微加工：用激光微織構技術做好「表面工作」

一束綠寶石般的高能激光束照射到汽車發動機的缸孔表面上，三四分鐘後，缸孔不同區域呈現出形態各異的表面織構。這種主動設計製造的特殊織構，不僅能減少零件摩擦磨損，還能降低發動機油耗，實現節能減排。

這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已經更新到了第五代。

上世紀90年代至今，江蘇大學表界面科學與技術研究團隊對機械零件表面激光微織構技術開展的系統研究，不僅新增了織構摩擦學這一研究新方向，還率先提出了零部件表面主動設計製造的新理念，逐步形成了完整的創新研究鏈。去年，團隊獲得上海市科技進步獎一等獎、教育部技術發明獎二等獎、中國機械工業科學技術獎二等獎、中國專利優秀獎等多個獎項。

冷板凳上坐出的熱鬧

摩擦磨損造成的能源損耗和零件失效是機械行業的痛點，這種結構影響甚至決定了機械裝備的可靠性、使用壽命及工作性能。

表界面科學與技術研究團隊負責人符永宏認為，傳統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，團隊研究的核心內容就是找到並設計製造出這個完美的微織構。

上世紀90年代初，江蘇大學將激光技術應用於機械工程領域的研究，先後形成激光衝擊強化、激光加工、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闢蹊徑，選擇了激光微加工作為研究課題。

從激光微加工到激光珩磨，再從激光微造型到激光微織構，這支研究小分隊在研究中逐步明晰思路：利用高能激光束作用於材料表面，在零部件表面加工出預設微結構，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。

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，團隊內部有一個順口溜來形容它——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。

在摩擦學國際研究領域獨樹一幟並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，還通過建立模型等形式把表面織構主動設計出來。讓團隊欣喜的是，原本無人同行的激光微織構研究方向，近年來成為國內外機械領域最熱門的方向，不僅研究人數增長快，研究機構和研究成果的數量也飛速增長。

既要馬兒跑，又要馬兒不吃草

2005年，第一代激光微加工樣機在實驗室問世；2016年，第五代設備已能夠實現對缸孔、凸輪軸等零件表面的激光微織構加工處理。經過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，他們把目標定位在強化工程應用上。

在汽車發動機應用上，該團隊研究了缸孔-活塞環-活塞系統在整個衝程中的摩擦學行為和磨損規律，提出「分區異構」，在缸孔表面不同區域做出不同的表面織構，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的優勢，降低機油耗，以此來實現「既要馬兒跑，又要馬兒不吃草」的矛盾統一。試驗表明，經激光微織構主動設計製造，發動機燃油消耗、機油消耗降低。

2012年，課題組與長安汽車合作申報的「高效節能低摩擦內燃機零部件表面激光微織構關鍵技術的研發與產業化」項目，獲批國家重大科技成果轉化項目。

在實踐中探索「最後一公里」疑問

製造出高精度、長壽命、優性能的節能環保型機械產品，助力我國機械製造業崛起，是團隊加速科技成果轉化的現實起點。項目組與多家企業聯合攻關，構築了激光表面微織構技術協同創新體系。成果應用於發動機、機械密封等零部件，形成了3套技術規範。

目前，激光微織構技術主要推動了發動機、和高端泵等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、航天以及國防等問題上還要加強科技協同攻關。

2015年，採用該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」。慶幸的是，這支擁有8名博士、平均年齡30歲的年輕團隊仍在不斷摸索。

2016年底，由該團隊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。「我們一定要探索出如何促進大學科技成果轉化，如何加強大學生創新創業教育的路徑、模式和機制。」符永宏說。

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