0 前言
表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程[1]。
表面工程的特色与优势主要表现在以下几个方面： ① 以高性能的表面与基体的配合获得更加优异的整体性能； ② 以较少的能源和材料获得比基体材料更高的性能，具有显著的节能节材效果；③ 近零排放的表面工程新技术替代传统表面工程技术，可大幅度减少对环境的负面影响。因此，表面工程在提升机械制造的水平，解决制造业发展中遇到资源、能源、环境等共性问题中发挥着重要作用。
近年来，我国表面工程积极适应国家可持续发展的需求，面向装备的绿色制造、装备运行的节能减耗和装备的维修与再制造，进行技术创新，取得了新的进展。如不断发展的离子束表面工程技术正
替代传统对环境污染严重的电镀技术；研发的工程化超润滑复合碳膜技术和纳米减摩自修复添加剂可显著减小机件运行中摩擦，减少装备运行中的排放；纳米电刷镀、热喷涂和激光表面强化等技术的新进展，大大推进了装备维修与再制造零部件质量的提升。
1 替代传统电镀铬的绿色镀膜技术 传统的电镀铬技术对环境污染严重，尤其是其排放的六价铬离子对水的污染非常严重，其是公认的致癌物。因此，世界各国对替代传统电镀铬的新技术研究进行了大量的投入。目前，我国对替代传统电镀铬的绿色镀膜技术研究取得了较大的进展。
(1) 过压脉冲增强磁控溅射离子镀技术。在替代传统电镀铬的绿色镀膜技术中，物理气相沉积(Physical vapor deposition, PVD)是最具代表性的技研究热点，如磁控溅射离子镀技术。为改善磁控溅射离子镀薄膜厚度沿靶基距方向的均匀性，先后采用了“非平衡”和“闭合场”的技术方法。西安理工大学蒋百灵等[3]研究提出：当前以气体直流放电伏安特性曲线为依据设计的闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备，其真空腔内等离子体密度的增大主要源自氩气离化率的提高，而并非靶材原子离化率的增大，所以仅靠“非平衡”及“闭合场”等磁场参量难以改善镀层的厚度均匀性。为此，依据靶材
原子主要受离化后的 Ar+热震溅出离化和被电场加速的电子通过库仑力拖动的物理原理、电工学等通量变换原理和峰值电流控制理论，提出了过压脉冲增强离子镀的设计思路，研制的设备不仅改善了膜层厚度沿靶基距方向的均匀性，还有可能因被过压电场加速的高密度电子对沉积离子拖动的库仑力的增大而提高膜基结合力，进而使闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术得以更广泛的应用[4]。
(2) 替代发动机活塞环的电镀铬涂层。发动机活塞环的传统表面改性技术是电镀铬镀层，目前通常以 CrN 系复合膜和 Cr/CrN 多层膜等作为其替代涂层。装甲兵工程学院、武汉大学和哈尔滨工业大学等单位在新型膜层的开发和提高膜基结合强度等应用研究方面开展了大量工作，开发了 CrN系复合膜、CrTiAlN 薄膜和 Cr/CrN 纳米多层膜。其中Cr/CrN纳米多层膜具有残余应力低，结合强度高的
特点； CrTiAlN薄膜具有比电镀 Cr 更高的硬度和抗高温氧化性能[5]。同时，从摩擦副匹配的角度，研究了不同表面技术改性后的活塞环与缸套摩擦副的 摩擦磨损性能[6]，结果表明缸套激光淬火加子渗硫与活塞环离子镀CrN摩擦副的磨损总失重仅为缸套中频淬火与活塞环电镀铬原始摩擦副的 1/6。
(3) 钨基合金电镀代替电镀铬的无毒绿色新工。湖南大学通过诱导沉积原理，可从水溶液中电沉积出具有独特成分(钨质量分数为 40%～50%)和结构(非晶态合金或纳米晶)的钨合金镀层，该合金的耐磨性和耐蚀性能相当或优于铬电镀层；研制出的新电镀溶液配方及电镀工艺，参数范围广，易于控制与操作；并针对不同基材的工件研究出不同的前处理工艺，使得基体金属与镀层有很好的结合力，
从而拓展了该技术的应用范围。 目前钨基合金电镀代电镀铬的无毒绿色新技术已实现大规模低成本产业化。
(4) 工业化绿色镀膜装备。工业化绿色镀膜装备是实现绿色镀膜产业化的关键。兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心针对工业化绿色镀膜中存在的超大容积室体高真空的动态快速获得，复杂曲面结构的均匀镀膜和镀膜过程组态的控制等技术难题，开展了大量深入的研究，并在关键技术上取得了突破，开发出多种型号的替代传
2 工程化超润滑复合碳膜技术
超润滑复合碳膜是一种最新发展的具有超低摩擦因数的固体润滑薄膜，其摩擦因数比常规固体润滑薄膜低 1～2 个数量级。 目前研究的薄膜体系主要包括具有一定晶体取向的石墨薄膜、纳米富勒烯结构二硫化钼MoS2)薄膜、 二硫化钨(WS2)薄膜和类金刚石碳膜。其中，超润滑类金刚石薄膜最具有发前景和工程应用价值，其研究的重点是降低薄膜的内应力和摩擦学性能的环境依赖性，以实现其工程化的应用。
(1) 类富勒烯纳米结构的类金刚石(Diamond- like carbon, DLC)超润滑薄膜。 中国科学院兰州化学物理研究所采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)方法制备了超润滑复合 DLC 薄膜。 通过在基体与薄膜间引入硅过渡层的方法， 实现了 DLC 薄膜在金属基体上的牢固沉积； 通过薄膜组分设计和对PECVD制备工艺参数的优化，控制了 sp3和 sp2键比例和氢的质量分数，实现了 DLC 薄膜的超润滑性能；利用脉冲PECVD法制备的类富勒烯纳米结构DLC薄膜具有高的硬度，高的弹性恢复以及对环境弱的依赖性，在干燥惰性环境和高湿度大气环境下均呈现了超低的摩擦因数(0.009～0.070)和磨损率。
(2) Mo/DLC 纳米复合薄膜。通过磁控溅射与PECVD 相结合的方法，制备了 Mo/DLC 纳米复合薄膜，Mo 的引入既保持了 DLC 薄膜超润滑性能，还降低了薄膜的内应力，提高了薄膜耐原子氧及紫
外线辐射的能力、膜基结合强度及耐磨性能。其综合性能指标全面突破了其他几种固体润滑材料极限，显示了巨大的应用价值。目前，Mo/DLC 纳米复合超润滑类金刚石薄膜已用于多种精密运动部件
的固体润滑，并取得了良好的应用效果。
(3) 掺金属 DLC 超润滑薄膜。广州有色金属研究院利用阳极层流型矩形气体离子源+非平衡磁控溅射+阴极电弧多技术复合，制备出细腻、硬度高、膜/基结合强度佳的掺金属类金刚石膜， 涂层综合性能达到国外同类产品水平。目前，掺金属 DLC 超润滑薄膜已成功应用于高精密工模具和各种关键部件。如在传动系统及液压系统用花键轴表面镀掺钨类金刚石膜，以进一步提高直升机使用的稳定性和可靠性。同时，为了进一步提高类金刚石膜的润滑性能，实现了在类金刚石膜中掺入二硫化钨(WS2)，其在干摩擦条件下，摩擦因数小于 0.02，这可使直升机在无油润滑条件下，具有一定的干运转能力。
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