２０１１年９月　第３６卷第９期　

润滑与密封　

ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｓｅｐ．２０１１　

Ｖｏｌ＿３６　Ｎｏ．９　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１１．０９．００１　Ｔｉ６Ａ１４Ｖ表面激光织构化及其干摩擦特性研究　

连峰张会臣庞连云　（大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院辽宁大连１　１６０２６）　

摘要：利用激光加工在Ｔｉ６Ａ１４Ｖ表面分别构筑直线织构、网格织构和凹坑织构，并对试样的表面粗糙度和横截面　硬度进行表征和测试，采用多功能微摩擦磨损试验机评价试样表面织构化对其干摩擦性能的影响，使用三维显微镜和扫　描电镜对摩擦实验前后试样的形貌进行分析。研究结果表明：经激光织构化处理后，试样表面硬度显著提高，其中凹坑　织构试样的表面硬度最高，直线织构试样的表面硬度最低；当选取适当间距时，凹坑织构试样的摩擦因数小于抛光试样　的摩擦因数，而网格织构和直线织构试样的摩擦因数大于抛光试样的摩擦因数。ＳＥＭ照片显示，织构表面的凹坑起到　了捕获磨屑的作用。　关键词：钛合金；摩擦；织构；激光加工　中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１１）９—００１—５　

Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｘｔｕｒｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｎ　Ｔｉ６　Ａ１４　Ｖ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｄｒｙ　Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　Ｌｉａｎ　Ｆｅｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｈｕｉｃｈｅｎ　Ｐａｎｇ　Ｉ：ｉａｎｙｕｎ　（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ＆Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１　６０２６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｎｅ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ，ｇｒｉｄ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｄｏｔ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　Ｔｉ６Ａ１４Ｖ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｂｙ　ｌａｓｅｒ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅｉｒ　ｄｒｙ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｂｙ　ＣＥＴＲ　Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｍｉｃｒｏ—Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ．Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ　ａｎｄ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｅｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｄｏｔ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｌｉｎｅ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｓｔ．Ｆｏｒ　ｐｒｏｐｅｒ　ｓｐａｃｉｎｇ，ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｏｔ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｓｐｅｃｉ—　ｍｅｎｓ　ａｒｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｈｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｇｒｉｄ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ａｒｅ　ｌａｒｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｈｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．ＳＥＭ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｏｔ　ｉｎ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｃａｎ　ｃａｐｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｏｌｄ　ｗｅａｒ　ｄｅｂｒｉｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ；ｔｅｘｔｕｒｅ；ｌａｓｅｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　

钛及钛合金所具有的密度小、比强度高、耐高　温、耐腐蚀、透声、无磁、抗冲击振动等良好的综合　性能，为钛及钛合金在海洋船舶、航空航天和生物医　学等领域开辟了广阔的应用前景…。然而，纯钛的硬　度为ＨＶ１５０—２００，钛合金通常也不超过ＨＶ３５０，硬　度低与耐磨性差在很多情况下不能满足实际应用的要　求　一　。　激光熔凝是利用高能密度的激光束扫描工件的表　面，使表面一薄层熔化并在极快的冷却速度下凝固。　

基金项目：国家自然科学基金项目（５０６７５０２４）；辽宁省教育　厅科技研究项目（２００８Ｓ０２９）．　收稿日期：２０１１—０３—２８　作者简介：连峰（１９６５一），女，博士，副教授，研究方向为表　面改性处理．Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｆｅｎｇ０４２５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ．　

激光熔凝可以在钛表面获得高硬度、高耐磨性的改性　层　。近年来的研究结果表明，表面并非越光滑就　越耐磨，具有一定非光滑规则形态的表面反而具有更　好的耐磨性能　－ｓ］。这种非光滑规则形态表面一般称　

之为具有织构的表面　。胡天昌等　在４５　钢表面　进行激光织构化，并研究其干摩擦特性，结果表明，　织构化表面的摩擦因数均有不同程度的减小。对不同　织构密度及织构尺寸样品摩擦性能的考察结果表明，　较大的密度及较大的孔径更有利于减摩抗磨。Ｓｕｈ　等¨　利用激光技术在磁头或磁盘表面制造微小隆起　或凹陷以增加接触表面的粗糙度，减小了表面接触面　积及摩擦和黏着。　尽管表面织构有助于改善摩擦副的摩擦学性能，　但激光织构化对钛合金的耐磨性影响如何还未见报　２０１１年第９期　连峰等：Ｔｉ６Ａ１４Ｖ表面激光织构化及其干摩擦特性研究　３　：：　

ｌ　４５　４０　雹３５　

—－＿ＰＯＩｉｓｈ　＼　’Ｌｉ“ｅ　ｔｔ　‘Ｇｒｉｄ　ｆｌｌ　＋Ｄｏｔ　ｌ‘　

一　：　一一　

图４间距１００　ｍ的３种织构试样的横截面硬度　Ｆｉｇ　４　Ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｗｉｔｈ　ｓｐａｃｉｎｇ　ｏｆ　１００　Ｉｘｍ　

没有进行激光织构化的Ｔｉ６Ａ１４Ｖ板材试样表面硬　度为ＨＶ３３７，而激光表面织构化后，硬度提高显著。　凹坑织构试样的表面硬度高达ＨＶ６００，网格状织构　试样的表面硬度达到ＨＶ５５０，直线织构试样的表面　硬度也达到了ＨＶ５００。即经过激光织构化，凹坑织　构试样的表面硬度最高，网格状织构试样的表面硬度　次之，直线织构试样的表面硬度最低。这是因为加工　凹坑织构时，需要逐个点进行加工，因此激光的能量　更加集中，Ｔｉ６Ａ１４Ｖ表面局部温度升高更加迅速，随　后冷却亦快，因此表面硬度增高最显著。而加工网格　和直线织构时，激光束扫描的是直线，激光能量相对　不够集中，因此表面硬度比凹坑织构试样的低。特别　

Ｓｌｉｄｉｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｖ／（ｍｍ．ｓ－１）　（ａ）１００　ｍ　ｓｐａｃｉｎｇ　是加工直线织构时，由于不像网格织构那样在互相垂　直的２个方向上扫描２次，而是只扫描１次，因此直　线织构试样的表面硬度增高的幅度也最小。　从图４中还可以看出，虽然各种织构试样的表层　硬度均明显高于基体的硬度，但从试样表层向基体内　部硬度逐渐下降，在离开表层３０　ｍ左右均出现低　于基体硬度的硬度最低点，之后硬度逐渐恢复到基体　的硬度，即出现了硬度低于基体硬度的软化区域。这　是由于曲线中间区域处于激光加工的热影响区，钛合　金本身热容大，导热性差，导致热影响区金属高温停　留时间长，热影响区晶粒严重粗化，造成了该区域的　硬度降低，即为软化区域。即激光织构化可以在　Ｔｉ６Ａ１４Ｖ表面获得高硬度的改性层，同时可使　Ｔｉ６Ａ１４Ｖ心部仍保持较好的韧性，这将有利于提高　Ｔｉ６Ａ１４Ｖ的冲击韧性和疲劳强度。　２．４织构对摩擦因数的影响　抛光试样和３种织构试样的摩擦因数随滑动速度　的变化关系如图５所示。可见，间距为２００，３００　ｍ　时，凹坑织构试样的摩擦因数均明显小于抛光试样的　摩擦因数。网格织构试样的摩擦因数明显大于抛光试　样的摩擦因数。直线织构试样的摩擦因数基本上小于　网格织构试样的摩擦因数，大于抛光试样的摩擦因　数。即网格织构和直线织构不利于减小摩擦因数。　Ｓｌｉｄｉｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｖ／（ｍｍ．ｓ－１）　（ｂ）２００“ｍ　ｓｐａｃｉｎｇ　Ｓｌｉｄｉｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｖ／（ｍｍ．ｓ’‘１　（ｃ）３００　ｐｍ　ｓｐａｃｉｎｇ　

图５试样的摩擦因数随滑动速度的变化关系　Ｆｉｇ　５　Ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｗｉｔｈ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ　

分析认为，表面凹坑织构能有效地捕获磨屑，在　一定程度上减少了摩擦磨损界面上参与犁削和切削作　用的磨屑数量，从而减小了摩擦磨损。而由表１可　见，同样间距的网格织构试样的表面粗糙度很大，直　线织构试样的表面粗糙度次之，均大于凹坑织构试样　的表面粗糙度，说明同样间距的网格织构试样表面的　光滑面积最小，直线织构试样表面的光滑面积次之。　因此，网格织构试样的摩擦阻力最大，表现出最大的　摩擦因数。可见，并不是所有的表面织构都能降低摩　擦因数，当表面织构的坑槽增大摩擦阻力的效应大于　

其捕获磨屑，减少参与犁削和切削作用的磨屑数量的　效应时，表面织构反而会增大摩擦因数。　２．５磨斑形貌分析　在干摩擦实验后将抛光试样和织构化试样在丙酮　中超声清洗，对磨斑清洗前后的形貌进行对比。图６　为抛光表面的磨斑形貌，其中图（ａ）为超声清洗前　的磨斑形貌，图（ｂ）为超声清洗后的磨斑形貌。可　见，抛光表面产生了较大面积的磨损，磨痕也较深，　并且产生了大量磨屑，主要表现为犁沟及黏着磨损。　

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