表面织构钛合金的干摩擦和全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构造不同凹坑直径和密度的织构图案,采用UMT摩擦磨损试验机考察了不同织构形貌钛合金在干摩擦及全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能,利用表面轮廓仪、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦前后的表面形貌及磨痕成分进行观察分析.研究结果表明:干摩擦条件下,织构结构及其几何形貌显著影响凹坑容纳磨屑能力和表面接触应力,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的钛合金表面减摩抗磨性能最好,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了23.0%和39.7%,这主要由于凹坑可收集磨屑,减少第三体磨损;全氟聚醚油润滑条件下,表面织构影响流体润滑状态和摩擦表面金属氟化物生成,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的表面具有更好的减摩抗磨效果,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了17.4%和30.6%,这主要由于织构表面摩擦过程生成更多FeF_2,起到减摩抗磨作用.     

边缘效应对织构化Si-DLC膜油中摩擦学性能的影响

引起边缘应力集中的边缘效应是影响边界润滑条件下织构材料摩擦学性能的重要因素之一.本文中采用激光加工、电化学和机械抛光的方法在不锈钢表面制备了边缘未修形和修形凹坑织构,在此基础上采用溅射/射频化学气相沉积技术沉积了Si-DLC膜,研究了边缘修形对织构化薄膜在油中摩擦学性能的影响.基于有限元方法分析了加载条件下凹坑织构接触界面的应力分布,考察了修形对边缘效应的影响.结果表明:边缘修形可大幅降低凹坑织构化薄膜与不锈钢对偶球配副间的摩擦以及对偶的磨损.织构的摩擦学性能与边缘效应呈正相关关系,边缘修形可使凹坑边缘的最大接触应力降低30%左右,有利于缓和凹坑边缘的刮擦作用从而降低织构材料的摩擦磨损.     

激光表面织构对不同材料干摩擦特性的影响

采用环-块线接触摩擦磨损试验,研究了经激光处理后不同织构面密度的45钢和12Cr凹坑形织构试件的干摩擦磨损特性.借助高精度天平分析了试件磨损量,采用三维形貌仪和扫描电镜对试件表面形貌进行了分析.研究结果表明:激光表面织构化使得45钢试件表面形成可以改善摩擦性能的高硬度质点;在相同试验条件下,与无织构试件相比,45钢织构环试件磨损量明显降低,而12Cr织构环试件磨损量却有所升高;织构试件的磨损量在一定范围内随着织构面密度的增加而降低;激光织构化对摩擦系数的稳定值影响不大.     

织构化柱塞对压裂泵密封副的摩擦学性能影响

采用精密机械雕刻技术在压裂泵柱塞试样表面雕刻微凹坑阵列表面织构,利用MDW-100型微机控制立式万能摩擦磨损试验机对具有不同尺寸形状的微凹坑柱塞-丁晴橡胶密封试样进行摩擦磨损试验,研究了织构化柱塞试件与丁晴橡胶摩擦副在流体动压润滑条件下的润滑特性.结果表明:压裂泵柱塞试件表面合理织构组合可以显著地提高柱塞密封系统摩擦副的润滑和减摩性能,其中面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑织构是较优的,其摩擦副的摩擦系数、温升及磨损量相对于无织构试件分别降低了80%、90%及79.3%,且表面磨痕也显著低于无织构及其他织构组合的柱塞密封摩擦副.     

多弧镀及磁过滤阴极弧沉积TiN薄膜的摩擦学性能对比

分别采用多弧离子镀(MAIP)和带有平面"S"形过滤管的磁过滤阴极弧设备(FCAP)在不锈钢基底上制备了2种TiN薄膜;采用往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了2种薄膜的摩擦学性能;采用扫描电子显微镜观察和分析了薄膜磨斑表面形貌及其元素面分布.结果表明:采用FCAP技术制备的薄膜表面光滑、缺陷少、普遍具有明显的(111)面择优取向;而采用MAIP技术制备的薄膜表面存在较多大小不一的颗粒和孔洞,且无明显取向.在较低载荷下,采用FCAP薄膜表现出较好的抗磨性能,其磨斑表面存在沉积的TiN磨屑;而采用MAIP制备的薄膜磨斑表面无转移沉积磨屑,摩擦系数较高.     

相结构对氮化钛硼薄膜摩擦磨损性能的影响

采用直流非平衡磁控溅射系统在单晶硅片表面制备TiBxNy薄膜,采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱议测定TiBxNy薄膜的相结构和成分,采用销-盘式摩擦磨损试验机研究TiBxNy薄膜的滑动干摩擦磨损性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪表征薄膜的磨痕表面结构及其化学特征.研究表明:TiBxNy薄膜的相结构与N含量有关,在TiB0.65薄膜中加入N能够促使纳米晶TiN的形成;薄膜的摩擦系数和磨损率与其相结构有关,随着薄膜中TiN的体积分数增加,摩擦系数增大,磨损率降低;当薄膜中N含量约为37at.%时,TiN的体积分数和摩擦系数最高,磨损率最低;增加N含量促使h-BN相形成,且h-BN相的体积分数随N含量的增加而增大,h-BN相的形成降低了摩擦系数,增加了磨损率;在摩擦过程中磨屑发生氧化而生成钛的氧化物TiO、Ti2O3、TiO2以及少量硼(B)的氧化物.     

PTFE基超声电机摩擦材料磨合阶段摩擦磨损特性研究

在超声电机运行200 h时间内,对超声电机的运行参数进行监测,采用激光共聚焦显微镜对定、转子表面粗糙度、表面形貌和磨屑特征等进行观察分析,探讨超声电机磨合期的时间及磨合期、稳定期的摩擦磨损特性.结果表明:1经过80 h磨合后,超声电机性能基本稳定.2磨合初期,摩擦材料磨损形式以黏着磨损为主,在定子表面可观测到尺寸较大的片状磨屑,进入摩擦稳定期后摩擦材料表面出现大量点蚀凹坑,表面疲劳磨损成为磨损形式之一,磨粒磨损始终存在并占重要部分;定子表面可观测到明显犁沟,磨损形式以磨粒磨损为主.3由于超声振动的存在,摩擦产生的磨屑不易在摩擦表面停留,进入稳定期后在摩擦界面难以观测到磨屑的大量存在,超声振动有排除磨屑的作用.     

基于SSiC-M120D配副的不同表面形态构筑下磨损性能分析

采用激光加工织构化图案和热丝化学气相沉积法(CVD)的方式在无压烧结碳化硅(SSiC)表面制备了无织构金刚石薄膜(SSiC-D)和螺旋槽织构复合金刚石薄膜(SSiC-DC)试样.研究了SSiC-M120D配副在不同表面形态下的摩擦磨损性能,结合扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和拉曼光谱以及X射线衍射(XRD)分析其磨损机理.结果表明：镀金刚石薄膜使碳化硅试样摩擦表面的黏着磨损和磨粒磨损程度明显减少,试验后碳元素含量仍保持在90%以上,SSiC-D/M120D和SSiC-DC/M120D的摩擦系数显著降低,同时端面温度分别为64.3和61.2℃,较SSiC/M120D的161.2℃分别下降了60.11%和62.03%.试验后磨痕处的ID/IG仅分别为0.86和0.94,表面缺陷程度较小.采用螺旋槽织构复合金刚石薄膜配对方式的摩擦副SSiC-DC/M120D摩擦学性能最佳,微织构有利于散热和存储磨屑,可进一步减少表面黏着磨损,试验后的磨损率最低.     

葫芦形微凹坑对不锈钢表面摩擦学性能的影响

本文中利用皮秒激光系统对不锈钢表面进行织构化处理,通过Fluent有限元软件和UMT-2摩擦磨损试验机分析了非规则对称葫芦形织构表面的摩擦学性能,并与具有规则对称性的圆凹坑织构试样及光滑织构试样进行对比,同时利用S-3400 N扫描电镜观察试样表面的磨痕形貌.结果表明:润滑状态下葫芦形正方向织构试样的摩擦系数要明显低于圆凹坑织构试样及无织构光滑试样,葫芦形反方向织构试样的摩擦系数与圆凹坑织构试样相近.这主要是由于织构形状及润滑液流动方向对织构试样产生流体动压效应的影响较大.因此,在润滑液流动方向上,扩大织构自身形状的收敛区间可以强化织构的流体动压效应,这一结论将为进一步优化织构形状提供有力参考.     

45~#钢表面激光织构化及其干摩擦特性研究

采用声光调的固体Nd:YAG激光器在45#钢表面进行了织构化处理;采用栓盘摩擦试验机考察了织构化对其摩擦性能的影响;用三维轮廓仪及扫描电镜对摩擦试验前后试样的表面形貌进行了分析.研究结果表明:经过激光织构化的45#钢表面形成了较为规整的微坑型结构.在相同试验条件下与未织构面对比,织构面的摩擦系数均有不同程度减小且表现得更为稳定,并且磨损率也得到一定的降低,这是由于所制备的表面微坑起到了捕获磨屑的作用.对不同织构密度及织构尺寸样品摩擦性能的考察结果表明较大的织构密度及较大孔径更有利于减摩抗磨.     

不同法向载荷下TiN涂层磨损寿命与失效机理研究

采用阴极弧等离子沉积技术在高速钢(HSS)和硬质合金钢(WC-Co)基体上制备TiN涂层,利用往复摩擦磨损试验机、轮廓仪、扫描电子显微镜和能谱仪等分析了不同法向载荷下TiN涂层的摩擦磨损特性和失效过程,建立了涂层磨损寿命图. 研究结果表明:TiN涂层/HSS试样摩擦系数随循环次数增加呈上升趋势;TiN涂层/WC-Co试样在30 N法向载荷下的摩擦系数随循环次数呈上升趋势,在60~120 N法向载荷下摩擦系数波动较大. 涂层试样的磨损深度随法向载荷与循环次数的增加而增加. TiN涂层/HSS试样在30 N法向载荷的主要失效形式是磨粒磨损、轻微黏着磨损和氧化磨损,在60~120 N法向载荷的主要失效形式是涂层断裂、磨粒磨损和剥层磨损. TiN涂层/WC-Co试样在30~50 N法向载荷下的主要失效形式是磨粒磨损,在60~120 N法向载荷下的主要失效形式是严重剥层. TiN涂层的磨损寿命图可以分为两部分:涂层工作区和涂层失效区. 接触应力越大,涂层磨损寿命越短. 基体材料抵抗变形的能力越强,涂层磨损寿命越长. TiN涂层/HSS基体具有良好的抵抗法向载荷的能力和较长的磨损寿命.      

离子束增强沉积和磁控溅射硫化钼薄膜的摩擦磨损性能研究

在离子束增强沉积的Ｓｉ３Ｎ４膜和ＴｉＮ膜的表面，分别利用离子增强沉积法和磁控溅射法制取了ＭｏＳｘ薄膜。在ＳＲＶ摩擦磨损试验机上，对几种薄膜试样与５２１００钢板样作了对比试验研究。结果表明，两种ＭｏＳｘ薄膜都具有良好的摩擦磨损性能。     

氮化钛硬质薄膜在不同种类润滑油下的摩擦学性能研究

采用球-盘摩擦试验机分别考察了氮化钛硬质薄膜与轴承钢和氮化硅陶瓷组成的摩擦副在不同种类润滑油条件下的摩擦学性能,并表征了其磨痕表面形貌与元素成份.结果显示:与Ti N硬质薄膜干摩擦性能相比,润滑油可显著降低摩擦系数,延长磨损寿命,且具有较长烷基碳链的润滑油性能较优;当上试球材料不同时,其油润滑条件下的性能亦不同.相同润滑油条件下,氮化硅球作为摩擦副时,其润滑性能优于轴承钢球.磨痕表面形貌及能谱分析结果表明:具有较长烷基碳链的润滑油在摩擦副研磨滑动过程中起到油性剂的作用,而短碳链硅油分子结构中含有氯元素,虽通过摩擦化学反应生成边界润滑膜,但不完整致密,以致短时间内润滑失效.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案，通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能，利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析，采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算，结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果，探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为，织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果，与未织构表面相比，其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中，润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应，润滑油产生的升力较大，改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态，从而呈现很好的摩擦学性能.      

钛合金表面自润滑复合耐磨结构的制备及其摩擦性能研究

本文中采用激光微加工法在TC4钛合金表面制备了不同形貌与分布密度的微观织构,将表面织构、热氧化膜与PTFE润滑薄膜相复合制备了自润滑复合耐磨结构,同时考察了滑动条件下织构形貌及织构密度对这一复合结构摩擦磨损性能的影响. 结果表明:与未织构面的润滑薄膜相比,织构面薄膜的结合力明显增大,表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能. 在最优的织构密度下,含有薄膜的织构化钛合金表面的磨损率可降低至1.5×10?6 mm3/(N·m),较未织构面润滑薄膜的磨损率降低了99.3%. 而将经热氧化的织构表面与润滑薄膜的结合则进一步提升了材料的耐磨性,热氧化织构面润滑薄膜的磨损率最低可达8.0×10?7 mm3/(N·m),与未热氧化的织构面润滑薄膜相比,磨损率降低了46.1%. 在相同的织构间距条件下,线型热氧化织构面显示出低而稳定的摩擦系数与极低的磨损量,这主要得益于高密度微织构对润滑介质的有效补充以及高硬度热氧化膜的耐磨性起到了协同减摩抗磨的作用.      

中碳钢/不锈钢磁场摩擦中磨屑的行为和作用

以45钢销/302不锈钢盘摩擦副为研究对象，采用自制的销、盘摩擦磨损试验机，研究了直流磁场作用下磨屑在摩擦过程中的行为及其对摩擦磨损性能的作用. 为此分析了有、无磁场作用下磨屑在磨损面上的分布特点，利用扫描电镜观察了磨屑及45钢销磨损面的形貌，采用三维形貌仪表征了磨损面特征区域的相对高度. 与无磁场时的摩擦磨损情况相比，磁场作用下45钢销的磨损量有所增大，而摩擦系数稍有减小. 摩擦过程中出现了302不锈钢盘向45钢销的材料转移并形成了不连续的转移层，该转移层相对高度较大，承担了主要的摩擦磨损并趋于平滑. 磁场作用下45钢销磨损面吸附少量磨屑并使之细化和氧化，该吸附磨屑在一定程度上减小了摩擦副的摩擦系数，并阻碍试样之间的材料转移，从而增加了45钢销的磨损量.      

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.