激光表面改性鈦合金的摩擦磨損性能研究

王天宇，孫紅飛，李九霄，楊冬野，武文海，原子玟，趙海，張卓

激光表面改性鈦合金的摩擦磨損性能研究

王天宇，孫紅飛，李九霄*，楊冬野*，武文海，原子玟，趙海，張卓

（上海工程技術大學 材料科學與工程學院，上海 201620）

研究皮秒激光表面處理對Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面形貌以及硬度和摩擦磨損性能的影響規律。采用皮秒激光對β鈦合金進行表面改性，利用掃描電鏡觀察皮秒激光加工后樣品的表面形貌，并對基體和皮秒激光加工后的樣品進行摩擦磨損對比試驗。當皮秒激光掃描速度為50 mm/s、激光功率分別為0.5 W和5 W時，在β鈦合金表面生成了周期為500 nm和830 nm的納米條紋結構，β鈦合金基體的平均摩擦因數為0.70，經皮秒激光加工后樣品的平均摩擦因數為0.26，比β鈦合金基體的下降了62.8%。β鈦合金基體的摩擦磨損失重為0.003 2 g，磨損率為1.01×10?6，皮秒激光加工后樣品的摩擦磨損失重為0.001 3 g，磨損率為4.10×10?7。在β鈦合金皮秒激光表面改性過程中，當激光能量相同時，低掃描速度使激光熱量可以長時間聚集和擴散，當掃描速度相同時，高激光能量對材料表面燒蝕的程度較大。在樣品表面制備出了周期性納米條紋結構，與基材相比，周期性納米條紋結構與摩擦球的接觸面積明顯減小，同時犁溝效應有所降低，樣品表面摩擦磨損性能顯著提升，表明激光誘導周期性納米條紋結構在改善材料摩擦學性能領域有極大的應用潛力。

皮秒激光；β鈦合金；表面改性；表面納米結構；摩擦磨損性能

醫用金屬材料作為植入物（人體關節、骨釘、血管支架等）必須滿足人體正常生活的要求，且能在人體環境中保持優良的力學性能和耐磨損性能[1-7]。例如，人工髖關節需要具有良好的強度、優異的耐磨損性和耐疲勞性能，血管支架需要有較好的彈性、隨體變形能力和疲勞性能等。生物醫用金屬材料已從早期的金、銀、鋼發展到不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金等[8-9]。其中，β 鈦合金因其彈性模量低、生物相容性和耐腐蝕性良好而被廣泛應用于生物醫學領域[10-13]。然而，鈦合金仍存在一些臨床問題，如當植入體（尤其是骨關節等）在人體內服役時，受到循環應力的作用，容易導致表面磨損剝落從而失效。因此，一些學者對醫用鈦合金進行了表面改性處理，以改善材料的表面性能[14-16]。超快激光加工作為一種表面處理工藝，可以在金屬表面制備不同類型的結構，有效改善材料的力學性能、潤濕性、生物相容性等[17-18]。與傳統表面改性技術相比，激光表面改性具有精度高、靈活性強、通用性強等突出優點。Bonse等[19]介紹了超快激光表面紋理的最新研究進展，觀察了鋼和鈦合金表面形態（條紋、凹槽和尖峰）的摩擦學特性。與拋光樣品表面的磨損痕跡相比，超快激光加工區的磨損痕跡幾乎不可見，其優異的耐磨性源于激光表面處理時生成的納米結構。Florian等[20]研究表明，超快激光燒蝕金屬表面形成了納米級結構，其摩擦因數明顯降低。皮秒激光是脈寬為皮秒量級的激光，也被稱為超快激光，因其脈沖短、峰值功率高、加工精度高等特點而被廣泛應用于信息、環境、生物醫學等領域[21-24]。

本文采用皮秒激光直接燒蝕Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面，通過調控激光能量和掃描速度等工藝參數，在試樣表面制備出了不同的微觀結構；探討了激光工藝參數對材料表面形貌的影響，并對激光改性后試樣的摩擦磨損性能進行了研究，分析了表面微觀結構的磨損機理。

1 試驗

在真空自耗爐中熔煉3次獲得Ti-13Nb-13Zr β鈦合金鑄錠，并使其成分均勻。隨后，將鑄錠在950 ℃下鍛造，得到40 mm×160 mm的圓柱體坯料。采用線切割技術將試驗樣品切成尺寸為4 mm×4 mm× 2 mm的長方體，依次用400#～2000#的SiC砂紙打磨樣品并拋光，先后用95%（體積分數）乙醇和去離子水對樣品超聲清洗15 min，并烘干備用。

本文采用深圳格鐳激光科技有限公司生產的紅外皮秒激光器，皮秒激光器的光束斑直徑為20 μm，激光重復頻率為200 kHz，掃描線間距為16 μm，皮秒激光試驗的激光功率分別為0.5 W和 5 W，掃描速度分別為0.8、10、50 mm/s，對樣品表面進行處理。

利用Fmv-ac-at型顯微硬度計測量樣品的顯微硬度，加載載荷為100 g，保載時間為10 s，每個樣品選擇3個不同區域，每個區域測9個點（3×3方陣），為減小試驗誤差，硬度取平均值。采用HT-1000型摩擦磨損試驗機在室溫下進行盤-銷滾動摩擦試驗。采用6 mm的WC-Co合金球作為摩擦副，旋轉速度為336 r/min，所加砝碼質量為250 g，運行時間為30 min。采用FEI Nova 400場發射掃描電鏡觀察和分析激光改性前后試樣表面形貌的變化；采用OLS5000激光共聚焦顯微鏡觀察和分析摩擦磨損后的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 激光能量和掃描速度對表面形貌的影響

皮秒激光加工前后Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面形貌的SEM圖如圖1所示。圖1a、圖1c、圖1e分別為激光功率為0.5 W，掃描速度為0.8、10、50 mm/s時皮秒激光加工β鈦合金的表面形貌。從圖1a可以看到，當激光功率為0.5 W、掃描速度為0.8 mm/s時，樣品表面為大量的微米級柱狀結構，且其分布均勻。圖1a中實線部分是虛線區域的放大圖，可以觀察到每個柱狀結構的頂部都覆蓋有納米條紋結構，即激光誘導周期性結構（Laser-induced Periodic Surface Structure，LIPSS）。由圖1c可以看到，當激光功率為0.5 W、掃描速度為10 mm/s時，樣品表面形貌看起來像層層的海浪一樣，由激光燒蝕過的平面和激光熱量產生的顆粒組成。由圖1e可以看到，當激光功率為0.5 W、掃描速度為50 mm/s時，在樣品表面可觀察到激光誘導周期性結構，納米條紋結構的周期為500 nm，接近皮秒激光器的波長。

圖1b、圖1d、圖1f分別為激光功率為5 W，掃描速度為0.8、10、50 mm/s時皮秒激光加工β鈦合金的表面形貌。由圖1b可以看到，當激光功率為5 W、掃描速度為0.8 mm/s時，樣品表面材料被燒蝕去除，未形成規則的結構。對比圖1a可知，在掃描速度較低條件下，過高的激光能量不利于納米條紋周期性結構的形成。由圖1d可知，當激光功率為5 W、掃描速度為10 mm/s時，樣品表面分布著由各種尖峰組成的“小島”。由圖1f可知，當激光功率為5 W、掃描速度為50 mm/s時，在樣品表面觀察到激光誘導周期性結構，納米條紋結構的周期為830 nm。在圖1e和圖1f樣品表面都觀察到激光誘導周期性結構，但是較低能量（0.5 W）下LIPSS的均勻性和致密性比高能量（5 W）的好。

圖1 皮秒激光燒蝕后Ti-13Nb-13Zr合金表面形貌的SEM圖

綜上所述，在激光能量相同的條件下，低掃描速度可以使激光熱量長時間聚集和擴散，在相同掃描速度下，高激光能量對材料表面燒蝕的程度較大。當掃描速度為0.8 mm/s時，利用高能量激光束直接刻寫樣品會使表面材料在熱影響作用下汽化，使材料表面形成不規則且無固定形狀的燒蝕形貌。當掃描速度為10 mm/s時，在較高能量下可以獲得“島狀”結構，這是因為速度的提升使激光產生的熱量無法長時間聚集在材料表面，且在表面極化激元的作用下形成了特殊結構。當掃描速度提升到50 mm/s時，0.5 W和5 W的激光能量均可以在Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面制備出均勻分布的周期性納米結構，且不同的激光能量獲得的納米結構周期性尺寸不同，較低能量下獲得的LIPSS的均勻性和致密性比高能量下的好，這與Bonse等[25]的研究結果一致。

2.2 激光能量和掃描速度對表面硬度的影響

Ti-13Nb-13Zr合金皮秒激光表面處理前后試樣的硬度如表2所示。可以看出，Ti-13Nb-13Zr合金經皮秒激光加工后，其表面顯微硬度較基體硬度（188HV）顯著提高。當激光功率為0.5 W、掃描速度為50 mm/s時，獲得的周期性納米結構的表面顯微硬度較基體的提高了58.5%。當激光功率為5 W、掃描速度為50 mm/s時，獲得的周期性納米結構的表面顯微硬度較基體的提高了54.3%。但在激光功率相同的條件下，掃描速度對樣品表面顯微硬度的影響不顯著。皮秒激光加工Ti-13Nb-13Zr β鈦合金后，其表面顯微硬度顯著提高，這主要是由于經皮秒激光加工后，樣品表面晶粒的細化使表面硬度均獲得了顯著提高。

表2 Ti-13Nb-13Zr合金皮秒激光加工前后試樣的硬度

Tab.2 Hardness of Ti-13Nb-13Zr alloy before and after picosecond laser treatment

2.3 摩擦磨損質量變化與摩擦磨損系數

由于當激光功率為0.5 W、掃描速度為50 mm/s時，在樣品表面制備的周期性納米結構的均勻性和致密性最好，硬度最高，所以，僅比較激光功率為0.5 W、掃描速度為50 mm/s時的周期性納米結構與基體的摩擦磨損性能。

摩擦磨損試驗后Ti-13Nb-13Zr β鈦合金樣品的磨損量和磨損率數據如表3所示。磨損量的計算公式[26]如式（1）所示。

=loss/(1)

式中：loss為樣品在摩擦磨損試驗后損失的質量；為樣品的密度，Ti-13Nb-13Zr合金的密度為4.89 g/cm3。

磨損率的計算公式[26]如式（2）所示。

=/(2)

式中：為摩擦接觸載荷，本次試驗中為2.5 N；為滑動距離，時間為30 min，故滑動距離為1 266.05 m。

由表3可知，基體的摩擦磨損失重為0.003 2 g，磨損率為1.01×10?6；LIPSS試樣的摩擦磨損失重為0.001 3 g，磨損率為4.10×10?7。經皮秒激光加工處理后，Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面晶粒得到明顯細化，耐磨性得到顯著提高。

表3 Ti-13Nb-13Zr合金皮秒激光加工前后試樣的摩擦磨損失重

Tab.3 Wear loss of Ti-13Nb-13Zr alloy treated by picosecond laser

Ti-13Nb-13Zr皮秒激光加工前后試樣摩擦因數隨時間的變化曲線如圖2所示。可知，在0～1 min內，摩擦因數上升較快，此時處于預磨期，隨后摩擦因數趨于平穩，在小范圍內波動。Ti-13Nb-13Zr β鈦合金基體的平均摩擦因數為0.70，皮秒激光加工后樣品的平均摩擦因數為0.26，相對于基材摩擦因數下降了62.8%。皮秒激光加工處理使Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面的摩擦磨損性能顯著提升。這是因為皮秒激光加工在不改變表面結構和無熱影響的前提下，使表層晶粒組織細化到納米尺度。

圖2 基體和LIPSS試樣的摩擦因數（COF）隨磨損時間的變化曲線

2.4 摩擦磨損形貌與摩擦磨損機理

本文通過激光共聚焦顯微鏡獲取了摩擦磨損試驗后基體和LIPSS試樣的表面三維形貌。摩擦磨損試驗后基體和LIPSS試樣的表面粗糙度和磨痕深度曲線如圖3所示。由圖3a可知，摩擦磨損試驗后基體表面平均粗糙度為0.024 μm，摩擦磨損后試樣表面平整，沒有太大起伏。由圖3b可知，皮秒激光改性后LIPSS試樣的表面平均粗糙度為2.119 μm，摩擦磨損后試樣形成了寬為40 μm、深度為6 μm的溝壑。由上述結果可知，皮秒激光加工工藝在Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面生成的納米條紋結構使材料表面粗糙度顯著增大。

基材和LIPSS試樣的摩擦示意圖如圖4所示。可以觀察到，由于LIPSS試樣表面具有納米條紋結構，它與摩擦球的接觸面積與基材相比明顯減小。在摩擦磨損試驗中，樣品與摩擦球接觸容易發生黏著，而規則排列的條紋結構降低了黏著的可能性。此外，在摩擦過程中，摩擦球與納米條紋結構的凸峰接觸并產生磨損顆粒，條紋結構的周期僅有幾百納米，磨屑的尺寸也很小，這表明磨損顆粒使樣品在微切削過程中產生犁溝的截面積減小，因此切削阻力也相應減小。條紋結構的凹槽也可以捕獲摩擦界面處產生的磨損顆粒，減少摩擦界面磨屑的數量，降低犁溝效應。因此LIPSS試樣的摩擦因數小于基材的摩擦因數。上述結果表明，經皮秒激光加工處理后，Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面的周期性納米條紋結構對材料的耐磨性有顯著的提升。同時，當脈沖激光燒蝕材料表面時，對材料表層施加了極高的能量，使材料發生重熔，導致材料表面晶粒組織細化，強度與硬度提高，從而改善了材料摩擦學性能。

圖3 摩擦磨損試驗后樣品表面粗糙度圖像和磨痕深度曲線，

圖4 基材與LIPSS試樣的摩擦示意圖

金屬材料的耐磨性可以通過材料的硬度來衡量。這主要是因為硬度越大，強度越高，微觀上分子（原子）間的鍵接越強，原子被外力剝離的可能性就越低，耐磨性就越好。同時，材料的硬度還反映了材料抵抗物料壓入表面的能力，硬度越高，物料壓入材料表面的深度就越淺，抵抗剪切變形的能力就越強，越容易阻止黏著磨損的發生，切削時產生的磨屑體積就越小，即磨損越小，耐磨性就越高。經皮秒激光加工后，試樣表面晶粒的細化使其表面硬度較基體硬度顯著提高，因此，經皮秒激光加工后樣品的耐磨性較基體的更優異。

經皮秒激光加工后，樣品的摩擦磨損機理為激光重熔，材料表面晶粒組織得到細化，強度與硬度相應提高，此外，LIPSS減小了材料與摩擦副的接觸面積，減少了磨屑數量，減小了黏著的可能性，并降低了犁溝效應，即表面晶粒細化與表面具有納米條紋結構的LIPSS結構使材料的摩擦磨損性能提高。

3 結論

采用皮秒激光對Ti-13Nb-13Zr β鈦合金進行了表面處理，研究了不同激光參數對表面形貌的影響規律，探討了皮秒激光表面處理對材料耐磨性的影響。主要結論如下：

1）當掃描速度為50 mm/s、激光功率為0.5 W時，在Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面生成了周期為500 nm的納米條紋結構；當掃描速度為50 mm/s、激光功率為5 W時，在Ti-13Nb-13Zr β鈦合金表面生成了周期為830 nm的納米條紋結構；當掃描速度固定時，LIPSS的周期性會隨著能量的變化而變化。

2）在摩擦磨損過程中，基體的摩擦因數為0.70，經皮秒激光表面處理的、具有LIPSS結構試樣的摩擦因數為0.26，與基體相比，經皮秒激光加工后，試樣的摩擦因數降低了約62.8%，其耐磨性顯著提升。皮秒激光加工試樣的表面平均粗糙度為2.119 μm，相較于母材的（0.024 μm）顯著增大。這是由于LIPSS降低了材料與摩擦副的接觸面積，從而減小了黏著的可能性。在條紋結構的凹槽處可以捕獲摩擦界面處的磨損顆粒，減少磨屑數量。表面納米結構使產生的磨屑尺寸較小，從而降低了犁溝效應。LIPSS在改善材料摩擦學性能方面有極大的應用潛力。

未來可以通過電化學實驗對激光修飾改性后樣品的耐蝕性能進行檢測，探討LIPSS對材料耐蝕性能的影響規律，可以通過進行生物實驗對植入物材料激光改性前后生物相容性的演變進行分析，使激光改性工藝在生物醫學領域可以得到更好的應用。

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Frictional Wear Properties of Laser Surface Modified Titanium Alloys

WANG Tianyu, SUN Hongfei, LI Jiuxiao*, YANG Dongye*, WU Wenhai, YUAN Ziwen, ZHAO Hai, ZHANG Zhuo

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

The work aims to investigate the effects of picosecond laser surface treatment on the surface morphology, hardness and frictional wear properties of Ti-13Nb-13Zr β titanium alloy. β-titanium alloy was treated by picosecond laser for surface modification. The surface morphology of the sample was observed with a scanning electron microscopy (SEM). The matrix and the sample after picosecond laser treatment were subject to frictional wear experiments. When the scanning speed was 50 mm/s and the laser power was 0.5 W and 5 W, the period of nanofringes on the surface of β-titanium alloy was 500 nm and 830 nm respectively. The average friction coefficient of β-titanium alloy before and after picosecond laser treatment was 0.70 and 0.26. Compared with β-Ti alloy matrix, the average friction coefficient of the sample treated by picosecond laser decreased by 62.8%. The weight loss of β titanium alloy matrix was 0.003 2 g and the wear rate was 1.01×10?6. The weight loss of β titanium alloy treated by picosecond laser was 0.001 3 g and the wear rate was 4.10×10?7. In surface modification of β-titanium alloy by picosecond laser, at the same laser energy conditions, low scanning speed can make the laser heat and concentrated and diffused for a long time. At the same scanning speed, high laser energy has a greater degree of ablation on the material surface. The periodic nanofringe structure prepared on the surface of the sample significantly reduces the contact area with the friction ball and reduces the furrow effect. The frictional wear properties of the sample surface are significantly improved, indicating that the laser induced periodic nanofringe structure has great application potential in improving the tribological properties of materials.

picosecond laser; β-titanium alloy; surface modification; surface nanostructure; frictional wear properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.006

TG221+1

A

1674-6457(2024)01-0052-07

2023-05-23

2023-05-23

上海市Ⅲ類高峰學科——材料科學與工程（高能束智能加工與綠色制造）

Class Ⅲ Peak Discipline of Shanghai-Materials Science and Engineering (High-Energy Beam Intelligent Processing and Green Manufacturing)

王天宇, 孫紅飛, 李九霄, 等. 激光表面改性鈦合金的摩擦磨損性能研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 52-58.

WANG Tianyu, SUN Hongfei, LI Jiuxiao, et al. Frictional Wear Properties of Laser Surface Modified Titanium Alloys[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 52-58.

（Corresponding author）