楊雨供圖
“一束綠寶石般的高能激光束蜻蜓點水般照射到汽車發(fā)動機的缸孔表面，三四分鐘后，缸孔不同區(qū)域就呈現(xiàn)出形態(tài)各異的表面織構(gòu)。”
這就是激光微織構(gòu)技術(shù)在機械零件表面的一個典型應(yīng)用。
在江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院207實驗室里，一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光微加工設(shè)備自上世紀90年代至今，已更新到第五代。
激光織構(gòu)功效神
機械零件表面那些眼睛看不見的微小結(jié)構(gòu)很重要嗎？
“很重要。傳統(tǒng)的機械零件表面結(jié)構(gòu)是自然、被動、隨機形成的，而在理想狀態(tài)下，必然存在著一個與機械系統(tǒng)性能相匹配的最優(yōu)表面結(jié)構(gòu)。”該校表界面科學(xué)與技術(shù)研究團隊負責(zé)人符永宏教授認為，找到并設(shè)計出這種完美的微織構(gòu)更是十分重要。
摩擦磨損造成的能源損耗和零件失效問題，一直是機械行業(yè)的刺痛，而這種在顯微鏡下方露崢嶸的微觀結(jié)構(gòu)，能影響甚至決定機械裝備的可靠性、使用壽命及工作性能。
自上世紀90年代初，該校就將激光技術(shù)應(yīng)用于機械工程領(lǐng)域，先后形成激光沖擊強化、激光沖擊成形、激光加工及激光薄膜測量等特色研究方向。當時，符永宏等幾個而立青年獨辟蹊徑，選擇激光微加工作為自己的研究課題。
從激光微加工到激光珩磨，再從激光微造型到激光微織構(gòu)，這支研究小分隊一直在孤獨地摸索思考，卻也在踏踏實實的研究中思路得以逐步明晰：利用高能激光束作用于材料表面，可以在機械零部件表面加工出預(yù)設(shè)的微結(jié)構(gòu)，獲得與表面性能要求優(yōu)化匹配的微形貌，實現(xiàn)主動調(diào)控摩擦副表面接觸方式和摩擦狀態(tài)的目的。
“原本無人同行的激光微織構(gòu)研究方向，近年來卻成了國內(nèi)外機械領(lǐng)域最熱門的研究方向，不僅研究人數(shù)增長最快，研究機構(gòu)和研究成果數(shù)量也呈飛速增長態(tài)勢。”這一變化令團隊很是欣喜。
“科研這條道路上，不只有付出和寂寞，更有樂趣與激情。”在摩擦學(xué)國際研究領(lǐng)域獨樹一幟并引領(lǐng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，團隊揭示了織構(gòu)參數(shù)與摩擦學(xué)特性之間的規(guī)律，還通過建立模型、數(shù)值模擬計算、軟件開發(fā)等，設(shè)計出豐富多樣的表面織構(gòu)。
直線形凹槽、三角形凹坑、火山類凸起……不要小瞧這些在微觀尺度上的凹凸有致的結(jié)構(gòu)，每一個簡單的凹陷和凸出，其實各有妙處，“比如說機械零件需要減少有害的摩擦，我們就給它設(shè)計一個凹陷織構(gòu)來減摩，當需要增加有利的摩擦?xí)r，又可以設(shè)計凸起織構(gòu)來增摩，這種凹凸有致的復(fù)合織構(gòu)還能實現(xiàn)摩擦功能的動態(tài)轉(zhuǎn)換。”符永宏介紹，這種不傷害原表面的激光微織構(gòu)技術(shù)，賦予了表層材料改形和改性的雙層功效，可用一句順口溜作比喻：“釘扎密布強表層，挖坑開槽表面潤，微凸無害利增摩，激光織構(gòu)功效神。”
不吃草的馬兒依然跑得快
表界面科學(xué)與技術(shù)研究團隊實驗室，位于江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院二樓，時常熱鬧非凡：不停地敲敲打打、拆卸組裝，也不停地迎接著一批批參觀者。
外界對這個實驗室的好奇，在于它的獨一無二：實驗室的每一個電路系統(tǒng)、每一個機械零部件、每一臺設(shè)備都是團隊親手設(shè)計制作的。2005年，第一代激光微加工樣機于實驗室問世；至2016年，該機更新成第五代多功能加工設(shè)備，已能實現(xiàn)對缸孔、凸輪軸和機械密封等零件表面的激光微織構(gòu)加工處理。
“科學(xué)研究的價值，不僅體現(xiàn)在對真理、知識的追求上，也體現(xiàn)在對社會經(jīng)濟發(fā)展的服務(wù)實效上。”符永宏表示，二十多年的努力探索和協(xié)同攻關(guān)，團隊形成了“理論、設(shè)計、工藝、加工、性能、裝備、工程應(yīng)用”的體系化研究思路與路徑。近年來，在解析激光微織構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，團隊把目標定位在了強化工程應(yīng)用方面。
第一項實踐應(yīng)用，團隊就大膽選擇汽車發(fā)動機。“因為發(fā)動機是汽車最核心的組成部分，設(shè)計加工發(fā)動機關(guān)鍵零部件的表面微觀形貌，有可能成為優(yōu)化零部件表面摩擦學(xué)性能、提升發(fā)動機品質(zhì)的重要突破口。”符永宏介紹。
缸孔是發(fā)動機最復(fù)雜且最關(guān)鍵的核心部件，目前的缸孔表面結(jié)構(gòu)都是機械珩磨而成。該團隊研究了缸孔—活塞環(huán)—活塞系統(tǒng)在整個沖程中摩擦學(xué)行為和磨損規(guī)律，提出“分區(qū)異構(gòu)”技術(shù)，在缸孔表面的不同區(qū)域分別構(gòu)建與內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性及可靠性優(yōu)化匹配的表面織構(gòu)，以提高缸孔表面潤滑、減摩、耐磨性能，降低燃油耗。同時又利用分區(qū)織構(gòu)靈活控油和布油優(yōu)勢，降低機油耗，以此實現(xiàn)“又要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”矛盾的統(tǒng)一。
對于發(fā)動機另一個關(guān)鍵部件凸輪軸的研究，團隊則基于彈流潤滑理論和凸輪軸工作特點及性能要求，在凸輪軸升程的桃尖工作區(qū)域，實施“蜻蜓點水、畫龍點睛”的激光微織構(gòu)“兩點式”加工，不僅實現(xiàn)了潤滑減摩、耐磨增壽、穩(wěn)定可靠功效，還可替代傳統(tǒng)的熱處理工藝，降低材質(zhì)要求和生產(chǎn)成本。
2012年，課題組的該項成果進行科技成果轉(zhuǎn)化，長安汽車、玉柴等公司也把多款柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機等送到該實驗室進行低摩擦技術(shù)和激光微織構(gòu)技術(shù)試驗。
裝機臺架性能試驗及耐久性試驗結(jié)果表明：經(jīng)激光微織構(gòu)主動設(shè)計制造，發(fā)動機燃油消耗降低約1%—4%，整機機油消耗降低可達20%—50%。鑄鐵材質(zhì)的油泵凸輪軸，經(jīng)600小時可靠性試驗，磨損量僅為1—2μm左右，耐磨性能優(yōu)于鋼質(zhì)材料凸輪軸。
疏通科研“最后一公里”
酒香不怕巷子深。高精度、長壽命、優(yōu)性能的節(jié)能環(huán)保型機械產(chǎn)品，能助力我國機械制造業(yè)崛起、提升機械產(chǎn)品國際競爭力，是該研究團隊加速科技成果轉(zhuǎn)化的現(xiàn)實起點。
成果一出，長安汽車、常柴股份等多家企業(yè)遂前來與項目組聯(lián)合致力于激光微織構(gòu)技術(shù)的研發(fā)和工程應(yīng)用推廣工作，構(gòu)筑了激光表面微織構(gòu)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新體系。目前成果已應(yīng)用于發(fā)動機、機械密封、軸承等零部件，形成3套技術(shù)規(guī)范。
酒香也怕巷子深。“激光表面微織構(gòu)技術(shù)普遍適用于機械行業(yè)，這種普適性很強的技術(shù)只要與具體零部件一結(jié)合，就能產(chǎn)生新的創(chuàng)新。”符永宏介紹，目前，激光微織構(gòu)技術(shù)主要推動了發(fā)動機、金屬模具和高端泵的關(guān)鍵零部件產(chǎn)品向精細高端、綠色和節(jié)能環(huán)保方向轉(zhuǎn)型升級，在一些能源、材料、環(huán)境、航天以及國防等國家急需解決的問題上還要加強科技協(xié)同攻關(guān)。
遺憾的是，2015年經(jīng)過無數(shù)次臺架試驗驗證，一條采用激光微織構(gòu)技術(shù)即將上線的汽車發(fā)動機生產(chǎn)線因故暫停，從實驗室走向市場化生產(chǎn)只差“臨門一腳”，讓團隊產(chǎn)生“萬事俱備，只欠東風(fēng)”的無奈與感慨。
好在團隊始終堅持實踐中摸索，始終保有科研熱情并始終如一堅持攻關(guān)克難。
2016年底，該校在校研究生創(chuàng)辦的光潤科技有限公司在鎮(zhèn)江國家大學(xué)科技園落戶，表界面科學(xué)與技術(shù)研究團隊研究的共性技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)在該平臺上得以展示、轉(zhuǎn)化、服務(wù)及應(yīng)用。
“這里將成為研究團隊、企業(yè)及行業(yè)相互觀察的窗口，成為聯(lián)系市場與高校技術(shù)的橋梁，也作為技術(shù)輸出服務(wù)的公共平臺。”對這支擁有8名博士、平均年齡30歲的年輕團隊而言，科研探索之路無窮盡。（通訊員 吳奕張明平）
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文章來源：《中國教育報》２０１７年４月２４日７版
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