激光表面構(gòu)造規(guī)則微凸表面的摩擦學(xué)性能

激光表面構(gòu)造規(guī)則微凸表面的摩擦學(xué)性能

接近相同體積的tini形狀記憶合金（sma）具有良好的形狀記憶效果（sme）、可變彈性（pe）、耐腐蝕性好、生物兼容性好、抗逆性好、應(yīng)用前景[1.3]。作為結(jié)構(gòu)材料,TiNi合金還是一種優(yōu)良的抗磨耐沖蝕材料,但其加工制造困難,加工時(shí)的摩擦界面失穩(wěn)造成難以潤(rùn)滑,限制了其工程應(yīng)用[4~6]。摩擦學(xué)問題發(fā)生于接觸的表面與界面上,表面形貌的優(yōu)化設(shè)計(jì)則表明不改變TiNi材料結(jié)構(gòu),不需要特殊的潤(rùn)滑劑就可以實(shí)現(xiàn)減小摩擦系數(shù)、提高耐磨性、增大臨界抗擦傷載荷[7~9]的目的。這為有效降低TiNi合金制品加工、運(yùn)行中的摩擦系數(shù)提供了一種思路。本研究在TiNi表面運(yùn)用激光技術(shù)構(gòu)造3種不同密度的規(guī)則微凸表面形貌,考察其在不同載荷和速度下與45#鋼對(duì)磨時(shí)的摩擦學(xué)性能。1試件設(shè)計(jì)與試樣制備試驗(yàn)用TiNi合金由西安賽特金屬開發(fā)有限公司提供,成分為Ti-50.9at%Ni。試樣為φ30mm×5mm的盤,其硬度為2690MPa(HV)。試盤表面粗糙度(Ra)為0.135μm。試盤清洗后置于干燥器中保存,以便在其表面激光加工凸體和摩擦之用。采用波長(zhǎng)為1064nm,脈沖寬度3.5ms的WF200型Nd:YAG激光器在TiNi試盤表面進(jìn)行微凸化處理,每個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)微凸體,所得TiNi試盤表面凸體形貌如圖1a所示。微凸體之間橫向與縱向間距相等,有1.83,2.50,3.18mm3種。采用日本Lasertec公司C130型真實(shí)色共聚焦顯微鏡測(cè)得單個(gè)微凸體的表面形貌及其三維形貌尺寸,見圖1b、1c。微凸體直徑(d)設(shè)計(jì)為0.5、0.65、0.95mm3種。由圖1c可見,凸體高度為7.3~33.2μm,其周圍是75~200μm帶寬的環(huán)形凹槽。按照凸體密度(凸體面積與整個(gè)試盤面積之比)的大小設(shè)計(jì)了3種形式的凸體表面,其表面參數(shù)見表1。摩擦磨損試驗(yàn)在銷-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用L-TSA46抗氧防銹汽輪機(jī)油潤(rùn)滑(40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度為:44.10mm2/s)。上試樣為45#鋼圓柱銷(其硬度為5500MPa(HV),尺寸φ6mm×10mm),下試樣為具有凸體的TiNi合金試盤(尺寸φ30mm×5mm),固定在下方試樣夾持器上,由主軸驅(qū)動(dòng)以一定速度旋轉(zhuǎn),磨痕半徑約為10.9mm。摩擦系數(shù)由貼應(yīng)變片構(gòu)成的電橋測(cè)得的摩擦力信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄并除以正壓力而得。實(shí)驗(yàn)的初始接觸壓力為:0.21、0.42、0.63、0.84、1.19MPa。選用的滑動(dòng)速度為:0.125、0.250、0.50、0.750、1.0m/s。每次磨損時(shí)間定為10min。試驗(yàn)結(jié)果取3次測(cè)量的算術(shù)平均值。試驗(yàn)前后所有試件均用丙酮超聲清洗3min,并烘干。磨損表面形貌用日本HITACHI公司的S-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。磨損表面磨屑元素組成用英國(guó)牛津公司(Oxford)的INCAEnergy+型能譜儀分析。2結(jié)果與討論2.1中、低密度凸體試盤摩擦系數(shù)降低率在0.25m/s滑動(dòng)速度下,4種凸體形貌的摩擦系數(shù)隨載荷的變化及摩擦系數(shù)的降低率隨載荷變化的關(guān)系如圖2和圖3所示?？梢钥闯?油潤(rùn)滑下,相同載荷下表面凸體TiNi試盤的摩擦系數(shù)低于表面無(wú)凸體的TiNi試盤;隨著載荷的增加,具有中、低密度凸體試盤的摩擦系數(shù)先減小后增大,低密度凸體試盤的摩擦系數(shù)降低率一直在減小,摩擦系數(shù)降低率最大值(44.6%)發(fā)生在加載0.21MPa的低密度凸體的試盤。試驗(yàn)過程中,中、低密度凸體試盤在加載0.84MPa時(shí),表面被劃傷,高密度凸體試盤表面無(wú)明顯劃痕(見圖4)。2.2表面凸體試盤降低率圖5和圖6分別示出了在0.63MPa接觸壓力下4種合金摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化及摩擦系數(shù)降低率隨速度變化的情況?？梢?在滑動(dòng)速度為0.125m/s時(shí),4種試盤的摩擦系數(shù)均在0.11附近;速度大于0.125m/s以后,表面凸體TiNi試盤的摩擦系數(shù)低于表面無(wú)凸體的TiNi試盤;隨著速度的增加,表面凸體TiN試盤的摩擦系數(shù)是先減小后增大,而摩擦系數(shù)降低率最大值(42.3%)發(fā)生在滑動(dòng)速度為0.75m/s的低密度凸體試盤。凸體試盤的摩擦系數(shù)小于無(wú)凸體試盤的摩擦系數(shù),可能與部分彈性流體潤(rùn)滑有關(guān)。各向同性的(凸體的長(zhǎng)寬比γ=1)粗糙表面,壓力流量因子Φ<1,產(chǎn)生附加的泵效應(yīng),使平均油膜厚度比光滑面時(shí)的值有所增加,從而改善潤(rùn)滑性能,摩擦系數(shù)降低。隨著速度的增加,圖5中表面凸體TiNi試盤的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這表明:在速度較小時(shí),由于流體動(dòng)壓效應(yīng)尚未完全建立,處于混合潤(rùn)滑時(shí)期,摩擦系數(shù)較大;隨著速度繼續(xù)增加,達(dá)到Stribeck曲線的最低點(diǎn),摩擦系數(shù)也相應(yīng)經(jīng)歷一個(gè)低谷,然后逐漸增大。2.3磨損表面形貌圖4示出了TiNi合金盤和45#鋼磨損表面形貌SEM照片(加載0.84MPa,滑動(dòng)速度0.25m/s,實(shí)驗(yàn)時(shí)間10min)。由低、中密度凸體試盤磨損形貌(圖4a和4b)可見,合金表面的磨損形式以微觀切削、犁溝和粘著磨損為主。沿滑動(dòng)方向粘著物主要集中于凸體周圍的凹槽內(nèi)。凹槽可富集摩擦過程中產(chǎn)生的磨損微粒,有利于延緩犁溝的形成,增強(qiáng)抗磨性。圖4c為高密度凸體試盤的磨損表面形貌,在凸體表面上有幾條輕微犁溝且磨痕較淺,而合金基體表面幾乎觀測(cè)不到磨痕。圖4d為無(wú)凸體試盤的磨損表面,有明顯的劃痕和犁溝,塑性變形嚴(yán)重,且粘附的磨屑沒有富集現(xiàn)象。對(duì)合金試樣表面磨屑進(jìn)行能譜分析(見圖7),可見磨屑中有來自對(duì)摩偶件的Fe元素。從45#鋼磨損表面形貌(見圖4e)可以看出,磨損表面存在犁溝和鋼被撕去留下凹坑,撕脫的材料則粘到TiNi試盤表面。TiNi凸體試盤表面由于凸體的存在,對(duì)偶副之間真實(shí)接觸面積小,實(shí)際接觸壓力大,易于發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變超彈性,而表現(xiàn)出較好的耐磨性。隨著接觸壓力增大,在0.84MPa壓力作用下,中、低密度凸體表面已進(jìn)入塑性屈服階段,由于45#鋼的硬度遠(yuǎn)大于TiNi合金,在合金表面形成微觀切削和犁溝(見圖4a、4b)。TiNi合金在進(jìn)入塑性屈服階段后,凹槽及TiNi合金基體表面均呈現(xiàn)出微觀切削和犁溝,凹槽減磨的效果降低。隨著摩擦?xí)r間延長(zhǎng),因摩擦熱的積聚,摩擦面的溫度上升,由于45#鋼的熱硬性不如TiNi合金,45#鋼的強(qiáng)度急劇下降,磨損急劇增加。Ti-Ni合金因具有較好的熱硬性,而沒有發(fā)生嚴(yán)重的磨損(如圖4c)。3織構(gòu)盤和抗磨性能1)油潤(rùn)滑下,凸體TiNi試盤可有效降低摩擦系數(shù),達(dá)到0.1以下,摩擦系數(shù)降低率最大值(44.6