表面微织构协同热扩渗技术改善材料表面摩擦学性能的研究进展

表面微织构因其能够有效改善摩擦副之间的摩擦学性能而获得国内外学者的广泛关注。通过将表面微织构与热扩渗技术相结合,可以充分发挥2种技术的优点,进一步提高摩擦副之间的摩擦学性能,为更复杂环境下的应用提供可能。首先概述了表面微织构的常用加工方法及其所加工的织构类型,系统地归纳总结了表面织构在不同润滑工况下的减摩机理。其次,从不同的表面热扩渗技术入手,分别综述了盐浴渗氮技术、等离子渗镀技术、热氧化技术和化学气相沉积与表面织构的协同作用研究现状,根据摩擦因数、磨损量和表面硬度等性能参数,分析总结了不同复合技术的可行性以及对基体摩擦学性能的影响。相对于单一表面处理技术,复合技术能够进一步提高材料的表面硬度,延长织构的使用寿命。一般来说,复合处理表面的耐磨性显著优于单一技术处理的表面和未处理表面,但摩擦因数受工况的影响较大。最后,对该复合技术的研究发展做出总结,提出不同织构参数和热扩渗参数对基体摩擦磨损性能的影响有待进一步探究,开展极端工况下复合技术的应用基础研究,推动复合技术在摩擦领域的发展。     

缸套-活塞环摩擦副表面性能强化研究进展

缸套-活塞环是内燃机中最重要的摩擦副,该配副的磨损失效占内燃机摩擦磨损故障的40%左右。表面性能强化是提高缸套-活塞环摩擦副服役寿命和可靠性的重要方法。简要分析了内燃机缸套-活塞环服役工况与磨损失效机理,总结了影响缸套-活塞环摩擦磨损行为的重要因素。详细综述了表面改性、表面涂覆和表面复合处理技术在缸套-活塞环表面强化中的研究和应用现状,其中化学热处理、离子注入和表面淬火等表面改性技术,通过改变缸套-活塞环表面化学成分和组织结构,而改善其摩擦学性能,表面织构可起到贮存润滑油、容纳磨屑等重要作用。表面复合镀铬、气相沉积薄膜、热喷涂金属和金属陶瓷涂层等技术,也常用于缸套-活塞环的表面强化改性。同时,通过多种表面强化技术复合处理,如激光淬火和低温离子硫化复合、磁控溅射与渗氮复合、堆焊与表面滚压复合等,多种技术优势互补,可以实现缸套-活塞环摩擦副表面综合性能的协同提升。最后简要总结了各项表面强化技术的优缺点和亟待解决的问题。     

等离子体氧化和自组装技术改性铝合金的摩擦学特性

对制备的铝合金试样进行等离子体氧化,并采用自组装技术对氧化的表面进行改性处理.利用接触角测量仪、原子力显微镜和UMT-2型微摩擦磨损试验机对制备的试样进行表征和摩擦学特性测试.结果表明:经等离子体氧化的铝合金表面平整均匀,在降低摩擦因数的同时,提高摩擦副的耐久性.OTS自组装分子膜改性处理的氧化表面具有疏水特性,摩擦学性能显著提高.     

温度辅助的激光微造型灰铸铁表面摩擦学性能研究

灰铸铁作为汽车制动盘的主要制造材料,其表面通常需要提供高而稳定的摩擦系数,但是制动过程中摩擦产生的高温会导致摩擦系数骤降。在灰铸铁动态应变时效(DSA)温度范围内,采用激光喷丸(LP)对灰铸铁表面进行微造型,造型参数分别为不同的深径比和面密度。室温下通过摩擦磨损试验研究了造型样品的几何参数对于材料表面摩擦系数的影响,挑选最佳参数进行高温摩擦试验并讨论了磨损机理。结果表明:温度辅助的激光微造型技术能大幅提高灰铸铁表面的摩擦学性能,造型试样的抗磨损性也优于未造型试样。     

激光表面微精处理的摩擦学效应

激光微精处理是利用激光扫描的方法在摩擦副的表面制造出一有规则的微凸体(微凹体)图案，以有利于摩擦副的润滑，从而提高该摩擦副的抗磨损，抗表面损伤的效果。实验结果已证明了经激光微精处理的试件的抗擦伤负荷有大幅度的提高。本文拟从摩擦学角度阐明激光微精处理的效果。即：激光微精处理在摩擦副表面所产生的横向微凸体图案的形貌有利于摩擦副在相对运动中的弹流润滑：激光微精处理后产生的微凸体表屠为微熔层其硬度较低，而微凸体心部为高硬淬区，这样的结构有利于摩擦副的跑合及降低摩擦系数。即有利于摩擦副在边界润滑的效果。激光微精处理可适合于有润滑的摩擦副，特别是高副接触，用以提高承载能力与使用寿命。     

内燃机活塞环材料及表面处理技术研究现状与发展趋势

活塞环是内燃机中重要的零部件之一,该部件的摩擦损耗占内燃机总摩擦损失的26%。因此,活塞环材料的选用及其表面处理研究对于优化提升内燃机性能、延长服役寿命具有重要意义。简单介绍并总结了内燃机活塞环常用材料及其发展趋势,详细综述了激光表面织构技术、表面涂层技术以及表面复合技术在内燃机活塞环减摩抗磨方面的研究和应用现状。其中,激光表面织构技术(LST)可起到接纳磨屑、保持油膜等作用,从而降低活塞环表面摩擦和磨损,但由于织构形貌和几何参数特征对摩擦学性能的影响较为复杂,仍需结合实际工况进一步研究并优化。以镀铬、热喷涂、气相沉积及激光熔覆为代表的涂层技术也常用于活塞环的表面强化处理,但涂层材料种类繁多,难以形成统一的行业标准进而规模应用。此外,通过合理复合多种表面处理技术,比如微弧氧化与电泳沉积复合、超声滚压与离子渗氮技术复合、磁控溅射和低温离子渗硫复合等,可实现优势互补、发挥协同作用,有效改善接触表面的摩擦性能,为活塞环的减摩增寿研究开拓了新的思路。最后对未来活塞环材料开发应用及其减摩抗磨方面的研究发展进行了展望。     

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。     

表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展

为提高摩擦副之间的摩擦学性能,润滑油添加剂、低摩擦表面以及表面微织构等作为改善表面摩擦学性能的手段已得到国内外研究工作者的广泛关注并取得了一定的成果,而表面微织构复合固体润滑材料技术作为一种集成了已有各种减摩手段优点的复合技术开始被研究。 文中综述了表面微织构与固体润滑材料复合的物理和化学方法;评述了表面微织构几何形状、参数和固体润滑材料种类对复合表面摩擦学性能的影响;分析了表面微织构复合固体润滑材料的减摩机制;最后指出了该复合技术目前尚待解决的问题,并对该技术下一步的发展方向和实际应用进行了展望。     

图形化固体薄膜技术及其摩擦学性能的研究进展

固体薄膜技术可以用于显著提高材料的摩擦学性能,表面图形化技术则通过在部件表面制备预先设计的图形来改善摩擦副的接触和润滑行为。近年来,人们尝试将表面图形化技术和固体薄膜技术相结合,出现了一类称之为图形化薄膜的技术。研究表明:在很多情况下,与单纯的完整薄膜或图形化表面相比,图形化薄膜能够同时发挥薄膜的强化作用和图形化改变摩擦界面行为的作用,在改善和提高摩擦学性能方面具有综合优势。文中总结了图形化薄膜技术方面的研究工作;介绍了图形化薄膜的制备技术、分类、摩擦学性能以及应用;分析讨论了图形化薄膜的作用机理;并展望了图形化薄膜的发展前景。     

激光表面微造型技术的研究现状及发展趋势

对激光表面微造型技术的优点及加工原理等进行了阐述。从表面形貌表征和摩擦特性两个方面就激光微造型技术的国内外研究现状进行了归纳介绍,根据目前的激光微造型的相关研究,提出了激光微造型技术存在的问题,并就其发展趋势进行展望和预测。     

微织构化表面润滑设计与发展分析

随着先进微细加工手段的可及化,近十年来,表面微织构技术有效促进了织构摩擦学的蓬勃发展.针对几种典型润滑工况下的摩擦特性,阐述了表面微织构技术的应用特征,尤其是表面微织构的实施对润滑区摩擦学行为的作用和影响.分析了表面织构在摩擦表面减摩抗磨、润滑减阻和防腐延寿诸方面的施用效果与发展潜力,在智能制造的现实需求下,提出表面织构技术快速发展的历史必然,并明确了表面织构技术应用与理论发展非协调之问题.进一步结合仿生设计思想,从表面微织构的几何结构设计和形貌拓扑优化等方面,评述了表面微织构设计理论与技术发展现状和趋势.着重指出,复合织构化设计理论与方法亟待拓展,仿生织构设计思想常会产生有益效果.最后,讨论了表面微织构技术在高低温等特殊应用背景下的摩擦学行为特征,拓展表面织构技术在极端工况下的应用潜力和工程价值.表面织构技术有望在控制摩擦、减小磨损和改善润滑方面发挥更积极的作用,进而推动我国高端装备相关产业的技术升级.     

激光造型技术综述

对激光造型技术的优点、应用价值、加工机理等作了简单阐述,另外就该技术的发展历史和国外的研究状况作了具体介绍,之后对国内的研究情况作了归纳性介绍。根据目前激光造型技术的相关研究,提出激光造型技术今后的研究方向,并展望了未来的应用前景。     

激光作用时间变化下毛化织构表面成形机理与演变规律∗

激光毛化织构广泛应用于摩擦副表面以提高其接触强度和改变摩擦性能,然而现有研究存在激光成形机理复杂、形貌可控性差等问题。 通过对所建立的二维模型进行研究,考虑反冲压力、热毛细力、表面张力对激光熔池流动的影响,分析毛化过程形貌演变规律和激光作用机理。 结果表明,当激光加热时间充足时,凹坑织构中心出现凸起,且随着脉宽的增加而增大。 中心凸起的形成归因于热毛细力,且受表面张力的影响无法形成过高的凸起。 此外,熔池加热阶段形貌主要受反冲压力影响,熔池冷却初期阶段形貌主要受表面张力的主导作用,冷却后期阶段形貌主要受热毛细力的主导作用。 在考虑反冲压力、热毛细力、表面张力对激光熔池流动等影响的基础上,建立了激光毛化织构二维数值模拟模型,为未来工程应用提供了理论依据。     

不锈钢光纤激光毛化及其摩擦性能

目的研究光纤激光毛化应用于模具表面,改善其摩擦特性的可行性。方法采用单因素变化法,研究激光功率、脉宽、频率、离焦量对毛化形貌的影响规律,分析毛化区域的显微硬度,并对不同形貌的毛化试样和光滑试样的摩擦性能进行对比。结果匹配特定的参数,可获得火山口形貌或球冠状形貌。毛化区域的硬度相对基材提高显著,最大提高了近4倍。同时,在模拟冷冲压拉深模具低速重载工况的摩擦实验中,毛化试样的摩擦系数比光滑试样大,同时随着毛化点直径、间距的增大,摩擦系数相应减小。结论激光毛化技术可对材料表面进行改形改性,能够用于优化模具表面摩擦特性。     

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。     

仿生多尺度沟槽织构对表面摩擦性能的影响

仿生织构是仿照生物结构在摩擦副表面加工出特定尺度的纹理结构,以达到预期的表面性能,在工况恶劣的机械摩擦中拥有广阔的应用前景。参考蚯蚓头部多尺度沟槽织构,基于沟槽织构的基本结构参数深度、宽度、间距,在球墨铸铁和灰铸铁表面设计并激光加工多种梯度变化的沟槽织构,利用RTEC多功能摩擦磨损试验机中的销盘模块进行试验,从摩擦因数、磨损量、表面形貌、能量损耗、SEM、元素分布等方面分析其表面摩擦性能及机理。结果表明：同种织构应用于不同材料表面时,摩擦副的摩擦性能会呈现差异性,材料应作为设计织构参数时考虑的要素之一;沟槽织构的结构参数是影响表面抗磨损能力的主要因素之一;间距梯度沟槽织构相较于其它类型的多尺度沟槽织构,拥有最佳的表面性能,得益于其优秀的油膜形成、补充、稳定以及磨屑储存、冲刷能力。     

Effective solution for the tribological problems of Ti-6Al-4V: Combination of laser surface texturing and solid lubricant film

Titanium alloys are characterized by poor tribological properties, and the traditional use of titanium alloys has been restricted to nontribological applications. Surface texturing has been recognized as an effective means of surface engineering to improve tribological properties of sliding surfaces. In this study, the patterns of micro-dimple with different dimples density were fabricated on the surface of Ti-6Al-4V by using laser. The effect of dimples density on the friction behavior of the titanium alloy was investigated under dry friction and coated MoS₂. The results showed that the textured surface with higher dimples density had lower friction coefficients only at low load and speed under dry friction. When combining the solid lubricant with dimples, some textured samples showed excellent tribological performance for all applied loads. The optimum surface pattern was found, and the mechanisms for friction reduction and anti-wear were discussed.     

Studies on the application of laser surface texturing to improve the tribological performance of AlCrSiN-Coated surfaces

Recently, laser texturing has received lots of attention for improving the tribological performance of various surfaces, and this laser texturing of surfaces could be applied to improve the tribological performance of PVD coated surfaces. In this work two different patterns of laser surface texturing were performed on H13 substrate, and PVD AlCrSiN coatings with various N₂ contents were made by unbalanced magnetron sputtering on the textured H13 specimens. The coating characteristics such as crystalline structure, surface morphology, hardness, and friction coefficient of the coatings as a function of the N₂ partial pressure were investigated by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), microhardness tester, and wear test. Synthesis of the AlCrSiN thin films containing various N₂ contents was successful using the unbalanced magnetron sputtering process. A dense and compact microstructure, as well as a very smooth surface, were observed from the synthesized thin films, which could be attributed to the addition of Si into the AlCrN films, producing an amorphous phase in the films. Also the hardness of the AlCrSiN films increased with increasing N₂ partial pressures and the maximum hardness of approximately 33 GPa was measured from the AlCrSiN film synthesized with N₂ partial pressures of 0.16 Pa. From the wear tests against an Al₂O₃ counterpart ball at room temperature without lubrication, the average friction coefficient of the non-textured AlCrSiN films of 0.42 was decreased to 0.38 and 0.36 for dimple-textured and honeycomb-textured AlCrSiN films, respectively. Laser surface texturing on the AlCrSiN films reduced the friction coefficients by approximately more than 15%, and further improvement on the tribological performance of the textured surfaces could be possible by optimizing the honeycomb-textured surfaces.     

激光复合织构焊管轧辊模具成形有限元模拟与试验研究

目的提高焊管成形质量,为激光复合织构轧辊模具产业化提供试验依据。方法通过数值模拟方法模拟焊管轧辊成形过程,获得不同摩擦系数组合下板料成形应力应变和径向厚度数据,并获得最优模具表面织构方案,为轧辊模具表面织构处理提供依据。依据数值模拟结果,运用激光表面织构技术对辊子模具表面进行复合织构加工处理,开展激光复合织构模具和未织构模具成形对比,并对成形件进行残余应力、应变、边缘减薄率等检测分析。结果数值模拟结果表明,下辊边缘区域应为减摩区,上辊边缘区域应为增摩区;应对下辊边缘区域进行激光微织构减摩,上辊边缘区域进行激光毛化增摩。成形试验结果表明,试验结果与数值模拟结果基本一致;与未织构模具相比,激光复合织构焊管轧辊模具优化了成形件的应力应变分布,降低了板厚边缘减薄率(5.06%),提高了成形件的均匀性(3.9%),成形件边缘区域形成了残余压应力。结论激光复合织构焊管轧辊模具相比未织构模具,可显著改善成形件的边缘稳定度和成形质量。     

The Effect of Textured Surfaces with Different Roughness Structures on the Tribological Properties of Al Alloy

In this study, four kinds of roughness structures were constructed on the Al alloy surface using laser marking technology. The tribological properties of the surfaces under the condition of dry friction were carefully investigated. The results indicate that the fabricated surfaces have similar compositions. The hardness of surfaces can be improved after the laser surface treatment. Besides, the texturing of surfaces can efficiently reduce friction and improve friction resistance. However, the friction-reducing mechanisms are not the same. The surfaces with lined and grating grooves can remove wear debris away from the interfaces between steel balls and surfaces, while those with irregular protrusions and micro-orifices array would be able to trap wear debris in the microstructure. Furthermore, due to the different friction mechanisms of distinct roughness structures, their friction-reducing performances are greatly affected by the actual friction conditions (sliding speed and load), which offers a guide for constructing a specific roughness structure on the Al alloy surface to improve its friction resistance efficiently.