激光表面织构化技术及其在摩擦学中的应用

激光表面织构化技术及其在摩擦学中的应用

0表面织构加工方法和表面摩擦学性能提高表面织构是在表面上加工和制作的一系列具有一定尺寸和形状的图案的矩阵。表面织构的制备和加工方法很多,大致可以分为3类:(1)机械加工法本文综述了国内外激光织构对材料表面摩擦学性能影响的最新研究进展,并指出目前研究的不足之处及未来的发展方向和应用领域,以期为该技术更广泛的应用提供参考。1复合材料的织构加工激光表面织构技术具有应用材料广泛、加工过程高效可控、环境友好、安全等特点。目前关于激光织构化影响摩擦学性能的研究显示,可应用的材料包括金属材料、陶瓷材料和复合材料3类,其中以前二者为主。金属材料,如45钢激光表面织构技术加工过程容易控制,用EzCad或其他相关软件绘制好织构图案,设定好加工参数,激光器可按照设计图案完成织构的加工,织构的尺寸和形貌可控,且制作简单,无需掩膜。激光表面织构技术在大气环境中即可进行,对环境无污染。激光器直射或者散射的激光会对人眼造成伤害,但是在操作过程中,通过正确的保护措施,正确佩戴合适的激光安全防护眼镜,可以避免其对人体的伤害。2表面涂层结构对摩擦学性能的影响2.1织构加工的研究(1)常规几何形状的织构易设计加工,圆形凹坑减摩效果明显本文将某些文献中对一些形状实质相同但表述方法不同的织构进行了统一,在括号内进行了说明。据此,可将常规的织构几何形状分为圆形凹坑、三角形凹坑、直线和网格等,如图1所示。国内外文献中,关于圆形凹坑织构的研究最多。文中所提到的凹坑织构在未注明的情况下均为圆形凹坑,其他形状的凹坑会分别说明。目前的研究工作主要集中在金属材料表面常规几何形状的织构,这属于此领域内的基础性研究,在这方面的研究者较多。王泽等圆形凹坑、三角形凹坑、直线、网格等常规形状织构的设计和图案绘制较容易,很多研究表明凹坑织构在提高耐磨性方面优于直线凹槽织构和网格凹槽织构。(2)特殊形状与组合形状的织构设计加工困难,有减摩作用常规形状的织构研究较多,也有少量关于其他形状织构的研究,如三角形、椭圆形等,以及不同形状组合的织构,这类织构相对于常规形状织构的设计加工难度稍大,有减摩作用,但无明显优势,而且研究中不容易摸索出规律。由于织构设计加工本身难度较大,这方面的研究相对较少,但也更具创新性,目前研究主要集中在金属材料和陶瓷材料表面的应用。QinLiguo等XingYouqiang等(3)仿生织构加工难度大,研究少,鳞片形仿生织构抗磨性能佳常规几何形状的织构、特殊形状与组合形状的织构,都能起到减摩作用。目前,关于仿生织构减摩也有研究,但其中一些织构其实与常规织构无异,学者们研究的鳞片形、凸包形、凹坑形及波纹形仿生织构,实质上除了鳞片形、凸包形之外,其余织构的仿生特征并不突出,与常规形状织构相似。因仿生织构(如鳞片形、凸包形)加工难度较大,故这方面的研究很少。刘先兰目前,仿生特征突出的织构,因加工难度相对较大,故无论从理论上还是实践上,相关的研究都较少,且不够深入。因此,在仿生织构的研究方面,应重点加强理论模拟和计算研究。(4)织构凹坑边缘的凸起具有减摩作用采用激光对材料表面进行凹坑织构加工时,对于金属材料和陶瓷材料,凹坑边缘都可能会出现凸起,这是由于材料融化或溅射堆积在凹坑边缘形成的。国外有文献研究了织构凹坑周围的凸起对摩擦学性能的影响,SuryaPMishra等激光织构凹坑边缘的凸起是具有减摩作用的。这在国内还未见相关报道,目前对其改善摩擦学性能的机理还没有相关的分析,可从织构与表面粗糙度的关系入手,探索其中的关系和规律。综上,研究最广泛的激光织构图案的几何形状有3种:直线织构、网格织构和凹坑织构,这些织构都可起到减少磨损、增加耐磨性的作用。在这些常规形状织构中,圆形凹坑织构是国内外文献研究得最多的,它在减少材料磨损、增加耐磨性方面有明显优势。不同形状的织构加工和减摩作用比较如表1所示。2.2织构加工和成料种类(1)合适的织构密度利于减摩,其与织构尺寸相关研究发现织构密度对摩擦学性能有影响,在合适的织构密度范围内可获得较好的摩擦学性能,而合适的织构密度,与材料的种类和织构的尺寸有关。例如45DawitZenebeSegu(2)合适的织构密度利于减摩,其与凹坑的深径比相关织构表面的摩擦学性能与织构密度有关,与织构凹坑的直径也有很大关系,或者说与织构凹坑的深径比有关。BeomkeunKim等葛汉青综上,较大的织构凹坑孔径更利于减摩,但深径比应小于0.5。这是因为干摩擦条件下,织构凹坑能够捕获收集磨屑起到减摩作用,但深径比太大,亦无更多优势;润滑条件下,织构凹坑能够储油起到减摩作用,而深径比太大,易造成油膜不连续。3表面织构对干性能的影响关于表面织构对摩擦因数的影响,按照干摩擦条件和润滑条件分别来讨论。在干摩擦条件下,要具体材料具体分析,表面织构对不同材料摩擦因数的影响也不同。在润滑条件下,表面织构会降低摩擦因数,提高耐磨性。3.1gcr15钢的耐磨性对于Ti6Al4V钛合金,干摩擦条件下可降低摩擦因数,提高耐磨性。连峰等而对于GCr15钢,干摩擦条件下可提高摩擦因数,也提高耐磨性。胡天昌等对于45钢和12Cr,则又是另一种情况。王斌等3.2织构对因数的影响在润滑条件下,织构可降低摩擦因数和磨损率,提高耐磨性。JianliangLi等在干摩擦条件下,织构对摩擦因数的影响不同,主要是因为摩擦因数会受到材料成分、凹坑的尺寸、摩擦条件等多种因素的影响。在润滑条件下,织构可降低摩擦因数和磨损率,提高耐磨性,主要是因为润滑油的存在,降低了摩擦因数,织构的存在能起到储油作用,使润滑油能发挥更持久的作用。4润滑介质储存器目前的研究表明表面织构能够改善材料摩擦学性能主要基于以下原因:在润滑条件下,表面织构作为润滑介质的储存器,滑动过程中,产生流体动压效应,捕捉摩擦过程中产生的磨屑,对接触面起到持续供油的作用;在干摩擦条件下,表面织构作为捕获磨屑的储存器王斌等5表面织构化对摩擦学性能影响的控制目前关于激光表面织构对材料摩擦学性能的影响总结如下:(1)激光表面织构可以改善润滑与摩擦性能,具有广泛的通用性和应用前景。(2)表面织构在不同条件下分别起到增强流体动压效应、储油及捕获磨屑等作用。(3)织构图案的几何形状、尺寸以及织构密度对摩擦学性能都有影响,最常见的织构形状主要为圆凹坑织构、直线织构和网格织构3种,圆凹坑织构减摩效果最优。(4)减摩效果最优的织构尺寸、深度和织构密度等参数相互关联,且与具体的材料有关。虽然激光织构化对材料摩擦学性能的影响已经获得广泛研究,但多以某一种或两种材料为研究对象,主要集中在几种单一规则的简单织构图案,如凹坑、凹槽、网格等,通过具体实验进行研究。目前,关于激光织构质量的控制,包括尺寸的控制和测量等方面的研究文献很少,仅在ChristopheVincent等(1)针对不同的材料,激光表面织构化技术在摩擦学领域应加强理论模拟和计算,得出最优的织构尺寸、深度和织构密度,总结规律。(2)深入研究金属材料和陶瓷材料等材料大类别与激光工艺参数之间的关系,并继