激光表面织构的制备及其摩擦学性能研究

激光表面织构的制备及其摩擦学性能研究

近年来，作为材料和机械装备故障的三种主要失败形式之一，磨损。1试验方法与测试条件选用的基体材料为退火态45钢圆棒。采用线切割法将其加工成ф25mm×8mm的圆片试样,然后经多重金相研磨、抛光及超声清洗,获得表面粗糙度约为0.76μm的洁净镜面。表面织构加工在RoffinQ固体激光器上进行,织构宏观形貌为圆形。加工过程为程序智能控制,激光器主要工作参数为:波长1064nm,功率25kW,频率0~200Hz。通过调节光斑迁移距离及脉冲的轰击次数来获得不同面积分布率和径深比的表面织构。光斑迁移的间距分别为100、200、300和500μm,脉冲轰击的次数分别为10、15、20和25次。采用JEOLJSM-6307LV扫描电镜和OLYMPUSGX51光学显微镜对织构的形貌进行分析,计算其面积分布率和径深比。采用单因素试验的方法进行织构结构参数优化。通过同一条件下摩擦学性能的比较测试,重点研究面积分布率和径深比对织构润滑抗磨特性的影响规律。摩擦学性能测试在OptimalSRV-IV微动往复摩擦磨损试验机上进行。上试样为AISI52100标准钢球,直径12mm,表面硬度57~61HRC。试验主要参数及条件为:PAO40(聚a烯烃合成润滑油)润滑,载荷5N,时间15min,频率10~30Hz,每5min变频10Hz。试验前后试样均经丙酮超声波清洗,采用MicroXAM3D形貌仪分别测量上下试样的磨损体积,磨损率定义为磨损体积对载荷与距离乘积的算术均值,即102结果与分析2.1表面织构面积分布率图1为经20次激光脉冲加工后不同面积分布率的织构表面形貌。可见,织构均呈规则的圆形或椭圆形,阵列整齐,间距均匀,无明显的加工缺陷或金属飞溅冷却形成的凝固瘤,沿着微凹坑的边缘有一定尺寸的环形热影响区。根据文献[10]所示的计算方法,可知上述四种不同凹坑间距的表面织构所对应的面积分布率分别为80%、35%、10%和5%。图2为面积分布率对织构摩擦系数的影响。可见,随频率即滑动速度的增加,不同面积分布率的织构其摩擦系数均呈升高趋势,且摩擦系数的水平及其随速度变化而呈现的阶跃点亦有所不同。面积分布率为80%时,摩擦系数总体水平较高,滑动速度为10~20Hz时,摩擦系数较稳定,直至滑动速度升至30Hz时,摩擦系数才发生明显的阶跃。随面积分布率适当降低,即达到35%时,具有最低的摩擦系数0.15~0.20,且随滑动速度的增大而逐渐升高,见图2(b)。而当面积分布率继续降低时,则摩擦系数又有所回升,且与图2(b)呈现相似的变化规律。上述结果表明,油润滑条件下,织构的减摩功能与其面积分布率密切相关。研究表明,织构的“微观动压效应”及“机械捕捉效应”与相对运动摩擦副接触表面的不连续性有关2.2径深比对摩擦学性能的影响图3为面积分布率为35%,不同激光脉冲冲击次数时织构的SEM形貌。可见,表面织构形成完整的圆形,其扫描成像衬度存在着一定的差异。随脉冲次数的增加,激光微凹坑的深度逐渐增加,即径深比逐渐降低。基体表面织构形态规则,阵列整齐,边界清晰,表面无明显成形缺陷,亦无明显液滴飞溅形成的放射状金属凝固瘤,表明成形质量较好。由于扫描电镜成像特点的独特性,对激光成形表面织构的底部形貌特征及织构边缘热影响区的特征无法有效观测与表征,需借助对景深和衬度不敏感的光学显微镜或三维度轮廓测量仪对其结构进一步表征。图4为径深比对表面织构润滑性能的影响。可看出,随滑动速度的提高,摩擦系数均呈不同程度的增加。当脉冲次数较低,即径深比较大时,在10~20Hz摩擦过程较平稳,至滑动速度达到30Hz时,摩擦系数才发生明显阶跃。而当脉冲次数升高,即径深比降低时,在10~20Hz摩擦系数呈明显的变化,而在20~30Hz摩擦系数相对稳定。由此可见,径深比的增加,有利于提高表面织构在高速条件下的润滑能力。与此同时,摩擦系数总体水平亦随径深比的变化而异。当激光脉冲为10次时,微凹坑较浅,其储油能力较低且形成的流体动压润滑效应较弱,织构会因增大摩擦副接触表面的粗糙度而引起摩擦性能的削弱;随脉冲次数的增加,即径深比的适度降低,表面织构因储存润滑油及磨屑而形成“微观动压润滑”及“机械捕捉效应”,有利于摩擦系数的降低;而当径深比进一步降低,即织构深度持续减小时,表面织构会因“自封闭效应”难以有效地释放润滑介质至接触间隙并促进润滑油膜的形成,因而摩擦系数会呈现一定程度的上升图5为织构化试样与未织构化试样的摩擦学性能比较。织构化试样的结构参数为:面积分布率35%,径深比6∶1。由图5(a)可见,未织构化试样在摩擦开始阶段扰动较大,摩擦系数较高。随滑动速度的增大,摩擦系数较大且呈上升的趋势,在20Hz时具有最佳的润滑性能。织构化试样的摩擦系数较低,且随速度的增大略呈上升趋势。相对未织构化处理的试样而言,其摩擦系数降低21%~33%。图5(b)为相应的磨损率。驱动钢球即上试样的磨损率较接近,固定下试样即织构化钢盘磨损率相比于光滑试样下降约49.9%。由此可见,可能由于表面织构在摩擦过程中起到捕捉磨屑、作为储油场所为接触表面提供润滑剂、产生流体动压效应以增加承载能力等作用,显著改善了材料的润滑抗磨性能2.3微凹坑二维形貌由上述摩擦学测试结果可知,当面积分布率为35%、激光脉冲为20次时表面织构具有较好的润滑性能,因此对此试样几何形貌及结构参数做定性和定量分析。图6为其光学显微形貌及二维轮廓。可以看出,微凹坑形貌规则整齐,无明显加工成形缺陷。在微凹坑的边缘存在颜色呈深黑色的环形区域,该区域为激光脉冲热效应所诱发形成的热影响区。通常,该区域具有较高的硬度,对提高材料表面的综合强度具有积极的作用。而在微凹坑的底部,均具有脉冲束斑的残留痕迹,且较为粗糙。由图6可见,在表面织构的边缘存在不同程度的垄起,其直径约为48μm,深度约为8μm,相应的径深比为6∶1。3表面织构对摩擦学性能的影响(1)采用脉冲激光冲击的方法能够制备形状规则、尺寸精确的表面织构。通过激光工艺参数的调整可以实现对织构结构参数的有效调控,加工的织构主要由冲击微凹坑、热影响区和沿凹坑边缘的微量垄起构成。(2)激光表面织