激光電化學(xué)復(fù)合微加工溝槽織構(gòu)的減摩效果研究

姚宇航

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 摩擦磨損技術(shù)相關(guān)研究

據(jù)不完全統(tǒng)計，人類社會大致有一半的資源消耗是由摩擦磨損造成的[1]，一半以上的零件破損失效也是如此，因此，摩擦學(xué)的研究對于當今社會的可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的意義。在摩擦副表面制備微織構(gòu)圖案，更是當今研究的重中之重，不僅可以改善零件摩擦性能，還能起到提高潤滑效果、降低零件損耗、節(jié)約資源的作用。

早期，俄羅斯學(xué)者Schneider等[2]于1984年提出Vibrorolling技術(shù)，并將其應(yīng)用于表面織構(gòu)的加工，主要使用壓刻機堅硬的壓頭在物體表面滾壓，使其發(fā)生塑性變形，得到較淺的凹坑或溝槽分布，但是該方法的設(shè)備成本與制作成本都較高，且加工得到的織構(gòu)形貌差、精度低，因此，該項技術(shù)很快被淘汰。

1986年，德國學(xué)者Ehrfekd[3]提出了光刻、電鑄和注塑技術(shù)（Lithographie Galanoformung Abformung，LIGA），是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù)，主要包括X光深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制3個工藝步驟，適用范圍廣，但生產(chǎn)效率低，加工設(shè)備費用高。

以色列學(xué)者Etsion等[4-7]于20世紀90年代使用激光加工表面微織構(gòu)，并將其與摩擦學(xué)領(lǐng)域相結(jié)合，其團隊將此技術(shù)應(yīng)用于多種摩擦副，并通過實驗逐漸證明其匹配性與適用性[8-10]，最終加工得到了優(yōu)異的摩擦性能。直至今日，該項技術(shù)由于設(shè)備費用高和操作要求高，仍止步于實驗室的研究使用，沒有廣泛地普及到工業(yè)領(lǐng)域中。

本文采用激光電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)，在7075鋁合金的表面加工出了微溝槽型織構(gòu)，并對試樣進行相關(guān)摩擦性能的測試，考察了其摩擦性能對比光滑表面摩擦性能的差別，同時，研究了溝槽寬度和面積密度對試樣表面減摩效果的影響，驗證了溝槽織構(gòu)在7075鋁合金表面的減摩適用性。

2 微溝槽織構(gòu)加工與摩擦性能測試

2.1 制備微溝槽織構(gòu)

本試驗選取7075鋁合金作為加工試樣，具有優(yōu)秀的抗腐蝕性能、良好機械性能及陽極反應(yīng)。試樣的規(guī)格尺寸定為20×30×8 mm，需先用400目、600目、1 200目、2 000目的普通砂紙及W14的金相砂紙進行拋光處理，洗凈待干燥后方可加工。

本文構(gòu)建了激光電化學(xué)復(fù)合加工試驗系統(tǒng)用于式樣的加工，如圖1所示，其實物如圖2。采用Edgewave PX100-1-GM超短脈沖激光器，其各項參數(shù)如表1所示。試驗選用的電解液為質(zhì)量分數(shù)10%的NaNO3，對設(shè)備腐蝕度較小，加工表面質(zhì)量好，加工精度高，加工電壓為1 V。

圖1 試驗加工系統(tǒng)

圖2 加工設(shè)備實物

表1 激光器相關(guān)參數(shù)

溝槽寬度和溝槽的面積密度是本實驗的主要變量，圖3為溝槽型微織構(gòu)的示意，間距作為間接變量，間距越大面積密度越小；間距越小，面積密度越大。

2.2 試樣表面的摩擦磨損試驗

復(fù)合加工得到試樣，首先，使用酒精洗凈，并進行干燥處理；其次，使用MFT-5000型RTEC摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗。選取10 N，20 N，50 N和80 N作為試驗載荷，選取3 mm/s作為試驗機的工作速度，有效工作行程定為10 mm，滑動方向與溝槽方向相互垂直，在油潤滑的條件下總計工作200 s，電腦自動記錄試驗得到的摩擦系數(shù)的值，最后進行擬合與整理。

3 試驗成果及分析

3.1 溝槽型織構(gòu)形貌

采用上文建立的試驗系統(tǒng)，制備生成微溝槽織構(gòu)，其SEM圖如圖4所示?？梢钥闯?，溝槽形貌良好，基本無加工造成的形貌缺陷。皮秒激光與電化學(xué)復(fù)合刻蝕得到的試樣與單一激光加工所得到的試樣相比，其表面質(zhì)量更好，溝槽寬度更大，但溝槽深度較小。

3.2 溝槽型微織構(gòu)的減摩原理

（1）溝槽型織構(gòu)形貌具有良好的儲存潤滑油功能，能夠儲存更多的潤滑油，意味著摩擦副之間的潤滑油膜將會更加厚實、穩(wěn)定，潤滑效果更好，特別是在高載荷的情況下，其優(yōu)勢就更加明顯；與此同時，溝槽還能捕獲一些脫離摩擦副的磨粒，使得摩擦表面的損耗減小。

（2）流體動壓潤滑效是溝槽型織構(gòu)的一大特點，是指依靠運動副兩個滑動表面的形狀，在相對運動時，形成產(chǎn)生動壓效應(yīng)的流體膜，從而將運動表面分隔開，使之處于潤滑狀態(tài)，使得潤滑油膜能夠承受更大的載荷。

圖3 溝槽織構(gòu)設(shè)計示意

圖4 復(fù)合加工制備的表面微織構(gòu)SEM圖

（3）潤滑介質(zhì)在溝槽中不斷被壓出，流入到摩擦副之間，保持了潤滑的不間斷，形成二次潤滑效應(yīng)，大大優(yōu)化了減摩效果。

3.3 不同參數(shù)對減摩效果的影響

將光滑表面的試樣和溝槽型織構(gòu)表面試樣在相同條件下（載荷150 N、滑動速度1 mm/s）進行摩擦磨損試驗，得到的摩擦曲線如圖5所示?？芍?，在摩擦磨損試驗機長時間工作情況下，兩個試樣的表面摩擦系數(shù)都隨著時間推移先減小再趨于穩(wěn)定。在試樣表面摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定后，可以看到溝槽型織構(gòu)式樣的表面摩擦系數(shù)明顯低于光滑表面試樣。相比于光滑表面，采用溝槽型微織構(gòu)表面能夠大大減小表面摩擦系數(shù)，優(yōu)化摩擦副性能。

3.3.1 溝槽寬度對試樣表面減摩效果的影響

在載荷為20 N和80 N，滑動速度為3 mm/s的情況下，面積密度為30%、深度為10 μm、寬度分別為100 μm，130 μm和160 μm的溝槽試樣，其表面摩擦系數(shù)變化如圖6所示。隨著溝槽寬度的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先減小、后變大的變化趨勢，并且在溝槽寬度為130 μm時，減摩效果最好。這是因為在溝槽寬度小于130 μm時，溝槽寬度增加，導(dǎo)致潤滑油儲存能力變強，減摩效果變好，而且溝槽寬度越大，帶來的動壓潤滑效益也就越好。當溝槽寬度超過130 μm時，溝槽寬度進一步增大，帶來的是試樣表面接觸面積進一步變小，導(dǎo)致摩擦副間壓強增大，油膜的厚度減小，穩(wěn)定性變差，負面影響一舉超過儲存更多潤滑油帶來的正面影響，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不降反升。

圖5 載荷為150 N、滑動速度為1 mm/s時摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線

圖6 20 N和80 N載荷下微溝槽試樣表面摩擦系數(shù)隨溝槽寬度變化

3.3.2 溝槽面積密度對試樣表面減摩效果的影響

深度為10 μm、寬度為130 μm的溝槽試樣在滑動速度為3 mm/s、載荷為10 N，20 N，50 N和80 N的條件下，其表面摩擦系數(shù)隨著面積密度變化如圖7所示。表面摩擦系數(shù)隨著溝槽面積密度的增加，呈現(xiàn)出先減小、后增大的變化趨勢。面積密度越大，代表溝槽之間的間距越小，溝槽數(shù)量越多，一方面，使得儲油空間增大，儲存的潤滑油增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小；另一方面，卻使得摩擦副間接觸面積減小，單位面積所受壓強增大，油膜變薄且變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致表面摩擦系數(shù)增大。當溝槽面積密度超過一定值時，接觸面積減小的效應(yīng)超過儲油增加的效應(yīng)，試樣表面摩擦系數(shù)不升反降。

圖7 微溝槽試樣表面摩擦系數(shù)隨溝槽面積密度變化

不同載荷下的溝槽試樣最優(yōu)面積密度不同。當溝槽寬度為130 μm、溝槽深度為10 μm、滑動速度為3 mm/s時，在載荷為10 N的條件下，溝槽試樣的最優(yōu)面積密度值為35%；在載荷為20 N，50 N的條件下，溝槽試樣的最優(yōu)面積密度值為30%；在載荷為80 N的條件下，溝槽試樣的最優(yōu)面積密度值則為25%。表明溝槽試樣達到最佳減摩效果時，面積密度值是隨著載荷的增加而不斷減小的。這是因為載荷的增加會導(dǎo)致摩擦副間壓強增大，而溝槽表面密度增大也會導(dǎo)致摩擦副間壓強增大，所以，為達到最好的減摩效果，一個值增加時，另一個值必須減小。

4 結(jié)語

本文采用皮秒激光電化學(xué)復(fù)合加工的方法，在7075鋁合金表面加工出了微溝槽織構(gòu)，并通過摩擦磨損試驗，研究了光滑表面與溝槽型微織構(gòu)表面摩擦性能的差異以及溝槽寬度和溝槽面積密度對溝槽型微織構(gòu)減摩效果的影響，得到了以下3點結(jié)論：

（1）相比單一激光加工或者單一電化學(xué)刻蝕加工，采用皮秒脈沖激光與電化學(xué)復(fù)合加工速度快、精度高，制備得到的微溝槽織構(gòu)形貌更好。

（2）在潤滑條件下，相比于光滑表面試樣，溝槽型織構(gòu)表面試樣的減摩效果更好，能大大降低摩擦副間的表面摩擦系數(shù)。

（3）在本試驗選取的參數(shù)條件下，帶有溝槽織構(gòu)的試樣表面摩擦系數(shù)隨溝槽寬度與溝槽面積密度的增加呈現(xiàn)出先變小后增加的變化趨勢。當溝槽寬度為130 μm時，達到最佳減摩效果，最優(yōu)面積密度值隨著載荷的增大而減小，具體要根據(jù)實際工作條件確定。