激光电化学复合微加工沟槽织构的减摩效果研究

姚宇航

（江苏大学，江苏 镇江 212013）

1 摩擦磨损技术相关研究

据不完全统计，人类社会大致有一半的资源消耗是由摩擦磨损造成的[1]，一半以上的零件破损失效也是如此，因此，摩擦学的研究对于当今社会的可持续发展具有极为重要的意义。在摩擦副表面制备微织构图案，更是当今研究的重中之重，不仅可以改善零件摩擦性能，还能起到提高润滑效果、降低零件损耗、节约资源的作用。

早期，俄罗斯学者Schneider等[2]于1984年提出Vibrorolling技术，并将其应用于表面织构的加工，主要使用压刻机坚硬的压头在物体表面滚压，使其发生塑性变形，得到较浅的凹坑或沟槽分布，但是该方法的设备成本与制作成本都较高，且加工得到的织构形貌差、精度低，因此，该项技术很快被淘汰。

1986年，德国学者Ehrfekd[3]提出了光刻、电铸和注塑技术（Lithographie Galanoformung Abformung，LIGA），是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制3个工艺步骤，适用范围广，但生产效率低，加工设备费用高。

以色列学者Etsion等[4-7]于20世纪90年代使用激光加工表面微织构，并将其与摩擦学领域相结合，其团队将此技术应用于多种摩擦副，并通过实验逐渐证明其匹配性与适用性[8-10]，最终加工得到了优异的摩擦性能。直至今日，该项技术由于设备费用高和操作要求高，仍止步于实验室的研究使用，没有广泛地普及到工业领域中。

本文采用激光电化学复合加工技术，在7075铝合金的表面加工出了微沟槽型织构，并对试样进行相关摩擦性能的测试，考察了其摩擦性能对比光滑表面摩擦性能的差别，同时，研究了沟槽宽度和面积密度对试样表面减摩效果的影响，验证了沟槽织构在7075铝合金表面的减摩适用性。

2 微沟槽织构加工与摩擦性能测试

2.1 制备微沟槽织构

本试验选取7075铝合金作为加工试样，具有优秀的抗腐蚀性能、良好机械性能及阳极反应。试样的规格尺寸定为20×30×8 mm，需先用400目、600目、1 200目、2 000目的普通砂纸及W14的金相砂纸进行抛光处理，洗净待干燥后方可加工。

本文构建了激光电化学复合加工试验系统用于式样的加工，如图1所示，其实物如图2。采用Edgewave PX100-1-GM超短脉冲激光器，其各项参数如表1所示。试验选用的电解液为质量分数10%的NaNO3，对设备腐蚀度较小，加工表面质量好，加工精度高，加工电压为1 V。

图1 试验加工系统

图2 加工设备实物

表1 激光器相关参数

沟槽宽度和沟槽的面积密度是本实验的主要变量，图3为沟槽型微织构的示意，间距作为间接变量，间距越大面积密度越小；间距越小，面积密度越大。

2.2 试样表面的摩擦磨损试验

复合加工得到试样，首先，使用酒精洗净，并进行干燥处理；其次，使用MFT-5000型RTEC摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验。选取10 N，20 N，50 N和80 N作为试验载荷，选取3 mm/s作为试验机的工作速度，有效工作行程定为10 mm，滑动方向与沟槽方向相互垂直，在油润滑的条件下总计工作200 s，电脑自动记录试验得到的摩擦系数的值，最后进行拟合与整理。

3 试验成果及分析

3.1 沟槽型织构形貌

采用上文建立的试验系统，制备生成微沟槽织构，其SEM图如图4所示。可以看出，沟槽形貌良好，基本无加工造成的形貌缺陷。皮秒激光与电化学复合刻蚀得到的试样与单一激光加工所得到的试样相比，其表面质量更好，沟槽宽度更大，但沟槽深度较小。

3.2 沟槽型微织构的减摩原理

（1）沟槽型织构形貌具有良好的储存润滑油功能，能够储存更多的润滑油，意味着摩擦副之间的润滑油膜将会更加厚实、稳定，润滑效果更好，特别是在高载荷的情况下，其优势就更加明显；与此同时，沟槽还能捕获一些脱离摩擦副的磨粒，使得摩擦表面的损耗减小。

（2）流体动压润滑效是沟槽型织构的一大特点，是指依靠运动副两个滑动表面的形状，在相对运动时，形成产生动压效应的流体膜，从而将运动表面分隔开，使之处于润滑状态，使得润滑油膜能够承受更大的载荷。

图3 沟槽织构设计示意

图4 复合加工制备的表面微织构SEM图

（3）润滑介质在沟槽中不断被压出，流入到摩擦副之间，保持了润滑的不间断，形成二次润滑效应，大大优化了减摩效果。

3.3 不同参数对减摩效果的影响

将光滑表面的试样和沟槽型织构表面试样在相同条件下（载荷150 N、滑动速度1 mm/s）进行摩擦磨损试验，得到的摩擦曲线如图5所示。可知，在摩擦磨损试验机长时间工作情况下，两个试样的表面摩擦系数都随着时间推移先减小再趋于稳定。在试样表面摩擦系数趋于稳定后，可以看到沟槽型织构式样的表面摩擦系数明显低于光滑表面试样。相比于光滑表面，采用沟槽型微织构表面能够大大减小表面摩擦系数，优化摩擦副性能。

3.3.1 沟槽宽度对试样表面减摩效果的影响

在载荷为20 N和80 N，滑动速度为3 mm/s的情况下，面积密度为30%、深度为10 μm、宽度分别为100 μm，130 μm和160 μm的沟槽试样，其表面摩擦系数变化如图6所示。随着沟槽宽度的增加，摩擦系数呈现出先减小、后变大的变化趋势，并且在沟槽宽度为130 μm时，减摩效果最好。这是因为在沟槽宽度小于130 μm时，沟槽宽度增加，导致润滑油储存能力变强，减摩效果变好，而且沟槽宽度越大，带来的动压润滑效益也就越好。当沟槽宽度超过130 μm时，沟槽宽度进一步增大，带来的是试样表面接触面积进一步变小，导致摩擦副间压强增大，油膜的厚度减小，稳定性变差，负面影响一举超过储存更多润滑油带来的正面影响，导致摩擦系数不降反升。

图5 载荷为150 N、滑动速度为1 mm/s时摩擦系数随时间变化的曲线

图6 20 N和80 N载荷下微沟槽试样表面摩擦系数随沟槽宽度变化

3.3.2 沟槽面积密度对试样表面减摩效果的影响

深度为10 μm、宽度为130 μm的沟槽试样在滑动速度为3 mm/s、载荷为10 N，20 N，50 N和80 N的条件下，其表面摩擦系数随着面积密度变化如图7所示。表面摩擦系数随着沟槽面积密度的增加，呈现出先减小、后增大的变化趋势。面积密度越大，代表沟槽之间的间距越小，沟槽数量越多，一方面，使得储油空间增大，储存的润滑油增加，导致摩擦系数减小；另一方面，却使得摩擦副间接触面积减小，单位面积所受压强增大，油膜变薄且变得不稳定，导致表面摩擦系数增大。当沟槽面积密度超过一定值时，接触面积减小的效应超过储油增加的效应，试样表面摩擦系数不升反降。

图7 微沟槽试样表面摩擦系数随沟槽面积密度变化

不同载荷下的沟槽试样最优面积密度不同。当沟槽宽度为130 μm、沟槽深度为10 μm、滑动速度为3 mm/s时，在载荷为10 N的条件下，沟槽试样的最优面积密度值为35%；在载荷为20 N，50 N的条件下，沟槽试样的最优面积密度值为30%；在载荷为80 N的条件下，沟槽试样的最优面积密度值则为25%。表明沟槽试样达到最佳减摩效果时，面积密度值是随着载荷的增加而不断减小的。这是因为载荷的增加会导致摩擦副间压强增大，而沟槽表面密度增大也会导致摩擦副间压强增大，所以，为达到最好的减摩效果，一个值增加时，另一个值必须减小。

4 结语

本文采用皮秒激光电化学复合加工的方法，在7075铝合金表面加工出了微沟槽织构，并通过摩擦磨损试验，研究了光滑表面与沟槽型微织构表面摩擦性能的差异以及沟槽宽度和沟槽面积密度对沟槽型微织构减摩效果的影响，得到了以下3点结论：

（1）相比单一激光加工或者单一电化学刻蚀加工，采用皮秒脉冲激光与电化学复合加工速度快、精度高，制备得到的微沟槽织构形貌更好。

（2）在润滑条件下，相比于光滑表面试样，沟槽型织构表面试样的减摩效果更好，能大大降低摩擦副间的表面摩擦系数。

（3）在本试验选取的参数条件下，带有沟槽织构的试样表面摩擦系数随沟槽宽度与沟槽面积密度的增加呈现出先变小后增加的变化趋势。当沟槽宽度为130 μm时，达到最佳减摩效果，最优面积密度值随着载荷的增大而减小，具体要根据实际工作条件确定。