組合型微織構化鋁合金表面的摩擦學性能研究*

唐志成 劉思思 劉金剛 姜勝強 廖君慧

(1.湘潭大學機械工程學院 湖南湘潭 411105；2.汽車動力與傳動系統湖南省重點實驗室 湖南湘潭 411105；3.湖南江濱機器(集團)有限責任公司 湖南湘潭 411100)

鋁及其合金由于其密度小、易成型等優點在內燃機活塞、機械制造等領域有著廣泛的應用[1]。然而，由于鋁合金硬度低等缺點導致其工作表面耐磨性較差，會嚴重地影響其性能的發揮[2-4]。所以，優化鋁合金表面摩擦學性能具有重要意義[5-6]。近年來，表面織構作為一種改善接觸表面摩擦學性能的技術在摩擦學領域已得到廣泛研究[7-15]。SCARAGGI等[16]比較了在油潤滑條件下，凹坑織構和凹槽織構的摩擦學性能，結果表明凹坑微織構的摩擦性能明顯優于凹槽型微織構。QIN等[17]利用激光技術在鉻合金表面加工了方形凹坑、三角形凹坑和圓形凹坑織構，研究表明圓形凹坑織構具有更優異的耐磨性能。何陽等人[18]利用3D打印技術在軸承上制備出不同參數的網狀織構，研究表明在水潤滑條件下，合適的網狀織構能夠有效地改善軸承的潤滑條件。王國榮等[19]利用數值仿真的方法，分析了不同幾何參數的復合表面織構對壓裂泵柱塞密封副動壓潤滑的影響，仿真結果表明，柱塞密封副表面的承載能力與復合織構中外織構的深度有密切關系。

目前，大部分相關研究都是圍繞圓形凹坑、方形凹坑、三角形凹坑及直線凹槽等常規幾何形狀的織構[20-22]，在組合織構方面較少有人研究。本文作者以單一方形凹坑、條形凹槽以及方形凹坑和條形凹槽組合3種織構形狀為研究對象，利用赫茲接觸理論確定織構的參數范圍，通過仿真模擬得出3種織構形貌中摩擦副間潤滑油膜承載能力最好的織構形貌，并探究不同織構尺寸對油膜承載能力的影響；然后根據仿真結果，在鋁合金基體表面制備出不同織構尺寸的摩擦副間油膜承載能力最好的織構形狀，通過摩擦試驗研究織構幾何尺寸對摩擦副接觸面間摩擦學性能的影響規律并與仿真結果進行比較。

1 表面織構設計及仿真模擬

1.1 表面微織構設計

以“球-面”接觸的摩擦副為研究對象，假設球的半徑為R，在載荷F的作用下與微織構化基體表面相互接觸，發生彈性變形后基體下凹壓痕深度為h，對應的接觸區域直徑為d，球體和微織構化基體表面的接觸模型如圖1所示。

圖1 球和微織構面的接觸模型

根據赫茲接觸理論，在上述模型中，接觸區域直徑d的表達式為

(1)

作用載荷F與球體半徑R和壓痕深度h的關系式如下：

(2)

式中：E*為等效模量，表達式為

(3)

式中：E1、E2分別為球和基體的彈性模量；ν1、ν2分別為球和基體的泊松比。

當載荷F為10 N，將其代入上述公式計算可得，接觸區域直徑d為180.84 μm，壓痕深度h為4.09 μm。因此，為充分考慮微織構對摩擦副接觸表面間潤滑狀態的影響，在文中設計的方形凹坑和條形凹槽織構幾何尺寸中，方形的邊長和條形的寬度應小于設計值，同時其深度應大于設計值，以此保證在實際試驗過程中摩擦副的接觸面可以覆蓋織構，進而達到探究織構幾何尺寸對摩擦副接觸面間摩擦學性能影響規律的目的[23]。所以，文中設計的不同形狀的織構表面分布如圖2所示，織構具體尺寸如表1所示。

圖2 不同形狀的織構表面分布

表1 凹坑織構尺寸

1.2 微織構化表面潤滑模型

為了探究組合織構形貌中不同形狀織構之間的相互作用對摩擦副間潤滑油膜承載能力的影響，文中將作為研究對象的潤滑油膜模型尺寸設計成單元組合凹坑織構大小。模型如圖3(a)所示，對偶球與基體表面的接觸方式簡化為平面接觸，潤滑油膜最小厚度h0設定為4 μm，織構中心與模型邊緣距離x為120 μm，相鄰兩織構中心間距為y，織構深度為h，織構邊長為z，模型兩邊設置周期性邊界條件，上壁面相對運動速度v為0.05 m/s。圖3(b)—(d)為模型三維示意圖。

圖3 微織構表面潤滑油膜模型

2 模擬結果

為探究3種不同織構形狀中摩擦副間潤滑油膜承載能力最好的織構形狀，文中利用FLUENT軟件，假設條件為穩態，設定潤滑油流動方式為層流，潤滑油密度為827 kg/m3，動力黏度為0.025 14 Pa·s[4]，分析了潤滑油模型上壁面的壓力分布情況，如圖4所示。

在圖4中，所有不同形貌織構摩擦副潤滑油流動方向都是從左往右流動。圖4(a)所示為無織構摩擦副間油膜壓力云圖，可以看出，由于沒有織構的存在，潤滑油膜上各個區域的壓力值變化較小，壓力分布相對均勻。從圖4(b)—(d)中可以明顯地看出潤滑油膜的壓力值和壓力分布會隨著織構形貌的變化而變化。對于單個織構來說，無論是方形織構還是條形織構，其織構附近的壓力值都分成了2個區域，即高壓區和低壓區，并且極值在區域內部。這是因為當潤滑油流到織構區域附近時，由于織構的存在，使得潤滑油流動的空間增大，結合流量連續理論可知，潤滑油在進入織構的過程中流速會逐漸降低，致使壓力值逐漸減小。當潤滑油剛進入織構區域時，速度降到最小值，所以壓力值最低。反之，隨著潤滑油在織構區域內的繼續流動，在快流出織構區域時，由于流動的空間減小，潤滑油在流出織構的過程中流速會逐漸升高，致使壓力值逐漸增大，當潤滑油剛流出織構區域時，速度增加到最大值，所以壓力值最高。從圖4(b)和圖4(c)所示單一織構摩擦副間油膜壓力云圖可以看出，2種單一形狀油膜正壓力數值和負壓力數值絕對值差別較小，其潤滑油膜承載能力一般。從油膜壓力數值角度還可以得知，條形凹槽織構壓力的最大值是2種單一織構形狀中最小的，這是因為在摩擦過程中，條形凹槽織構雖然能促進潤滑油的流動，但同時在一定區間內，相比單一方形凹坑，使得織構間儲存的潤滑油有了額外的出油口，潤滑油會沿著條形凹槽的方向擴散，進而使得壓力增大的幅度減小。從圖4(d)所示組合織構摩擦副間油膜壓力云圖可以得知，相比于2種單一織構，組合織構油膜壓力的最大值明顯大于單一形狀的壓力最大值，且油膜區域上最大正壓力值遠遠大于最小負壓力絕對值，其潤滑油膜承載能力較強。這是因為相比于單一的方形織構，組合織構中由于條形凹槽的存在，使得摩擦副間潤滑油的含量增加，相比于單一的條形凹槽織構，組合織構中由于方形織構的存在，使得摩擦副間潤滑油的動壓潤滑效果增強。

圖4 不同織構形狀摩擦副間油膜壓力云圖

為了進一步比較不同織構摩擦副間潤滑油膜的承載能力大小，文中通過FLUENT軟件計算得到了摩擦副間潤滑油膜模型上壁面的升力系數大小，如圖5(a)所示?？梢钥闯鲈?種不同形貌織構中，方形凹坑和條形凹槽組合的織構的摩擦副間潤滑油膜升力系數最大，即油膜承載能力最強。同時對方形和條形組合織構在不同尺寸下摩擦副間潤滑油膜升力系數進行計算，結果如圖5(b)所示。對于方形和條形組合織構，在所研究的織構尺寸范圍內，隨著織構尺寸的增加，摩擦副間潤滑油膜升力系數變化大致分為2個階段：當織構尺寸小于70 μm時，隨著尺寸的增加油膜升力系數先增大后減??；當織構尺寸大于70 μm時，隨尺寸的增加油膜升力系數不斷增大，即織構尺寸為100 μm時摩擦副間潤滑油膜承載能力最好，為70 μm時最差。

圖5 不同形狀織構及尺寸油膜升力系數

綜上所述，當織構尺寸相同時，在單一方形凹坑、條形凹槽以及方形凹坑和條形凹槽組合織構3種形狀織構中，方形和條形組合織構的摩擦副間潤滑油膜升力系數最大，油膜承載能力最好，因此，文中選擇方形和條形組合織構為試驗對象，探究織構幾何尺寸對摩擦副接觸面間摩擦學性能的影響。

3 表面織構加工及試驗研究

3.1 表面微織構化

選用尺寸為20 mm× 20 mm×10 mm的鋁合金試樣，采用脈沖Nd: YAG激光器加工系統在試件表面制備出一系列不同尺寸方形凹坑和條形凹槽組合的織構陣列坑。激光器波長355 nm，平均功率3 W，脈寬15 ns，加工脈沖頻率30 kHz，掃描速度50 mm/s。無織構試樣表面形貌如圖6(a)所示，組合織構形貌如圖6(b)所示，圖中右上角為單個方形凹坑放大形貌圖，組合織構的深度輪廓線如圖6(c)所示。

3.2 摩擦試驗

借助高速往復摩擦磨損試驗機(CFT-I)開展摩擦試驗，采用球-面摩擦副，上試樣為φ4 mm的軸承鋼球,下試樣為無織構、方形凹坑與條形凹槽組合織構試件。試驗前所有試件均在無水乙醇中超聲清洗。試驗條件為：試驗室大氣環境，室溫(25 ℃)，載荷10 N，滑動速度0.05 m/s，行程5 mm，對摩時間為30 min。每次試驗重復3次，取平均值。潤滑油是柴油機油CD15W-40，供油時，為確保試樣處于乏油狀態，先利用滴管將潤滑油滴在試樣表面并涂抹均勻，然后用橡膠刃刮去表面多余的流油，最后采用超景深三維顯微系統對試樣磨損表面進行觀測分析。

4 試驗結果及討論

4.1 摩擦因數

從圖7中可以看出，在初始跑合階段，無織構試件表面摩擦因數較為平緩，與組合織構化試件表面摩擦因數相比較低，這是因為與無織構基體表面相比，組合織構化基體表面粗糙度較高，所以無織構試件表面摩擦因數比組合織構化試件表面摩擦因數低。在穩定磨損階段，無織構試件表面摩擦因數急劇增高，且摩擦因數變化幅度劇烈，這是因為在邊界潤滑條件下，基體表面潤滑油膜會在較短對摩時間內失效，從而使得摩擦副接觸面間的潤滑狀態發生改變，由邊界潤滑轉化為干摩擦，所以摩擦因數會急劇增高并且變化幅度劇烈。與之相比，組合織構化試件表面的摩擦因數明顯減小并且變化幅度較小。

圖7 表面摩擦因數隨時間變化曲線

圖8所示為方形和條形組合織構平均摩擦因數隨著不同織構尺寸的變化曲線。

圖8 表面平均摩擦因數隨尺寸變化曲線

由圖8可以看出，隨著織構尺寸的增大，組合織構表面平均摩擦因數呈現出先下降后上升的趨勢，在織構尺寸為80 μm時平均摩擦因數最小。這是因為隨著織構尺寸的增大，織構內部的體積也會隨之增大，使得摩擦前織構內部儲存的潤滑油增多，從而提高織構在摩擦磨損過程中對摩擦副表面潤滑油的供給能力，再加上摩擦時織構內部容納磨屑的能力也會隨之增強，所以摩擦因數會降低。但是，隨著織構尺寸繼續增大，織構的深徑比減小，潤滑油流體動壓效應減弱，再加上鋁合金表面激光加工織構的區域面積也進一步增大，致使試件表面摩擦副接觸區域的表面粗糙度升高，在摩擦試驗過程中，摩擦阻力變大。此時，在影響摩擦因數的諸多因素中，織構尺寸的增大所產生的儲油和容納磨屑的效應，已經不足以克服摩擦副表面接觸區域的粗糙度變大所帶來的摩擦阻力的影響，所以導致摩擦因數上升。

4.2 磨痕形貌

在邊界潤滑條件下無織構和不同微織構表面磨痕形貌以及磨痕輪廓線如圖9所示。從圖9(a)中可以看出，無織構表面的磨損最為嚴重，磨痕表面存在著大量的磨粒磨損。從圖9(b)、(c)中均可看出，摩擦副的接觸區域完全覆蓋了微織構區域，且相比無織構試樣，磨痕表面劃痕明顯減少。從圖9(b)可以看出，織構尺寸為80 μm的試樣表面的方形凹坑已經完全消失，條形織構區域也發生了“黏結”現象。結合前文仿真計算得到的升力系數可知，織構尺寸為80 μm時潤滑油膜承載能力較低，因而在往復摩擦過程中，鋁合金基體表面損傷較大，磨損深度超過了織構深度，使得摩擦副接觸區域中的織構被全部磨損，因此基體表面磨痕中方形凹坑完全消失，且在條形織構處呈現了“黏結”現象。從圖9(c)中可以看出，織構尺寸為100 μm時磨痕深度較淺，但在磨痕表面可明顯地看見直徑變小了的方形織構。結合仿真計算得到的升力系數可知，織構尺寸為100 μm時升力系數最大，其油膜的承載能力較強；且隨著摩擦過程的進行，織構尺寸逐漸變小，在織構尺寸低于70 μm時，其升力系數回升，油膜的承載能力增強，對基體的磨損較輕，因此磨痕較淺。如圖10所示，隨著織構尺寸的增加，磨痕深度的變化趨勢與升力系數的變化趨勢完全相反，當織構尺寸小于70 μm時，磨痕深度隨著尺寸的增加先減小后增大，升力系數則隨著尺寸的增加先增大后減??；當織構尺寸大于70 μm時，磨痕深度隨尺寸的增加而不斷減小，升力系數則隨尺寸的增加而不斷增大。從圖10中可知，織構尺寸為100 μm的摩擦副間潤滑油膜承載能力最好，基體表面損傷最輕；織構尺寸為70 μm的摩擦副間潤滑油膜承載能力最差，損傷最重，由此可見仿真計算結果與試驗結果相吻合。

圖9 無織構和不同尺寸微織構表面磨痕形貌

圖10 織構表面磨痕深度及升力系數

5 結論

(1)在單一方形凹坑、單一條形凹槽、方形凹坑和條形凹槽組合3種織構中，方形和條形組合織構的摩擦副間潤滑油膜承載能力最佳，且對于方形和條形組合織構，在所研究的織構尺寸范圍內，隨著織構尺寸的增加，摩擦副間潤滑油膜升力系數變化分為2個階段：當織構尺寸小于70 μm時，隨著尺寸的增加油膜升力系數先增大后減小，當織構尺寸大于70 μm時，隨尺寸的增加油膜升力系數不斷增大。

(2)對于組合織構，隨著織構尺寸的增加，其表面平均摩擦因數呈現先下降后上升的趨勢。這是因為織構尺寸的增加會使織構的儲油和容納磨屑能力增強，從而使得摩擦因數降低；但當織構尺寸進一步增大時，織構的深徑比減小，潤滑油流體動壓效應減弱，再加上基體表面受激光加工影響區域面積增大，致使摩擦副接觸區域表面粗糙度逐漸增加，進而使得摩擦因數上升。當織構尺寸為80 μm時，織構表面的摩擦因數最小。

(3)對于組合織構，隨著織構尺寸的增加，磨痕深度的變化趨勢與升力系數的變化趨勢完全相反，即織構尺寸為100 μm的摩擦副間潤滑油膜承載能力最好，基體表面損傷最輕，織構尺寸為70 μm的摩擦副間潤滑油膜承載能力最差，損傷最重，仿真計算結果與試驗結果相吻合。