表面织构化DLC涂层在脂润滑下的摩擦学性能研究

目的 研究表面织构与类金刚石薄膜(DLC)的复合处理方法,提高在GCr15钢盘表面在全氟聚醚(PFPE)润滑脂润滑下的摩擦学性能.方法 设计了四种表面织构与两种厚度的DLC涂层相结合,采用两种加工方法(在织构表面镀上DLC涂层,在DLC涂层上加工织构),对GCr15金属盘表面进行处理.选用全氟聚醚润滑脂作为润滑介质,通过球-盘摩擦磨损实验,评价了在织构化和DLC涂层协同处理下,GCr15金属盘表面的摩擦学性能,并通过光学显微镜对磨痕形貌进行分析.结果 在四种织构表面中,微纹织构的减摩抗磨性能最好,与DLC膜的协同效果最好,在设定的实验条件下,得到的摩擦系数为0.1186,球斑直径为159.68μm.DLC镀膜处理的试样中,3μm厚的DLC膜试样在实验中的减摩性能较好,摩擦系数较低,但是磨斑尺寸较大,约为508.86μm.在织构上镀DLC膜的复合处理方法,对于摩擦学性能改善不明显.在DLC薄膜上加工微纹织构的表面,表面织构化和DLC镀膜的耦合性能好,尤其在3μm厚DLC膜上加工微纹织构的试样,实验得到的摩擦系数仅为0.09946,磨斑尺寸为192.22μm.结论 DLC涂层上加工微纹织构的复合处理方法,结合了微纹织构的储油特性和DLC的减摩特性,两种处理方法产生了正向协同作用,得到具有较好减摩和抗磨性能的摩擦表面.     

三角表面微织构对304钢摩擦学性能的影响

目的 研究表面三角微织构对304钢减摩抗磨特性的影响,扩宽奥氏体不锈钢应用范围,为改善304钢的耐磨损性能提供理论依据.方法 采用激光加工技术在304钢表面制备三角形微织构,其底边长200μm,高200μm.利用有限元ANSYS软件对油膜压力等参数进行仿真分析,并在MRTR-1多功能摩擦磨损试验机上检测表面织构化304钢的摩擦学性能,探究不同旋转直径(15、25、35 mm)及不同转速(100、200、300 r/min)下三角微织构的摩擦磨损情况,并采用扫描电子显微镜(SEM)分析工件表面的显微结构及形貌.结果 有限元仿真结果表明,三角微织构的存在使油膜内部的压力增大,并且转速越大,油膜承受压力越大,摩擦系数明显降低.试验结果表明,三角织构与无织构化表面相比,平均摩擦系数显著降低,最大降幅达14.89％.结论 激光加工三角织构的304钢摩擦磨损性能优异,且在旋转直径35 mm、转速300 r/min的条件下,减摩抗磨性能更好.主要作用机理为,接触表面间润滑液的及时有效补充,提供了"二次润滑"效应,并建立了连续的摩擦接触界面间的油膜,起到减摩抗磨的作用.     

表面微织构化石墨涂层对铝合金表面的协同减摩机理研究

目的 研究微织构和固体润滑涂层对铝合金表面减摩、抗磨性能的协同作用效果,为铝合金内燃机活塞外圆表面的减摩、抗磨设计提供参考。方法 采用脉冲Nd:YAG激光器在试件表面加工出具有规则形貌的正方形凹坑阵列,利用热喷涂工艺在微织构化基体表面喷覆固体石墨涂层,在乏油条件下,利用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验,采用扫描电子显微镜和超景深显微系统对试样磨损表面进行了分析,研究微织构几何参数、相对滑动速度、涂层特性对摩擦副表面减摩、抗磨作用的协同机理及影响规律。结果 在乏油润滑条件下,仅覆盖石墨涂层的摩擦副表面,摩擦系数较光滑表面降低了44%。经微织构修饰的摩擦副表面,其摩擦系数明显小于光滑表面,其中微织构所占面密度为8.2%时摩擦系数最低,相对于光滑表面降低了67.4%。当在微织构和石墨涂层的协同作用下,摩擦系数进一步降低至0.07,且铝合金基底表面未见明显磨损,此外较高的滑动速度有利于摩擦系数的进一步降低。结论 微织构和石墨涂层的协同作用下,能有效改善乏油工况下铝合金表面的摩擦学性能,合理的几何参数可以更有效地发挥减摩和抗磨效果。     

表面微织构对45#钢摩擦副表面摩擦学性能影响的实验研究

目的 通过在摩擦副表面进行激光微织构加工,研究不同分布形式的微织构对摩擦副的减摩作用效果,为微织构摩擦副在实际工程应用中的设计与选用提供参考。方法 选取45#钢作为摩擦材料制备环环接触的摩擦副,通过激光微雕刻在试件表面加工一定尺寸的微织构,在油润滑条件下,利用万能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验,并通过超景深三维显微镜观察磨损表面,研究不同微织构在油润滑方式下对摩擦副的减摩作用机理及具体影响规律。结果 带有合理分布形式微织构的摩擦副接触表面能产生明显的动压润滑效应,其中径向沟槽微织构和凹坑状微织构在稳定磨损阶段的摩擦系数明显小于光滑表面,分别能减小摩擦系数16%和11%,局部网状微织构的摩擦系数与光滑表面没有明显差异,周向沟槽微织构的摩擦系数大于光滑表面。带有径向沟槽和凹坑微织构的摩擦副相比于光滑表面,温升有所降低,而周向沟槽和局部网状微织构随着摩擦表面磨损的加剧,温升更加明显,下试件分布有微织构的摩擦副接触表面摩擦系数要明显小于上试件分布有微织构的摩擦副。磨损局部放大图中,凹坑状微织构表面产生的磨粒剥落痕迹要明显浅于光滑试件表面,说明微织构能有效存储磨损磨粒,减少二次磨损对摩擦表面的破坏。结论 表面微织构能有效改善摩擦副的润滑性能,合理选择微织构分布形式和分布位置,才能最大限度地发挥微织构的减摩效果。     

工业纯钛TA2离子渗氮后的组织结构与真空摩擦磨损性能研究

为研究工业纯钛TA2经离子渗氮技术处理后的真空摩擦磨损性能,利用光学显微镜、白光三维形貌仪、X射线衍射仪和显微硬度计分别对渗氮前后材料的微观结构、表面形貌及表面粗糙度、相组成和硬度进行表征。采用真空摩擦磨损试验机对TA2渗氮前后的摩擦磨损性能测试后,使用白光三维形貌仪、扫描电镜及其附带能谱仪分析磨痕的表面形貌及磨痕表面的元素组成。结果表明:离子渗氮后,TA2表面形成的渗氮层主要由Ti N、Ti2N和α-Ti(N)等硬质相组成,厚度约为80μm,且表面HV硬度由1.40 GPa提升至12.60 GPa;离子渗氮处理使TA2在真空环境中的摩擦系数和磨损体积显著降低,从而有效减摩抗磨;然而在大气条件下,渗氮层的形成导致材料的摩擦系数和耐磨性均显著提高;此外,离子渗氮后材料的磨损机制也发生显著改变:在大气条件下,渗氮后样品的磨损机制由原始样品的磨料磨损、塑性形变及轻微粘着磨损共同作用转化为严重塑性形变、粘着磨损和材料转移,而在真空环境中,原始样品表面主要发生了粘着磨损、塑性形变同时伴有轻微的磨料磨损,而渗氮后材料磨损机制则为磨料磨损。     

激光表面织构氮化钛薄膜的摩擦磨损性能

采用磁控溅射法制备了TiN薄膜,研究了其与激光表面织构的摩擦学协同效应,并基于磨损表面分析,探讨了其减摩抗磨机理。结果表明：TiN薄膜与表面织构具有优异的协同抗磨作用,但减摩作用不明显。织构化TiN薄膜的磨损率相对于原始TiN薄膜降低约20%。表面织构因“机械捕捉效应”和“微存储效应”降低TiN薄膜磨损表面的物质损失,磨损机理为氧化磨损和磨粒磨损。     

表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展

表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构,这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能.国内外研究也一致表明,表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段,可使材料表面实现自润滑效果,并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损.从表面织构的形态特征及其作用机制出发,对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析.讨论了表面织构形状(规则织构、不规则织构等)、织构分布形式(全织构分布、部分织构分布等)、织构几何参数(深度、面积比、深径比等)、工况参数(载荷、速度等)等因素,对织构化表面润滑减摩性能的影响,同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题.提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制,考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究,从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用.     

织构协同磁流体对30CrMo3A 合金摩擦性能的影响

目的 探究不同工况下织构与磁流体对齿轮合金摩擦学性能的影响,并分析其协同作用机理。方法 采用纳秒激光器在30CrMo3A合金表面构造圆形微织构图案。利用UMT–3摩擦磨损实验机分别测试了二酯基磁流体（MF）及其基载液（DOS）在润滑条件下光滑齿轮合金表面（UT）和织构齿轮合金表面（TS）的摩擦学性能。利用激光共聚焦显微镜、扫描电镜和能谱仪观察并分析了不同磨损表面的表面形貌。结果 与UT–DOS相比,TS–DOS、UT–MF和TS–MF均能表现出良好的减摩性能,其中,TS–DOS在低载条件下的减摩效果相对最好,摩擦因数降低了约26.2%,随着载荷的增大,织构磨损严重,减摩效果减弱;TS–MF在不同载荷下的摩擦因数均能降低17%左右。TS–DOS的抗磨效果最好,在低载荷下基本无磨损,在重载荷下的磨损率最大降低了约60.6%,在高载荷下织构表面无法避免黏着磨损。二酯基磁流体会使磨损率增大,但能避免黏着磨损,在与织构的协同作用下,磨损率大幅下降。结论 织构能够有效存储润滑油和磨屑,磁流体有“滚珠”效应,且能够有效处理磨屑,两者的结合提升了合金的摩擦学性能,但是高浓度磁流体中的Fe3O4磁性纳米颗粒在较高载荷下易发生团聚,会加剧微磨削作用。     

纳米磁性流体与表面织构对钛合金的协同减摩作用机制

目的 提高钛合金表面的摩擦学性能。方法 采用纳秒激光器在钛合金表面构造沟槽型微织构图案,并以水基纳米磁流体和去离子水为润滑剂,利用UMT-3摩擦磨损试验机探究了织构与纳米磁流体的协同减摩作用机制。结果 分析了不同润滑条件下,沟槽型织构的分布间距对钛合金表面摩擦磨损性能的影响,在织构与纳米磁流体的协同作用下,钛合金表面的摩擦学性能得到改善,织构间距为250μm时的摩擦学性能最好,摩擦因数最大降低约51.5%,磨损率最大降低77.6%。当织构间距过小,织构化表面承载区减少,导致织构磨损较快,而织构间距过大会弱化织构效果。其次,以最优织构间距为基础,进一步探究了不同表面织构形貌和深度对钛合金表面摩擦学性能的影响。最后,研究了最优织构参数下,滑动速度和加载载荷对钛合金减摩性能的影响。结论 在润滑条件下,织构的表面形貌和深度影响钛合金表面的摩擦学性能,织构深度太浅或太深时,其流体动压效应都会减弱,从而导致摩擦因数和磨损量增大;当产生足够大的动压效应时,织构边缘的凸起结构能够对织构起到保护作用,延缓织构磨损。     

表面织构化刀具的研究现状与进展

高速切削加工作为难加工材料的主要加工方式,在其切削过程中,刀具的快速磨损、加工表面质量差等问题显著。近些年来,表面织构由于在控制摩擦、减小磨损和改善润滑性能等方面的作用引起了国内外学术界和产业界的广泛兴趣,为刀具减摩降磨技术的研究提供了新方向。表面织构效应是通过在摩擦副表面加工出具有不同形状几何参数和分布特征的微凹坑、微沟槽等阵列结构时,表面的摩擦磨损和润滑特性随之改变的热动力学效应。针对表面织构技术在刀具方面的应用研究,描述了刀具表面织构的主要制备方法,对比分析了各种制备方法的优缺点,然后分别阐述了微沟槽织构、微凹坑织构、纳米织构/微纳复合结构阵列以及织构化自润滑刀具在减缓刀具磨损、提高加工质量等方面的研究现状与进展,同时分析了表面织构改善刀具系统摩擦学性能的原因和机理,最后指出刀具表面织构技术目前研究存在的问题及其对刀具减摩降磨的重要意义。     

激光表面织构形状参数对钛合金摩擦学性能的影响

针对钛合金耐磨性差的问题,利用激光技术在TC4钛合金样品表面刻蚀出具有不同形状、间距和宽度(直径)的织构,基于CSM球盘式摩擦磨损试验机研究织构形状参数对钛合金在油润滑条件下摩擦学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)观察钛合金表面织构的微观形貌及磨痕形貌,利用白光干涉仪测试表面织构和磨痕的三维轮廓并通过计算得到磨损率。结果表明,网格型织构的摩擦因数比沟槽型和点阵型织构更小并且更稳定。织构的间距和宽度(直径)等形状参数显著影响钛合金的磨损性能。原始表面抛光钛合金样品磨损率高于表面织构处理后样品,原始钛合金样品的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损,而由于表面织构能起到收集磨屑,储存润滑油的作用,从而显著提升了钛合金的耐磨性。     

Feasibility Study of Using DLC Coating in Conjunction with Laser Ablation process to Improve the Tribological Performance of an Engineering Surface

Increasing demands such as low friction,low wear rate,and long life-time have reached the limits of single DLC coatings.In order to meet the requirements,we propose to use an integrated approach to improve the wear property of an engineering surface.Firstly,dimples are introduced perpendicular to an engineering surface by a Nd:YAG laser emitting at 1064 nm.Subsequently,solid lubricant DLC is prepared on the patterned surface by magnetron sputtering technique.The effect of dimple densities from 7%to 45 %on tribological properties of the coating surface was revealed.The wear performance of the textured DLC surfaces was studied by a pin-on-disk reciprocating sliding wear tester under boundary lubrication and dry conditions.The results showed that the DLC coatings with appropriate dimple densities have an obvious improvement on wear performance in term of friction coefficient,wear rate and wear life,as compared to un-textured DLC coatings.In boundary lubrication conditions,the improved wear performance can be explained by the promotion of reservoirs to enhance lubricant retention during sliding.In dry condition,the dimples trap wear particles and leave a free interface between pin and sliding contact surface,and avoid the surface worn by abrasive manner,thereby improving the wear performance of the DLC coating.     

速度和载荷对凹坑织构乏油润滑摩擦学性能的影响

摩擦副表面加工特定的织构后会在不同速度和载荷以及严重乏油的条件下运行,比如设备的启停阶段。因此有必要研究极度乏油条件下速度和载荷对凹坑织构表面摩擦学性能的影响,为表面织构的实际应用进行前期探索。利用激光加工技术在45钢表面加工凹坑织构;在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上,采用球-盘式分别对织构和未织构试样进行乏油滑动试验;利用三维表面轮廓仪和扫描电镜等分析试样表面的磨损形貌。结果表明:相比于未织构试样,凹坑织构在不同速度和载荷下均能有效延长摩擦面间的乏油润滑状态,有良好的减摩效果,可降低摩擦因数约68%～75%。载荷对织构表面的摩擦学性能影响较大,在一定范围内摩擦因数随着载荷的增大而降低;但载荷过高时,在摩擦后期会出现摩擦因数的突然升高,表面磨损严重。     

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。     

激光表面织构化对45钢摩擦磨损性能的影响

目的研究表面织构对45钢干摩擦和乏油状态下摩擦磨损性能的影响。方法用激光加工的方法在45钢表面加工出不同面密度的凹坑织构,在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上以球-盘副考察凹坑密度在干摩擦和乏油条件下对45钢摩擦磨损性能的影响。结果在干摩擦条件下,织构密度在4%时,摩擦配副的摩擦系数最小,稳定摩擦系数为0.56。随着织构密度的增大,摩擦系数也逐渐增大,当织构密度增大至16.2%时,配副摩擦系数最大,稳定摩擦系数为0.72。在乏油条件下,织构密度在4%时,摩擦系数为0.39,小于未织构试样摩擦配副。凹坑密度增大后,其摩擦系数大于未织构试样,但是均在0.43左右。在干摩擦和乏油条件下,织构化试样的磨损率都小于未织构试样,并且随着织构密度的增大,磨损率先减小后增加,织构密度在8.1%时,抗磨效果最好。结论表面织构能收集磨粒,储存润滑油,从而起到良好的减磨作用。     

磁流体极性对钛合金表面织构的摩擦学性能研究

目的 研究磁流体的极性对钛合金光滑表面和织构表面摩擦学性能的影响。方法 以水基磁流体、煤油基磁流体、去离子水和煤油为润滑剂,在UMT?3摩擦磨损试验机上分别进行钛合金光滑表面和织构表面的摩擦磨损实验,得到极性不同的磁性颗粒对不同表面的摩擦因数、磨损量和磨损形貌的影响规律。结果 在光滑钛合金表面,极性磁性颗粒使得摩擦因数下降了8.42%,磨痕宽度下降了8.47%,磨损方式由严重的磨粒磨损和黏着磨损转变为轻微的磨粒磨损。非极性磁性颗粒使得摩擦因数上升了33.94%,磨痕宽度上升了42.20%,磨损方式由轻微的黏着磨损转变为严重的磨粒磨损。在织构表面,极性磁性颗粒的减摩作用进一步增强,而非极性磁性颗粒并没有明显的减摩作用。结论 采用不同极性磁流体润滑时,极性磁性颗粒更容易吸附在钛合金表面,从而增加油膜的厚度和刚度,减小其摩擦因数。     

载荷对金属/织构化三元乙丙密封副摩擦学性能的影响

目的 提高三元乙丙/金属动密封的抗磨性能,揭示织构化橡胶在不同载荷下的磨损机理和损伤演变规律.方法 采用激光打标器在三元乙丙橡胶表面加工规则凹坑阵列,与金属小钢球组成摩擦副,并利用UMT-2摩擦磨损试验机进行摩擦实验,研究不同载荷下织构化三元乙丙橡胶试样的摩擦学特性.通过分析摩擦系数和磨损率等获得实验过程的摩擦学信息,再利用场发射扫描电子显微镜和白光干涉三维表面轮廓仪对磨痕和磨屑进行表面微观分析,并对磨损区域进行三维形貌重组.结果 随着载荷的增加,磨损量都有上升趋势,无织构三元乙丙试件的摩擦系数呈下降趋势,织构化表面摩擦系数先减小、后增大.在载荷为35 N时,织构的摩擦学性能最好,相较于无织构试样,其磨损量下降了33.4％,摩擦系数下降了24.2％,表面粗糙度为245 nm;载荷为80 N时,织构的引入会加剧磨损,表面粗糙度达到了1.12×104 nm.通过观察磨损表面和磨屑形貌得出,在中低载荷下,表面织构可以有效减少腐蚀磨损和粘着磨损;在高载荷下,织构的磨损机理变为磨粒磨损.结论 总体而言,在合适的载荷下,织构化处理可以有效地改善三元乙丙的摩擦性能,但高载荷下织构会增大磨损.     

活塞环表面织构化镀层的摩擦性能研究

目的以缸套/活塞环为试验对象,研究激光织构化与固体润滑镀层的协同减摩作用。方法采用脉冲激光在活塞环表面进行微孔化处理,利用电脉冲沉积法在微孔内制备具有不同MoS_2微粒浓度的Ni-MoS_2复合镀层,通过往复式摩擦试验研究织构化表面沉积固体润滑剂对活塞环-缸套的影响机制。结果镀液中MoS_2微粒浓度对镀层的硬度和摩擦学性能影响较大,相同电流密度下,电镀液中MoS_2微粒的质量浓度为5g/L时的镀层硬度最高,该浓度下Ni-MoS_2复合镀层在干摩擦下具有最佳的摩擦系数和最低的磨损率。织构化复合镀层可以显著改善接触面间的摩擦性能,相比未织构化摩擦配副,摩擦系数降低约0.2,磨损率下降50%。结论干摩擦条件下,表面织构可以有效地储存摩擦副之间的固体润滑剂和磨粒,在接触表面形成连续润滑膜,减少磨粒磨损。     

圆凹坑织构对线接触摩擦副摩擦学性能的影响

根据摩擦试验中圆盘试样的旋转方向,用YLP-20型激光加工系统在圆柱销试样回转面不同区域(前端、后端、中间)加工规则分布的表面织构,利用UMT-3摩擦磨损仪进行单向旋转摩擦试验,研究表面织构分布区域对摩擦副摩擦学行为的影响。结果表明:在载荷10N、滑动速度0.003~0.628m/s时,不同分布区域的织构对摩擦副的摩擦学行为影响不同,相比无织构试样,分布于试样回转面中间部分的织构对摩擦副起到了减摩作用。这是由于中间织构通过形成局部流体动压润滑作用提高了摩擦副的承载能力,降低了接触表面的摩擦因数,同时通过储存磨屑,减少了表面磨损。前后端织构产生的流体动压润滑效应很小,磨损严重,导致其摩擦因数高于中间织构和无织构试样的摩擦因数。     

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。