激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展

介绍了激光表面织构化的过程及其摩擦学研究现状,讨论了激光表面织构的形状、直径、深度、取向和密度等结构参数对润滑状态及其磨损机理的影响,指出今后可将先进涂层技术和激光表面织构化结合起来,在混合／边界润滑状态下获得较低的摩擦系数,并应加强以润滑理论为基础的研究,预先模拟、计算出表面微结构的最佳参数以达到实际摩擦工况的润滑要求．     

硬质合金表面织构液相辅助激光制备及摩擦性能

采用激光加工技术在空气介质与辅助液相(无水乙醇与双氧水体积比为50:1)下对YT15硬质合金表面进行了交叉扫描织构加工,制备出了两组织构试样. 借助Quanta 200扫描电子显微镜及能谱对织构硬质合金表面形貌与元素含量进行了测量,并用SDC-100接触角测量仪表征了润湿性,最后在MWF-500往复式摩擦磨损试验机上进行了干摩擦、润滑油及润滑油与MoS₂颗粒润滑的摩擦和磨损对比试验. 研究结果表明:相比空气介质激光加工试样,液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀,无明显的氧化及熔融物重铸现象,表面接触角最小(55°);三种工况下液相辅助激光加工表面织构的摩擦系数最小,磨损量有一定改善. 分析表明:辅助液体对激光加工表面起到了冷却及保护作用,固-液界面快速产生的气泡散射了激光光束,使激光光束的作用区域发生干涉,同时携带出加工熔融物. 因此,润滑介质更容易在界面间渗入及铺展,改善了界面摩擦学特性.      

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.     

激光处理凹坑形仿生非光滑表面试件的高温摩擦磨损特性研究

采用销-盘式摩擦磨损试验机,研究了经激光处理后不同直径和间距的W9Cr4V高速钢凹坑形非光滑试件在不同温度下的摩擦磨损特性.结果表明:在室温至500 ℃的试验条件下,非光滑试件的耐磨性随着温度的升高而降低,且在200 ℃以内非光滑试件的磨损量随着温度增加缓慢增大,当超过200 ℃以后,磨损量增加较快;不同尺寸及分布规律的非光滑凹坑对零件耐磨性的影响不同,在本次试验条件下,非光滑凹坑直径及其间距愈大,非光滑试件的耐磨性能愈好;温度愈高,非光滑试件摩擦系数愈小.     

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.     

纳米复合材料激光熔覆层组织及抗磨性能

利用5kWCO2激光器，在Ni基高温合金表面制备了纳米Al2O3／钴基合金熔覆层，分析了熔覆层的组织结构及其抗磨性能．结果表明，当纳米Al2O3颗粒含量较低时，Al2O3颗粒能均匀分布于熔覆层中，从而形成纳米氧化物弥散强化的复合材料涂层；Al2O3颗粒在熔池中长大，尺寸为250-450nm；复合材料熔覆层的硬度随纳米Al2O3含量的增加而提高；当纳米Al2O3颗粒含适中时，熔覆层的抗磨性能较好；而当纳米Al2O3颗粒含量过高(3．0％)时，复合材料熔覆层的抗磨性能反而降低。     

往复条件下织构表面的摩擦学性能研究

为研究往复运动条件下织构表面的润滑减摩性能,选取销-盘式摩擦副,考察了0%、7%、11%和20% 4种织构密度在不同的速度下对摩擦系数的影响规律。结果表明：表面织构的引入使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围,这与摩擦副在相对转动条件下的结论一致;处于流体润滑区域的织构表面的摩擦系数不一定小于同等工况条件下处于混合润滑区域的无织构表面的摩擦系数;当无织构表面处于流体润滑区域时,试验所涉及的同等工况条件下的不同织构密度表面反而增大了摩擦系数。研究结果也说明了在对表面织构进行摩擦学设计时,应当考虑摩擦副的运动形式因素。     

原位反应合成金属间化合物激光合金化层的组织及抗磨性能

以近等原子比的NiTi合金粉末为原料,利用连续波高功率Nd-YAG激光器在6061Al合金表面制备了Ni-Al和Ti-Al金属间化合物改性层,采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计及摩擦磨损试验机分析了合金化层的组织形貌、结构、成分、硬度分布及磨损性能.研究结果表明,该激光表面改性层主要由Ni3Al和TiAl3金属间化合物组成;采用合适的保护措施和激光处理工艺参数,可控制改性层产生孔洞和裂纹倾向,从而获得与基体具有良好冶金结合的致密金属间化合物合金激光改性层;与此同时,Ni-Al和Ti-Al金属间化合物改性层可有效地改善铝合金的抗磨性能.     

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.     

45~#钢表面织构上硬脂酸薄膜减摩性能的研究

本文中提出了一种在45#钢表面构筑具备优异减摩耐磨性能的薄膜的简易方法.首先采用高浓度氢氧化钠溶液在钢表面制备沟槽状表面织构,然后沉积硬脂酸分子得到减摩耐磨薄膜.用扫描电子显微镜、原子力显微镜、接触角测量仪、X射线光电子能谱仪以及X射线衍射仪等手段表征了薄膜的形成机制、表面形貌和化学组分,并利用微纳米摩擦磨损试验机研究薄膜在干摩擦条件下的减摩耐磨特性.研究结果发现,在经化学刻蚀形成织构的钢表面所沉积的硬脂酸薄膜具有优异的减摩耐磨性能.     

激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响

本文利用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电镜等对磨斑表面进行了分析.结果表明:与光滑面试样相比,经织构化处理的样品表面在干摩擦条件下虽然摩擦系数较高,但表现出了较好的抗磨性能;在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均明显小于光滑面;在低载低速下较小孔径织构面摩擦系数较小,随着速度及载荷的增大,较大孔径织构面表现出更好的摩擦学性能.采用Stribeck曲线探讨了织构化表面与光滑面在贫油润滑下的润滑机理,结果表明织构面在试验条件下均保持油膜流体润滑状态.     

TA2合金激光熔覆自润滑复合涂层组织与摩擦学性能

以三种不同质量分数配比为40%Ti–19.5%Ti C–40.5%WS_2、40%Ti–25.2%Ti C–34.8%WS_2、40%Ti–29.4%Ti C–30.6%WS_2的复合粉末为预置原料,采用激光熔覆技术在钛合金TA2表面原位合成自润滑耐磨复合涂层.系统地分析了涂层的物相、组织、显微硬度及其摩擦学性能与机理.结果表明:三种涂层的显微硬度分别为HV_(0.5)927.1、HV_(0.5)1007.5和HV_(0.5)1052.3,相对于基体(HV_(0.5)180)有极大的提高;三种涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.41和30.98×10~(–5) mm~3/(N·m);0.30和18.92×10~(–5) mm~3/(N·m)以及0.34和15.98×10~(–5) mm~3/(N·m).WS_2质量分数为34.8%和30.6%的预置粉末制备的涂层表现出较好的耐磨减摩性能,其磨损机理为轻微的塑性变形和黏着磨损.     

激光微造型对粉末润滑界面边界层行为和润滑特性的影响

粉末润滑在极端条件下可以有效地减摩,但粉末的介入性和界面保持性仍有待提高,研究尝试利用表面的激光微造型,阐明其对粉末润滑特性的影响,改善润滑特性.采用控制变量法,分别改变多功能摩擦磨损试验机的载荷和转速,使用形状测量激光显微系统观察载荷和转速对微造型表面摩擦特性的影响.结果表明:激光微造型表面相对于无微造型表面能承受更大的载荷和转速;激光微造型部位最先形成蝌蚪状界面边界层,在界面边界层损坏过程中,微造型凹坑部位界面边界层保留时间较长,出现蝌蚪状残留和圆坑残留现象;在一定范围内,表面粗糙度随着载荷和转速的增大而逐渐增大.     

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.     

织构化提高表面摩擦学性能的研究进展

表面织构化作为1种可以显著提高表面摩擦学性能的方法已得到国内外科学技术工作者的广泛关注.从表面织构化的应用领域和研究背景着手,评述了织构化在改善表面宏观、微观和仿生摩擦学等方面的研究进展和发展现状,阐明了表面织构化对于改善表面宏/微观摩擦学行为的重大意义,并指出当前表面织构化存在的问题和下一步的发展方向.     

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.     

线接触状态下激光加工微造型表面摩擦特性研究

为了研究表面形貌对线接触弹流状态下摩擦副摩擦特性的影响,采用激光微造型技术,通过控制微造型的形状、深度、间距和面积占有率等参数制造了两组表面高度算术平均值Sa分别相同的试件.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量,采用ISO25178参数及连通性系数Us对测量表面进行表征,最后在JPM-1型双盘摩擦磨损试验机上对试件进行富油摩擦试验,得到不同转速、不同载荷工况下的摩擦系数.结果表明:线接触状态下,微造型形状、方向及深度均会对表面的摩擦特性产生影响,顺向箭头微造型表面表现出了最优的摩擦特性;试件摩擦系数随着转速的增大呈线性增长趋势,随着载荷的增大而减小,减小的幅度随载荷的增大逐渐变得缓慢;表面形貌三维表征参数Ssk、Sku、Vvv、Vvc、Us与摩擦特性均有一定的关联性.     

靶材表面粗糙度对GCr15钢表面激光毛化微突体形貌的影响

对不同粗糙度GCr15钢表面激光毛化微突体形貌的几何尺寸、金相组织及各区域表面显微硬度进行了分析.结果表明:粗糙钢表面对激光能量的吸收率高于镜面试样,因此粗糙表面激光毛化微突体的高度比镜面试样的略高;但粗糙表面微突体端部的淬火区组织会因金属蒸发而产生孔洞而降低表面的显微硬度,从而影响表面的耐磨性.为了得到较细化的金相组织而又不产生金属蒸发现象,在控制激光毛化参数条件下,应该尽可能地降低靶材的表面粗糙度,一般应保证Ra≤0.4μm.