基于激光沖擊效應(yīng)的微坑加工方法及其摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的最主要原因。因此，控制摩擦、改善潤滑與減少磨損已成為節(jié)約能源和原材料、綜合提高機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率和服役壽命的迫切需求。微坑陣列等表面織構(gòu)能夠有效改善摩擦副表面的摩擦學(xué)性能，延長摩擦副的使用壽命。基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法是一種利用激光沖擊力學(xué)效應(yīng)的微坑加工新方法，目前人們對(duì)該工藝的工藝方法及所加工微坑陣列的摩擦學(xué)性能了解尚不系統(tǒng)和深入。本文以典型金屬材料作為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣

2、列加工工藝機(jī)理、工藝適用性、激光沖擊工藝參數(shù)對(duì)微坑陣列幾何物理性能的影響規(guī)律以及微坑陣列的摩擦磨損性能，為激光沖擊工藝參數(shù)選擇提供優(yōu)選策略。主要研究內(nèi)容包括：
　　一、激光沖擊微造型工藝機(jī)理與工藝方法研究。
　　結(jié)合激光誘導(dǎo)等離子體形成過程分析和高壓沖擊波作用下材料高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程仿真建模，揭示了激光沖擊微造型工藝機(jī)理，并對(duì)微坑塑性變形狀態(tài)及殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測。通過考察典型金屬材料在激光沖擊微造型工藝中所制備微坑幾何

3、形貌與尺寸的一致性，發(fā)現(xiàn)激光沖擊微造型工藝具有良好的工藝穩(wěn)定性和材料適用性，從而為激光沖擊微造型工藝規(guī)律分析奠定了重要的前提基礎(chǔ)?；诩す鉀_擊微造型工藝過程，提出了一種高應(yīng)變率條件下材料動(dòng)態(tài)硬度的測試方法。
　　二、激光沖擊微造型工藝影響規(guī)律研究。
　　通過激光沖擊微造型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了激光沖擊微造型工藝參數(shù)（激光功率密度、光斑直徑和重復(fù)沖擊次數(shù)等）對(duì)微坑幾何特征（直徑、深度及深徑比等）和微坑表面粗糙度、塑性變形層顯微硬度、

4、晶粒尺寸等表面完整性的影響規(guī)律。
　　研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率密度的增大和激光重復(fù)沖擊次數(shù)的增加，微坑直徑、深度、深徑比、塑性變形層的硬化程度以及晶粒細(xì)化程度均增大，但由于應(yīng)變硬化作用，會(huì)表現(xiàn)出沖擊飽和效應(yīng)。隨著激光光斑直徑的增大，微坑直徑也相應(yīng)增大，但始終小于光斑直徑。在激光單脈沖能量一定的情況下，存在一個(gè)激光光斑直徑閾值，當(dāng)光斑直徑大于該閾值時(shí)，微坑深度、深徑比、塑性變形層硬化程度以及晶粒細(xì)化程度均隨著激光光斑直徑的增大而減小。

5、當(dāng)光斑直徑小于該閾值時(shí)，在等離子體屏蔽效應(yīng)的作用下，隨著光斑直徑的增大，微坑深度、微坑塑性變形層硬化程度以及晶粒細(xì)化程度均隨之增大，微坑深徑比的變化因具體情況而異。
　　激光沖擊微造型工藝對(duì)微坑表面粗糙度的改變?nèi)Q于材料的原始表面粗糙度及激光沖擊參數(shù)。當(dāng)材料原始表面粗糙度較大，且激光功率密度和重復(fù)沖擊次數(shù)較小時(shí)，微坑表面粗糙度小于原始表面粗糙度。反之，則大于原始表面粗糙度。
　　三、動(dòng)壓潤滑條件下微坑陣列的摩擦性能研究。

6、r>　　在流體動(dòng)壓潤滑條件下，通過三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的方法研究了微坑密度、微坑深徑比等微坑設(shè)計(jì)參數(shù)和雷諾數(shù)等流體特征參數(shù)對(duì)油膜的壓力分布、無量綱平均油膜承載力、無量綱平均油膜剪切力和動(dòng)壓系數(shù)等摩擦性能參數(shù)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在流體動(dòng)壓潤滑條件下，微坑提高摩擦副動(dòng)壓性能的機(jī)理是微坑楔形效應(yīng)和渦流效應(yīng)的綜合作用；在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，存在最優(yōu)的微坑密度和微坑深徑比使油膜具有最佳的動(dòng)壓性能；而且隨著雷諾數(shù)的增大，最優(yōu)微坑深徑比呈逐漸減

7、小的趨勢，而最優(yōu)微坑密度保持不變。
　　四、貧油潤滑條件下微坑陣列的摩擦學(xué)性能研究。
　　在貧油潤滑條件下，通過設(shè)計(jì)合理的摩擦學(xué)試驗(yàn)并建立摩擦性能評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)研究了不同轉(zhuǎn)速和載荷等工況條件下不同密度和深度微坑陣列的摩擦磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著微坑密度的增大，摩擦副的摩擦系數(shù)、最大承載力及失效時(shí)間等摩擦性能呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，說明存在一個(gè)最佳微坑密度范圍使摩擦性能達(dá)到最優(yōu)，其機(jī)理是由于固-固接觸區(qū)域接觸比壓及固-液接觸區(qū)

8、域潤滑作用的雙重效應(yīng)；隨著微坑深度的增加，摩擦性能呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢；同時(shí)，通過對(duì)磨損表面形貌和能量譜圖的分析發(fā)現(xiàn)，激光沖擊微坑造型能夠有效降低摩擦副表面的磨粒磨損和粘著磨損。
　　綜上所述，本文結(jié)合激光沖擊效應(yīng)形成過程分析和激光沖擊壓力作用下金屬高應(yīng)變率彈塑性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程仿真研究，分析了激光沖擊微造型的工藝過程與機(jī)理。通過激光沖擊微造型工藝試驗(yàn)，研究了激光沖擊微造型工藝的適用性和激光工藝參數(shù)對(duì)微坑幾何形貌、物理性能的影響規(guī)律。通