激光加工凹凸織構及其表面性能的研究

孫慶浩,鄧建新,魯洋,孟瑩,王冉,吳佳星,張志慧

山東大學機械工程學院

1 引言

在機械零部件、裝備和系統中,相互接觸的表面間的摩擦磨損行為直接影響整個設備或系統的服役壽命、工作效率、承載能力和安全系數。據統計,約80%零件損壞和40%能量損失由各種形式的摩擦磨損引起[1]。

織構源于自然界動植物表面形成的拓撲結構,這些結構表現出優異的減摩、減阻、潤滑和防污等特性,基于此,研究者將各種織構化技術應用于零構件表面,制備了一系列規則且具有一定尺寸和分布的微結構。合理的表面織構設計已被證明具有改善材料摩擦學及生物學性能的能力,近年來很多學者通過激光加工技術制造了很多不同形狀的織構形貌,如凹坑型、凸起型、溝槽型等基礎形狀以及仿鯊魚皮織構、仿荷葉織構、仿四葉草織構等仿生形狀,這些仿生織構都起到不同程度的減摩抗磨效果[2]。

Li X.等[3]通過納秒激光器在在A12O3/TiC陶瓷表面制備了仿生鱉魚皮微織構,對仿生鱉魚皮進行織構化處理后,摩擦系數降低至0.3,與僅拋光的A12O3/TiC陶瓷相比,摩擦系數降低了29%。王麗麗等[4]用激光加工技術在45鋼表面加工出周向溝槽、局部網狀溝槽、徑向溝槽和微凹坑等四種不同形貌的織構,在穩定磨損階段,與光滑試樣相比徑向溝槽織構試樣摩擦系數降低了16%,表現出較好的減摩效果。王再宙等[5]在45鋼表面加工了凹坑、凸包、鱗片、波紋四種不同的織構形貌,均表現出良好的耐磨性。張赟等[6]使用納秒激光器在鋼導軌上加工出六邊形織構,研究在油潤滑條件下導軌接觸面之間的摩擦情況,實驗證明,單面導軌微織構會減小摩擦,但雙面都有織構時摩擦情況比普通接觸表面更惡劣。于海武等[7]對圓形、正方形和橢圓形凹坑織構的減摩效果進行對比發現,橢圓形凹坑織構表現出最優的減摩效果,正方形凹坑織構次之,圓形凹坑織構最差。宋起飛等[8]在鑄鐵表面加工出凹坑、溝槽和網格等三種不同形貌的織構,發現網格織構試樣的磨損量和摩擦系數最小,耐磨性能最好。

本文根據仿生學原理設計月牙形凹凸織構,利用納秒激光器在YT5硬質合金表面制備出織構化表面,測量了織構化表面的物理性質(表面形貌和織構高度)并優化了激光加工參數。以相同織構高度的凹凸織構和光滑基體作為對照組,通過摩擦磨損試驗和潤濕性試驗探究了不同材料織構化表面耐磨性和親水性變化。

2 試驗設備及方案

2.1 制備樣品

試驗選用15mm×15mm×4mm的YT5硬質合金作為基體材料,用碳化硼粉末進行研磨,將研磨好的表面用W1.5粒度的金剛石噴霧拋光劑在金相拋光機上處理,在無水乙醇中超聲清洗去除附著物,干燥待用。

2.2 仿生織構化表面設計

食肉植物豬籠草生長在空氣潮濕和土壤貧瘠的地方,其唇部和蠟質區功能表面極易使昆蟲滑落,從而達到捕食獲取營養的目的。德國基爾大學Gorb E.V.等[9]通過研究發現,獨特的月牙結構使得豬籠草內表面對昆蟲黏附行為呈現各向異性,與蠟質層相結合更有利于滑落昆蟲,具有優異的減摩特性。

試驗以豬籠草的蠟質區表面為仿生模型,綜合考慮實際加工情況以及織構的面密度,設計了月牙形織構?？棙嫵叽绾烷g距如圖1所示。

圖1 織構形貌設計

2.3 制備織構化表面

試驗選用MFSC-20納秒激光器在YT5硬質合金表面分別加工出仿生月牙形的凹織構和凸織構,激光器的參數見表1。試驗綜合考慮激光功率、掃描速度、掃描次數和脈沖頻率4個變量的影響,每個變量選取5個參數,具體加工參數見表2。制備出具有凹、凸織構的試樣,由于激光加工會產生重鑄層使表面不平整,所以在激光加工完后用砂紙打磨試樣并作拋光處理,使用超聲清洗器清洗干凈。

表1 納秒激光器參數

表2 激光加工參數

2.4 潤濕性試驗

使用Kruss DSA100接觸角測量裝置測量每個樣品的液滴接觸角,具體步驟如下:分別將1滴去離子水和潤滑油(約10μL)通過微量進給器滴到樣品表面,待液滴形狀不再變化后,利用CCD相機拍攝液滴的外部輪廓,采用擬合圓測量其接觸角θ,每個試樣表面測量5次取平均值。由于月牙形織構在水平方向和豎直方向形貌不同,所以在拍攝接觸角時分別拍攝這兩個方向的接觸角并定義水平方向為方向1,豎直方向為方向2。

2.5 摩擦磨損試驗

利用UMT-2多功能摩擦試驗機進行摩擦磨損試驗,試驗機加載力精度為0.01N,采用球—板接觸式直線往復摩擦,摩擦球選用直徑為9.525mm的GCr15軸承鋼對磨球(硬度HRC50～60,除Fe外其他元素成分見表3)并固定在夾具中,在垂直于試樣表面方向加載恒定載荷大小為15N,以5mm的滑移距離、5mm/s的滑移速度往復運動1200s,分析對比不同試樣磨損后的磨痕形貌和元素分布。每個織構試樣表面選取2個方向進行摩擦磨損試驗并定義水平方向為方向1,豎直方向為方向2。

表3 GCr15軸承鋼球元素成分 (%)

3 試驗結果與討論

3.1 仿生織構制備時激光加工參數的優化

選用KEYENCE VHX-5000超景深三維觀察顯微系統對硬質合金織構化表面進行拍攝表征,在每個參數制備出的織構表面中間位置觀察表面輪廓高度變化得到圖2和圖3所示表面輪廓變化曲線。

(a)功率

(a)功率

由圖2和圖3可以看出,在相同的激光參數條件下,凹織構的織構深度均比凸織構的織構高度更大,這是因為加工凹織構時加工區域面積小,激光作用區域更加集中,所以加工出來的織構深度更大。凹織構和凸織構的織構尺寸與激光參數之間具有相同的變化規律:隨著激光加工功率增大,織構的高度越來越高;隨著掃描速度增大,織構高度越來越低;脈沖頻率對織構高度的影響很小,隨著脈沖頻率增大,織構高度越來越低;掃描次數對織構影響最為嚴重,隨著掃描次數增加,織構高度大幅增加。

在用50mm/s的掃描速度加工硬質合金表面時,織構高度并不符合上面的規律,表面輪廓高度起伏較大。這是因為激光通過凸透鏡聚焦后,其中心區域能量極高,當激光照射到導軌表面時,材料會被瞬間熔化或氣化,并且由于照射點處能量較高,熔化或氣化的材料會被速度極高的氣流沖擊反向噴射出來,并在短時間內冷卻凝固,形成重鑄層[10]。一方面當激光繼續照射在該結構上時,該結構會分散激光的能量,無法繼續燒蝕材料,另一方面,由于激光的作用,材料變成等離子體及熔融物并在高壓的作用下噴出,這些物質會屏蔽激光造成激光能量損失,進一步影響加工深度[11]。在二者耦合作用下,當激光掃描速度過慢時,單位時間內激光照射在單位導軌材料上的能量過大,內部堵塞嚴重,造成織構高度較小且激光加工過的區域十分不平整。

綜合對比考慮硬質合金織構形貌以及織構高度后,最終優化得到表面良好且具有相近織構高度(約16μm)的激光加工參數,如表4所示。制備出的凹凸織構試樣表面形貌如圖4所示。

表4 優化后的激光加工參數

(a)硬質合金凸織構

3.2 織構化表面的潤濕性

由圖5去離子水接觸角柱狀圖可以看出,接觸角最大的試樣是由方向1觀察到的凹織構試樣,為51.36°,接觸角最小的試樣是由方向2觀察到的凸織構試樣,為25.21°,所有試樣的接觸角均小于90°,全部具有親水性。無論是凹織構試樣還是凸織構試樣,由方向2觀察到的接觸角均小于由方向1觀察到的接觸角,說明月牙形織構在這一方向上親水性更強。凸織構會使表面的接觸角減小,表面更具有親水性,凹織構會使表面的接觸角增大,表面親水性減弱。

圖5 去離子水接觸角柱狀圖

由圖6油接觸角柱狀圖可以看出,最大的接觸角是基體表面,為33.64°,具有織構的表面接觸角均小于基體表面,其中接觸角最小的是由方向2觀察到的凹織構表面,為10.43°,所有試樣表面的接觸角均小于90°,且除硬質合金基體外,其余試樣的接觸角均小于30°,說明潤滑油在這些刀具材料表面的鋪展性較好,具有較強的親油性。2個方向觀察到的接觸角大小差別很小,具有相近的親油性。相較于材料的基體表面,凹織構和凸織構均會使接觸角減小,親油性增強。

圖6 油接觸角柱狀圖

3.3 摩擦磨損性能

3.3.1 干摩擦條件

由圖7瞬時摩擦系數曲線可以得知,光滑基體的摩擦系數初始時刻比較低,只有0.15左右,隨著時間推移,在150s左右開始緩慢上升,在450s左右開始趨于穩定并穩定在0.60左右,這是因為最開始表面比較光滑,隨著摩擦時間增長,摩擦區域開始出現磨屑,導致摩擦系數緩慢上升并最終進入穩定摩擦狀態。摩擦方向1的凹織構試樣的平均摩擦系數在0.16左右,摩擦方向2的凹織構試樣平均摩擦系數在0.15左右,摩擦方向1的凸織構試樣和摩擦方向2的凸織構試樣平均摩擦系數都在0.13左右,可以看出月牙織構的2個摩擦方向的摩擦系數沒有太大差別。凹織構和凸織構試樣都表現出良好的減摩效果,其中月牙凸織構的減摩效果更好,使摩擦系數降低了80%左右。

圖7 試樣瞬時摩擦系數曲線

由圖8～圖10表面磨痕及元素分析可以看到,光滑基體表面摩擦區域有清晰可見的磨痕以及犁溝狀劃痕,說明主要磨損機理為磨粒磨損。具有織構的試樣表面犁溝狀劃痕較少,試樣表面的凹凸織構邊緣都存在磨屑的黏結,說明織構的存在起到收集磨屑的作用,使摩擦系數降低。摩擦方向2的試樣均比摩擦方向1的試樣黏結少,磨痕淺。凸織構試樣表面黏結情況最為嚴重,磨痕最淺;光滑基體表面的黏結最少,磨痕最深;凹織構試樣的黏結情況介于光滑基體與凸織構試樣之間。

圖8 光滑基體表面磨痕及元素分析

圖9 凹織構試樣表面磨痕及元素分析

圖10 凸織構試樣表面磨痕及元素分析

3.3.2 潤滑油潤滑條件

由圖11可知,材料表面有無織構對摩擦系數的影響不大,所有試樣的平均摩擦系數相差很小,各個試樣的平均摩擦系數由大到小分別是摩擦方向2的凸織構試樣、摩擦方向1的凸織構試樣、摩擦方向1的凹織構試樣、摩擦方向2的凹織構試樣及光滑基體,織構化表面起到較小增摩的作用。

圖11 試樣瞬時摩擦系數曲線

由圖12～圖14表面磨痕及元素分析可以看出,在潤滑油潤滑條件下試樣的磨痕都比較淺,磨屑黏結較少。摩擦方向2的試樣比摩擦方向1的試樣黏結要多,這與干摩擦條件下情況相反。光滑基體表面的黏結較少,磨痕也淺。雖然凸織構試樣表面的黏結最多,但其磨痕最淺,凹織構試樣表面的黏結最少,但是磨痕比凸織構試樣更深。

圖12 光滑基體表面磨痕及元素分析

圖13 凹織構試樣表面磨痕及元素分析

圖14 凸織構試樣表面磨痕及元素分析

4 結語

利用納秒激光器在硬質合金材料和陶瓷材料表面加工織構,通過優化激光參數,加工出表面形貌良好且具有一定高度的月牙狀仿生凹凸織構。相較于光滑基體,兩種材料加工出的織構都具有更好的親水性和親油性。在干摩擦條件下,兩種材料在摩擦方向2上的凸織構試樣均具有更低的摩擦系數,硬質合金材料摩擦系數下降了約80%,陶瓷材料摩擦系數下降了約72%;在干摩擦和潤滑油潤滑條件下,兩種材料的凹織構和凸織構都能減輕表面的磨損,凸織構試樣具有最好的耐磨性。