304不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：杨辉，翟帅杰，胡艺坤，等 不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）；河南省高校科技重点项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：杨辉（），男，硕士，实验师，研究方向为先进制造技术。：。通信作者：逄明华（），男，博士，副教授，主要研究方向为制造摩擦学。：。不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能杨 辉 翟帅杰 胡艺坤 逄明华 马利杰（河南科技学院机电学院 河南新乡）摘要：为改善 不锈钢耐磨性及润湿性，在空气与液相 种介质下使用激光加工技术在 不锈钢表面制备离散型圆形凹坑织构。借助白光干涉仪、扫描电子显微镜及能谱、接触角测量仪对织构试样表面形貌、元素含量及润湿性进行了表征，并通过摩擦磨损试验考察了织构试样在干摩擦和油润滑下的摩擦学性能。结果表明：空气介质下激光加工增强了试样表面疏水性能，接触角为 ；液相辅助激光加工增强了试样表面润湿性，接触角为 ；液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀，无明显的氧化及熔融物重铸现象，这是因为液相在激光加工时对试样起到了冷却及保护作用；液相辅助激光加工表面织构在 种摩擦工况下的摩擦因数均最小，且磨损有一定改善。液相辅助激光制备的织构表面较为均匀、无较大的微凸峰，且具有较好的润湿性能，有利于润滑油的存储及铺展，进而改善了界面摩擦行为。关键词：不锈钢；织构；液相辅助激光加工；熔融重铸；界面摩擦中图分类号：（，）：，：；不锈钢作为一种常见的金属材料，因其具有良好的加工性能和可焊性，被广泛应用于生产、生活当中。然而该材料因强度及硬度低、耐磨性能差等问题，制约了其进一步发展与应用。目前，通过表面织构技术来改善固体表面性能已被广大学者所认同。表面织构技术是指通过在固体表面制备出微 纳织构形貌，以达到改善固体表面性能的目的。现有的织构加工技术主要有激光、电火花及电沉积等。等采用电刷镀和激光加工相结合的方法，在铝合金表面制备出均匀沟槽、微突起和微颗粒覆盖的形貌，研究表明：该表面形貌具有良好的自清洁功能，接触角达到 。等使用皮秒激光加工技术和超精密金刚石切削加工技术在 不锈钢表面制备出方形和正弦形表面织构，摩擦学试验表明：织构可以有效地降低摩擦磨损。等利用电化学刻蚀的方法以中性电解液为介质在 不锈钢表面制备出微观结构，研究表明：加工后的试件表面接触角达到了，实现了防结冰性能和自清洁性能。激光加工具有效率好、重复性好等优点，因此被广泛应用于织构加工。等为提高金属橡胶微丝的耐磨性和使用寿命，使用 激光打标机在 不锈钢微丝表面制备了等间距、致密排列的环形槽阵列，摩擦学试验表明，织构可以明显改善微丝的磨损性能，提高微丝的耐摩性，降低其摩擦因数。毛亚洲等通过摩擦试验对以空气为介质激光加工制备的表面织构动压滑动轴承摩擦学特性进行了探究，研究发现织构表面、种元素含量增大，表面出现硬化现象，摩擦学试验表明织构化后的动压滑动轴承磨损性能明显提高。刘泽宇等利用光纤激光器在陶瓷刀具表面加工出不同类型的表面织构，通过摩擦学试验和有限元仿真验证了织构可降低刀具表面摩擦因数、提高耐磨性。激光加工表面织构可以提高固体表面的摩擦学性能，但激光加工本质为激光光束与固体表面材料的热耦合作用，因此容易出现热梯度大、冷却速度快、熔液飞溅过大等问题，单纯的空气加工容易出现氧化重铸、毛刺等现象。针对于上述问题，近些年学者们提出了液相辅助激光加工技术。液相辅助激光加工技术是指将工件置于溶液中，通过激光高能光束及固液界面气化的耦合效应，在固体表面制备所需的微观形貌，调控表、界面性能，并且可以有效地降低激光加工过程中的热影响，提高加工质量。等采用飞秒激光加工技术，以蒸馏水为介质在铁基体表面制备了波纹状纳米织构，证明了液相辅助激光加工的可行性。等采用蔗糖溶液辅助飞秒激光的加工方法，在镍表面制备仿鱼鳞结构三维织构，得到超亲水性、超亲油性、水下超疏油性的三维表面。采用高功率长脉冲激光加工镍基合金时会使其孔壁表面出现较厚的重铸层，并产生大量的微裂纹，针对这一问题，等在空气、水环境、空气 水环境 种加工工况下进行了激光加工研究，通过分析不同工况下孔的深度、直径及其能谱，结果表明：水环境下激光诱导会产生一定量的气泡，会对工件表面及其孔径内壁产生冲击和崩溃，提高了加工效率，而且改善了工件的加工质量。然而目前关于 不锈钢表面的液相辅助激光加工研究较少，加工得到的表面织构形貌、润湿性、耐腐蚀性及摩擦特性尚不清晰。因此，为进一步地拓宽 不锈钢的应用领域，本文作者利用液相辅助激光在 不锈钢表面制备离散型圆形凹坑织构，探讨了织构试样的摩擦学性能。试验部分 表面织构的制备研究选用的 不锈钢其元素质量分数如表 所示。试验采用的试件大小为 ，由白光干涉仪（三维表面轮廓仪，）测得其初始表面粗糙度 为 。表 不锈钢化学元素质量分数 表面微 纳织构由 光纤激光打标机（河南中航北工只能装备有限公司生产）制备，所用的：激光器最大输出功率 ，波长 ，重复标记精度，重复精度误差小于 ，扫描精度误差小于。激光加工参数如表 所示，具体加工方案及原理如图 所示。辅助液 年第 期杨 辉等：不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能 体为含 （体积分数）双氧水的无水乙醇混合溶液，辅助液体浸没工件上表面 。表 激光加工参数 （），图 激光打标机（），液相辅助激光加工（），激光加工路径（）（）（），（），（）（）表面形貌及其润湿性表征采用 （扫描电子显微镜，美国 公司生产）对试样表面织构的形貌进行检测，同时使用其配套的 （能谱仪系统）检测织构表面元素含量。接触角是表征固体表面润湿性的主要手段之一，文中采用接触角测量仪（，东莞市鼎盛精密仪器有限公司生产）测量试样表面接触角。测量前使用体积比率为 的无水乙醇丙酮混合溶液进行超声清洗 ，室温吹干，清除试样表面杂质。每个试样采用单圆拟合法分别测量 次，每次取 溶液，取其平均值作为最终测量结果。摩擦磨损试验使用 往复式摩擦磨损试验机（，济南华兴试验设备有限公司生产）进行摩擦学试验。试验时，将织构化前后的 不锈钢试样作为下试样并使用石蜡固定于摩擦试验机载物槽内，上试样使用 不锈钢钢球，直径为 。分别在油润滑和干摩擦 种工况进行摩擦学试验，油润滑使用长城 作为润滑介质。摩擦机往复行程为，往复回转速度为 ，正压力设为 ，摩擦时间 ，每种试样进行 次重复试验，取其平均值作为最终测量结果。试验结果与讨论 表面织构形貌特性图 所示为 不锈钢激光加工前后表面形貌。可以看出，原始试样表面粗糙度为 ，空气介质激光加工制备的离散型圆形凹坑织构粗糙度为 ，液相辅助激光加工制备的离散型圆形凹坑织构粗糙度为 。另外，空气介质激光加工制备的离散型圆形凹坑织构表面形貌较差、微凸峰较高且有较深的微沟壑形貌，整体呈现为阵列状微乳头形貌（见图 （）；液相辅助激光加工制备的离散型圆形凹坑织构表面形貌较为均匀、无较大的微凸峰，整体表现为类浪花状形貌（见图 （）。究其原因为空气介质激光加工时，激光的高能光束直接作用于试样表面，导致位于激光加工中心的试样材料产生汽化挥发，而位于边缘的材料虽受高能光束的作用发生熔融，但发生迅速冷却固结与织构边缘形成熔融重铸层及较多的微毛刺。液相辅助激光加工时，在激光高能光束作用下试样表面产生大量的热能，从而促使激光作用点附近的溶液产生汽化产生大量的气泡，同时由于热能的存在导致激光作用点附近的溶液发生受热膨胀逐渐向外部流动。一方面，气泡润滑与密封第 卷随溶液向外分散对激光的扫描路径产生一定积极影响，具体表现为气泡对激光高能光束起到一定的散射效应，使加工更加均匀；另一方面，气泡从激光作用点溢出时，受液压强的影响气泡逐渐变大增加了移动轨迹附近液体的流动速率，从而使激光加工时产生的熔融物被液流携带离加工区域。图 不锈钢激光加工前后表面形貌 ：（）；（）；（）织构表面润湿特性现有研究表明润湿性对固体表面耐腐蚀及耐磨性能都有很大影响，为此，文中使用接触角对 种试样表面的润湿性能进行表征，结果如图 所示。可以看出，不锈钢原始表面接触角为 ，空气介质激光加工制备的离散型圆形凹坑织构表面接触角为，液相辅助激光加工制备的离散型圆形凹坑织构表面接触角为 。上述结果表明，空气介质激光下激光加工可以减小试样表面对液体的吸附能力，而液相辅助激光加工可以增强试样表面固液界面的润湿性能。根据 模型可知，对于亲水性材料，影响固液界面润湿性能的主要因素是表面粗糙度因子，粗糙度因子越大，试样表面接触角越小，亲水性能越强。表面接触角公式为 （）式中：为固液界面本征接触角，（）；为固液界面本征接触角，（）；为单微凸峰的高度；为单微凸峰半径。由图 可以看出，不锈钢为亲水性金属材料，液相辅助下激光加工制备的表面织构呈现类浪花形貌、表面较为均匀，表面粗糙度增大，导致表面亲水性能增强。而空气介质下激光加工的表面织构，表面氧元素含量增大，现有研究表明氧元素对固体表面润湿性能影响较大；另一方面，空气介质激光加 年第 期杨 辉等：不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能 工表面为阵列状微乳头形貌，且微乳头出现较多的毛刺，对溶液有一定的托起作用，多种因素综合作用下空气介质下激光加工的表面润湿性较小，表现出一定的疏水特性。图 试样加工前后表面元素含量及其润湿性能：（）原始表面；（）空气介质激光加工表面；（）液相辅助激光加工表面 ：（）；（）；（）织构表面摩擦磨损性能摩擦因数是界面接触及摩擦特性的主要衡量指标之一，文中测量了界面摩擦因数变化规律。图 所示为干摩擦与油润滑工况下表面摩擦因数对比。可以看出，干摩擦时原始表面平均摩擦因数为 ，空气介质下激光加工表面平均摩擦因数为 ，液相辅助下激光加工表面平均摩擦因数为 ；油润滑情况下原始表面平均摩擦因数为 ，空气介质下激光加工表面平均摩擦因数为 ，液相辅助下激光加工表面平均摩擦因数为 。因此，空气介质激光加工制备的表面织构虽有较好的疏水性能，但其摩擦学性能却差于液相辅助激光加工制备的表面织构。图 种润滑工况下试样表面摩擦因数对比 ：（）；（）；（）润滑与密封第 卷 图 和图 所示分别是干摩擦和油润滑 种工况下的试样表面磨损形貌。可以看出，干摩擦时，空气介质激光加工制备的表面织构划痕最深，液相辅助下制备的表面织构划痕最浅、较为均匀；油润滑时，空气介质与液相辅助制备的表面织构划痕深度相差不大，原始表面划痕深度最深。图 干摩擦工况下试样表面磨损形貌 ：（）；（）；（）图 油润滑下试样表面磨损形貌 ：（）；（）；（）年第 期杨 辉等：不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能 图 所示为 种润滑工况下试样表面磨损率。干摩擦时，原始表面磨损率为 ，空气介质激光加工制备的织构表面磨损率为 ，液相辅助激光加工制备的织构表面磨损率为 ；油润滑时，原始表面磨损率为 ，空气介质激光加工制备的织构表面磨损率为 ，液相辅助激光加工制备的织构表面磨损率为 。表明干摩擦时，空气介质激光加工制备的表面织构并没达到减摩耐磨作用；油润滑时，润滑油在摩擦界面起到了润滑作用，但润滑效果各有不同。图 种润滑工况下试样表面磨损率对比 空气介质激光加工制备的表面织构虽在一定程度上提高了固液界面疏水性能、减小了界面接触面积，在一定程度上提高了试样表面的减摩性能。但因激光加工时熔融物重铸形成的较大的微乳头织构却增大了摩擦界面刮擦现象；且表面织构微凸峰尺度较大，因此摩擦脱落的磨粒尺度也较大，离散在摩擦界面的磨粒形成了较为严重的三体摩擦；另外油润滑工况下，较高的微凸峰刺穿了润滑油形成的动压油膜，影响了润滑效果，因此其摩擦学性能并不理想。液相辅助激光加工时，试样表面材料在液相溶液的保护下经过激光高能光束的作用，试样表层形貌较为均匀、无较大的微凸峰，此时溶液一方面起到了冷却作用，另一方面在激光加工时隔离了空气，减小了试样加工区域的氧化现象。同时，激光的高能光束使辅助溶液快速汽化，气泡脱离时携带出熔融物，在一定程度上减小了熔融物重铸。因此，液相辅助激光加工制备的表面织构界面刮擦现象较轻。另外，较好的润湿性能加快了润滑油在织构间的流动，较为均匀的表面织构使润滑储存分布更加合理。因此，液相辅助激光加工制备的离散型圆形凹坑织构在润滑油存储及流体动压润滑方面优势更加明显。结论为改善 不锈钢耐磨性及润湿性，在空气介质、液相辅助 种介质下在 不锈钢表面激光加工了离散型圆形凹坑织构，得到了疏水与亲水 种表面织构，并对 种表面织构进行摩擦学试验，主要结论如下：（）空气介质激光加工表面织构呈现阵列微乳头形貌，且微乳头表层出现较多的毛刺，对溶液产生一定的托举作用，增强了 不锈钢表面的疏水性能；液相辅助激光加工表面呈现类浪花形貌、表面较为均匀，表面粗糙度增大，增强了其亲水性能。（）空气介质激光加工表面氧化严重，熔融物凝结于加工区域，形成熔融重铸层及毛刺，增加了摩擦界面的刮擦现象，致使表面织构对界面摩擦行为的调控效果变差。（）液相辅助激光加工表面形貌较为均匀、无较大的微凸峰，较好的润湿性能有利于润滑油的存储及铺展，进而改善了界面摩擦行为。参考文献 赵迪，李光福，钟志民核电厂水池用不锈钢的腐蚀问题及相关研究腐蚀与防护，（）：，（）：，（，），（）：，（）：，（）：鹿重阳，杨学锋，王守仁，等三角沟槽形织构化硬质合金工作表面动压润滑及减摩特性摩擦学学报，（）：，（）：，（）：润滑与密封第 卷 ，：，（）：，：，：毛亚洲，杨建玺，徐文静，等表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响中国表面工程，（）：，（）：刘泽宇，魏昕，谢小柱，等激光加工表面微织构对陶瓷刀具摩擦磨损性能的影响表面技术，（）：，（）：，：刘峰，郭旭红，韩玉杰，等基于离子束辅助激光的硬质合金表面微织构制备方法研究表面技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（，），（）：，（）：，：，（）：年第 期杨 辉等：不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能