激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展

总结了激光表面织构化技术的特点,并介绍了其在摩擦学中应用的现状,分别讨论了激光表面织构的不同几何形状、尺寸和织构密度等因素,以及织构引起的金属材料表面硬度的升高对摩擦学性能的影响,展望了激光表面织构化技术未来的研究和发展方向及应用领域,指出应加强理论模拟和计算研究,以期与实验研究相辅相成;实验研究应注重规律的摸索和总结;机理方面应深入研究织构引起的组织和力学性能变化的规律,及其对材料摩擦学性能、力学性能和化学性能的影响。     

激光表面织构在摩擦学中的应用

主要介绍了国内外激光表面织构在摩擦学领域的研究和应用现状,指出在摩擦表面制备适当参数的激光表面织构,可以降低摩擦系数、减少磨损及提高承载力等,最后指出了需要深入研究的2条要点。     

表面激光织构化复合盐浴渗氮改性304钢的摩擦学特性

为了较大程度上提高304钢在各工业领域的应用,采用M-DPSS-50半导体激光打标机在304钢基体表面刻蚀出直径及间距分别为269,131μm的点坑状织构,之后采用盐浴渗氮炉对织构化表面进行渗氮处理。分别采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜及显微硬度测试仪检测复合改性表面的化学成分、表面形貌及表面显微硬度;采用微机控制多功能摩擦磨损试验机测试复合改性表面的摩擦学性能。结果表明:织构化处理获取了规则的织构点坑表面,盐浴渗氮处理后表面的显微硬度达到574.27 HV1 N,大大高于304钢基体表面的222.58 HV1 N。渗氮光滑表面的抗磨减摩特性都显著优于304钢基体表面,而复合改性表面又都明显优于渗氮光滑表面,说明复合改性表面具有极为优异的抗磨减摩特性。     

表面织构化的平行滑块润滑特性研究

本文通过对平行滑块表面添加有规律的圆球坑织构以实现其承载能力,并运用雷诺方程对承载能力等摩擦性能进行分析。通过对不同的凹坑深度、分布形式来探讨织构对承载力和摩擦力的影响。结果表明存在合理的凹坑深度以获得较大承载力,织构的分布形式也会对摩擦性能有很大的影响。     

织构化表面径向滑动轴承的性能研究

径向滑动轴承的纹理坑是近年来的研究热点。本文研究了在光滑无织构、球坑织构和圆柱坑织构下径向滑动轴承的表面润滑特性。采用相应方案获得无量纲载荷,计算不同织构坑下滑动轴承的承载能力和相对应的偏位角α。通过仿真和对比分析织构对摩擦力、端泄量等的影响。发现在不同情况下,随着偏心率增加,其无量纲压力峰值上升,润滑性能有所提高,且整体看来圆柱坑织构情况下润滑性能表现较为理想。     

沟槽型织构摩擦学性能的数值模拟与实验研究

为研究沟槽型织构角度及排布形式对接触表面摩擦学性能的影响,通过有限元分析软件对不同角度及排布形式的沟槽型织构进行数值模拟,利用YLP-20型激光加工系统在不锈钢圆盘表面加工沟槽型织构,并利用UMT-2摩擦磨损仪在旋转条件下进行摩擦实验。结果表明:沟槽型织构的数值模拟结果与实验结果基本吻合,加工有织构的摩擦副其摩擦学性能得到改善,且不同角度及排布形式的沟槽型织构对摩擦副的摩擦学性能影响不同,即当摩擦速率小于300r/min时0°平行织构的摩擦因数较小;摩擦速率大于300r/min时90°平行织构有更好的减摩能力,故应用中要根据不同工况条件选择不同排布形式的沟槽型织构。     

激光表面改性钛合金的摩擦磨损性能研究

目的 研究皮秒激光表面处理对Ti-13Nb-13Zr β钛合金表面形貌以及硬度和摩擦磨损性能的影响规律。方法 采用皮秒激光对β钛合金进行表面改性,利用扫描电镜观察皮秒激光加工后样品的表面形貌,并对基体和皮秒激光加工后的样品进行摩擦磨损对比试验。结果 当皮秒激光扫描速度为50 mm/s、激光功率分别为0.5 W和5 W时,在β钛合金表面生成了周期为500 nm和830 nm的纳米条纹结构,β钛合金基体的平均摩擦因数为0.70,经皮秒激光加工后样品的平均摩擦因数为0.26,比β钛合金基体的下降了62.8%。β钛合金基体的摩擦磨损失重为0.003 2 g,磨损率为1.01×10^-6,皮秒激光加工后样品的摩擦磨损失重为0.001 3 g,磨损率为4.10×10^-7。结论 在β钛合金皮秒激光表面改性过程中,当激光能量相同时,低扫描速度使激光热量可以长时间聚集和扩散,当扫描速度相同时,高激光能量对材料表面烧蚀的程度较大。在样品表面制备出了周期性纳米条纹结构,与基材相比,周期性纳米条纹结构与摩擦球的接触面积明显减小,同时犁沟效应有所降低,样品表面摩擦磨损性...     

金属表面织构化微孔填充干膜润滑剂的摩擦学性能

表面微孔织构化与润滑剂结合的制备技术能够有效地降低摩擦和延长工件的使用寿命.为此,研究了低成本、高效率的电解加工微孔表面织构化与MoS2干膜润滑剂的结合技术,并分析了其摩擦性能、磨痕表面及探讨微孔中润滑剂释放机理.结果表明,用电解技术加工微孔使表面织构化再填充干膜润滑剂是制备长寿命及低摩擦面的有效方法;摩擦面成膜的原因...     

纯钛表面激光硼化及其摩擦学性能

利用激光合金化技术在纯钛表面制备了TiB2合金化层。用XRD和SEM分析了合金化层的组成和组织结构。在CSM栓-盘摩擦磨损试验机上对钛及合金化层的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:合金化层的主要成份是TiB2,合金化层表层的组织结构主要为柱状晶,合金化层的显微硬度达到1600HV0.1,TiB2合金化层的耐磨性能优于纯钛。     

钛合金表面阳极氧化着色及摩擦学特性研究

为了改善钛合金(TC4)的表面处理工艺,在钛合金表面获得均匀、绚丽的色光效果,提高钛合金的耐磨性,增进钛合金的功能性和色彩美。利用直流脉冲稳压电源对钛合金在0.15 mol/LH₃PO₄+0.1 mol/LH₂O₂混合溶液中进行阳极氧化着色处理,分析了电解电压及前后处理对着色氧钛薄膜颜色和性能的影响。采用光学显微镜和扫描电镜、维氏显微硬度计和球盘摩擦磨损试验机等分析了氧化膜的颜色、表面形貌、氧化膜的显微硬度和摩擦磨损性能。研究结果表明:表面预处理影响钛合金阳极氧化着色效果;封孔后处理可以有效提高氧化膜的抗污染能力。电压是决定氧化膜颜色最主要的因素,氧化膜颜色随电解电压呈规律性的变化;在电压为50 V时,钛合金阳极氧化膜具有最优异的力学性能和耐摩擦磨损性能。在钛合金表面通过阳极氧化制备一层光滑且致密的氧化钛膜,可显著提高钛合金的显微硬度和耐磨损性能,同时使之具有不同的颜色增加其装饰效果和艺术价值,不但节约着色成本,还可以扩大其应用范围,具有重要的经济意义。     

沟槽型表面织构对界面摩擦振动噪声特性的影响

用电火花加工方法在列车制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出具有不同沟槽宽度和间距的平行间隔分布的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响及其作用机理。试验结果表明,本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于界面摩擦力的高频成分,而磨损表面的犁沟、磨屑和剥落等不平顺是导致这些高频成分的主要界面因素。尺寸分布合理的沟槽能持续有效打断摩擦界面连续的接触,抑制界面摩擦力高频成分的产生,扰乱摩擦系统的自激振动,并最终降低摩擦噪声。     

表面织构参数对渗氮304钢在纳米微粒添加剂润滑油作用下摩擦特性的影响

采用激光打标机在304钢基体表面刻蚀出孔径与间距数值相等的均布微坑;将激光织构的试样放入渗氮炉中进行表面渗氮处理;采用表面修饰剂对质量比为1∶1的SiO_2和TiO_2混合纳米微粒进行表面修饰后,将其(3%,质量分数)加入到基础油中,使用摩擦磨损试验机对其进行摩擦磨损实验。系统地对试样复合改性表面硬度、表面化学成分、表面形貌及摩擦磨损形貌进行研究。实验结果表明:表面织构参数影响304钢的摩擦学性能,其摩擦因数随孔径及间距的增大而减小,在摩擦过程中,织构微坑能够起到收集磨屑、存储润滑剂、降低磨损的作用;表面经盐浴渗氮处理后,其显微硬度由222.53HV0.1提高到573.63HV0.1,硬度显著提升;纳米微粒作为润滑油添加剂不仅能够产生微轴承作用将部分滑动摩擦转变为滚动摩擦,同时还能生成一层润滑保护膜。复合润滑结构与含有纳米添加剂的润滑油配合能够显著地降低磨损,使材料具有优异的摩擦学性能。     

316L不锈钢沟槽型表面微织构减摩特性实验研究

采用激光微加工技术在316L不锈钢光滑表面上进行沟槽型织构化处理。在往复式摩擦磨损试验机上利用柱-平面接触方式对沟槽型织构和光滑表面进行摩擦磨损对比实验,重点考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电子显微镜对磨斑形貌进行了分析。结果表明,与未织构试样相比,织构化表面的摩擦因数均有不同程度减小且表现得更为稳定、磨损相对轻微,这是由于所制备的表面微坑起到了储存润滑介质并捕获磨屑的作用;织构条纹的结构参数对摩擦磨损有重要影响,随着沟槽宽度和沟槽间距的增大,摩擦因数均呈先下降后上升的趋势,而当沟槽宽度为100μm和沟槽间距为200μm时减摩抗磨性能最佳;此外,研究表明接触载荷对织构化表面摩擦因数的影响较小,织构化处理对高负载环境下的减摩抗磨性能影响更加显著。     

多晶硅太阳电池表面激光织构工艺研究

采用激光刻蚀,辅以化学溶液腐蚀对多晶硅片进行了表面织构.利用扫描电镜(SEM)、Helios LAB-rc反射率测试仪和Semilab WT2000少子寿命仪对样品进行了表征.结果表明,多晶硅表面经激光织构后表现出很好的陷光效果,反射率降低为8.0％.激光织构使硅片的少子寿命缩短,通过沉积Al2O3钝化薄膜可改善多晶硅片的电学性能.     

45钢的黏结型激光微织构表面摩擦学性能及固体润滑机理分析

采用二极管泵浦声光调Q Nd:YAG激光器在45钢表面进行织构化处理,对填充不同质量分数聚酰亚胺(PI)的MoS2复合固体润滑剂织构试样在销-盘线接触摩擦磨损试验机上进行了不同工况下的滚动摩擦性能实验.利用扫描电子显微镜观察和分析材料磨损形貌和元素分布.结果表明:填充黏结型MoS2复合固体润滑剂织构表面的摩擦因数均随着载荷和转速的增大而减小,其中MoS2+20％(质量分数)PI复合润滑剂具有最佳的减摩性能.在线接触滚动过程中,存在氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损.高速重载能促进转移膜在对偶面形成,显示出良好的减摩性能.     

类金刚石膜与表面织构双重改性下CoCrMo合金摩擦性能研究

研究采用类金刚石碳(DLC)薄膜和表面织构双重改性技术对CoCrMo合金进行了表面处理,借助摩擦试验研究配副系统的摩擦性能,并分析了摩擦和磨损机理。结果表明,改性前的CoCrMo/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副在生理盐水溶液润滑下的摩擦系数低至0.05。当接触压力为3.5 MPa时,DLC薄膜改性后的配副在牛血清白蛋白(BSA)溶液中平均摩擦系数为0.25,在生理盐水中的平均摩擦系数为0.42;DLC薄膜和表面织构双重改性处理的配副在BSA溶液和生理盐水润滑下的摩擦系数分别为0.23和0.31,表明改性处理不能发挥减摩效果。未改性的CoCrMo试样在生理盐水润滑下磨损表面存在大量UHMWPE磨屑,并且UHMWPE磨屑发挥自润滑作用。改性处理提高了CoCrMo试样盘的耐磨性能,却抑制了UHMWPE磨屑在CoCrMo试样盘表面的粘附。双重改性表面在存储磨损磨屑和提高表面耐磨性能方面具有协同效应。     

表面织构与DLC涂层复合处理影响材料摩擦特性的研究进展

近些年来表面织构化与表面涂覆技术在提高摩擦学性能方面取得了良好的进展,有越来越多的研究将表面织构技术与涂覆技术进行融合,发现在适当的外界环境下合适的织构化参数与DLC涂层复合处理后显现出优异的摩擦学特性,两者间做到了1+1大于2的效果。表面织构化已经广泛的应用在改善材料摩擦性能等方面,然而其在干摩擦条件下可能并不能起到很好的润滑效果。DLC涂层被世间公认为是有效的固体润滑剂,它具有良好的减摩、抗磨性,但涂层却有着吸附力差的缺点,表面织构可以增大涂层与基材之间的有效结合强度,增加表面的腐蚀能力,进而可以提高涂层的摩擦学性能、腐蚀性能、生物相容性。织构化与DLC涂层的结合可以在航空、汽车、机械等领域得到广泛应用,进而提高产品的性能和可靠性。主要介绍表面织构化与DLC涂层复合改性处理后材料的摩擦磨损特性。并从织构的几何参数、实验条件、接触方式、摄入元素、涂层厚度以及仿真分析等几方面进行阐述。为帮助后续的研究方向提供参考。最后对织构与涂层复合改性方面的发展趋势进行展望。     

不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响

分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化+纳米铁基离子表面处理、磷化+二硫化钼粘结固体涂层处理,在浸油润滑条件下,采用万能摩擦试验机,考察灰铸铁在不同表面处理下的摩擦磨损性能。试验结果表明,磷化+二硫化钼粘结固体涂层试件的摩擦系数最低,稳定在0.125左右,并出现少量的粘着磨损和磨粒磨损。     

磷酸盐-重铬酸钾体系中钛合金微等离子体表面陶瓷化

采用微等离子体氧化技术在钛合金表面原位生长一层陶瓷膜。在以磷酸盐体系为电解液的基础之上，为进一步提高膜层的抗腐蚀性能，尝试向电解液中添加重铬酸钾，对所得陶瓷膜与前者进行比较膜的致密性增加。经XPS分析，发现膜层中磷元素增加而且有少量的铬元素出现，经循环伏安测试，表明陶瓷膜的抗点腐蚀能力明显增强，并分析了重铬酸钾对所得陶瓷膜的影响作用。