利用激光表面織構(gòu)改善鈦鋯合金乏油潤滑摩擦學(xué)性能

牛一旭，逄顯娟，趙若凡，上官寶，張永振

(河南科技大學(xué) a.高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院；c.化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能和生物相容性好等優(yōu)異特性。然而，鈦合金的塑性剪切抗力較低、耐磨性較差，限制了其在摩擦學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[1-3]。為此，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了表面技術(shù)提高鈦合金摩擦學(xué)性能的研究工作。目前，常用的表面處理技術(shù)主要有表面氧化、表面鍍膜、離子注入以及激光表面織構(gòu)化[4-7]。

利用激光表面織構(gòu)化技術(shù)提升材料表面的摩擦學(xué)性能，是近年來摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[8-9]。文獻(xiàn)[10-11]研究了織構(gòu)參數(shù)對灰鑄鐵乏油滑動摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)面密度(surface planar, SP)是影響摩擦因數(shù)的主要因素。然而，不同條件下得到的最優(yōu)織構(gòu)面密度也不相同。文獻(xiàn)[12]在乏油條件下對不同織構(gòu)面密度摩擦表面進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，在織構(gòu)面密度最小時得到了最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。而文獻(xiàn)[13]研究了干摩擦條件下具有不同織構(gòu)面密度的鈦合金表面摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明在載荷較小時，織構(gòu)面密度越大，摩擦因數(shù)越小。文獻(xiàn)[14]對激光織構(gòu)化Ti6Al4V表面的生物學(xué)性能以及摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明相比于未織構(gòu)試樣，合適的凹坑織構(gòu)能有效促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖及擴(kuò)散，并能降低摩擦因數(shù)，減少磨損。文獻(xiàn)[15]在鈦合金表面加工了溝槽型、網(wǎng)格型及凹坑型織構(gòu)，分別在干摩擦和Hank’s溶液潤滑條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，研究表明凹坑型織構(gòu)具有較好的減摩耐磨效果。文獻(xiàn)[16]在載荷為1～6 N的條件下對激光織構(gòu)化鈦合金表面進(jìn)行富油摩擦試驗(yàn)，結(jié)果表明織構(gòu)化處理可以有效降低摩擦因數(shù)，且摩擦因數(shù)變化與載荷密切相關(guān)。文獻(xiàn)[17]對凹坑織構(gòu)表面摩擦磨損進(jìn)行正交試驗(yàn)和回歸分析，表明載荷和滑動速度是影響摩擦因數(shù)和磨損率的主要參數(shù)。

然而，大部分關(guān)于激光織構(gòu)化對鈦合金表面摩擦學(xué)性能影響的研究是在較低的載荷和滑動速度條件下進(jìn)行的，而且有關(guān)乏油條件下織構(gòu)面密度的影響研究十分有限。因此，本文在前期研究[18-19]的基礎(chǔ)上，利用激光織構(gòu)技術(shù)，在鈦鋯合金表面加工4種面密度的凹坑型織構(gòu)，并在不同的載荷和滑動速度條件下進(jìn)行乏油滑動試驗(yàn)，以期優(yōu)化織構(gòu)參數(shù)，提升鈦鋯合金表面的摩擦學(xué)性能。

1 試驗(yàn)

1.1 激光表面織構(gòu)

表1 鈦鋯合金元素成分 %

試驗(yàn)所用材料為Φ30 mm×10 mm的鈦鋯合金圓盤，主要元素成分見表1。激光織構(gòu)加工前，將試樣表面研磨拋光至表面粗糙度Ra≈0.5 μm，并用酒精在超聲波中清洗20 min。采用SP355-8納秒紫外激光加工設(shè)備在鈦鋯合金盤試樣表面加工凹坑型織構(gòu)，激光波長355 nm，脈寬20 ns，脈沖頻率50 kHz，輸出功率1 W。凹坑織構(gòu)直徑為100 μm、深度為5 μm，通過改變凹坑間距，在試樣表面加工織構(gòu)面密度分別為5%、10%、15%和20%的凹坑織構(gòu)。激光加工后，對凹坑織構(gòu)表面進(jìn)行輕微拋磨，以去除凹坑周圍的毛刺。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)所用設(shè)備為UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副接觸方式為球-盤式。上試樣為Φ6.35 mm的GGr15鋼球，保持固定，鋼球硬度為62HRC，表面粗糙度Ra≈0.02 μm。下試樣為織構(gòu)和未織構(gòu)的鈦鋯合金盤試樣，做往復(fù)直線運(yùn)動。

具有不同織構(gòu)面密度(5%、10%、15%、20%)的試樣在滑動速度為4 mm/s，載荷分別為3 N、6 N、12 N和24 N；以及載荷為12 N，滑動速度分別為2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s和8 mm/s的條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。往復(fù)行程均為4 mm，試驗(yàn)時間為30 min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)使用潤滑油為PAO 4基礎(chǔ)油，運(yùn)動黏度(40 ℃)為16.8 mm2/s。試驗(yàn)前，使用移液槍在表面接觸點(diǎn)處滴加0.1 μL PAO 4，試驗(yàn)過程中不再添加潤滑油，以此實(shí)現(xiàn)乏油潤滑。對未織構(gòu)的盤試樣進(jìn)行同樣參數(shù)下的摩擦磨損試驗(yàn)，用以與織構(gòu)試樣的摩擦學(xué)性能進(jìn)行對比。

1.3 材料表面檢測與分析

使用三維形貌儀(nano focus μsurf-expert, 德國)對激光織構(gòu)化表面的凹坑織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行檢測。三維形貌儀能夠直觀反映出磨痕的寬度及深度，并測得磨損體積，從而根據(jù)式(1)計(jì)算體積磨損率W：

(1)

其中：W為體積磨損率，mm3/(N·m)；V為磨損體積，mm3；P為載荷，N；v為滑動速度，m/s；t為滑動時間，s。

采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM，TESCAN,VEGA 3 SBH)觀察試樣表面的磨痕形貌。磨痕形貌可以反映出表面磨損狀態(tài)，有助于進(jìn)一步分析磨損機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 凹坑織構(gòu)形貌

面密度為15%的凹坑織構(gòu)表面三維形貌及其輪廓線如圖1所示。由圖1a可以看出：凹坑織構(gòu)均勻分布在材料表面，呈矩陣排列，凹坑間距保持一致。圖1b為凹坑織構(gòu)的輪廓線，由圖1b可以看出：織構(gòu)的直徑為(100±5) μm，深度為4～6 μm。凹坑織構(gòu)的實(shí)際參數(shù)與所設(shè)定的參數(shù)基本一致，說明激光加工具有較高的加工精度。

(a) 凹坑織構(gòu)三維形貌 (b) 凹坑織構(gòu)輪廓線

2.2 不同載荷下織構(gòu)表面的摩擦學(xué)性能

圖2為不同載荷下織構(gòu)表面與未織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)變化。如圖2a和圖2b所示，載荷為3 N和6 N時，在整個摩擦試驗(yàn)過程中，未織構(gòu)試樣和面密度較低的織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)均較高且波動較大；載荷為12 N時(見圖2c)，摩擦因數(shù)波動有所減小，而未織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)一直高于織構(gòu)試樣；而在載荷為24 N時(見圖2d)，隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)均進(jìn)入了相對平穩(wěn)階段。顯然，隨著載荷增加，所有試樣的摩擦因數(shù)都有所降低且變得平穩(wěn)；在較高載荷下，織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)均低于未織構(gòu)試樣，而面密度為20%的織構(gòu)試樣在不同載荷下均能保持較低的摩擦因數(shù)。

(a) 3 N (b) 6 N

(c) 12 N (d) 24 N

為更加直觀地對比不同載荷下織構(gòu)試樣與未織構(gòu)試樣的摩擦磨損性能，求取各個試樣的平均摩擦因數(shù)和平均磨損率，結(jié)果如圖3所示。從圖3a中可以看出：在載荷較低(3 N和6 N)時，面密度為5%的織構(gòu)試樣沒有減摩效果，平均摩擦因數(shù)與未織構(gòu)試樣幾乎一樣，均大于0.45；其余3種面密度的織構(gòu)試樣，其平均摩擦因數(shù)為0.38～0.45，相比于未織構(gòu)試樣，面密度為20%的織構(gòu)表面具有最大的減摩效果，在兩種載荷下平均摩擦因數(shù)分別降低了20% 和23%。而在載荷較高(12 N和24 N)時，織構(gòu)試樣之間的平均摩擦因數(shù)差別不大，且所有織構(gòu)試樣的平均摩擦因數(shù)均低于0.4。相比于未織構(gòu)試樣，載荷為12 N時，面密度為10%的織構(gòu)減摩效果最小，平均摩擦因數(shù)降低了11.4%；而面密度為20%的織構(gòu)表面的平均摩擦因數(shù)降低了19.8%。載荷為24 N時，面密度為5%的織構(gòu)減摩效果最小，平均摩擦因數(shù)降低了7.1%，而面密度為20%的織構(gòu)表面則使平均摩擦因數(shù)減小了15.2%。在同一載荷下，面密度越高的織構(gòu)表面，其平均摩擦因數(shù)也越低。對比不同載荷下同種試樣的平均摩擦因數(shù)可以看出，隨著載荷的增加，各種試樣的平均摩擦因數(shù)均隨之降低，因此載荷對鈦合金表面摩擦學(xué)性能有較大影響。在載荷較低時，面密度為20%的凹坑織構(gòu)表面具有最好的減摩效果，可以降低平均摩擦因數(shù)約20%～23%。

圖3b為不同載荷下各個試樣的平均磨損率。隨著載荷的增加，未織構(gòu)試樣的平均磨損率降低，而織構(gòu)試樣的平均磨損率變化則各不相同。在載荷較低時，織構(gòu)試樣的平均磨損率均高于未織構(gòu)試樣；在載荷較高時，面密度為5%和10%的織構(gòu)試樣具有較低的平均磨損率。在載荷為12 N時，相比于未織構(gòu)試樣，面密度為5%和10%的織構(gòu)試樣的平均磨損率分別降低了52% 和49%；在載荷為24 N時，面密度為5%和10%的織構(gòu)試樣的平均磨損率則分別降低了26% 和13%。而在4種載荷下，面密度為15%和20%的織構(gòu)試樣的平均磨損率均較高。由此可以看出，織構(gòu)面密度較高時，雖然可以取得較好的減摩效果，但其耐磨性較差。載荷較高時，面密度為10%的凹坑織構(gòu)既有良好的減摩效果，也有較好的耐磨性。

(a) 平均摩擦因數(shù) (b) 平均磨損率

2.3 不同滑動速度下織構(gòu)表面的摩擦學(xué)性能

不同滑動速度下織構(gòu)表面與未織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)變化如圖4所示。由圖4a可以看出：在滑動速度為2 mm/s時(見圖4a)，未織構(gòu)試樣、面密度為5%和10%的凹坑織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)較高且波動明顯；在滑動速度為4 mm/s時(見圖4b)，織構(gòu)試樣摩擦因數(shù)均有降低，而未織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)仍較高且有較大波動；在滑動速度為6 mm/s和8 mm/s時，如圖4c和圖4d所示，未織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)仍然較高且波動較大，未出現(xiàn)明顯的平穩(wěn)階段，相比之下織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)較低且波動較小。在4種滑動速度條件下，面密度為20%的凹坑織構(gòu)表面均能保持較低且較平穩(wěn)的摩擦因數(shù)。

(a) 2 mm/s (b) 4 mm/s

(c) 6 mm/s (d) 8 mm/s

圖5為不同滑動速度下織構(gòu)表面與未織構(gòu)表面的平均摩擦因數(shù)和平均磨損率。由圖5a可以看出：4種滑動速度條件下未織構(gòu)試樣的平均摩擦因數(shù)均較高，大于0.45；滑動速度為2 mm/s時，相比于未織構(gòu)試樣，面密度為5%和10%的織構(gòu)表面沒有減摩效果，而在其他滑動速度條件下，所有織構(gòu)試樣均具有良好的減摩效果。其中，在滑動速度為4 mm/s時，面密度為10%的織構(gòu)表面減小平均摩擦因數(shù)約11.4%；而密度為20%的織構(gòu)面則使平均摩擦因數(shù)降低了24%。4種滑動速度條件下，面密度為15%和20%的織構(gòu)表面都有較低的平均摩擦因數(shù)。然而，在4種滑動速度條件下，面密度為15%和20%的織構(gòu)表面，其平均磨損率均較高，耐磨性較差，如圖5b所示。相較而言，在滑動速度為2 mm/s和4 mm/s時，面密度為10%的凹坑織構(gòu)有一定的耐磨效果，相比于未織構(gòu)表面，其平均磨損率分別降低了25%和49%。

(a) 平均摩擦因數(shù) (b) 平均磨損率

2.4 磨損機(jī)理分析

圖6是載荷為12 N、滑動速度為4 mm/s時，未織構(gòu)與不同織構(gòu)面密度的試樣表面磨損形貌及磨痕輪廓線。圖6a和圖6d分別為未織構(gòu)表面的磨損形貌和磨痕輪廓線。由圖6a和圖6d可以看出：未織構(gòu)表面的磨痕深度約為10 μm，磨痕寬度為600 μm，表面磨損主要為犁溝和黏著。這主要是因?yàn)椋阂环矫妫伜辖鸨砻娴乃苄约羟锌沽^低[2]，硬質(zhì)對磨球?qū)涃|(zhì)基體的犁削作用會造成嚴(yán)重的材料損失，因此在表面留下較深的犁溝；另一方面，鈦合金表面形成的磨屑大部分被擠出摩擦接觸面，一部分轉(zhuǎn)移到對磨球表面[20]，在摩擦過程中被反復(fù)碾壓變形，黏著于磨痕表面。

(a) 未織構(gòu)表面磨損形貌 (b) SP10%表面磨損形貌 (c) SP20%表面磨損形貌

(d) 未織構(gòu)表面磨痕輪廊線 (e) SP10%表面磨痕輪廊線 (f) SP20%表面磨痕輪廊線

圖6b和圖6e分別是面密度為10%的織構(gòu)表面的磨損形貌和磨痕輪廓線。由圖6b和圖6e可以看出：面密度為10%的織構(gòu)表面的磨痕深度小于10 μm，磨痕寬度小于500 μm，磨損主要為犁溝。顯然，面密度較低時，凹坑織構(gòu)有減小磨損的作用。這主要是因?yàn)樵诜τ蜅l件下，凹坑織構(gòu)的存在可以儲存潤滑油、捕捉磨屑、減小磨粒磨損和黏著磨損[15]。圖6c和圖6f分別是面密度為20%的織構(gòu)表面的磨損形貌和磨痕輪廓線。由圖6c和圖6f可以看出：面密度為20%的織構(gòu)表面的磨痕深度均大于15 μm，磨痕寬度為700 μm，磨損機(jī)制為嚴(yán)重的犁溝磨損。由此可見，織構(gòu)面密度較高時，凹坑織構(gòu)加劇了表面磨損。這是因?yàn)榘伎涌棙?gòu)會增加表面的粗糙度[21]，減小實(shí)際接觸面積，增加局部接觸壓力降低表面的耐磨性。因此，雖然面密度較高的凹坑織構(gòu)可以儲存較多的潤滑油，有利于減小摩擦因數(shù)，但是面密度較高時，對表面的連續(xù)性破壞也較大，增加了局部接觸應(yīng)力，加劇了表面的磨損。在乏油條件下，合適的織構(gòu)面密度(10%)既可以降低鈦合金表面的摩擦因數(shù)，也可以減小表面的磨損，有效地提高鈦合金表面的摩擦磨損性能。

3 結(jié)論

(1)載荷對鈦合金表面摩擦學(xué)性能影響較大，載荷較低時，面密度為20%的凹坑織構(gòu)使平均摩擦因數(shù)降低約20%～23%，但會加劇材料表面的磨損。載荷較高時，面密度為10%的織構(gòu)既可以降低平均摩擦因數(shù)，也可以減小磨損。

(2)滑動速度較低時，面密度為15%和20%的凹坑織構(gòu)均具有良好的減摩效果，但耐磨性較差，而面密度為10%織構(gòu)試樣的平均磨損率較低?；瑒铀俣容^高時，織構(gòu)試樣之間的平均摩擦因數(shù)差別不大，但磨損率較高。

(3)在載荷為12 N、滑動速度為4 mm/s時，面密度為10%的凹坑織構(gòu)可以使平均摩擦因數(shù)降低約11%，減小平均磨損率約49%，有良好的減摩耐磨效果，提高了鈦合金表面的摩擦磨損性能。