热量累积、粉尘聚集等核心难题，目前已用于航空活塞发动机缸体， 舰船柴油机缸体和石油装备泥浆泵缸体等内孔类 零件的高质量再制造，平均寿命延长 3 倍。废旧 零件经过表面增材修复再制造技术恢复原始尺寸 的同时，也引入了复杂的表界面结构和微观缺陷。开展再制造产品寿命预测和服役状态监测是 确保再制造产品安全完成下一轮服役的重要措 施。Xing 等[93] 采用等离子喷涂技术在再制造零件 表面制备兼具耐磨抗疲劳和压电传感功能的陶瓷 涂层，克服了传统外置传感器不能接近承载界 面、破坏构件完整性等不足，目前已在实验室条 件下实现了再制造发动机曲轴、压缩机主轴等运 行中磨损和疲劳状态的在线监测。 

4.3 装备维修与再制造的发展方向探讨 

我国已成为全球制造大国，但是发展模式仍 比较粗放，进一步发展面临能源、资源和环境的 诸多压力。中国特色的装备维修与再制造始终以 产品全寿命周期理论为指导，以恢复产品功能、 提升装备性能为目标，以表面增材修复和性能强 化为主要技术手段，以为经济和国防建设服务为 主线，是延长装备使用寿命、提升装备服役性 能、实现资源高效循环利用的最佳途径之一，具 有显著的军民融合特色和突出的节能环保效益。在政策支持、市场需求和社会责任等多因素 推动和产、学、研、用各主体的共同努力下，装备 维修与再制造的相关基础理论、技术标准、生产 工艺和产业化推广均取得了显著成效。但我国的 再制造产业尚处于起步阶段，从事高端装备再制造的大型企业数量较少，企业中推广应用绿色清 洗、无损检测、表面增材、寿命评估等关键技术的 范围还有限，涉及再制造旧件回收、质量检测和 产品流通的政策法规尚需完善[94]。在新时期，为推进我国装备维修和再制造工 程的持续创新发展，以期为装备维修保障和经 济、社会建设作出更大贡献，建议重点开展如下 工作：(1) 重视基础科学研究的支撑和引领作用，为 再制造技术创新提供不竭动力。深入开展再制造 全流程的基础科学问题研究。例如再制造毛坯和 产品剩余寿命精准预测理论与方法，再制造微纳 涂层材料宏微观构性关系，缺损零件局部增材区 域嵌合键合机制和应力分布规律等等。(2) 攻克高端智能装备再制造核心技术，进一 步做大做强再制造产业。通过关键共性技术攻 关，推动新一代信息技术、新生物学和再生学技 术与现有再制造技术的深度融合，不仅实现再制 造工艺过程及流程管理的信息化、智能化，还要 赋予再制造产品结构健康智能管理能力，实现航 空发动机、医疗影像设备等高端装备高质量再制造。(3) 实施在役装备现场、主动、升级再制造， 促进装备战斗力再生、降低装备全寿命周期费 用。在军事领域，面向未来一体化联合作战，需 大力提升复杂武器装备现场 (战场) 快速再制造和 精确伴随保障能力。在民用领域，面向制造业转 型升级，通过对在役老旧机电装备主动再制造， 改善其信息化、智能化和环保水平，提升服役性 能、降低运维成本。(4) 着眼长远发展，全面协调推进技术创新、 商业模式创新和人力资源贮备。坚持创新引领， 坚持绿色发展，坚持生产-服务并重，进一步释放 中国特色再制造模式的节能环保潜能，推动服务 型再制造快速发展。坚持学科的龙头地位，将再 制造学科建设和人才培养放在首要位置，既要培 养能把握规划再制造发展方向的领军人才，也要 培养具有大国工匠素养的产业工人。 

5 总结与展望 

普通环境下的材料防护技术已经不能满足日 益发展的海洋、航空、航天、核能行业高速、高 温、高压、重载环境等苛刻环境工况下机械装备 的需求，近年发展起来的石墨烯重防腐涂层、防 结冰涂层、自修复智能涂层等特种涂层技术解决 了材料在海洋大气、极地环境、核电环境下的长 期可靠防护难题；宽温域润滑、空间长寿命润 滑、导电超润滑等涂层技术解决了材料在复杂空 间、广速率、宽温域等环境下的服役难题；超硬 薄膜、强韧一体化薄膜、表层硬化技术解决了材 料在重载荷、高压等环境下的高承载耐磨需求。上述技术有效支撑了我国海洋、航空航天、船舶、 核电等行业重大装备的研制与发展。随着高端机械装备的发展，材料所面临的环 境会愈加苛刻，未来材料表面防护技术将朝着适 应复杂多变环境的多重功能一体化，以及超长寿 命方向发展。这需要基础理论研究结合实验分 析，从防护材料的设计、制备以及全寿命服役与 失效机制方面，明确材料的构效关系、表界面作 用等，从而达到材料长寿命可靠防护。此外，通过再制造技术，实施在役装备现场的维修升级， 也是提升材料服役性能与寿命的重要发展方向之一。

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