国家自然科学奖提名书
(2018 年度)
一、项目基本情况
学科评审组：工程技术科学 序号： 编号：
提 名 者 教育部 中文名 项目名称 英文名 关键金属摩擦副激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层基础研究 Basic research on laser clad special wear- and corrsion- resistant coatings for critical metallic tribological components 主要完成人 王华明，陈瑶，汤海波，刘栋，张述泉 （北京航空航天大学） 1 学科分类 名称 2 3 任务来源 具体计划、基金的名称和编号： 机械摩擦、磨损及润滑 代码 4601540 国家杰出青年基金(材料制备加工科学与工程 50625414)；863 计划2项（863 计划（钛合金表面激光熔覆金属硅化物高温耐磨涂层及应用 2002AA331030、难熔金属硅化物高耐磨抗氧化抗热腐蚀多功能涂层技术2003AA305750)；国家自然科学基金面上项目2项（Cr13Ni5Si2 金属硅化物高温耐磨涂层组织与性能 50471006、MC 碳化物非平衡凝固形态选择规律研究 59971003）等。 已呈交的科技报告编号： 项目起止时间 起始：1992 年 1 月 1 日 完成：2010 年4 月 30 日 国家科学技术奖励工作办公室制
1
二、提名意见
（适用于提名机构和部门）
提 名 者 通讯地址 联 系 人 电子邮箱 提名意见： 教育部 邮政编码 联系电话 传 真 航空航天、石化冶金、能源动力、海洋工程等重大装备中大量关键金属摩擦副零部件，在高温、重载、腐蚀、冲刷等极端恶劣服役环境下因磨损而过早失效。因此，研究出同时具有耐磨、耐蚀、耐高温等优异综合性能的多功能耐磨涂层设计新思想并开发出特种涂层材料新体系，意义重大。 该项目创新性提出多元多相难熔金属硅化物高温耐磨耐蚀涂层、难熔硬质间隙相原位增强复相金属铝化物）基复合材料耐磨涂层的设计思想，揭示了其摩擦磨损机理，发展出Cr13Ni5Si2/Cr3Ni5Si2、TiC/(NiAl-Ni3Al) 等综合性能优异的配合的十大特种耐磨涂层新体系；发现有关小面晶体“液/固界面结构和生长机制转化”的经典凝固理论对TiC等典型小面晶体不成立。 项目成果被国际期刊专题报道，学术思想和国内外十余家团队借鉴跟踪，产生了重要国际影响，开拓并引领了多元金属硅化物等多功能特种耐磨涂层国际研究新领域。成果已成功应用于航空发动机刷式封严装置及矢量喷管驱动机构及钢铁冶金、煤化工行业的高温高压耐磨耐蚀球阀等关键摩擦副零部件，为我国先进航空发动机等重大装备制造做出了重要贡献。 提名该项目为国家自然科学奖 二 等奖。 声明：本单位遵守《国家科学技术奖励条例》及其实施细则的有关规定，承诺遵守评审工作纪律，所提供的提名材料真实有效，且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等相关法律法规及侵犯他人知识产权的情形。如有材料虚假或违纪行为，愿意承担相应责任并接受相应处理。如产生争议，保证积极调查处理。 法人代表签名： 单位（盖章） 年 月 日 年 月 日 2
三、项目简介（限1页）
本项目属机械工程领域机械摩擦、磨损及润滑学科。航空航天、石化冶金、能源动力、海洋工程等重大装备和工业生产中，大量昂贵的泵、阀、轴承等关键摩擦副金属零部件在高温、重载、腐蚀、冲刷等极端恶劣服役环境下因磨损而过早失效，不仅造成极大浪费，严重降低装备性能，而且频繁停产降低效率甚至引发重大事故。先进涂层技术被公认是提高其服役性能和寿命的有效方法。此前，国内外广泛应用的NiCoCrAlY等合金、Si3N4等陶瓷及其复合材料涂层往往仅某一“单项”性能突出，无法同时具备优异的耐磨、耐蚀、耐高温等“综合”性能。因此，创新高温耐磨耐蚀特种涂层设计方法、涂层材料新体系及其优质涂层制备技术，意义重大。
在国家杰青基金、863计划等项目支持下，经20余年研究，发现难熔金属硅化物及铝化物因金属键与共价键共存而兼备金属和陶瓷性能，具有耐磨、耐蚀、耐高温等优异“综合”性能，提出“多元多相”过渡金属硅化物、难熔硬质相原位增强复相金属铝化物特种涂层设计新思想，建立其激光熔覆制备技术，重要科学发现如下： 1. 发现“多元多相”过渡金属硅化物涂层具有优异的高温耐磨耐蚀综合性能，并表现出“反常”的磨损-温度特性（磨损率随温度的增加反而降低）、“反常”的磨损-载荷特性（磨损率几乎不随接触载荷的增加而增大）、不粘金属、不点蚀等独特性质，揭示其高温耐磨耐蚀物理化学机制，开拓出“多元多相”过渡金属硅化物涂层新领域，发展出Cr-Ni-Si、Mo-Ni-Si、Ti-Ni-Si等6大多元多相金属硅化物耐磨涂层新体系并建立其优质涂层激光熔覆制备技术。
2. 综合利用金属铝化物低密度、反常硬度-温度关系及TiC等难熔硬质相的高耐磨性，提出激光熔覆难熔硬质相原位增强复相金属铝化物高温耐磨涂层设计新思想，发展出TiC/(Ni3Al-NiAl) 、TiC/(Ti3Al-TiAl-CaF2)、Cr7C3/(NiCr-Ni3Al-G) 等4大高温低摩擦/自润滑耐磨涂层新体系，阐明了难熔硬质增强相与复相金属铝化物基体的耦合抗磨机制及涂层低摩擦自润滑机理。
3. TiC等难熔硬质小面相原位增强特种耐磨涂层中，发现在101-105k/s的凝固冷却速度范围内，尽管TiC等小面晶体呈现出一系列独特的凝固生长新形态，但其“光滑的液/固界面结构和侧向生长机制”两大根本特征恒定不变，指出“液/固界面结构和生长机制随过冷度转化”的经典凝固理论对TiC等难熔小面晶体不成立。
成果成功应用于先进航空发动机矢量喷管驱动机构、刷式封严跑道等高温重载关键摩擦副金属零部件；开发出冶金、煤化工等工业用高温高压耐磨耐蚀特种球阀系列化产品，寿命较国外垄断产品提高6倍（由约1年提高至6年以上）。
发表SCI收录论文112篇，8篇代表作SCI他引421次，授权发明专利2项。学术成果被Adv. Coat. Surf. Technol. 国际期刊专题报道；学术思想被德国Clausthal工大、华中科大等国内外20余家团队借鉴跟踪；论文被36个国家/地区的三千余位学者正面引用，包括美国激光学会主席Poprawe、世界腐蚀协会前主席Schüetze、国内刘维民等8位院士。项目组入选教育部创新团队，培养全国优博提名2人、首批国防卓青1人，项目负责人当选工程院院士。相关成果获2003年国防科学技术二等奖及2014年教育部自然科学一等奖。
3
五、客观评价
本项目在Wear、Acta Mater、Appl Surf Sci等期刊发表SCI收录论文112篇（49篇IF>3）。8篇代表论文被Int Mater Review 等期刊SCI他引421次（单篇最高112次），授权发明专利2项。 （一）学术评价情况
1. 国际期刊《Adv. Coat. Surf. Technol.》以“Metal Silicide Coatings for Aerospace and Automotive Applications”为题专题报道，评价本项目多元多相金属硅化物涂层“与以往涂层显著不同的是，金属硅化物涂层不仅室温及高温摩擦学性能好，而且耐腐蚀、耐热腐蚀和抗氧化性能优异、摩擦系数低、高温自润滑性能突出”，引发国际上对多元多相难熔金属硅化物涂层的广泛关注。
2. 美国激光学会主席Poprawe教授，在 Int. Mater. Rev. 57(2012)133综述论文中，引用本项目论文14篇，评述：“王课题组系统研究了Ti-Ni-Si、Ti-Co-Si、Mo-Ni-Si、Cr-Ni-Si、Co-Ni-Si等多种过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀合金，尤其是深入研究了显微组织演化、干滑动摩擦磨损及高温摩擦磨损性能”。 3. 国际著名高温腐蚀专家、前世界腐蚀协会主席Schüetze教授，在Intermetallics 56(2015)1综述论文中，成段介绍了本项目硅化物涂层因Si元素极易钝化而具有优异高温抗氧化性能的机制，特别指出硅化物涂层1000℃抗高温腐蚀性能提高了3倍。 4. 西班牙瓦伦西亚大学Candel教授，在J. Laser Appl. 23(2011)022005 综述论文中，用了4个段落的篇幅，详细介绍本项目Ti-Co-Si三元过渡金属硅化物涂层优异的高温抗氧化和耐磨性能。
5. 华中科大曾晓雁教授团队，在J. Alloy Compd. 588(2014)502-8论文中，引用本项目成果9篇，并沿用本项目Cr13Ni5Si2三元过渡金属硅化物涂层设计理论及材料体系，开展激光-感应复合熔覆Cr13Ni5Si2三元金属硅化物涂层组织及耐磨性研究。 6. 国际激光熔覆技术著名学者、德国Clausthal工大Mordike教授，在J. Laser Appl.18(2006)297论文中，成段引用本项目硬质难熔间隙相原位增强复相金属间化合物耐磨涂层的学术思想，并沿用本项目的材料体系开展复相NiAl-Ni3Al耐磨涂层研究（Surf. Coat. Technol. 201(2006)1289、Wear 261(2006)1140）。
7. 国际著名激光表面工程学者、荷兰皇家科学院院士/应用科学学部主席De Hosson教授，在其论文Surf. Coat. Technol. 197 (2005) 303中，引用本项目TiC/TiAl耐磨涂层的研究结果解释了其实验发现。
8. 国际激光加工领域知名学者、美国材料学会会士、美国华盛顿州立大学Bandyopadhyay教授，在J. Mech. Behavior Biomed. Mater. 53(2016)239、32(2014)335两篇钛合金激光表面改性的论文中，用本项目成果解释并支撑了其研究发现。 9. 中科院兰州化物所刘维民院士和薛群基院士团队，在其9篇SCI论文中引用本项
4
目金属硅化物涂层论文22篇。其中，在Tribol. Int. 43(2010)136论文中评价：“就我们所知，迄今只有王课题组开展Ni3Si基合金涂层及其高温摩擦学性能的研究，涂层在600℃具有优异的耐磨和抗氧化性能”。
10. 伊朗Isfahan理工大学Mehrizi教授团队，沿用本项目“多元多相过渡金属硅化物涂层”的学术思想，开展WSi2/CoWSi金属硅化物的研究，在其5篇论文 [J. Mater. Eng. Perfor. 23(2014)451等] 中引用本项目成果20篇。
11. 哈工大已故雷廷权院士在Surf. Rev. Lett 12(2005)41的论文中，沿用本项目小面晶体TiC“三维网络小面树枝状”凝固生长形态演化模型，解释了其实验结果。 12. 希腊高温化学过程研究所Dracopoulos博士，在Mater. Character. 62(2011)1196论文中，引用本项目论文11篇（共29篇参考文献），并用了5个段落、超过1页的篇幅（全文约4页文字描述），介绍本项目“TiC小面晶体凝固形态演化及侧向生长机制不随凝固冷却速度和材料体系变化”理论成果。
13. 希腊尤安尼纳大学Karantzalis教授，在Mater. Character. 69(2012)97、J. Mater. Eng. Perform. 25(2016)3161两篇论文中，共引用本项目论文21篇次，并分别用了多达5个段落和7个段落的篇幅，全面介绍本项目TiC小面晶体生长形态演化、液/固界面结构与生长机制的理论成果。
14. 清华大学陈可新教授团队，在Cryst. Growth Des. 6(2006):2404论文中介绍了本项目激光熔覆涂层中TiC、TiN树枝晶生长新形态及形态演化成因，并以此解释了燃烧合成TiN树枝晶的生长机制。 (二) 应用单位评价情况
1. 中航工业沈阳发动机设计研究所评价：高温低摩擦特种耐磨涂层“应用于FWPXX推力加大型航空发动机第X级高压压气机刷式封严密封跑道关键高温耐磨摩擦运动副零部件，通过…整机装机试车考核…尚未发现异常和磨损…涂层具有很好的耐磨性与摩擦学相容性”。
2. 中航工业沈阳发动机设计研究所评价：激光熔覆高温特种耐磨涂层“应用于先进航空发动机新型喷管（矢量喷管）圆弧凸轮机构的骨架和滚子（高温重载关键运动副）… 累计挂片试车216小时…无明显磨损，无物理损伤…具有优异的耐磨性能…具有良好的工程应用潜力”。
3. 昆明高中压阀门公司评价：采用本成果“联合研制的激光熔覆高温高压耐蚀耐磨特种球阀系列化产品，在昆明钢铁集团矿浆输运管线…连续安全运行了79个月无一发生异常，…耐磨、耐蚀、抗冲刷、耐磨损性能优异，…密封性能和使用寿命，显著优于长期垄断世界耐磨球阀市场的著名MOGAS产品（平均寿命13个月）。 4. 2002年12月，“激光熔敷超高碳Cr-Ni-C高温耐磨涂层”国防科技成果鉴定意见：具有优异的高温耐磨性、抗氧化性和金属摩擦学相容性…，具备工业应用条件，…成果具有很强的创新性”。
5
关键金属摩擦副激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层基础研究 - 图文
