表面織構化對摩擦學性能影響的研究進展

(新疆大學機械工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引 言

摩擦磨損是機械系統中普遍存在的問題，約2/3工程材料損失量和80%機械零部件失效事故都是由摩擦磨損造成的[1]。據統計，英國、美國、日本、德國等發達國家每年因摩擦磨損而造成的經濟損失占國民生產總值的1%2%。我國的情況更加不容樂觀，每年因摩擦磨損造成的直接經濟損失高達3 270億元，由摩擦磨損帶來的間接經濟損失更是無法估量[2]。此外，摩擦磨損造成的大量材料損失成為我國建立資源環境友好型社會，實現經濟可持續發展的攔路虎。因此，大力發展減磨技術，提高機械零件的使用壽命成為研究者關注的重點。

1966年，HAMILTON等[3]打破了傳統認知上的潤滑理念[4]，率先指出摩擦副表面的微凹坑能夠在潤滑條件下產生流體動壓效應，進而提高摩擦副表面的耐磨性能。近二十年來，研究者從大自然中獲得啟發，逐步認識到非光滑表面的優異性能。仿生學研究發現：荷葉表面有序排列的凸起微結構賦予其“出淤泥而不染”的自清潔能力；海豚和鯊魚表皮的菱形凸起結構能夠幫助其減小水下流體阻力，降低游行過程產生的噪聲；土壤動物(蚯蚓、螻蛄、蟑螂等)體表規則的凸起或凹坑結構可以大大減小其在土壤中穿行時的摩擦力[5-7]。隨著仿生學研究的深入，表面織構技術應運而生；該技術是通過微細加工技術在材料表面加工出具有一定幾何形貌與尺寸，且排列規律的圖案，從而改善材料表面摩擦學性能的新型表面改性技術。表面織構因其在改善材料摩擦學性能方面的突出優勢，而在機械摩擦配副中發揮著重要作用。為了給相關研究人員提供參考，作者對表面織構的加工技術，不同工況下表面織構的減磨機理，以及表面織構形貌及其幾何參數對耐磨性能的影響等方面的研究進展進行了綜述。

1 表面織構的加工技術

1.1 傳統加工技術

傳統的表面織構加工技術主要有反應離子刻蝕技術、噴丸技術、機械壓刻技術、電解加工技術、珩磨加工技術等。WANG等[8]采用反應離子蝕刻技術在摩擦副表面加工出分布均勻的微凹坑圖案，提高了試樣表面的耐磨性能。UEHARA等[9]采用噴丸技術在氮化硅陶瓷表面加工出凹坑織構，使得在油潤滑條件下試樣表面的耐磨性能得到顯著提高。李凱凱[10]利用電解加工技術在缸套表面加工出均勻密度、變密度和復合密度三種形式的織構，發現在充分潤滑情況下，面積率(織構化區域面積在整個試樣表面的占比)為10%的復合密度型表面織構化試樣表現出最優的減磨效果。CHO等[11]采用微型數控機械加工技術在聚甲醛表面加工凹坑織構，發現在潤滑條件下面積率為10%的織構化表面的摩擦因數最低，為光滑表面的50%。

反應離子刻蝕技術和機械壓刻技術的加工精度高，但前者需要輔助設備，后者工藝復雜且壓刻表面的金剛石易剝落，這些都會導致加工成本升高，因此這兩種技術均不適合大批量加工零件。噴丸技術和電解加工技術雖然具有設備簡單、加工成本低等優點，但電解加工后有廢液產生，特殊氣氛下的噴丸技術會對環境造成污染，這與我國提倡的綠色可持續發展目標不符。珩磨加工技術雖然具有加工效率高的優點，但在加工過程中材料之間相互擠壓，甚至會產生材料剝落現象，因此不適用于加工精度要求較高的零件。

1.2 激光加工技術

激光加工技術作為一種新興的表面織構加工技術，具有加工精度高、加工效率快、無污染、與零件非接觸等優點，迅速成為表面織構加工領域最受歡迎的方法之一[12]。其中，飛秒激光(超短脈沖激光)加工技術的優勢更為顯著[13-14]。飛秒激光照射到材料表面時，表面局部溫度在很短的時間內急速升高，使材料直接蒸發；同時，由于脈沖時間在飛秒級別，材料內部完成熱傳導所需要的時間遠大于材料蒸發的時間，因此熱影響區非常小，加工出的織構形狀規整、尺寸精準。FATIMA等[15]通過飛秒激光技術在刀具上加工出微溝槽織構，并通過正交試驗法對AISI4140鋼進行干式切削試驗，發現與非織構化刀具相比，切削時織構化刀具前后刀面的摩擦因數分別減小了17%，18%。董光能等[16-17]采用激光織構化技術在TiNi合金表面構造了規則的微凸表面形貌，發現織構化TiNi合金的摩擦因數可降至0.1以下。

2 表面織構的減磨機理

2.1 干摩擦條件下的減磨機理

在干摩擦條件下，零件凸起部位最先剝落而形成磨屑；若未及時清理，隨著摩擦副的相對運動，磨屑很容易在接觸面上形成犁溝，破壞表面形貌。表面織構作為一個天然的“存儲器”可以收集磨屑，減少磨屑對基體的二次磨損[18]。SUGIHARA等[19]采用飛秒激光加工技術在硬質合金刀具上加工微凹坑和溝槽織構，發現在干式切削條件下刀具表面織構會附著磨屑，且刀具表面磨痕很少。連峰等[20]研究表明，在干摩擦條件下點陣狀織構試樣的摩擦因數比光滑試樣的小，直線織構試樣和網格織構試樣的摩擦因數則比光滑試樣的大，這是因為點陣狀織構在摩擦過程中更能有效捕獲磨屑，從而提高試樣的耐磨性能。表面織構除了可捕獲磨屑外，還可以提高基體的硬度。宋起飛等[21]研究發現，采用激光加工方法在鑄鐵上加工出織構后，其表面硬度高于基體的，織構的存在相當于在基體中增加了硬質強化點，即在基體中添加了增強相，從而導致硬度提高，因此耐磨性也隨之提高。韓志武等[22]用激光重熔技術在軋輥模型試樣表面加工出凹坑形、波紋形、凸包型和鱗片形等4種仿生微織構，發現仿生微織構試樣的耐磨性能均優于光滑試樣的，這與激光加工后試樣表面重熔區形成微細的萊氏體組織有關。綜上可知，干摩擦條件下表面織構的減磨機理主要歸結為：織構存儲磨屑，減少二次磨損；織構處的硬度高于基體的(相變硬化)，導致耐磨性也隨之提高。

2.2 潤滑條件下的減磨機理

2.2.1 高速輕載工況

在高速輕載工況下，流體動壓效應是微凹坑織構具有減磨效果的主要原因。流體動壓理論的早期發現得益于推力軸承的試驗研究，在該研究中發現具有一定表面粗糙度的平行表面的潤滑性能更好[23-26]。王素華等[27]研究發現，在潤滑條件下磨損時可將表面織構看作微小流體動壓軸承，可在摩擦副表面產生流體動壓膜，從而減小摩擦因數，達到減磨效果。吳澤等[28-29]采用激光加工技術在硬質合金刀具前刀面易磨損處加工出橢圓形微溝槽，在微溝槽內填充固體潤滑劑后對TC4鈦合金進行切削試驗，發現該自潤滑刀具在改善刀/屑界面的潤滑狀態的同時，還能顯著降低切削過程中的切削力和切削溫度，從而提高刀具的使用壽命。在高速輕載工況下，摩擦副兩接觸面間的潤滑劑會產生流體動壓膜，可有效防止摩擦副的直接接觸，從而減小摩擦因數，因此材料的耐磨性能提高。

2.2.2 低速重載工況

在低速重載工況下，摩擦副表面的相對運動速度較小而載荷過大，兩接觸面間難以形成流體動壓膜，因此摩擦副會直接接觸，此時材料的摩擦性能是由接觸面的邊界特性決定的。摩擦副在較大載荷的作用下互相擠壓，導致表面發生塑性變形[30]，使得存儲在織構中的潤滑劑因周圍材料變形而被擠出；此時的織構就相當于一個微型油泵，可實現對摩擦副的“二次供油”[8]，有效避免材料變形、剝落甚至咬合，從而改善接觸面的潤滑狀況，起到減磨的作用。劉一靜等[31]利用電解加工技術在發動機活塞裙部加工出具有不同直徑和深度的凹坑結構，并在不同載荷和轉速下進行摩擦磨損試驗，發現當載荷為800 N，轉速為200 r·min-1時，直徑為250 μm，深度為5 μm的織構表現出最佳的減磨效果。GRABON等[32]研究表明，微凹坑與珩磨網紋相結合的織構可明顯降低缸套-活塞環摩擦副在低速重載工況下的摩擦因數。魏曉鳳[33]研究表明，用激光加工技術在人工髖關節材料表面制備微納結構后，摩擦副在低速重載工況下的摩擦因數減小。綜上可知，在低速重載工況下，摩擦副接觸面間不會產生流體動壓效應，減磨主要依靠表面織構對摩擦副的“二次供油”。

3 表面織構形貌和幾何參數對摩擦學性能的影響

3.1 織構形貌的影響

研究表明，只有選擇合適的織構形貌和幾何參數，才能使表面織構發揮出最優的減磨效果[18-19]。在研究初期，受限于單一的制備技術和匱乏的理論知識，凹坑和溝槽是研究者重點研究的織構形貌。近幾十年來，得益于仿生學的發展以及加工方法的日益完備，表面織構形貌越來越豐富，主要包括圓形凸起、網格、波紋、六邊形凸起等。

織構形貌對摩擦學性能有較大的影響，即使在織構面積、深度和面積率相同的情況下，不同形貌織構產生的流體動壓膜的承載能力也不同，但是不同形貌織構的減磨機理目前尚未達成統一。于海武等[34]在織構面積、深度和面積率相同的情況下，對圓形、正方形和橢圓形凹坑織構的減磨效果進行對比，發現橢圓形凹坑織構表現出最優的減磨效果，正方形凹坑織構的次之，圓形凹坑織構的最差。宋起飛等[20]在鑄鐵表面加工出凹坑、溝槽和網格等3種不同形貌的織構，發現網格織構試樣的磨損量和摩擦因數最小，耐磨性能最好。王麗麗等[35]用激光加工技術在45號鋼表面加工出周向溝槽、局部網狀溝槽、徑向溝槽、微凹坑等4種不同形貌的織構，發現在相同的摩擦條件下這4種織構表現出不同的減磨效果：在穩定磨損階段，與光滑試樣相比，徑向溝槽織構試樣和凹坑織構試樣的摩擦因數分別降低了16%和11%，而局部網狀織構試樣的摩擦因數與光滑試樣的相差不大，周向溝槽織構試樣的摩擦因數大于光滑試樣的。

3.2 幾何參數的影響

3.2.1 織構面積率的影響

織構面積率是影響摩擦學性能的重要參數，因此選擇合適的織構面積率對于獲得良好的摩擦學性能至關重要。胡天昌等[36]研究表明：在45號鋼表面加工出相同尺寸的凹坑織構后，織構面積率與摩擦因數并非呈簡單的線性關系，當織構面積率為20%～30%時，摩擦因數較低。李亞軍等[37]采用激光加工技術在45號鋼表面加工出不同面積率的凹坑織構，發現：在干摩擦和4%織構面積率條件下，試樣的摩擦因數最小且穩定摩擦因數為0.56；在乏油條件下，面積率為4%織構試樣的摩擦因數小于光滑試樣的，但是當織構面積率達到16.2%時，摩擦因數大于光滑試樣的。周元凱等[38]用微型鉆頭在45號鋼表面分別加工出面積率為2%，6%，10%的圓形微凹坑，發現在較低載荷下，面積率高的織構減磨效果更好，而在較高載荷下，面積率低的織構減磨效果更好。

3.2.2 織構尺寸及分布方式的影響

織構的尺寸和分布方式對材料的摩擦學性能也有重要的影響。于海武等[39]研究發現，在富油環境下，微凹坑橫/縱間距比為1…3時，凹坑織構具有最佳的減磨效果。RIPPOLL等[40]采用激光加工技術在涂有MoS2涂層的鈦合金上加工出不同尺寸的微凹坑織構，發現在干摩擦條件下，當微凹坑間距約為50 μm，深度約為20 μm，織構面積率為40%60%時，凹坑具有最優的磨屑捕捉效果，合金的耐磨性能最佳。萬軼[41]和胡天昌等[42]均用激光加工技術在GCr15鋼表面加工出微凹坑織構，發現在貧油工況下，織構試樣的摩擦因數和磨損率均明顯低于光滑試樣的，且當凹坑直徑為150 μm，深度為30～40 μm，織構面積率為8%9%時，凹坑織構的減磨效果最好。

4 結束語

目前，表面織構在改善材料耐磨性能方面表現突出，且其優異的減磨性能在切削刀具、生物材料、機械零部件等領域已得到試驗驗證，具有廣闊的應用前景。在不同工況下，表面織構的減磨機理也不同：在干摩擦條件下，表面織構可以存儲磨屑，避免二次磨損，同時可提高材料表面整體硬度，提高耐磨性能;在潤滑條件下，表面織構可產生流體動壓效應或起到“二次供油”作用，從而減少摩擦副接觸面的摩擦，提高材料的耐磨性能。影響表面織構減磨效果的因素繁多且各個因素交互作用，因此需要通過試驗分析得到最優的參數。

雖然國內表面織構研究的起步較晚，但是發展勢頭良好，未來的研究方向主要集中在以下幾個方面：(1)結合實際工況，先利用計算機模擬出合適的織構形貌及幾何參數，為試驗提供參考；(2)研究更多的織構形貌，如仿生形貌、復合形貌等，對非單一織構的摩擦學特性進行系統研究；(3)將表面織構技術與其他表面技術進行結合，從而進一步改善材料的性能。