激光電化學復合微加工溝槽織構的減摩效果研究

姚宇航

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

1 摩擦磨損技術相關研究

據不完全統計，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，摩擦學的研究對于當今社會的可持續發展具有極為重要的意義。在摩擦副表面制備微織構圖案，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、節約資源的作用。

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

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

以色列學者Etsion等[4-7]于20世紀90年代使用激光加工表面微織構，并將其與摩擦學領域相結合，其團隊將此技術應用于多種摩擦副，并通過實驗逐漸證明其匹配性與適用性[8-10]，最終加工得到了優異的摩擦性能。直至今日，該項技術由于設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領域中。

本文采用激光電化學復合加工技術，在7075鋁合金的表面加工出了微溝槽型織構，并對試樣進行相關摩擦性能的測試，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，驗證了溝槽織構在7075鋁合金表面的減摩適用性。

2 微溝槽織構加工與摩擦性能測試

2.1 制備微溝槽織構

本試驗選取7075鋁合金作為加工試樣，具有優秀的抗腐蝕性能、良好機械性能及陽極反應。試樣的規格尺寸定為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。

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

圖1 試驗加工系統

圖2 加工設備實物

表1 激光器相關參數

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 溝槽型織構形貌

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

3.2 溝槽型微織構的減摩原理

（1）溝槽型織構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、穩定，潤滑效果更好，特別是在高載荷的情況下，其優勢就更加明顯；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，形成產生動壓效應的流體膜，從而將運動表面分隔開，使之處于潤滑狀態，使得潤滑油膜能夠承受更大的載荷。

圖3 溝槽織構設計示意

圖4 復合加工制備的表面微織構SEM圖

（3）潤滑介質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，大大優化了減摩效果。

3.3 不同參數對減摩效果的影響

將光滑表面的試樣和溝槽型織構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。可知，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都隨著時間推移先減小再趨于穩定。在試樣表面摩擦系數趨于穩定后，可以看到溝槽型織構式樣的表面摩擦系數明顯低于光滑表面試樣。相比于光滑表面，采用溝槽型微織構表面能夠大大減小表面摩擦系數，優化摩擦副性能。

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，其表面摩擦系數變化如圖6所示。隨著溝槽寬度的增加，摩擦系數呈現出先減小、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，導致摩擦副間壓強增大，油膜的厚度減小，穩定性變差，負面影響一舉超過儲存更多潤滑油帶來的正面影響，導致摩擦系數不降反升。

圖5 載荷為150 N、滑動速度為1 mm/s時摩擦系數隨時間變化的曲線

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，其表面摩擦系數隨著面積密度變化如圖7所示。表面摩擦系數隨著溝槽面積密度的增加，呈現出先減小、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，溝槽數量越多，一方面，使得儲油空間增大，儲存的潤滑油增加，導致摩擦系數減小；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定，導致表面摩擦系數增大。當溝槽面積密度超過一定值時，接觸面積減小的效應超過儲油增加的效應，試樣表面摩擦系數不升反降。

圖7 微溝槽試樣表面摩擦系數隨溝槽面積密度變化

不同載荷下的溝槽試樣最優面積密度不同。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，溝槽試樣的最優面積密度值為30%；在載荷為80 N的條件下，溝槽試樣的最優面積密度值則為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致摩擦副間壓強增大，而溝槽表面密度增大也會導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 結語

本文采用皮秒激光電化學復合加工的方法，在7075鋁合金表面加工出了微溝槽織構，并通過摩擦磨損試驗，研究了光滑表面與溝槽型微織構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減摩效果的影響，得到了以下3點結論：

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

（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。

（3）在本試驗選取的參數條件下，帶有溝槽織構的試樣表面摩擦系數隨溝槽寬度與溝槽面積密度的增加呈現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，最優面積密度值隨著載荷的增大而減小，具體要根據實際工作條件確定。