表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用

对近年来国内外在采用表面改性技术改善材料的抗微动损伤性能方面的研究和进展作了简要的综述。分析了各种表面改性层在微动摩擦学中的应用和作用机制。指出采用多种表面改性手段，如表面机械强化，表面化学处理及表面涂覆等可不同程度地提高材料的抗微动损伤性能，延长零件的服役寿命。     

离子束表面改性及其在摩擦学中的应用

本文对离子束表面改性的各种方法和技术水平及其在摩擦学中的应用进行了综述,讨论了为使这种技术更加广泛地应用于实际摩擦学体系还必须研究的一些问题。大量文献资料表明,离子注入是改善材料摩擦学性能的一种有效方法。离子束辅助涂层是新近发展起来的一种离子束表面改性技术,包括离子束增强沉积或离子束辅助沉积、离子束混合和离子束反冲注入。利用它可以制得0.05到几个微米厚的涂层。由于界面的相互扩散混合,离子束辅助涂层能更强地与底材结合,并且常比物理或化学气相沉积的涂层更密实。作者认为,离子束技术今后将在两个相关领域中发展,即直接的离子注入和离子辅助涂层,并且指出离子补助涂层技术将拓宽离子束技术在摩擦学中的应用范围。     

氮及钛等离子体基离子注入铝合金表面改性层的摩擦磨损性能研究

研究了铝合金LY12等离子体基氮及钛离子注入层的摩擦磨损性能。用X射线光电子能谱和小掠射角X射线衍射对改性层中各元素分布及相组成进行了分析。用扫描电子显微镜对注入层形貌进行了观察和分析。结果表明：注入层由TiN、α-Ti、AlN、Al2O3和TiO2等相组成;注入后试样硬度提高了1倍以上;在低载荷下,摩擦系数处于0．10－0．14之间,注入层寿命提高了12倍以上,耐磨性提高了100倍以上;随着滑动载中增加,摩擦系数有所增大,而磨性有所降低;在注入层被磨穿以前以剥层磨损为主并伴有轻微的划伤,在注入层被磨穿以后以粘着磨损为主并伴有犁沟和粘着转移。注入改性层具有适当的梯度结构是提高铝事金表面硬度和耐磨性的主要原因。     

表面处理工艺对长石质牙科陶瓷摩擦学特性的影响

通过体外模拟口腔环境。采用往复摩擦磨损试验机考察了经自身上釉、离子交换及机械打磨抛光等3种不同表面处理方式的长石质牙科陶瓷材料在人工唾液润滑下同纯钛对摩时的摩擦学特性。探讨了表面处理对牙科陶瓷材料显微硬度、断裂韧性、表面形貌和元素组成的影响．结果表明：牙科临床常用的表面处理工艺对牙科陶瓷摩擦系数的影响较小。经3种不同表面处理的陶瓷试样的摩擦系数仅在滑动初期存在一定差异；经离子交换处理的陶瓷试样的抗磨性能较优；长石质牙科陶瓷同纯钛对摩时。偶件钛向陶瓷试样磨损表面发生转移；牙科陶瓷材料的耐磨性能同力学性能的相关性不强，原因在于耐磨性能同微观结构等密切相关．     

Ti6Al4V表面激光改性层重熔处理的微观组织特征及宽温域摩擦学性能研究

采用激光复合工程技术对Ti6Al4V基体表面进行强化耐磨处理,首先在Ti6Al4V合金表面进行激光氮化[Ti(N)]和氮氧化[Ti(N,O)]处理,然后在纯氩气气氛中分别对Ti(N)层和Ti(N,O)层进行激光重熔处理,制备了组织分布更为均匀的重熔氮化层[Re-Ti(N)]和重熔氮氧化层[Re-Ti(N,O)]. 组织结构分析揭示了Re-Ti(N)层主要由富氮αˊ-Ti和TiN_x组成,而Re-Ti(N,O)层则主要由富氧αˊ-Ti和TiN_xO_y组成. 相对于Ti6Al4V基体,Re-Ti(N)层和Re-Ti(N,O)层的硬度、弹性模量和磨损量降低了2倍以上,然而激光复合处理前后材料均表现出较大的摩擦系数. 相对于Re-Ti(N)层,氧原子的加入,不仅能够有效细化组织和提升强韧度,而且显著抑制了摩擦界面的黏着磨损. 通过磨屑结构分析进一步验证了基体黏着磨损机制和重熔改性层磨粒磨损机制.      

TC4合金及其表面TiCp／Ni基合金激光熔覆层的摩擦磨损性能

利用УТИ TB-100型销-盘式摩擦磨损试验机研究了TC4合金及其表面TiCp／Ni基合金激光熔覆层在大气和真空(真空度10^-5Pa)环境中的干滑动摩擦磨损性能；采用透射电子显微镜分析了激光熔覆层的微观结构；用扫描电子显微镜观察TC4合金和TiCp／Ni基合金激光熔覆层磨损表面及其相应的偶件磨损表面形貌，进而对比分析了试验环境对材料摩擦磨损性能和磨损机理的影响．结果表明，材料在不同环境气氛压力下的摩擦磨损性能明显不同，TC4合金和TiCp／Ni基合金激光熔覆层在真空环境中的摩擦系数均高于在大气环境中的摩擦系数；TC4合金在真空环境中的质量磨损率低于在大气环境中的质量磨损率，TiCp／Ni基合金激光熔覆层在真空环境中的质量磨损率高于在大气环境中的质量磨损率．分析表明，TC4合金在大气环境中同硬质合金对摩时主要呈现氧化磨损特征，在真空环境中主要呈现粘着磨损特征；而TiCp／Ni基合金激光熔覆层在大气环境主要发生磨粒磨损，在真空环境中则发生磨粒磨损和粘着磨损．     

铝质材料的摩擦学表面改性

在工程应用中，铝质材料是一类重要性仅次于钢铁的金属材料。但是，铝质材料作为摩擦学材料，却存在着质软、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤且难以润滑等严重弱点。为了总结科学工作者在铝质材料的摩擦学表面改性方面的研究成果，借以推动有关工作的深入开展，对这类材料的各种摩擦学表面改性技术的研究进展及其发展现状作了概述，其中，重点综合介绍的是本世纪八十年代新发展起来的自润滑阳极氧化铝处理技术的基本原理、处理方法和应用等，同时，根据有关的测试和分析结果，对自润滑阳极氧化铝在研究和开发工作中所存在的一些问题，以及产生这些问题的原因等进行了分析与讨论，并就其今后的发展方向和应当进行改进研究的几个重点课题作了预测与评述。     

氟化石墨烯的制备及其作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究

采用球磨的方法制备了少层氟化石墨烯薄片,利用原子力显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪对其微观形貌和组成结构进行了表征分析,使用SRV-Ⅳ高温摩擦磨损试验机考察了氟化石墨烯片作为润滑油添加剂的摩擦学性能.结果表明:氟化石墨烯可以明显提高润滑油的承载能力和抗磨损性能,当添加浓度为0.30 mg/ml时,润滑油的抗磨损性能最佳.     

火焰喷涂PA1010涂层的制备及其摩擦学性能研究

利用火焰喷涂技术在45^#钢表面制备了尼龙1010(PAlOlO)涂层;采用傅立叶转换红外光谱仪和X射线衍射仪分析了涂层的化学及晶体结构特征;采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了涂层同不锈钢配副时的滑动摩擦磨损特性;并基于涂层及偶件磨损表面形貌扫描电子显微分析探讨了涂层的磨损机理．结果表明,PA1010原料粉末在热喷涂过程中未发生明显的降解与氧化;PA1010涂层同不锈钢配副时的摩擦磨损性能同载荷密切相关,这是由于载荷影响其向偶件磨损表面转移及成膜所致;PA1010涂层在较低载荷下同不锈钢配副时主要发生轻微粘着磨损,在较高载荷下则主要发生严重粘着磨损及塑性变形．     

仿生非光滑表面铸铁材料的常温摩擦磨损性能

模仿动物体表形态,在试样表面通过激光雕刻出有规则分布的凹坑以及条纹等非光滑单元体,研究了具有非光滑表面材料的摩擦磨损性能.结果表明:非光滑表面材料的耐磨性较光滑表面提高1倍以上,摩擦系数提高66%以上;当非光滑表面的单元体硬度越高、直径越大和间距越小时,其耐磨性能越好,摩擦系数越大.这是由于激光加工的单元体相当于在母体上增加了许多强化质点,比母体具有较高的硬度和致密性,能够提高抗磨性,增加表面粗糙度,所以其耐磨性提高,摩擦系数增大.     

润滑条件下激光加工纹理的摩擦磨损

采用YAG纳秒激光器在45#钢平板试样表面制备纹理,考察了不同润滑状态下表面纹理对摩擦学性能的影响.45#钢表面纹理采用了不同间距的点、槽和网格形貌,并在UMT-Ⅱ试验机上与SiC钢球配副,分别在石蜡和机油润滑条件下进行往复摩擦试验,得出了试验条件下的Stribeck曲线.结果表明,在Hersey数较小时,纹理的引入不利于材料摩擦系数的降低,Hersey数的增加有助于摩擦学性能的提高.网格状纹理间距越小摩擦系数越大.网格状形貌试样相对于点和凹槽形貌试样,表现出更好的摩擦学性能.     

激光熔覆Zr—Al—Ni—Cu复合涂层组织及其摩擦磨损性能

采用激光熔覆技术在 Ti基体上制备了 Zr65Al7.5Ni1 0 Cu1 7.5合金涂层 ,涂层由金属间化合物、少量非晶和纳米晶构成 .分别向涂层中添加 C或 B及 Si等组元 ,使涂层硬度由原来的 10 41H K升高到 10 85 H K和 12 5 2 H K;同时在干摩擦条件下考察了其摩擦磨损行为 .结果表明 ,涂层的摩擦系数分别为 0 .14、0 .16和 0 .17,涂层磨损机制以磨粒磨损、剥层磨损和粘着磨损为主     

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.     

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.     

聚合物基复合材料摩擦学改性研究新进展

总结了国内外近几十年来聚合物基复合材料摩擦学改性方面的研究新进展情况.通过介绍聚合物摩擦学改性方法包括聚合物共混改性、纤维增强改性,以及纳米材料改性和多元复合改性等,讨论了其对聚合物摩擦学性能的影响,分析了其摩擦磨损机理.分析认为功能性纳米材料及多元复合填料的协同效应能更加有效地改善聚合物基复合材料的摩擦磨损性能,并且在聚合物摩擦学改性方面起着越来越重要的作用.     

激光镍包纳米Al2O3增强复合涂层的摩擦磨损性能研究

采用大功率CO2激光器在45#钢基体上制备激光熔覆镍包纳米Al2O3复合涂层,采用金相显微镜观察涂层表面形貌,在销-盘式摩擦磨损试验机上评价复合涂层与45#碳钢配副的摩擦磨损性能.结果表明:经激光熔覆处理制备的镍包纳米Al2O3复合涂层的耐磨性能显著提高,磨损质量损失降低38%,摩擦系数降低40%;复合涂层中纳米Al2O3的配比对其耐磨性影响显著,高配比涂层具有较好的耐磨性,而摩擦系数与Al2O3配比的关系不大.     

后热处理对304不锈钢激光熔覆Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层组织和摩擦学性能的影响

采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备了Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层,对涂层在600℃(去应力退火)进行1 h和2 h热处理,分析了热处理前后复合涂层的显微组织、硬度和摩擦学性能的变化.结果表明:三种涂层中,热处理1 h后涂层的显微硬度最大(最高值HV0.5765.0),在10 N干摩擦条件下,其摩擦系数为0.39,磨损率为3.37×10~(–6)mm/(Nm),该涂层表现出最好的耐磨减摩性能,磨损机理主要表现为轻微的磨粒磨损;未热处理的涂层摩擦系数为0.53,磨损率为6.39×10~(–6) mm/(Nm),磨损机理主要表现为脆性断裂、黏着磨损和磨粒磨损;热处理2 h后的涂层摩擦系数为0.39,磨损率为5.29×10~(–6)mm/(Nm),磨损机理主要表现为磨粒磨损和轻微黏着磨损.在本文试验条件下,后热处理1 h可有效提高激光熔覆自润滑耐磨涂层的硬度并改善其耐磨减摩性能.     

激光织构化TiN薄膜的干摩擦性能研究

采用固体Nd:YAG激光器对离子镀TiN薄膜进行织构化处理,表征了薄膜的结构、形貌及凹坑织构参数.通过UMT-2往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了织构化薄膜的摩擦磨损特性,研究了织构形貌对TiN薄膜干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响.研究结果表明:与未织构化的TiN薄膜相比,织构化TiN薄膜的平均摩擦系数降低,并且磨损率明显减小,这说明织构化TiN薄膜具有更好的耐磨损性能.摩擦过程中,凹坑织构既捕获了磨屑,又有利于摩擦过程中阶跃运动的发生,易于将磨屑带出磨痕,从而降低了摩擦磨损.     

层片式复合材料摩擦性能与表面形态的研究

粉末冶金材料摩擦面上多组分的混合以及第三体的存在,不利于澄清材料中不同组分对摩擦性能的贡献程度.本文采用机械组合方法制备了铜-钢-铝层片式摩擦材料,通过定速摩擦试验机,在干、湿两种条件下,观察了3种组分的摩擦表面微结构随摩擦速度的变化过程,测试了不同条件下的摩擦性能.结果表明:铜良好的塑性和焊合性,易形成与基体黏附性良好的第三体,使表面的粗糙程度增加;钢较高的强度及其氧化物的脆性,形成的第三体流动性好且与基体的结合强度有限,容易发生开裂和脱落;铝形成的富氧化铝的第三体,其颗粒间较差的黏合程度易在表面弥散分布,使表面平整度好.在摩擦速度低于900 r/min条件下,水分的润滑作用使湿摩擦条件下的摩擦系数低于干摩擦;摩擦速度高于900 r/min时,水分的冷却和清理微细第三体颗粒的作用,降低了材料的软化程度和第三体的流动性,使湿摩擦系数大于干摩擦系数.