皮秒激光与电化学复合刻蚀制备表面织构及其摩擦性能研究

发布时间：2020-03-29 09:00

【摘要】：随着社会经济的发展,现代工业对节能减排的要求不断提高,机械系统中的摩擦磨损问题也日益得到重视。表面织构技术因其在减摩耐磨、改善润滑和提高零部件工作寿命等方面的优点,已成为摩擦学领域的研究热点。皮秒激光复合电化学刻蚀的加工技术是将皮秒激光加工与电化学刻蚀加工相结合的一种复合加工方法,此加工技术在有效解决激光加工表面熔融物和重铸层等缺陷的同时,对电化学刻蚀的定域性也有显著的改善。因此,该复合加工技术在摩擦副表面织构的制备领域具有明显的优势和广泛的应用前景。针对表面织构大多只采用单一加工工艺的问题,本文将皮秒激光与电化学复合刻蚀的加工技术应用于铝合金表面织构的制备,并对复合加工制备的织构化表面摩擦学性能进行了检验。主要的研究内容和研究结果如下:1.研究了皮秒激光与电化学复合刻蚀的加工过程和材料去除原理。根据复合刻蚀过程中的皮秒激光热力效应和电化学效应,本文分析了激光与电化学的耦合作用,主要包括激光热力效应对电化学反应的促进作用和电化学反应对激光热力作用的影响。研究结果表明:激光热力效应与电化学效应共同作用,相互影响,提高了材料的复合刻蚀效率和加工表面质量。2.构建了皮秒激光与电化学复合加工的试验系统并进行了复合刻蚀试验。在铝合金表面制备了微凹坑和微沟槽织构,分析了激光功率、激光重复频率、激光扫描次数和扫描速度对加工结果的影响,并对比分析了复合加工与皮秒激光加工的表面形貌。研究结果表明:复合加工工艺能够有效改善激光加工表面的熔融物和重铸层,采用合理的复合加工参数能够实现加工精度高、表面质量好的表面微织构的制备。3.基于Reynolds方程建立了凹坑织构的流体动压润滑数学模型并进行数值模拟,研究了润滑介质粘度、凹坑直径和凹坑深度对润滑油膜承载能力的影响。研究结果表明:采用较大粘度的润滑介质、较小深径比的凹坑织构能够提高润滑油膜的承载能力,改善其流体动压润滑性能。4.进行了摩擦磨损试验并研究了凹坑与沟槽织构的表面摩擦性能。主要分析了凹坑直径、深度、面积密度和沟槽宽度、面积密度对其表面摩擦系数的影响。研究结果表明:在试样表面制备凹坑和沟槽织构都能有效提高其表面润滑减摩性能,凹坑和沟槽的几何参数变化都会对其表面摩擦系数产生影响。在本试验参数范围内,面积密度为15%、深度为30μm、直径为120μm的凹坑织构其表面摩擦系数较光滑表面最大可减小27%左右;面积密度为30%、深度为10μm、宽度为130μm的沟槽织构其表面摩擦系数较光滑表面最大可减小38%左右。且无论是凹坑还是沟槽都存在一个最优面积密度使试样表面摩擦系数值最小,此最优值随摩擦条件的变化而变化。本文的研究结果,为将皮秒激光与电化学复合加工工艺应用于制备表面织构提供了试验验证和研究基础。
【图文】：

实例图,表面织构,仿生学,实例

(c) (d)图 1.1 表面织构的仿生学实例Figure 1.1 Bionics example of surface texture上述工业要求及研究背景下，本论文将激光加工技术与电化学加工技术相结面微织构的制备工艺，，对激光电化学复合加工技术的加工机理、加工规律、微织构的摩擦学性能等展开了系统的分析与研究，对复合加工技术在表面织推广与应用具有重要意义。课题受国家自然科学基金“激光背向隐聚焦与电化学放电的多效应协同机理(51675242)”，真空技术与物理国家重点实验室项目“功能性表面微结构的暂复合刻蚀技术研究(614220701050817)”的资助。内外研究现状过在摩擦副表面制备微纳米级别的图案来改善其表面摩擦学性能的思想源年代Hamilton等[16]

弹簧支架,学性能,理论研究,凹坑

图 1.6 微细弹簧支架Figure 1.6 Micro Spring Bracket图 1.7 阵列微凹坑Figure 1.7Array micro-pits学性能和应用学性能的理论研究
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH117

【参考文献】