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動機的缸孔表面，三四分鐘后，缸孔不同區域就呈現出形態各異的表面織構。”

　　 這就是激光微織構技術在機械零件表面的一個典型應用。

  　  在江蘇大學機械工程學院207實驗室里，一系列具有自主知識產權的激光微加工設備自上世紀90年代至今，已更新到第五代。

    　激光織構功效神

    　機械零件表面那些眼睛看不見的微小結構很重要嗎？

 　   “很重要。傳統的機械零件表面結構是自然、被動、隨機形成的，而在理想狀態下，必然存在著一個與機械系統性能相匹配的最優表面結構。”該校表界面科學與技術研究團隊負責人符永宏教授認為，找到并設計出這種完美的微織構更是十分重要。

   　 摩擦磨損造成的能源損耗和零件失效問題，一直是機械行業的刺痛，而這種在顯微鏡下方露崢嶸的微觀結構，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，該校就將激光技術應用于機械工程領域，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，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設的微結構，獲得與表面性能要求優化匹配的微形貌，實現主動調控摩擦副表面接觸方式和摩擦狀態的目的。

  　  “原本無人同行的激光微織構研究方向，近年來卻成了國內外機械領域最熱門的研究方向，不僅研究人數增長最快，研究機構和研究成果數量也呈飛速增長態勢。”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。”在摩擦學國際研究領域獨樹一幟并引領相關研究的基礎上，團隊揭示了織構參數與摩擦學特性之間的規律，還通過建立模型、數值模擬計算、軟件開發等，設計出豐富多樣的表面織構。

    　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構，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，我們就給它設計一個凹陷織構來減摩，當需要增加有利的摩擦時，又可以設計凸起織構來增摩，這種凹凸有致的復合織構還能實現摩擦功能的動態轉換。”符永宏介紹，這種不傷害原表面的激光微織構技術，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，激光織構功效神。”

    　　不吃草的馬兒依然跑得快

    　　表界面科學與技術研究團隊實驗室，位于江蘇大學機械工程學院二樓，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、每一個機械零部件、每一臺設備都是團隊親手設計制作的。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備，已能實現對缸孔、凸輪軸和機械密封等零件表面的激光微織構加工處理。

   　 “科學研究的價值，不僅體現在對真理、知識的追求上，也體現在對社會經濟發展的服務實效上。”符永宏表示，二十多年的努力探索和協同攻關，團隊形成了“理論、設計、工藝、加工、性能、裝備、工程應用”的體系化研究思路與路徑。近年來，在解析激光微織構關鍵技術基礎上，團隊把目標定位在了強化工程應用方面。

    　第一項實踐應用，團隊就大膽選擇汽車發動機。“因為發動機是汽車最核心的組成部分，設計加工發動機關鍵零部件的表面微觀形貌，有可能成為優化零部件表面摩擦學性能、提升發動機品質的重要突破口。”符永宏介紹。

  　  缸孔是發動機最復雜且最關鍵的核心部件，目前的缸孔表面結構都是機械珩磨而成。該團隊研究了缸孔—活塞環—活塞系統在整個沖程中摩擦學行為和磨損規律，提出“分區異構”技術，在缸孔表面的不同區域分別構建與內燃機動力性、經濟性及可靠性優化匹配的表面織構，以提高缸孔表面潤滑、減摩、耐磨性能，降低燃油耗。同時又利用分區織構靈活控油和布油優勢，降低機油耗，以此實現“又要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”矛盾的統一。

    　對于發動機另一個關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域，實施“蜻蜓點水、畫龍點睛”的激光微織構“兩點式”加工，不僅實現了潤滑減摩、耐磨增壽、穩定可靠功效，還可替代傳統的熱處理工藝，降低材質要求和生產成本。

    　2012年，課題組的該項成果進行科技成果轉化，長安汽車、玉柴等公司也把多款柴油發動機、汽油發動機等送到該實驗室進行低摩擦技術和激光微織構技術試驗。

    　裝機臺架性能試驗及耐久性試驗結果表明：經激光微織構主動設計制造，發動機燃油消耗降低約1%—4%，整機機油消耗降低可達20%—50%。鑄鐵材質的油泵凸輪軸，經600小時可靠性試驗，磨損量僅為1—2μm左右，耐磨性能優于鋼質材料凸輪軸。

    　疏通科研“最后一公里”

    　酒香不怕巷子深。高精度、長壽命、優性能的節能環保型機械產品，能助力我國機械制造業崛起、提升機械產品國際競爭力，是該研究團隊加速科技成果轉化的現實起點。

    　成果一出，長安汽車、常柴股份等多家企業遂前來與項目組聯合致力于激光微織構技術的研發和工程應用推廣工作，構筑了激光表面微織構技術協同創新體系。目前成果已應用于發動機、機械密封、軸承等零部件，形成3套技術規范。

    　酒香也怕巷子深。“激光表面微織構技術普遍適用于機械行業，這種普適性很強的技術只要與具體零部件一結合，就能產生新的創新。”符永宏介紹，目前，激光微織構技術主要推動了發動機、金屬模具和高端泵的關鍵零部件產品向精細高端、綠色和節能環保方向轉型升級，在一些能源、材料、環境、航天以及國防等國家急需解決的問題上還要加強科技協同攻關。

    　遺憾的是，2015年經過無數次臺架試驗驗證，一條采用激光微織構技術即將上線的汽車發動機生產線因故暫停，從實驗室走向市場化生產只差“臨門一腳”，讓團隊產生“萬事俱備，只欠東風”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克難。

    　2016年底，該校在校研究生創辦的光潤科技有限公司在鎮江國家大學科技園落戶，表界面科學與技術研究團隊研究的共性技術和應用技術在該平臺上得以展示、轉化、服務及應用。

   　 “這里將成為研究團隊、企業及行業相互觀察的窗口，成為聯系市場與高校技術的橋梁，也作為技術輸出服務的公共平臺。”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