超短脈沖激光誘導微納織構(gòu)調(diào)控金屬摩擦性能.pdf

1、摩擦磨損行為對機械系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率和服役壽命起到了至關重要的作用。因此，根據(jù)實際需要調(diào)控摩擦副材料的摩擦性能已成為迫切需求。通過設計表面織構(gòu)可以有效的控制機械部件的摩擦性能。在眾多表面織構(gòu)的制備方法中，激光表面織構(gòu)化技術(shù)具有加工速度快、環(huán)境友好且易于控制圖案陣列的幾何參數(shù)等優(yōu)勢。然而，利用傳統(tǒng)的長脈沖激光制備表面織構(gòu)時激光的熱效應會對工件表面未加工區(qū)域造成附加損害。超短脈沖激光由于具有超短的脈寬和超高的峰值功率可以有效地解決加工過程中出現(xiàn)

2、的嚴重熱熔化等問題。因此，超短脈沖激光表面織構(gòu)化技術(shù)被認為是摩擦學應用領域中最具前景的表面織構(gòu)制備方法之一。本文以金屬不銹鋼作為研究對象，系統(tǒng)分析了超短脈沖激光誘導微納織構(gòu)的形成機理和激光工藝參數(shù)對微納織構(gòu)表面的幾何形貌、化學成分、顯微組織、力學性能以及摩擦學性能的影響規(guī)律，為表面織構(gòu)的主動優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。取得了如下主要成果：
　　研究了飛秒激光誘導金屬表面微米織構(gòu)及其摩擦學性能。采用飛秒激光表面織構(gòu)化技術(shù)在不銹鋼表面制備

3、出微溝槽型表面織構(gòu)，同時分析了飛秒激光誘導微米織構(gòu)的形成機理。通過考察微溝槽型表面織構(gòu)的干摩擦性能發(fā)現(xiàn)，隨著微溝槽間距的增大，織構(gòu)試樣的平均摩擦系數(shù)和磨損率呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。與未織構(gòu)試樣相比，當微溝槽間距較小時，表面織構(gòu)具有增大摩擦系數(shù)的作用；而當微溝槽間距增大到某一范圍時，表面織構(gòu)開始呈現(xiàn)減小摩擦系數(shù)的作用。在貧油潤滑條件下，隨著微溝槽間距的增大，織構(gòu)試樣的平均摩擦系數(shù)和磨損率先減小后增大。同時存在最優(yōu)的微溝槽間距使得表面織構(gòu)降

4、低摩擦磨損的效果最佳。另外，微溝槽表面織構(gòu)在干摩擦性能和貧油潤滑摩擦性能方面都表現(xiàn)出各向異性的特點。基于以上結(jié)果可知，飛秒激光誘導表面微米織構(gòu)可以有效調(diào)控不銹鋼的摩擦學性能。
　　研究了皮秒激光誘導金屬表面微納結(jié)構(gòu)及其摩擦學性能。在皮秒脈沖激光表面織構(gòu)化及局部淬火的過程中，不銹鋼表面形成微米溝槽織構(gòu)的同時伴隨有納米結(jié)構(gòu)、Fe2O3和Cr2O3薄膜以及馬氏體的產(chǎn)生。干摩擦實驗結(jié)果表明，隨著微溝槽間距的增大，織構(gòu)試樣的平均摩擦系數(shù)和磨

5、損率先增大后減小。與未織構(gòu)試樣相比，當微溝槽間距較小時表面微納結(jié)構(gòu)具有減小摩擦和降低磨損的作用；而當微溝槽間距增大到某一范圍時，表面微納結(jié)構(gòu)增大了不銹鋼的摩擦系數(shù)和磨損率。微溝槽織構(gòu)和局部淬火效應(納米結(jié)構(gòu)和氧化膜的出現(xiàn)以及馬氏體相變)的協(xié)同作用是調(diào)控不銹鋼摩擦學性能的主要機制。
　　研究了飛秒激光誘導金屬表面周期納米結(jié)構(gòu)及其摩擦學性能。通過飛秒激光誘導的自組裝技術(shù)，在不銹鋼表面誘導亞波長周期納米結(jié)構(gòu)，研究了飛秒激光加工參數(shù)對不銹

6、鋼表面周期納米結(jié)構(gòu)幾何特征的影響，同時分析了飛秒激光誘導周期表面納米結(jié)構(gòu)的形成機制。通過考察飛秒激光誘導周期表面納米結(jié)構(gòu)的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)這種條紋結(jié)構(gòu)可以有效降低干摩擦條件和貧油潤滑條件下不銹鋼的平均摩擦系數(shù)和磨損程度。同時，飛秒激光誘導周期表面納米結(jié)構(gòu)在干摩擦性能和貧油潤滑摩擦性能方面都表現(xiàn)出一定程度的各向異性。
　　研究了飛秒激光誘導周期表面納米結(jié)構(gòu)與原子層沉積涂層的復合摩擦性能。結(jié)合飛秒激光表面織構(gòu)化技術(shù)及原子層沉積技術(shù)在不