激光加工微织构研究进展及其在改善摩擦学特性方面的功能分析.pdf

微织构对表面摩擦磨损有着显著的减缓和改善作用，已成为工程应用和工业研究的热点。重点阐述激光烧蚀制备织构的去除机理，并对纳秒、皮秒以及飞秒激光等各类加工织构的方法进行了对比分析，阐明织构在多种领域表面改性作用，重点说明了微织构减摩降磨与提高润滑效应的作用机理，分析和研究了织构的几何参数对摩擦性能的影响。关键词：微织构；激光制备微织构；减摩降磨；几何参数；摩擦性能中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言据统计，世界能源很大一部分消耗于摩擦过程中，而大量的机械设备也由于磨损原因导致直接或间接报废，如关节轴承内外圈间的磨损、电子连接器的微动磨损和阀门中球形阀门芯的磨粒磨损等。大量研究表明，物体间接触面并非越光滑摩擦阻力越小，而是当接触界面间存在一定形状的纹理时更有利于减小摩擦系数，这为织构提升接触界面的摩擦强度研究提供了理论依据。表面织构是在材料表面加工的各种形状纹理，具有储存润滑液、增加润滑膜承载能力、改善润滑效果以及提高抗磨性能的优点。织构的研究最早是借鉴鲨鱼皮肤、穿山甲、蜥蜴和荷叶等材料表面特征的微小结构，探索表面纹理的减阻效应，并根据该效应进行工程化模拟，通过仿生学原理设计获得微织构 ，其微结构见图 。图 鲨鱼皮肤表面、荷叶表面乳突目前，微织构的应用已经从工业生产逐渐拓展到医疗、军事航海以及工程降噪等领域。结合目前工程应用情况，根据织构的空间排布和自身特征大致可以分为凹坑和凸起、连续型和离散型分布。凹坑形状可以更好地储存润滑介质，更容易形成动压润滑效应，而凸起织构更有利于摩擦副之间磨粒的排出 。一些学者研究发现，离散型织构（如凹坑织构）相较于连续型织构（如沟槽织构）表现出更好的切削性能 ，不同种类的织构具有不同的减摩润滑效果。年第 卷?激光制备微织构技术研究目前加工表面微织构的方法主要有：激光加工、电火花加工 、离子刻蚀 、超声加工技术 、压印固化成型技术 及机械精雕加工技术 等。其中，利用激光加工织构是目前应用最为广泛的方法。激光包括连续激光和脉冲激光，相对于连续激光，脉冲激光更适合织构的制备 ，本文主要研究脉冲激光制备织构的方法。激光加工技术在制备织构方面主要通过激光烧蚀去除材料，而激光烧蚀类型主要有纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀，主要区别在于脉冲激光的脉宽和加工精度。图 为在同样加工参数下三种激光加工同种材料的效果。可以看出，纳秒激光和皮秒激光加工都存在较大的表面质量问题。纳秒激光加工存在严重的熔融物重铸凸起，皮秒激光加工边缘粗糙，而飞秒激光加工后的表面平整光滑、精度高。（）纳秒激光（）皮秒激光（）飞秒激光图 不同激光制备技术的烧蚀效果?激光去除材料的技术机理激光烧蚀主要通过基材吸收激光能量后发生气化、熔化以及相爆炸等实现材料的去除 ，纳秒激光技术主要是诱导材料分子振动产生热量的光热变化来去除材料；皮秒激光主要通过将材料的分子由基态激发到激发态的光化学变化和光热变化来去除材料；飞秒激光主要是将激光光子的能量辐射给电子，经电子晶格耦合去除材料。在短脉冲激光（纳秒激光和皮秒激光）能量低于基材的烧蚀阈值时，材料吸收热量使加工区熔化 ，造成热影响区表面起伏。而超短脉冲激光（飞秒激光）的烧蚀由于脉宽极短，激光参数调节达到基材烧蚀阈值后靶材瞬间被去除，几乎没有热影响。明兴祖等 在研究飞秒激光烧蚀 材料时发现，当激光能量密度为 时，加工区形貌粗糙且热影响区出现熔融物堆积，在激光能量密度达到 时，加工区形貌整齐光滑，几乎没有热影响区熔融物。激光烧蚀机理相当复杂，温秋玲等 加工 单晶金刚石时发现，温度达到 后，金刚石开始石墨化且烧蚀后的织构底部出现周期性微纳结构。目前还没有模型可以对激光烧蚀机理进行全面描述。?不同类型的激光制备织构 纳秒激光制备织构技术纳秒脉宽为 ，相较于另外两种激光技术，纳秒激光与材料作用时间长，产生的热影响较大，加工精度低，加工表面较为粗糙，在加工区和加工区周围容易出现熔融物重铸现象，但设备便宜且相对稳定，因此很多研究学者利用纳秒激光制备织构进行研究。张全利等 采用纳秒激光在单晶硅上制备织构时发现，激光烧蚀过程中会发生爆炸现象，受到热影响的加工区边缘材料熔化向四周飞溅。张娜等 用不同功率的纳秒激光在 硬质合金上制备出正弦型沟槽织构，由图 可知，在加工次数一定时，激光功率在 时织构的表面质量最好，而激光加工功率过大会烧灼更多的材料，在织构底部出现更多的熔融物。李子航等 在利用纳秒激光加工织构时发现，不同的激光加工参数会影响织构的形貌，适当的激光扫描次数会将前几次扫描产生的熔融物气化、熔化并溅射出织构，而过多的扫描次数增加了织构深度，使得熔融物难以溅射出织构，堆积在织构底部。（），次（），次（），次图 不同激光功率加工织构的表面质量为改善纳秒激光制备织构易产生熔融物重铸导致表面质量差的问题，刘峰等 利用离子束辅助激光加工的方法对纳秒激光加工织构后的 硬质合金进行离子束刻蚀。由图 可以看出，离子束工 具 技 术辅助刻蚀后凹坑织构周围的熔融物明显减少。使用离子束辅助激光刻蚀加工技术在刻蚀受激光影响的改性区时，其刻蚀速率明显大于刻蚀未改性区的速率。分析可知，离子束辅助激光刻蚀技术可以明显减少熔融物对表面质量的影响，提高织构表面质量，并随着刻蚀时间的增加进一步扩大织构的尺寸，有助于储存磨粒和润滑油，降低表面粗糙度，使得整体表面更平整。（）激光加工的织构 形貌（）离子刻蚀后的 形貌图 有无离子束辅助激光加工的织构 形貌 皮秒激光制备织构技术皮秒激光的脉宽为 ，相比于纳秒激光，皮秒激光具有更高的加工精度；相比于飞秒激光，皮秒激光不需要对激光进行展宽和压缩，设备简单。尽管皮秒激光可以在瞬间到达基材的烧蚀阈值，实现去除材料的目的，但是加工区域周围还是会受到热影响导致表面质量存在微小缺陷。张蠧臖等 采用皮秒激光技术在不锈钢表面加工不同形状规则的织构发现，由于激光能量大于材料烧蚀阈值和热影响积累的原因，在加工区域出现 的微小突起。赵莹等 在研究铜表面对红外线的吸收率时，先用皮秒激光在铜表面制备出凹槽织构，以此来提高铜表面对红外线的吸收率。华希俊等 在探究皮秒激光参数对织构尺寸的影响时发现，高斯分布的激光光束在加工区边缘会因加工时间的延长而积累出现热影响，抑制皮秒激光“冷”烧蚀的效果，图 为激光光束的高斯分布特征。文献 在后续的研究中提出激光与吸光涂层相结合的技术，在 轴承钢表面先分别喷上一层水玻璃、黑漆以及黄料吸光复合涂层，再用激光加工织构，之后用粒径 的氧化铝抛光粉进行轻微抛光。结果发现，水玻璃和黄料的复合涂层效果最好，与无涂层的织构相比，不但增加了 的织构体积，还减少了织构周围 的熔渣。吸光涂层有很高的激光吸收效率，由于涂层和基体表现出良好的附和性 ，热量可以很好地传递到基体上，在更短的时间内气化并除去材料。吸光涂层可以提高激光的加工效率，减少因热影响而导致的表面质量差等问题，并将熔渣与基体隔开，更容易脱落去除。图 激光光束高斯分布 飞秒激光制备织构技术飞秒激光的脉宽为 ，是当前最先进的激光技术，烧蚀区域更加集中，在合适的加工参数条件下几乎不产生热影响区，具有更好的加工质量，因此飞秒激光技术成为目前研究的重点。陈根余等 在研究不同功率的单脉冲和多脉冲激光对基材烧蚀阈值的影响时发现，在一定范围内，随着激光脉冲数量的增加，基材的烧蚀阈值减小。这与符永宏等 的研究结果类似，其提出了一种新的激光加工工艺 同点间隔多次加工，间隔加工使热影响区有足够的时间将热量散失，最大程度地减少了热量在基材的累积。飞秒激光加工织构还伴随出现周期性微纳结构，如 等 利用飞秒激光透过蒸馏水在硅基板上进行烧蚀研究发现，激光在透过蒸馏水时会出现空化气泡和持久气泡，空化气泡很快破裂，当激光经过持久气泡折射后出现马兰戈尼流效应，使激光在同一区域连续烧蚀，形成 共存的多层周期性纳米结构，为制备更大表面积的硅基板奠定了基础。国内学者对液相辅助飞秒激光加工织构技术进行研究。逄明华等 将 硬质合金放在液体环境（无水乙醇与双氧水体积比为 ）中，再用飞秒激光加工织构，相比于在空气中加工，在液体中加工的表面质量更加均匀。对加工后的表面进行以 不锈钢球为上试样的球盘摩擦磨损试验，结果显示，在干摩擦、润滑油、润滑油和固体润滑剂混合的三种条件下都具有更好的减摩效果，摩擦系数与时间关系如图 所示，该加工过程中可以将部分熔融物带离工件表面 ，改善熔融物的重铸问题，同时产生的气泡会对激光进行散射，使得工件表面温度分布更加均匀。在液体介质中加工，一定程度上可以减少织构周围的熔融物，隔绝空气，减少氧化物的产生，氧元素的减少增强了材料表面亲水 年第 卷 性 ，使得润滑油更容易平铺展开。（）干摩擦（）润滑油（）润滑油和 混合图 不同工况下的摩擦系数曲线?微织构表面改性的多领域应用?减摩降磨，提高润滑性能织构最早的研究目的是减少摩擦副间的摩擦系数并减少磨损，提高器械的使用寿命。较为常见的应用有：在刀具的表面制备微织构以改善刀具的润滑情况，降低刀具的磨损，提高切削质量。大量研究表明，磨粒磨损是刀具磨损的主要原因 ，当刀具在切削时，产生的磨粒会进入摩擦副间，恶化摩擦状态，加速刀具磨损速度。如图 所示，凹槽型织构可以很好地储存磨粒和润滑介质，在缺少润滑时，随着摩擦再次进入摩擦副间达到二次润滑的效果 。等 在冷作工具钢制成的刀具上加工出更有利于润滑油流出的小角度椭圆形凹槽织构，并分别在低黏度和高黏度两种润滑油的条件下与光滑表面刀具进行磨损实验对比，研究发现，小角度椭圆形凹槽织构在高速滑动时润滑油更容易从织构中流出达到二次润滑的效果，可以明显改善润滑性能。图 织构存储磨粒的模型动压润滑的形成条件简单且存在范围广泛，是润滑的一种重要方式。动压润滑的形成条件是必须存在楔形间隙 ，而无论凸起织构还是凹坑织构都会使两个平行的摩擦面形成楔形动压润滑的条件。等 研究发现，在凸起织构靠近入油口处会形成动压润滑，有利于形成油膜。金乐佳等 在轴瓦上加工圆形凹坑织构时，在混合润滑的工况下利用平均雷诺方程分析油膜厚度，结果显示，凹坑织构右端的油膜厚度变小，油压增大，形成微小的楔形动压润滑效应；而在织构左端，油膜厚度增大，使得轴承的承载能力变小，摩擦副的表面相互接触摩擦，磨损区域增大。于海武等 设计圆柱形凹槽织构时，利用 软件中的 模块进行仿真分析发现，在凹槽右侧出现楔形收敛形成最大的油膜压力，如图 所示。图 三位无量纲润滑油膜压力分布由于织构的存在诱发空化效应使得织构前端和织构后端油膜压力变化呈现非对称结构，如图 所示。等 在铜表面加工出正方形凹槽织构并搭建试验台进行转盘旋转摩擦试验发现，空化效应对油膜承载有积极的影响，转盘转速越快空化效应程度越剧烈。如图 所示，有研究表明，空化效应并不仅仅存在于凹坑织构，在润滑油离开凹槽织构和进入凸起织构时，截面积变小导致油膜压力变大；在润滑油进入凹槽织构和离开凸起织构时，截面积变大导致工 具 技 术油膜压力变小，形成一个负压区，使油膜的承载能力降低，但是在负压区产生的空化效应可以明显阻止油压降低。方勋 利用数值模型分析凸起织构的润滑过程时发现，在考虑空化效应后的承载力远大于不考虑空化效应时的承载力，考虑空化效应的摩擦因数比不考虑空化效应的摩擦因数降低 。由此可见，空化效应会抑制负压区压力的降低，提高油膜的承载能力，改善因截面积变化导致的油膜承载力减小状况。图 无织构和织构摩擦副上壁面压力分布（）凹槽织构空化模型（）凸起织构空化模型图 织构空化模型此外，微织构对刀具的作用不仅表现在减摩润滑方面，合理的织构设计还会减少前刀面与工件的接触面积，减少主切削力，降低后刀面的磨损。刘伟等 基于有限元分析方法研究微织构对刀具背向力（切深抗力）的影响时发现，梯形凹槽织构可以减少切屑与前刀面的接触面积，降低刀具的背向力，但半球凸起却会对刀具进行二次切削 ，增大刀具的背向力，这与国内许多学者的研究结论一致。段冉等 研究发现，在刀具特定地方（主要是前刀面和后刀面）制备织构可以有效改善刀具摩擦性能。李斌斌等 利用仿真软件分析了无织构表面和正弦型织构表面在切削时的温度分布，结果显示，织构的存在提高了散热面积，有利于热量散发，使得织构刀具在切削时温度分布更加均匀。织构在减摩润滑方面已经有了很多新的应用，郑凯瑞等 在血管支架上制备六边形的凹坑和凸起织构来探究血管微织构对血液流速和减阻的影响，结果显示，带有织构的血管支架可以减少血流阻力、减少血液中有害物质的黏附。杨小洋等 建立了人造髋关节织构表面流体动压模型，利用仿真软件进行分析，研究发现，合适的织构参数可以提高油膜平均承载力，降低关节摩擦副间的摩擦系数。?超疏水通过增大固液表面的接触角来提升表面疏水性是一种常用的方法，当固液表面接触角大于 时，材料开始表现出疏水特性 。李嘉琪等 仿照荷叶超疏水的生物特性，在月球车的光伏玻璃上成功制备出圆台、四棱台以及六棱台的凸起织构，研制出具有自清洁能力的玻璃表面，图 为织构的侧面 形貌。图 玻璃表面微织构侧面的 形貌将工作表面分别倾斜 ，和 后发现，随着工作倾角的增大，自清洁能力不断提高，凸起织构的存在减少了尘土颗粒与玻璃表面的接触面积，降低了范德华力，使得尘土颗粒更容易滑落。李健等 在聚晶金刚石 刀具表面制备微织构时发现，凸起织构表面越粗糙，表面的疏水性越好。这是因为表面粗糙的间隙中存在空气，实际的固液接触面积比观测到的要小很多，这与图 中 接触模型一致。在织构表面涂上一层疏水涂层可以达到疏水效果，原理是疏水涂层具有较低的表面自由能。郑志霞等 研究发现，高表面自由能的表面亲水性更好，低表面自由能的表面疏水性能更好。赵美云等 先用激光在陶瓷上加工微织构，再将制备织构后的陶瓷浸泡在十六烷基三甲氧基硅烷乙醇溶液中形成化学疏水层，可以降低材料表面自由能。织构 年第 卷 的存在使得缝隙中存储更多的空气，增大了固液接触角；化学涂层降低了表面自由能，也增大了疏水性。现在越来越多的学者开始研究织构在防覆冰、超疏水方面的应用。图 表面接触角物理模型?吸光减反目前太阳能越来越被人们重视并加以利用，而太阳能的利用效率仅为 。基于此，有学者研究发现，在光伏玻璃上制造合适的织构可以减少光的反射，增强光的吸收率 。方正 提出了一种新的吸光织构结构，即在单晶体光电池表面刻蚀出“金字塔”型陷光结构，如图 所示，当光线射入微织构结构中时，不再直接反射到外部，而是经过织构表面的多次反射来降低光线的反射率，提高了太阳光的利用率。图 织构表面光线反射原理在上述研究基础上，许志龙等 根据数学模型进一步探索带有织构的光的吸收效率，有（）（）式中，为反射率；，为两种不同介质的折射率。光在织构晶体硅电池表面经过 次折射的吸收率 为（）通过此方法获得的吸光率可达 以上，织构的存在对提高太阳能的利用率意义重大。然而，在光伏玻璃上制备的织构强度较低，微纳织构结构容易被破坏，如何提高织构太阳能板的强度将是未来的重要研究方向。微织构的几何参数对减摩润滑效果的影响早在 年，等 就发现不同的织构形状会影响减摩润滑性能，同时大量研究表明，织构的几何参数也会影响织构的作用效果 。织构的几何参数包括了织构形状、面积占有率、深度等，建立一套系统的织构选择体系成为重点突破的研究目标。?织构的形状常见的织构图形主要有正方形凸起织构、圆形凹坑、沟型凹槽、方形凹坑、正弦型织构及三角形凹坑等（见图 ），此外，还有被广泛应用到超疏水领域的凸起型织构、应用到减少太阳能反射的“倒金字塔”陷光结构 以及整体不规则的阶梯型织构 等。图 常见的织构类型已有研究表明，类圆形织构更容易形成二次润滑，动压润滑效果更加明显 。如 等 对平行凹槽和圆形凹槽进行摩擦实验发现，圆形凹槽可以更有效地降低摩擦系数。此外，毛亚洲等 对圆形织构在滑动轴承上的作用机理进行了研究，用 软件建立数学模型发现，当圆形织构在升压区时具有更好的承载效果。张幼军等 通过在关节轴承上分别制备方形、圆形以及三角形的织构发现，圆形织构的油膜承载压力最大，且压力分布更为均匀，产生的动压效果最好。相比于其他离散型织构，圆形凹坑织构在某些特定条件下的减摩润滑作用效果更为优异。在单一形状织构的基础上，胡宇等 仿照硅藻生物结构建立圆柱半球型、矩形半球型复合织构模型，利用 仿真软件分析了最大油膜压力和摩擦系数，结果发现，圆柱半球型复合织构的减摩性能最好，图 为圆柱半球型复合织构模型。工 具 技 术织构的形状由最初的简单化、单一化逐渐向复杂化、复合化的方向发展。唐志成等 发现方形凹坑与条形凹槽组合阵列的织构的油膜承载能力要优于单一种类织构。杜文鑫等 研究正弦织构对压裂泵柱塞密封的摩擦性能的影响时发现，在密封条件下随着密封压力增大，油膜的承载力和摩擦系数也在增加。图 圆柱半球型复合结构织构的单元体模型织构形状的研究还需要进行大量的实验，研究对象、相对滑动形式以及工况的不同，最佳的织构形状也不尽相同，不存在系统性的最佳方案。同时，对不同形状的织构不能单一控制某个变量来进行比较，而是应该比较每种形状最佳参数下的润滑效果 。?织构的面积占有率除织构图形外，织构的面积占有率对织构性能也有很大影响，面积占有率的变化可以通过改变单个织构尺寸、整体织构数量来实现。国内外学者在这方面进行了大量的研究。徐阳阳等 利用 脉冲激光器在气缸套活塞环上加工出不同面积占有率的织构，分析发现，面积占有率为 时表现出最佳的摩擦学性能。此外，等 在研究内燃机的磨损行为时发现，凹槽织构面积密度为 时减摩效果最好。在织构几何参数都相同的情况下，由于工作环境不同，具有最佳摩擦学性能的织构面积占有率也存在较大差异。尹红泽等 利用 打印技术在楔形凹槽织构进行销盘摩擦磨损实验，比较了不同载荷、不同面积占有率的织构对摩擦系数的影响。从图 可以看出，当摩擦载荷为 时，的织构面积占有率表现出最佳的摩擦学性能；当摩擦载荷为 时，的织构面积占有率表现出最佳的摩擦学性能。织构的面积占有率越大越有利于润滑介质储存，也更容易收纳摩擦副之间的磨粒和磨屑。但过大的织构面积占有率会增大表面粗糙度，导致部分动压润滑能力丧失，在一些研究中，过大的面积占有率的摩擦系数甚至超过了原本光滑平面的摩擦系数，这与减摩目的相反。佟德辉等 在研究织构对缸套活塞的摩擦性能影响时发现，面积占有率在 时摩擦性能最好，面积占有率超过 时不利于油膜的形成，摩擦系数开始出现上升趋势。（），（），图 不同载荷和不同面积占有率的摩擦系数对比?织构深度微织构深度是影响织构摩擦学性能的重要因素之一。早在上世纪，国外学者就开始了织构深度的研究，等 在 模型的基础上，通过仿真软件和试验找到了在某些特定条件下织构深度的最优解。织构深度会影响油膜的形成，织构深度过大时在织构内部将产生涡流 ，降低流体动压润滑。齐烨等 为探究织构深度对油膜承载能力的影响，将油膜厚度固定为 ，分别加工不同深度的凹槽织构，当织构深度在 时，随着织构深度的增加，润滑油的承载能力不断增加，继续增加深度，润滑油的承载能力开始减小。而当织构深度过小时，不利于存储磨屑和润滑油，也会对摩擦学性能造成影响。苏峰华等 采用激光在不锈钢表面制备不同深度的沟槽织构，以 钢球作为摩擦对偶球，在 磨损试验机上进行往复球盘式油润 年第 卷 滑摩擦试验，研究发现，不同深度的织构都可以降低表面的磨损以及摩擦系数，在深度为 ，和 织构中，深度为 的织构的减摩润滑效果最好（见图 ）。（）无织构（）深度 （）深度 （）深度 图 不同深度织构的磨损试验后的 形貌?结语通过对激光制备微织构的综述和微织构几何参数的分析，获得了微织构在改善摩擦性能等方面的影响及其变化规律和激光制备微织构的缺点。（）微织构的几何参数在减摩降磨、提高润滑性能方面具有重要影响，探究出一套较为系统且可以提高空化效应和动压润滑效应的几何参数优化方法具有重要意义。（）激光加工织构的研究大部分在空气介质中进行，通过在液体介质中加工制备织构具有较好的前景，光束经过持久性气泡的折射、散射形成的微纳结构周期性更小，未来经过精准调制后可以用来制备更精细的纳米结构。（）通过激光技术非接触式的加工方法制备织构存在熔融物重铸、热影响等问题，激光加工通过与其他技术相结合，如超声振动技术、电磁复合场技术等，可以提高激光制备微织构的表面质量。参考文献 刘先兰，屠家贵，金潇明 仿生非光滑表面技术在机械工程中的应用 新技术新工艺，（）：李纪超，陈招弟，韩冬冬，等 超疏水聚偏氟乙烯的激光加工 中国激光，（）：张辉，刘洋，王伟，等 织构化表面设计及其摩擦学应用 机械工程学报，（）：屠春娟，郭旭红，郭大林，等 不同形貌微织构自润滑陶瓷刀具切削性能的对比 机械工程材料，（）：，（）：，：谢俊峰，朱有利，黄元林，等 超声深滚处理高强铝合金超声波焊层组织和织构研究 稀有金属材料与工程，（）：石平 陷光织构膜的 压印及其光学特性研究 泉州：华侨大学，杨立光，马文锁，高飞，等 表面凹槽织构微机械加工及其摩擦学性能研究 工具技术，（）：马晓斐，王涛，张健，等 ：单晶光纤的连续及脉冲激光性能 发光学报，（）：胡晓冬，李元龙，白少状，等 激光在材料去除加工中应用的研究进展 激光与光电子学进展，（）：靳田野，陈俊云，王金虎，等 纳米孪晶立方氮化硼的飞秒激光材料去除机理 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