Ti6Al4V表面激光织构化及其干摩擦特性研究

利用激光加工在Ti6Al4V表面分别构筑直线织构、网格织构和凹坑织构,并对试样的表面粗糙度和横截面硬度进行表征和测试,采用多功能微摩擦磨损试验机评价试样表面织构化对其干摩擦性能的影响,使用三维显微镜和扫描电镜对摩擦实验前后试样的形貌进行分析。研究结果表明:经激光织构化处理后,试样表面硬度显著提高,其中凹坑织构试样的表面硬度最高,直线织构试样的表面硬度最低;当选取适当间距时,凹坑织构试样的摩擦因数小于抛光试样的摩擦因数,而网格织构和直线织构试样的摩擦因数大于抛光试样的摩擦因数。SEM照片显示,织构表面的凹坑起到了捕获磨屑的作用。     

激光织构和碳基薄膜复合处理提高钛合金摩擦学性能研究

在重载滑动干摩擦条件下，对比不同织构密度的钛合金表面的摩擦学性能；在耐磨性最好的织构密度钛合金表面再制备碳基薄膜，并与直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦学性能进行对比。结果表明：3种低织构密度条件下，TC4钛合金的摩擦因数减小、磨损率降低；随着织构密度的增大，钛合金材料的摩擦因数变化极小，磨损率有所增加；在织构密度5.95%的钛合金表面制备的碳基薄膜，因织构微凹处产生的小微湍流，减少了摩擦阻力，使得其摩擦因数相比直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦因数有所减小。织构化碳基薄膜的磨损率比钛合金的磨损率降低了99.31%，比直接在钛合金表面制备碳基薄膜的磨损率也降低了约60%，这是因为高接触应力摩擦过程中触发石墨化转变，被磨损的石墨化颗粒碎片嵌入织构微凹中，抑制了摩擦接触界面的磨损行为。     

表面织构在脂润滑条件下的摩擦性能研究

采用声光调Q二极管泵浦Nd:YAG激光加工系统在H13钢表面加工出不同密度的织构,以润滑脂作为润滑剂,利用MMW-1A型微机控制万能摩擦磨损试验机考察表面织构在不同载荷、不同转速条件下的摩擦磨损特性。实验结果表明:在脂润滑条件下表面织构能有效改善摩擦副表面的摩擦性能;与光滑无织构试样相比,表面织构试样的摩擦因数显著降低;一定范围内,随着织构密度的增加,平均摩擦因数呈现出先减小后增大的趋势,且织构密度为10%时的平均摩擦因数最小,最小平均摩擦因数为0.18,较光滑无织构试样减小32.23%;摩擦因数随着试验载荷的增大而减小,但随着转速的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。     

润滑条件对黄豆/不锈钢摩擦副摩擦学行为的影响

食品机械加工中的摩擦磨损直接影响着食品安全问题。选用黄豆与316L不锈钢进行配副,采用滑动摩擦磨损试验机,研究干摩擦和水润滑条件对其摩擦学性能的影响。利用光学显微镜、光学三维形貌仪和红外光谱仪对试样的表面形貌、粗糙度和磨损表面成分进行了分析。结果表明：干摩擦条件下,黄豆/316L不锈钢摩擦副的平均摩擦因数波动较小,约为0.24,水润滑条件下其平均摩擦因数达到干摩擦条件下的4.4倍左右,且在摩擦过程中存在反复波动;与干摩擦相比,水润滑条件下不锈钢试样表面的磨痕宽度提高约10%,而黄豆试样表面的磨痕宽度的增加幅度约高达160%;水润滑摩擦过程中不锈钢磨痕表面产生更多黄豆分解的有机物,其磨痕表面的犁沟数量和深度均显著减少,黄豆试样磨痕表面基本没有犁沟;干摩擦条件下黄豆/不锈钢的磨损机制以磨粒磨损为主,而水润滑条件下,黏着磨损显著增加。     

不同环境介质下氧化铝陶瓷与耐蚀金属摩擦磨损行为

为优选海水淡化高压泵关键零部件耐磨性能材料,以Al_2O_3陶瓷与TC4钛合金、316不锈钢、2205双相不锈钢组成的配对摩擦副作为研究对象,利用立式万能摩擦磨损试验机开展干摩擦、纯水及海水3种环境介质下配对材料的摩擦磨损试验,定量得到各摩擦副摩擦因数、磨损量,并对摩擦试样的表面形貌进行分析;采用正交试验法分析载荷、转速、环境介质对摩擦因数和磨损量的影响规律。结果表明:在相同的条件下,TC4钛合金与陶瓷配副摩擦因数较小,2205双相不锈钢与陶瓷配副磨损量较小;环境介质对摩擦因数影响较大,载荷对磨损量的影响较大;海水环境下2205双相不锈钢和316不锈钢磨痕较浅,磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损的交互作用。     

仿生织构表面对人工髋关节副动压润滑性能及减摩性分析

为提高钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,从仿生学角度在钛合金关节表面设计出菱形织构.基于雷诺方程建立织构化关节表面流体动压润滑数学模型,采用有限差分法对其进行离散,通过Matlab编程进行迭代求解,获取织构表面的润滑油膜压力分布以及织构化关节表面的摩擦因数,分析织构几何参数(菱形织构对角线长度b和织构深度hp)对摩擦性能的影响规律.加工钛合金销-盘摩擦副,用激光在盘试样上加工出菱形织构,并在牛血清润滑状态下以及相同载荷和转速的条件下进行摩擦磨损试验.结果 表明:随着菱形织构参数b和织构深度hp的增加,摩擦因数呈先增加后减小的趋势.并且试验结果与数值仿真结果具有较高的一致性,在菱形织构参数b为447 μm,织构深度hp为10 μm,存在最小摩擦因数为0.14.微织构的存在可以实现流体动压润滑,提高关节副的承载力,降低摩擦因数,从而改善关节副的摩擦性能.该研究为提高人工髋关节的寿命提供理论依据.     

激光表面织构化对压裂泵柱塞摩擦性能的影响

采用激光加工的方法在压裂泵柱塞试件表面熔蚀出一系列不同面积比和直径的微小型、低密度圆柱形表面织构凹坑。采用销-盘试件运动模拟3000型压裂泵密封摩擦副,在MDW-1型万能摩擦磨损试验机上研究不同表面织构的20#钢与丁腈橡胶弹性材料配副时的摩擦特性。结果表明：合理布置的表面织构能够明显降低摩擦因数与温升,且凹坑能够吸纳磨粒、避免二次磨损。在载荷100 N、速度2.2 m/s试验条件下,表面织构均匀分布、面积比为2.0%、直径为0.20 mm圆柱形凹坑,可使摩擦因数和温升分别降低56.2%、55.4%,且试件表面磨斑、磨痕明显减少。     

固溶处理后7055铝合金的摩擦磨损性能

对7055铝合金分别进行单级固溶、双级固溶和高温预析出等固溶处理,测量不同固溶处理后试样的硬度,以及采用不同目数砂纸打磨后试样的表面粗糙度。以GCr15钢球为对偶件,采用摩擦磨损试验机研究不同目数砂纸打磨后试样的摩擦学性能,采用扫描电镜对磨痕形貌进行分析,探讨7055铝合金的磨损机制。结果表明:双级固溶处理(240℃×2 h+480℃×2 h)得到的试样性能最好,其硬度最高,表面粗糙度值较低,摩擦因数最低;而高温预析出处理(480℃×2 h+240℃×2 h)得到的试样性能最差;固溶处理后试样硬度越大,摩擦因数越低,而表面粗糙度与摩擦因数呈现出非线性关系,表面粗糙度在0.35～0.5μm之间时试样的摩擦因数最低。表面粗糙度较高时,7055铝合金在干摩擦时主要发生黏着磨损、磨料磨损和表面疲劳磨损,表面粗糙度较低时,主要发生黏着磨损和疲劳磨损。     

TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为

为研究TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为特点,采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,对球/平面接触的GCr15钢球/合金TC4摩擦副在100 N法向载荷下进行微动磨损试验,得到TC4合金微动磨损过渡区的范围,分析不同状态下摩擦因数演变及磨痕表面形貌特点,研究磨损机制的变化。结果表明:微动状态下,摩擦因数在磨合阶段波动剧烈,达到稳定磨损阶段后趋于稳定,且稳定状态下的摩擦因数随着位移幅值的增加而增加;往复滑动状态下,不同位移幅值下的摩擦因数曲线近乎重合且波动剧烈;微动磨损过渡区的摩擦因数变化处于2种状态的转变阶段。微动状态下,磨痕表面轮廓线粗糙,损伤轻微,磨损机制以黏着磨损和疲劳剥层为主;往复滑动状态下,轮廓线更光滑且损伤严重,磨损机制以磨粒磨损及塑性变形为主;微动磨损过渡区轮廓线由粗糙变为光滑,磨损深度及宽度突增,磨损机制由黏着磨损转变为磨粒磨损。     

人工髋关节微织构减摩性能及织构参数优化

为改善钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,用激光在钛合金试样表面构造出不同参数的圆形凹坑;采用单因素试验利用接触角测量仪以及摩擦磨损试验机,研究微织构参数对接触角和摩擦因数的影响;采用响应面法建立凹坑直径、深度、面积率与接触角、摩擦因数间的二次回归模型,得出最优织构参数。结果表明:在给定的织构范围内随着凹坑直径的增加、深度的减小、面积率的减小,钛合金的表面接触角均减小;在选取较小的凹坑深度、合适的凹坑面积率和凹坑直径时,可以有效降低钛合金的摩擦因数,且凹坑直径和凹坑面积率的交互作用对摩擦因数影响最显著;优化得到的织构最优参数为直径230μm,深度10μm,面积率14%。试验结果与二次回归模型预测值有较高的一致性,说明建立的二次回归模型具有较高的可靠性。     

WC-10Co-MoS2@Ni自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究

为探究WC-10Co-MoS2@Ni自润滑硬质合金与TC4钛合金的摩擦学性能，通过热压烧结制备不同含量MoS2@Ni的硬质合金试样，采用扫描电子显微镜、三维轮廓仪、维氏硬度计等分析自润滑硬质合金的组织结构和力学性能，利用往复式摩擦试验机研究干摩擦、切削液环境和深冷环境下硬质合金与钛合金的摩擦学性能。结果表明：随着硬质合金中MoS2@Ni含量的增加，表面孔隙减少，力学性能缓慢下降；在干摩擦、切削液环境和深冷环境下，摩擦因数均随MoS2@Ni含量的增加而降低；钛合金和硬质合金在干摩擦时由于钛合金的黏附，阻碍了MoS2发挥润滑作用，磨损形式以黏着和氧化为主；在切削液环境中磨损形式以磨粒磨损和黏着磨损为主，而在深冷环境下减少了氧化和黏着，其磨损形式主要为磨粒磨损，并伴有分层磨损现象。     

不同基体CrN/CrCN多层涂层海水环境摩擦学性能研究*

为研究不同基体材料对CrN/CrCN多层涂层在海水环境下摩擦学性能的影响,采用多弧离子镀技术在H65铜合金、TC4钛合金和316L不锈钢基体上沉积CrN和CrN/CrCN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层的结构进行表征,通过结合力、硬度测试和摩擦磨损试验分析涂层在大气环境和海水环境下的力学性能和摩擦学性能。结果表明:CrN/CrCN多层涂层的内应力相对于CrN明显减小,且硬度相对CrN涂层较高;TC4钛合金为基体的涂层结合力较好且涂层硬度较高;在海水环境下涂层的摩擦因数相对于大气环境都有较大幅度下降,其中,以TC4钛合金和316L不锈钢为基体的涂层摩擦因数较小;以H65铜合金为基体的2种涂层在海水中的磨损率高于大气中,而以TC4合金、316L不锈钢为基体的CrN/CrCN多层涂层在海水环境下的磨损率低于大气环境;TC4钛合金为基体的CrN/CrCN多层涂层在海水环境下具有最低的磨损率,表明TC4钛合金更适合作为海水环境下CrN/CrCN多层涂层耐磨的基体材料。     

导热能力对TC4合金高速干摩擦及其热行为的影响

采用具有较好导热性能的紫铜与TC4合金机械镶嵌，组成的销试样与纯TCA合金销试样的摩擦磨损特性及热行为特性进行对比研究。研究结果表明：随着摩擦功的增加，使用紫铜强化导热的TCA-紫铜组合销试样与纯TCA合金销试样的摩擦表面温度整体均为上升趋势，但是TC4-紫铜组合销试样的摩擦表面温度与纯TC4合金销试样相比有大幅度的降低，纯TC4合金销试样的表面温度在升高到一定程度以后由于相变吸收热量，其表面温度出现降低的趋势。使用紫铜强化导热后，摩擦副的摩擦因数有所提高，材料的耐磨性也有一定程度的提高。     

复合工艺制备的表面微凹坑织构的摩擦性能研究

在构建的激光电化学复合微加工系统上,采用皮秒脉冲激光辐照与电解刻蚀复合加工方法在7075铝合金表面制备出不同尺寸的阵列凹坑微织构。采用共聚焦显微镜观测复合加工织构试样表面形貌,采用MFT-5000型RTEC摩擦磨损试验机研究润滑条件下凹坑织构的摩擦学性能,并探讨直径、深度、面积密度对减摩性能的影响。结果表明:复合加工工艺制备的表面微织构具有良好的表面形貌;润滑条件下材料表面的凹坑型织构能显著改善其摩擦学性能,相比光滑表面最高可降低摩擦因数30%;在实验参数范围内,凹坑的直径与面积密度对材料表面摩擦性能影响较大,凹坑深度对摩擦性能影响较小。     

人工髋关节球形凹坑微织构表面摩擦学性能研究*

为改善人工髋关节表面的摩擦学性能,在人工髋关节表面设计球形凹坑微织构;建立人工髋关节微织构表面的流体动压润滑模型,利用CFD软件ANSYS Fluent对微织构表面流体动压进行数值分析,得到摩擦副表面相对滑动时产生的油膜平均承载力以及摩擦因数,并分析表面微织构参数对摩擦学性能的影响。结果表明:在给定的织构参数范围内,平均承载力随深径比的增加呈现出先降低后升高再降低的趋势,随面积密度的增加呈先升高再降低的趋势;摩擦因数随深径比和面积密度增加的变化趋势与平均承载力相反;织构的最优参数分别为深径比0.06,面积密度25%。因此,在人工髋关节表面设置合适参数的球形凹坑微织构可以提高油膜平均承载力和降低摩擦因数,从而起到减小关节的摩擦磨损提高人工关节使用寿命的作用。     

Ti6Al4V/WC-Co干摩擦性能研究

利用Optimal SRV高温摩擦磨损试验机,研究干摩擦条件下钛合金(Ti6Al4V)对硬质合金(WC-Co)的摩擦学性能.研究了载荷、温度与滑动速度对摩擦过程的影响,通过磨损区微观形貌表征分析了磨损机理.结果表明:Ti6Al4V与WC-Co的摩擦系数波动剧烈,产生了严重的黏滑摩擦,且随着载荷、温度与滑动速度的增加,黏...     

Tribological Properties of Lubricating Films on the Al-Si Alloy Surface via Laser Surface Texturing

Dimpled textures were prepared by using a pulse solid laser on the surface of Al-Si alloy. The combination of laser surface texturing (LST) and MoS₂ solid lubricant as well as their tribological properties were investigated in this article. The obtained friction and wear data were critically analyzed to investigate how the parameters of texture influence the tribological performance of Al-Si alloy. Furthermore, morphological investigations of the transfer layers on the worn surfaces were performed and the wear mechanisms are discussed. The results show that the combination of LST and solid lubricant improves the tribological characteristics of Al-Si alloy. The friction coefficient of Al-Si alloy: steel friction pairs can be reduced to 0.15 under dry friction. The lubrication mechanism is attributed to a synergetic effect of providing solid lubricant and traps wear debris in the dimples. It was found that the optimum density of structure was 37% for excellent tribological properties.     

Fretting wear behavior of nitrogen ion implanted titanium alloys in bovine serum lubrication

Nitrogen ion implantation was performed on biomedical titanium alloys by using of the PBII technology to improve the surface mechanical properties for the application of artificial joints. The titanium nitride phase was characterized with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The nanohardness of the titanium alloys and implanted samples were measured by using of in-situ nano-mechanical testing system (TriboIndenter). Then, the fretting wear of nitrogen ion implanted titanium alloys was done on the universal multifunctional tester (UMT) with ball-on-flat fretting style in bovine serum lubrication. The fretting wear mechanism was investigated with scanning electron microscopy (SEM) and 3D surface profiler. The XPS analysis results indicate that nitrogen diffuses into the titanium alloy and forms a hard TiN layer on the Ti6Al4V alloys. The nanohardness increases from 6.40 to 7.7 GPa at the normal load of 2 mN, which reveals that nitrogen ion implantation is an effective way to enhance the surface hardness of Ti6Al4V. The coefficients of friction for Ti6Al4V alloy in bovine serum are obviously lower than that in dry friction, but the coefficients of friction for nitrogen ion implanted Ti6Al4V alloy in bovine serum are higher than that in dry friction. Fatigue wear controls the fretting failure mechanism of nitrogen ion implanted Ti6Al4V alloy fretting in bovine serum. The testing results in this paper prove that nitrogen ion implantation can effectively increase the fretting wear resistance for Ti6Al4V alloy in dry friction, and has a considerable improvement for Ti6Al4V alloy in bovine serum lubrication.     

仿生织构形态对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

为了提高缸套-活塞环的摩擦学性能,设计了一种仿生排布的菱形凹坑织构,并通过激光刻蚀技术在缸套表面进行加工;在同一转速和不同载荷下,在MWF-10往复式摩擦磨损试验机上进行试验,以探究仿生排布的菱形织构对缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损性能的影响,并与使用阵列排布的纹理的缸套以及未经处理的原始缸套进行比较。结果表明:织构的排布形式对油膜厚度的影响较大,尤其在重载荷工况下,合理地优化排布形式能够实现较好的动压润滑效果;仿生排布的菱形织构实现了往复运动方向上纹理特征的全覆盖,能够极大程度上限制磨屑的移动并对磨屑进行收集,有效降低磨损后的表面粗糙度,从而减少磨粒磨损;仿生排布的菱形织构在各试验工况下能够有效提高油膜厚度,提升表面承载能力,实现最佳的润滑效果。