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。     

交叉沟槽织构化粗糙表面流体润滑数值分析

目的 探究粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体动力润滑性能的影响。方法 基于质量守恒空化边界条件和平均流量模型的Reynolds方程,建立计入表面粗糙度效应的交叉沟槽织构化表面流体动力润滑理论模型,采用多重网格法进行数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体润滑性能的影响规律。结果 油膜承载能力随着沟槽宽度的增大而增大,表面粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽宽度的增大而增大。存在最佳的沟槽深度和间距使得交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应达到最强,表面粗糙度对油膜承载能力的影响在最佳沟槽深度附近最大,粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽间距的增加而增大。油膜承载能力随着交叉角度的增大呈现先增大后减小的趋势,粗糙度对油膜承载能力的影响随着交叉角度的增加而增大。交叉沟槽的重叠系数对油膜平均压力几乎没有任何影响,粗糙度对油膜承载能力也几乎不受重叠系数的影响。结论 在利用数值分析方法研究交叉沟槽织构流体动力润滑性能时,不能忽略粗糙度的影响,表面粗糙度在一定程度上抑制了交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应,降低了油膜承载能力。     

织构参数对复合绝缘子硅橡胶表面疏水性能的影响

为提高硅橡胶复合绝缘子抗污闪及冰闪能力,采用激光雕刻机在其伞裙试样表面加工一系列不同类型的织构,使其具有超疏水性。采用三维形貌仪、SEM观察织构表面形貌特征,采用接触角测量仪、高速摄像机等进行疏水性能分析。分析了织构参数对硅橡胶表面疏水性能的影响,得到各织构疏水性能最佳时的尺寸参数及水滴弹跳性能。结果表明：设计的表面织构可明显改善硅橡胶表面疏水性能;不同织构疏水性最佳时织构高度基本相同,但织构宽度和间距参数不同。凸起织构相较于凹坑织构表现出了更好的疏水性能,其中菱柱织构表面具有最优的超疏水综合特性,能够有效的减少水滴在表面的停留,减少覆冰。     

基于微磨削方法的微织构刀具制备与切削性能研究

目的研究表面微织构对硬质合金刀具切削性能的影响。方法采用微磨削方法在硬质合金刀具前刀面加工出具有不同结构参数的横向、纵向和交叉微织构,通过AL6061切削试验和有限元切削仿真,研究表面微织构对硬质合金刀具的切削温度及刀具磨损的影响。结果采用V形金刚石砂轮微磨削方法能够加工出几何形状规则且表面质量良好的表面微织构。与无织构刀具相比,微织构刀具的切削温度明显降低,高温区域明显减少,其中横向织构刀具降温效果最为显著。微织构刀具的切削温度随沟槽间距的增大而升高,沟槽间距为150μm时,切削温度最低。表面微织构能够有效减轻刀具前刀面的粘结磨损,横向织构刀具减摩抗粘效果最好,且采用较小的沟槽间距更利于减轻刀具的粘结磨损。随着切削速度的增加,表面微织构的抗粘结作用更加明显,当切削速度为150 m/min时,沟槽间距为150μm的横向织构刀具的切屑粘结面积最小。结论在横向、纵向和交叉织构刀具中,沟槽间距为150μm的横向织构刀具切削性能最好,即降温效果、抗粘结性能最为显著。     

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。     

乙醇辅助激光一步法制备硬质合金疏水表面

目的 在YT15硬质合金刀片上制备出具有疏水特性的织构表面.方法 在静态的无水乙醇环境中,利用光纤激光打标机,在YT15硬质合金刀片上制备织构,制备好的织构表面不做任何改性处理.根据织构表面形貌、织构表面化学成分,分析加工环境及激光参数对织构表面润湿性的影响.结果 无水乙醇辅助激光制备的织构表面表现出了疏水特性,疏水角的大小受激光参数影响.激光功率增大,织构表面接触角随之增大,功率为12～20 W时,接触角为112.5°～126.9°;激光扫描速度增加,织构表面接触角随之减小,扫描速度为0.5～2.5 mm/s时,接触角为118.3°～125.7°.当加工次数为1,激光频率为200 kHz,扫描速度为1 mm/s,功率为20 W时,织构表面的接触角最大,为126.9°.结论 无水乙醇环境中,采用激光技术在YT15刀片上制备出了新型的环形凸起微纳织构.与无织构表面相比,织构表面C原子明显增加,表现出了疏水特性.织构表面接触角的大小与织构形貌有关,环形凸起织构密度越大,接触角越大.环形凸起织构的密度受激光参数影响.织构形貌及表面化学成分决定了表面的润湿特性.     

掩膜电解微坑阵列对钛合金表面疏水性能的影响

为了提高钛合金表面的疏水性能,采用润湿理论模型与多物理场耦合仿真相结合的方法,建立接触角与掩膜电解加工工艺参数之间的直接映射关系,揭示微坑阵列掩膜电解加工对表面疏水性能的作用。建立接触角与微坑阵列几何尺寸间的表面疏水理论模型,对掩膜电解加工进行多物理场耦合仿真;理论模型与仿真结果相结合,获得了接触角与掩膜电解加工工艺参数之间的直接映射关系。此外,以表面接触角为因变量,以电解质质量分数、掩膜尺寸和电解电压为自变量,进行正交试验仿真和计算,获得了最佳工艺参数组合并进行试验验证。与仿真计算相比,试验测量得到的微坑阵列直径、间距、深度、表面接触角误差分别为2.49%、6.87%、7.40%、6.01%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备接触角约为141°的微坑阵列疏水表面。     

有机氟硅烷对玻璃表面的浸润改性

为研究有机氟硅烷对玻璃表面润湿性的影响,利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷对普通玻璃表面进行化学修饰,在玻璃基体表面形成含有-CF3的强疏水性基团。通过控制试验温度和处理时间,研究了不同处理条件下玻璃表面的疏水效果的变化趋势。通过对玻璃表面进行不同程度的打磨处理,研究了玻璃表面粗糙度对表面接触角的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面粗糙度测试仪和红外光谱(FTIR)对玻璃表面处理后形貌、粗糙度和化学结构进行了观察和表征,利用表面接触角仪测定了不同处理条件后玻璃表面的接触角。结果表明,浸润时间与温度的增加在一定范围内均可提高玻璃表面疏水性,且表面粗糙度的增加有利于疏水性能的提高。最终通过将表面粗糙化与表面化学修饰相结合,使玻璃表面获得优异疏水性能,表面接触角最高可达到127.9°。     

表面微织构椭圆轴承的热效应分析

目的 提高摩擦副润滑性能,从而研究表面微织构不同参数对椭圆轴承热效应的影响,同时采用试验方法进一步说明微织构的减摩作用机理。方法 建立表面微织构椭圆轴承仿真模型、编写UDF程序定义黏度,同时采用面–面接触形式的摩擦磨损试验,从理论和试验两个方面研究不同微沟槽宽度和微沟槽轴向分布率的椭圆轴承的热效应变化规律。结果 表面微织构能够有效改善摩擦副表面的摩擦学性能,沟槽状微织构椭圆轴承较光滑椭圆轴承温度均有所降低,主要承载区出现轴向呈条状的低温区域,出现位置大致与沟槽分布位置一致。随着微沟槽轴向分布率的增大,微沟槽降温效果增强,轴承承载力先升高后降低,摩擦力先降低后升高,端泄量先减小后增大,沟槽轴向分布率取0.6较为合适。随着微沟槽宽度的增大,轴承承载力呈先升高后降低的变化趋势,摩擦力呈先降低后升高的变化趋势,当宽度在0.6～0.8 mm时,椭圆轴承有较优的润滑性能。结论 理论分析和试验研究均表明,表面微织构椭圆轴承的摩擦力随着微沟槽宽度的增大先降低后升高,合适的微织构参数才能最大程度地发挥其减摩作用,从而实现提升轴承润滑性能,降低轴承温升的目的。     

高速微铣削构建疏水性铝合金表面

以蝉翅表面疏水结构为仿生对象,利用高速精密微铣削机床在铝合金表面构建柱状微阵列结构,对构建的柱状微阵列结构的微观结构、疏水性能和表面粗糙度进行观测,并对其疏水机理进行分析。结果表明:在本征接触角约为51°的光滑铝合金表面上加工微米级柱状微阵列结构可有效提高材料表面的疏水性能,未经化学修饰的表面接触角最高可达115°,实现了基于高速精密微铣削技术在金属材料表面上构建微观结构阵列,使材料表面润湿性由亲水向疏水的转变。     

Variation of splat shape with processing conditions in plasma sprayed alumina coatings

This paper is on various splat shapes obtained using three alumina based powders sprayed on various substrates. The parameters considered were substrate preheating temperature, nozzle diameter, and secondary and primary gas flow rates. The splat shape was found to be strongly dependent on spraying conditions. The substrate preheating temperature determined the degree of substrate wetting by the splat. A change in either nozzle diameter or primary gas flow rate brought about a change in the particle momentum and subsequently, a change in splat shape. The splat shape differed widely on an as - sprayed bond coat as compared to a polished one, owing to splat confinement by surface asperities. Sub-microscale surface roughness of polished substrate surfaces showed an increase with the preheating temperature and this in turn, resulted in better substrate wetting by the splats.     

Performance of carbide tools with textured rake-face filled with solid lubricants in dry cutting processes

Surface texturing with different geometrical characteristics was made on the rake face of the WC/Co carbide tools, molybdenum disulfide (MoS₂) solid lubricants were filled into the textured rake-face. Dry cutting tests were carried out with these rake-face textured tools and a conventional tool. The effect of the texture shape on the cutting performance of these rake-face textured tools was investigated. Results show that the cutting forces, cutting temperature, and the friction coefficient at the tool-chip interface of the rake-face textured tools were significantly reduced compared with that of the conventional one. The rake-face textured tool with elliptical grooves on its rake face had the most improved cutting performance. Two mechanisms responsible were found, the first one is explained as the formation of a lubricating film with low shear strength at the tool-chip interface, which was released from the texturing and smeared on the rake face, and served as lubricating additive during dry cutting processes; the other one was explained by the reduced contact length at the tool-chip interface of the rake-face textured tools, which contributes to the decrease of the direct contact area between the chip and rake face.     

激光织构形状间距对单晶硅摩擦磨损特性的影响

目的 提高单晶硅的减摩耐磨性能。方法 利用紫外激光在单晶硅试样表面刻蚀不同形状,间距为0.1、0.2、0.3 mm,宽度为0.2 mm的织构。基于MRTR-1摩擦磨损实验机,研究干摩擦条件下织构参数对单晶硅摩擦学性能的影响。利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察单晶硅表面织构的微观形貌和磨痕形貌,用电子天平称量实验前后试样的质量,并计算磨损率,通过Ansys有限元软件模拟仿真试样表面应力和摩擦生热的温度分布。结果 与无织构相比,刻蚀表面织构均能不同程度地降低试样的磨损率,磨损率从0.012 mm³/(N.m)降至0.008 mm³/(N.m);部分表面织构试样的摩擦因数下降,低于0.14;单晶硅试样的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。仿真结果表明,织构试样的平均等效应力均大于无织构试样,在单晶硅试样表面加工织构会影响其表面整体性,容易出现应力集中现象;织构试样表面高于环境温度的区域面积小于无织构试样,且试样表面的最高温度与摩擦因数呈正相关。结论 在单晶硅表面加工织构,可以有效提高试样的耐磨性能,合适的织构参数还能够降低摩擦因数。通过加工表面织构,一方面可以影响试样的整体性,另一方面能够改善试样的散热性能。     

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。     

基底形貌及润湿性对表面异质形核的影响

采用化学刻蚀及氟硅烷修饰的方法,制备了具有不同粗糙程度及润湿特性的纯铝基底,将基底置于NH4Cl-70％H2O溶液中,以激冷的方式触发NH4Cl晶粒形核,并考察了基底形貌及润湿性对表面异质形核的影响规律和机制.结果表明,未修饰的粗糙纯铝基底表面与氯化铵晶胚之间的反应性润湿特性,使异质形核较易发生,随着粗糙度因子的增大,形核点增加;修饰后的粗糙基底表面覆有的氟硅烷抑制了反应性润湿特性,使异质形核不易发生,且随着粗糙度因子的增大,形核点减少.所观察到的实验现象与基于Wenzel模型的粗糙基底异质形核分析结论有较好的吻合.     

Abrasive particle wear behaviors of several die steels with non-smooth surfaces

Various non-smooth surfaces on the 3Cr2W8V, H13 and HD die steel that were similar to the animals’ surfaces were processed by laser. The size, microstructure and hardness of the striate non-smooth units processed with various laser parameters were studied. The abrasive particle wear behaviors of three materials with various distributing distance striate non-smooth units were measured at 200 A current intensity and 3.0 ms impulse duration. And the wear behaviors of three materials with various shape 2 mm distributing distance non-smooth units were also measured at the same laser parameters. At the same time the wear mechanism of the die steels with non-smooth surfaces were discussed. The results show that the wear-resistances of several materials with non-smooth surfaces are better than that of the smooth materials. The changing trend of wear-resistance of three materials with non-smooth surfaces remains the same at same laser parameters regardless of their shape or the distributing distance. Namely, the wear-resistance of HD non-smooth specimens is the best, and that of the 3Cr2W8V is secondary, and that of the H13 is the worst. The size and hardness of non-smooth units are the major factors influencing the wear-resistance of non-smooth material. The bigger volume and higher hardness of non-smooth units result in the better wear-resistance of material with non-smooth surface.     

刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响

刀具快速磨损限制了金属切削的进一步发展,表面织构技术的提出为改善刀-屑界面摩擦提供了新思路,也是目前降低刀具表面磨损的有效方法之一。从刀-屑界面切削液存储与润滑、微/纳织构、织构方向、织构类型及形状、织构位置等五个方面,概述了现有刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响,总结了刀具表面织构的共性作用机理,并进行了分类归纳。相应分析结果表明,刀具表面织构改变了刀-屑界面内空体集团的数量及微通道分布,增加了界面内切削液的渗入存储,同时捕捉存储了界面内的磨屑颗粒,改善了刀-屑界面润滑摩擦;且在此过程中,润湿性因素对界面内切削液的渗入、存储及润滑油膜的形成等均存在影响。最后对刀具表面织构技术的发展进行了总结与展望,为刀具表面磨损的调控提供了参考。     

Influence of textured diamond film on tribological properties of cemented carbide substrate

The texture of different shapes and spacing were machined on the carbide tool surface by laser technology, and the microcrystalline diamond film (MCD film) and nanocrystalline diamond film (NCD film) were deposited on the textured tools by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD). The influence of different shape parameters and film types on tribological properties of the textured diamond coated tool was investigated using UMT-2 ball-on-disc friction tester. The surface morphology and wear scar morphology of the textured tool coated were characterized by scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the friction coefficient of the narrow groove texture is less and more stable than those of the elliptical texture and the wide groove texture. The friction coefficient of the textured NCD film is generally less than that of the textured MCD film. Besides, for the same film, the more complex shape and the smaller spacing of the texture are, the stronger adhesion strength between the film and the substrate, and debris collection ability of the texture are, the less the friction and wear of the textured diamond film would be.     

超疏水表面微结构的设计及其注射成型

目的 从超疏水表面的功能设计出发,主动设计三种深宽比的微结构阵列并洞察其在不同润湿接触状态下的疏水性能。方法 首先,采用热力学分析方法,建立三种深宽比微结构的系统自由能与其接触角、结构几何参数之间的函数关系,探明自主设计微结构表面的润湿性能。继而,在热力学分析的基础上,采用紫外光刻、电铸和注射成型技术相结合的方法实现三种深宽比微结构聚丙烯（PP）超疏水表面的制备。最后,进一步测量与分析聚丙烯（PP）微结构表面的润湿性能。结果 三种深宽比微结构表面的静态接触角测量值均大于150?,滚动角分别为12?、14?和15?,基本达到设计目标;同时,微结构表面的表观接触角测量值与理论计算值基本符合。表面的接触角滞后分别为15?、21?、22?,且接触角滞后随着深宽比的增加而变大,使液滴在PP表面的流动性也变差。结论 在设计微结构超疏水表面的过程中,可以适当降低微结构的深宽比,以获取更好的超疏水特性。自主设计的微结构表面基本实现超疏水性,为高聚物超疏水表面的功能设计与高效制备提供了理论依据与技术支撑。