初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。     

仿生织构类型及其对表面摩擦性能影响

随着经济的发展,机械加工零件表面的减阻耐磨及抗黏等性能变得尤为重要,为了提高生产加工过程的高效性和节能性,针对零件的表面问题引入仿生织构的概念。 仿生织构是仿照生物体表特殊的纹理在摩擦副表面加工出能够实现减摩降阻润滑效果的微/ 纳结构。 介绍了多种具非光滑结构表面生物,综述了几种典型仿生织构类型,阐明了每种织构类型的摩擦磨损机理;从织构类型、结构设计和加工方法、压强分布、摩擦因数和机理分析、应用与展望等方面进行评述,对应用最为广泛的凹坑型和沟槽型织构结合实例分析其摩擦磨损性能并附以数据论证,通过摩擦因数和磨损机理判断织构的减摩降阻效果,从而进一步实现参数优化。 分析表明:仿生织构对改善摩擦性能具有重要影响,其中摩擦因数是判断摩擦性能的重要因素,加以磨损机理的深入研究,使得减阻耐磨效果较优的织构类型可大幅提高工业效率,结合工业、航天、 汽车等行业中对仿生织构的应用,展望未来仿生织构的广泛研究及在摩擦过程中性能的优化,实现织构化普及应用。     

沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响

目的提高压裂泵柱塞表面的摩擦学性能。方法基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立沟槽形表面织构化柱塞动压润滑理论模型,然后利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解柱塞表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦系数,开展最小油膜厚度、织构的深度、横截面形状、面积占比以及分布角度对柱塞密封副油膜承载能力和摩擦系数影响规律的数值分析。结果随矩形沟槽织构深度从2μm增加到40μm,织构的动压润滑性能先增大后减小,当深度约为最小油膜厚度的0.6倍时达到最佳,并且最小油膜厚度越大,织构的动压效应越差。4种横截面沟槽织构的动压润滑性能优劣顺序为:矩形内凸阶梯型椭圆形V型。随织构宽度从100μm增加到480μm,油膜承载力先增加后减小,宽度在360μm(72%面积占比)时达到最大。在6种分布角度中,60°矩形沟槽织构的润滑减磨性能最好。结论在流体动压润滑范围内,适当减小最小油膜厚度,沟槽底部尽可能平整,保持织构深度略小于最小油膜厚度,并使垂直速度方向油膜收敛区域的织构长度较长,便能获得润滑减摩性能较好的沟槽形表面织构。合理参数的沟槽形织构能够极大提高压裂泵柱塞表面的油膜承载力,降低摩擦系数,有利于延长柱塞密封副的使用寿命。     

高副接触下沟槽形织构对40Cr表面摩擦性能的影响

目前,面面低副接触情况下织构的减摩降磨性能已经得到广泛的研究,然而针对点面高副接触下的织构对表面摩擦学性能影响的研究仍然较少。主要利用有限元仿真技术建立点面接触下仿生沟槽织构表面流体动压润滑仿真模型,通过ANSYS的Fluent模块进行求解,获取试样表面的润滑油膜承载力与织构几何参数的变化关系。用激光在40Cr试样上加工出仿生沟槽形织构,并采用销盘摩擦副,开展点面高副接触下的织构减摩性能实验研究,综合分析织构几何参数对表面摩擦性能的影响规律。结果表明：试验与仿真具有较高的一致性,随着沟槽织构宽度W和织构深度H的增加,摩擦因数呈先减小后增加的趋势;沟槽织构对改善工件表面摩擦性能具有重要影响,微织构的存在有助于实现流体动压润滑,提高表面承载力,降低摩擦因数,从而改善工件的摩擦性能。     

T形沟槽表面织构对金属-橡胶密封副摩擦性能的影响

为研究T形沟槽形非光滑表面的形貌参数对摩擦性能的影响,验证自组装凹坑形非光滑表面的耐磨性能,基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立T形沟槽表面织构化理论模型;利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解金属表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦因数;对T形槽织构的宽度系数比α、深度系数比β对金属-橡胶摩擦副油膜承载能力和摩擦因数的影响规律进行数值分析。结果表明：T形沟槽织构的存在使得油膜内部的压力增大,并且随T形沟槽宽度系数比增加,织构动润滑性能先增大后减小再增加,宽度系数比在40%时达到最佳,且宽度系数比越大,织构的动压效应越差,宽度系数比无限接近1时,沟槽突变为矩形沟槽,使动压效应增加;随着T形沟槽深度系数比增加,织构动润滑性能先增加后减小,宽度系数比在40%～60%内最佳;在流体动压润滑范围内,适当控制T形沟槽的宽度比和深度比,使沟槽底部尽可能平整,保证织构上下两部分良好的协同作用和动压区域,便能获得润滑减摩性能最好的T形沟槽表面织构。     

铜表面纳尺度沟槽织构的摩擦学性能

目的 通过分子动力学（MD）模拟,揭示了纳尺度沟槽织构对单晶铜摩擦磨损的影响机理,为设计高耐磨超声电机（USM）定子材料提供理论指导方法 建立了金刚石-铜摩擦配副模型,首先研究了金刚石下压深度对铜基体摩擦学性能的影响,随后重点研究了铜表面沟槽织构的角度、深度、宽度对摩擦学性能的影响。通过提取摩擦过程中的摩擦因数、磨损原子数目、摩擦界面温度、体系能量、界面间相互作用力以及观察摩擦前后界面形貌变化,从原子尺度揭示沟槽织构对铜的减摩机理。结果 对于无织构铜表面,摩擦因数和磨损率等性能参数随着下压深度的增加而增加;有沟槽织构的铜表面,摩擦因数和磨损率相较于无沟槽织构有显著下降。在沟槽织构与摩擦方向成90°时,效果最佳,摩擦因数下降25%左右,磨损率下降50%。同时,摩擦因数和磨损率还随沟槽深度和宽度的增大而减小。其主要原因是：沟槽织构的引入,使得在金刚石和铜基体的摩擦过程中相互作用的原子数量明显减少,相互犁削和接触原子的数量也减少,从而导致摩擦因数、磨损率下降。结论 在铜表面进行沟槽织构化处理能够减少摩擦过程中的磨损,提高铜基体的耐磨性能。     

皮秒激光参数对仿生跨尺度乳突织构表面润湿性的影响

无修饰的金属疏水表面受到广泛关注,尤其是具有超高疏水性表面的制备方法逐渐被重视。通过皮秒激光烧蚀、电化学抛光和电化学沉积的顺序加工方法在铜表面制备一系列具有不同微观特征的乳突织构。系统研究激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数对乳突织构表面形貌及疏水性的影响,并分析表面润湿性的转化机理。研究结果表明,激光功率9 W、重复频率2 MHz、扫描速度200 mm/s、扫描次数20次时,跨尺度乳突织构表面静置30 d后可获得超高疏水性(接触角161°,滚动角1°)。储存30 d后,亲水性的Ni、CuO转化为疏水性的NiO、Ni(OH)_2、Cu_2O,以及含C有机物的吸附促成了乳突织构表面润湿性的转化。     

正弦微沟槽织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响

目的 研究不同工况下正弦沟槽织构对柱塞密封副摩擦性能的影响,以降低压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损.方法 基于压裂泵柱塞密封副几何模型和流体润滑理论,建立了正弦微沟槽织构化柱塞-橡胶密封副动压润滑数值理论模型,通过仿真模拟研究了不同柱塞密封压力、运动速度对正弦织构减磨性能的影响.结果 不同密封压力下,从40 MPa增至140...     

硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响

目的 研制应用于超精密加工领域的高性能金刚石涂层,探究硬质合金基体表面激光微织构对硼掺杂金刚石(BDD)涂层沉积质量的影响,分析不同类型的仿生微织构对基–膜结合强度、工具切削性能的改善效果及原因。方法 在硬质合金表面使用激光脉冲制备不同类型的仿生微织构,并通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法在刀具表面沉积BDD涂层。采用数显洛氏硬度计(HRS-150)、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、白光干涉表面轮廓仪、拉曼光谱(Raman)对样品进行表征。通过压痕试验及铣削试验研究涂层的附着强度和刀具的切削性能。结果 激光微织构边缘发生表面硬化。激光微织构区域沉积BDD涂层后,基体表面缺陷显著降低,织构内部金刚石晶粒更密集,沉积质量提升,三角织构(TT)边缘的金刚石颗粒堆积坡度最缓,不同类型的织构化BDD涂层的粗糙度、金刚石纯度、切削性能及附着强度均不同,涂层附着力与表面硬度呈正相关。硼掺杂三角织构(BDTTD)涂层刀具具有最佳的切削性能。结论 织构边缘和内部具有更高的金刚石二次成核率和沉积质量。织构的存在可以提升BDD涂层的附着强度和刀具性能,并且织构边缘的涂层附着力最强,这些得益于激光烧蚀及仿生微织构对硬质合金表面的硬化及对BDD涂层内在缺陷的修复。     

激光表面织构对铸铁摩擦磨损性能的影响

目的找出最佳的表面织构方案,将其应用在摩擦副的表面处理上,从而达到降摩减阻、节能减排的目的。方法设计了两种不同的加工面积占有率(10%和20%),三种不同形状的表面织构(圆坑、椭圆坑、沟槽),对铸铁试件进行激光表面加工,并利用环-块磨损试验机进行油润滑摩擦磨损实验。结果表面织构对铸铁材料的摩擦磨损性能有明显改善,尤其在磨损量方面。三种不同形状的表面织构相比,圆形表面织构试件的磨损量最小。两种不同面积占有率相比,面积占有率为20%的圆形微织构试件的磨损量最小,并在一定程度上减小了摩擦系数。结论在本实验研究条件下,面积占有率为20%的圆形表面织构对改善铸铁材料的摩擦磨损性能最显著。     

激光织构工艺对铜表面红外激光吸收率的影响

目的高功率红外激光进行铜构件加工时,激光吸收率低是阻碍其工业加工、影响加工质量的重要因素,因此拟通过皮秒激光织构预处理工艺,将铜表面红外激光吸收率从低于10%提高至70%以上。方法从改变铜表面特性着手,利用精密微细加工系统进行凹槽织构处理,通过共聚焦显微镜和扫描电镜对20%～50%激光功率、20～90次扫描次数下的织构特征进行分析,通过反射率检测仪对不同织构下铜表面的红外激光吸收率进行测试。结果相比原始铜板,织构后铜表面红外激光吸收率有了大幅提高,且十字凹槽织构工艺下的吸收率高于同参数下的平行凹槽织构。在30%激光功率、60次扫描次数的工艺下,形成深度44mm、间距50mm、表面粗糙度12.15mm、倾角75°的十字凹槽织构,铜表面红外激光吸收率达86.75%。结论织构深度、表面粗糙度、氧化物是影响吸收率的重要因素,经过"周期性微米级织构-相爆炸喷溅颗粒物-形成黑色CuO层"三个过程,对应"光自陷织构-表面喷溅颗粒物-CuO层"三步吸收,织构工艺能够将铜表面红外激光吸收率提高近9倍。     

45钢表面制备V形凹槽及其摩擦学特性

采用声光调Q固体Nd:YAG激光器在45钢试样表面制备了V形凹槽织构,利用UMT2的销盘式摩擦方式考察了V形凹槽的几何参数对表面摩擦性能的影响。结果表明： 45钢表面制备的V形凹槽织构,在油润滑条件下能有效减小表面的摩擦因数;特别是在载荷较低、速度较大的工况下,织构面的平均摩擦因数最大可比未织构面减小64%。在试验范围内,平均摩擦因数普遍随着V形凹槽角度的增加而减小,随着边长的增大而减小,存在最优的横向和横向槽间距使得平均摩擦因数达到最小。     

三维自组装膜的制备及其摩擦磨损试验

利用二甲基亚砜(DMSO)对高岭土进行改性,通过原位聚合反应制备PET/高岭土纳米复合材料.为便于自组装,利用高分子网络凝胶法的空间限域作用制备单分散性PET/高岭土复合微球,并利用改进的蒸发诱导自组装法(EISA)制备出具有均匀凹坑/凸包微结构分布的IPN聚合物/PET/高岭土薄膜,通过正交试验法研究了微球平均粒径、...     

多孔储液材料的仿生制备及其摩擦学性能研究进展∗

多孔储液材料因其优异的自润滑性能备受关注,特别是其孔隙结构参数与性能间对应关系的研究一直是学术界和工业界亟待解决的问题。 针对该类多孔储液材料,从来源、制备方法以及摩擦学特性等方面对其发展脉络及面临的问题进行梳理和分析,认为在仿生关节软骨制备适合工业应用的摩擦副方面,如何提取关键仿生特征参数是关键。 目前在进行服役可靠性、工况适应性分析时,多用孔隙率来表征多孔结构特征,在明晰孔隙形态参数(孔径,分布,贯通型等)与力学-物理性能、润滑状态之间的映射关系方面存在明显的不足,导致从优化孔隙形态参数入手实现多孔储液材料力学-物理性能与摩擦学性能的统一方面仍具挑战性。 3D 打印技术的快速发展有望解决当前多孔材料成形过程中孔隙形态参数不可精确控制的问题,并为其自润滑理论的发展提供有效试验手段。     

热作模具表面裂纹局部激光仿生阻断实验研究

针对企业热作模具寿命短的现象,分析了热作模具表面热疲劳裂纹是影响其寿命的主要因素之一。在研究植物叶片抗开裂生物原型结构基础上,创造性应用了模具表面裂纹局部激光仿生阻断技术,有别于传统的模具表面整体激光强化,利用激光在模具表面局部熔凝模拟植物叶脉,阻断模具表面裂纹的发展,仿生强化后模具寿命提高1～1.5倍。     

激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展

表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。综述了激光表面织构的最新进展及应用,讨论了目前激光表面织构技术存在的问题及解决方法,总结了3种不同加工原理下的激光处理方法存在的问题,包括形状参数难控制、精度较差及灵活性较低等,并介绍了液相辅助加工技术在激光表面织构技术中的应用,同时分析了不同工艺参数包括密度、形状及深度等对材料摩擦学性能的影响。综述了激光表面织构技术复合涂层技术的研究现状,其中激光表面织构与非金属或金属涂层复合,包括氧化石墨烯填充PTFE涂层复合激光表面织构、复合热丝化学气相沉积增强激光表面织构、复合电液雾化增强激光表面织构及复合激光熔覆技术增强激光表面织构。总结了激光表面织构技术结合不同润滑技术对材料摩擦学性能的影响。最后展望了激光表面织构在各个领域的未来发展方向。     

具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

Pipeline erosion is an important problem that cannot be ignored in gas-solid two-phase flow. Erosion damages not only waste materials, consume energy and reduce equipment efficiency, but also accelerate equipment failure and reduce service life of equipment, resulting in greater economic losses. To solve this problem, from the perspective of bionics, the anti-erosion characteristics of transverse groove bionic surface with the triangle groove, rectangle groove and isosceles trapezoidal groove in gas-solid two-phase flow elbow were designed by referring to the body surface morphology of desert tamarisk and desert scorpion, and the erosion law of the elbow with bionic surface was discussed under different flow rates and mass flow rates. The best combination of erosion resistance was obtained by orthogonal test simulation design. CFD-DPM method, Finnie erosion model and Realizable k-ε model with vortex modification were adopted to carry out numerical simulation on the anti-erosion characteristics of the elbow with bionic surface structure by considering the bidirectional coupling between particle and fluid and study the effect of different flow rates and particle mass flow rates on the erosion. On the basis of numerical simulation, orthogonal test method was used to analyze the effect of three main parameters of the triangle groove bionic structure on anti-erosion characteristics. The numerical simulation results showed that the erosion of the elbow with bionic surface structure mainly occurred at the bottom of the groove in the 35°-60° area of the elbow, and the erosion was less in the concave area at the top. The three kinds of groove surface bionic structures could improve the wear resistance of the elbow. The maximum erosion rate of the ordinary elbow was 1.2×10-4 kg/(m2·s). The triangle groove had the best erosion resistance, and the maximum erosion rate was 38.33% higher than that of the ordinary elbow, followed by that of rectangle groove, which was 28% higher, and that isosceles trapezoidal groove, which was only 8.33% higher. The variation trend of the maximum erosion rate of the three biomimetic surface structures was the same as that of the ordinary elbow at different flow rates and particle mass flow rates, and the order of anti-erosion performance did not change with the change of flow rates and particle mass flow rates. Orthogonal test results showed that the affecting factors of erosion in the triangle groove were groove spacing, groove width and groove depth in turn. Under the simulation conditions, the best combination was the triangle groove with width of 4 mm, depth of 4 mm and spacing of 3mm, and the anti-erosion performance was improved by 41.5% compared with that of ordinary elbow. The bionic surface structure of the groove enhances the turbulence intensity of the fluid, leading to the flow field change around the groove structure, which is easy to be drawn by the fluid and reduces the collision between the particles and the wall. The height difference between the top and bottom of the groove absorbs the kinetic energy of particle collision and reduces the collision velocity, thus reducing erosion. The surface bionic structure with the best erosion resistance is the triangle groove, rectangle groove and isosceles trapezoidal groove. The affecting factors of erosion in the triangle groove are groove spacing, groove width and groove depth. This conclusion can provide a new idea for the design of anti-erosion characteristics of elbow. © 2023 Chongqing Wujiu Periodicals Press. All rights reserved.