1 引言

表面微织构技术作为一种有效的润滑减磨方法,自被Hamilton等^[1]提出以来,就引起研究人员的极大关注。在摩擦副表面制备微织构可降低摩擦系数,减小磨损量,延长摩擦副的使用寿命。Shi等^[2]采用激光加工和机械钻削的方法在AISI1045钢表面制备圆形微织构,发现与无织构表面相比,制备后的摩擦系数均明显改善,摩擦过程更平稳。微织构加工方法主要有机械加工技术^[3]、化学刻蚀技术^[4]、激光技术^[5-7]、电子束和离子束技术^[8]等。其中激光加工方法具有加工过程易于控制,织构的形貌和尺寸可控,加工成本低,对环境无污染等优点而得到广泛关注。

采用激光表面技术(LST)在摩擦副表面制备织构可改善摩擦学性能,织构的几何形状、尺寸及织构密度等是影响摩擦磨损性能的重要参数^[9]。Segu等^[10]利用纳秒激光器在不锈钢表面加工激光微织构,发现在干摩擦条件下织构的面积占有率为20%,摩擦副具有较低的摩擦系数和磨损量。华希俊等^[11]利用计算流体动力学(CFD)商业软件FLUENT对气缸-活塞环摩擦副表面微凹腔流体动压润滑效果进行数值模拟,发现当铸铁表面微坑深径比约为0.1,面积占有率为10%时,可获得最佳动压润滑性能。

利用激光在摩擦副表面加工织构时,激光与材料的相互作用是一个熔化、汽化/烧蚀的过程,而材料表面微坑的几何形貌主要受激光参数和材料性质的影响。华希俊等^[12]利用光纤激光器在GCr15轴承钢试样表面进行了激光织构加工,分析了功率、脉宽和重复次数对织构点形貌的影响,发现织构点直径随脉宽增大而增大,在一定脉宽范围内,织构点深度随脉宽增大而增大。Ahuir-Torres等^[13]利用Nd∶YVO₄激光器分别在Ti6Al4V和AA2024-T3表面进行织构化处理,发现随单脉冲能量增大,凹坑直径随之增大,但微坑的深度变化较小,随脉冲次数增加,微坑深度呈线性增加,微坑直径也会有一定增大。试样材质不同烧蚀阈值不同,烧蚀阈值越大,材料越难于加工,进而影响样品表面烧蚀微坑的几何形貌。郑卜祥等^[14]利用超快激光辐照钛合金以研究其烧蚀特性与损伤机制,得到钛合金的烧蚀阈值为0.109 J/cm²。符永宏等^[15]采用同点间隔多次工艺在45钢表面加工微织构,得到45钢的烧蚀阈值为6.86 J/cm²。

高硅铝合金缸套因具有质量轻、导热性好、与铝活塞热物理相容性好和可回收率高等优点,受到了业界学者们的关注^[16-17]。但由于铝合金材料较软、较黏,摩擦学性能较差,为了提高铝合金材料的摩擦学性能,考虑利用激光表面织构的方法。本文利用声光调Q的Nd∶YAG激光器在铝合金缸套表面制备微坑织构,研究激光参数对铝合金缸套表面微坑几何形貌的影响,为激光微织构改善铝合金缸套的抗摩擦磨损性能提供技术支持;制备相应的微坑直径、深度和三种面积占有率的微织构试样,并对其进行摩擦磨损试验,研究其对缸套表面摩擦磨损性能的影响。

2 试验

2.1 试验材料

利用脉冲激光器在高硅铝合金缸套试样表面制备微坑,使用电火花线切割机将内径为110 mm的高硅铝合金缸套沿圆周方向以9°为间隔进行切割,共分为40份,试样的轴向长度取为42 mm。试样切割后须依次经过汽油和乙醇超声清洗20 min,清洗后对试样进行抛光处理。缸套的主要化学成分如表1所示,其中硅含量占20.1%,铝占71.0%,此外还含有铁、铜、镁、锌等合金元素。图1为缸套表面抛光后的金相照片和粗糙度。从图1(a)可以看到,缸套表面分布大小不同的块状硅颗粒,分布密度高,大块硅颗粒的尺寸约为40 μm。使用德国Hommel Tester-600型表面轮廓仪对缸套试样表面的粗糙度进行检测,测试轨迹为直线型,检测长度为4 mm,粗糙度的测试曲线及数值如图1(b)所示,三个位置表面的粗糙度R_a分别为0.13,0.11,0.10 μm。活塞环为铬基陶瓷复合镀活塞环,具有良好的耐磨性能和热负荷能力。

2.2 试验设备

图2为激光微织构加工系统结构,该系统主要由激光器(laser)、冷却系统(cooling system)、控制系统(control system)、信号发生器(signal generator)和平移台(translation table)组成。试验时,将试样固定在电动平移台上,由计算机软件控制电动平移台作X/Y/Z/R向四维运动,运动位移精度为2 μm。运动完成后平移台会发出低电平信号给信号发生器,由信号发生器发出脉冲信号以控制激光的产生和输出,完成试样表面微造型加工。

图 1. 铝合金缸套抛光后表面形貌及参数。 (a)金相照片;(b)粗糙度

Fig. 1. Surface morphology and parameters of polished aluminum alloy cylinder liner. (a) Metallograph; (b) roughness

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图 2. 激光微织构加工系统

Fig. 2. Laser microtexture processing system

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使用的激光器为中国科学院力学研究所自主研制的声光调Q脉冲Nd∶YAG固体激光器,可实现高重复频率、高功率密度加工。激光器的光斑直径为100 μm,镜头焦距为80 mm,输出波长为1.06 μm,脉冲宽度约为1 μs,最大输出功率为100 W,激光束的能量密度分布为高斯分布。试验时,制冷机的温度控制在24 ℃,采用同轴吹气方法对加工区域进行保护,气压为4.052×10⁵ Pa。采用实验室自主研发的对置往复式摩擦磨损试验机^[18],该试验机具有可加载、调节运转速度、加热和匀速注油的优点。对置的结构使得运动状态更稳定,安装传感器以采集摩擦数据。

2.3 测试与表征

使用日本奥林巴斯公司的OLYMPUS-OLS4000三维共聚焦激光扫描显微镜分析微坑的形貌及尺寸。采用激光束的能量密度为8.50 J/cm²,5次脉冲激光辐照下,铝合金缸套表面微坑的几何形貌如图3所示。从图3(a)可以看到,微坑呈标准的圆形结构,边缘飞溅物较少,微坑底部呈锥形。使用烧蚀直径和烧蚀深度两个参数来表征微坑形貌,图3(b)为激光加工后,微坑深度(depth)与直径(diameter)的测量结果。烧蚀体积由激光共聚焦软件通过扫描样品表面到微坑底部的凹腔体积获得。使用美国伊达克斯公司生产的超薄窗X射线能谱仪分析试验后摩擦副表面元素的组成与分布。使用Everone MH-6型显微硬度计测量样品表面的显微硬度,施加载荷为0.98 N,保压时间为5 s。磨损量为缸套试样进行磨损试验后的线磨损量,采用OLYMPUS-OLS4000三维共聚焦激光扫描显微镜测量样品表面磨损区域与未磨损区域边界的台阶高度差值来表征线磨损量。

图 3. 微坑的几何形貌表征。(a)表面形貌;(b)截面轮廓

Fig. 3. Characterization of geometry topography of micro-dimple. (a) Surface topography; (b) cross-sectional profile

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3 结果与讨论

3.1 能量密度对微坑形貌的影响

润滑条件下,摩擦副表面织构微坑能够储油以起到减磨作用,改善摩擦副的摩擦学性能。微坑直径和深度是影响摩擦副储油性能的重要参数,为了研究激光能量密度对微坑直径和深度的影响,在脉冲重复频率为3 kHz,脉冲次数为5的条件下,采用能量密度由4.25 J/cm²逐渐增加到127.50 J/cm²的激光束对高硅铝合金缸套进行辐照处理。图4为不同的激光能量密度对微坑直径、深度及烧蚀体积的影响曲线。从图4(a)可以看到,随激光能量密度增加,微坑直径的变化分为两个阶段。在能量密度低于45.00 J/cm²时,微坑直径随能量密度增加变化较快,当能量密度高于45.00 J/cm²时,微坑直径增加幅度明显变缓,到达90.00 J/cm²时微坑直径几乎保持不变。原因在于激光光斑内的能量密度呈高斯分布,焦点处激光光斑直径是定值,约为100 μm,当微坑直径小于光斑直径时,微坑直径快速增大,而微坑直径接近光斑直径时则增长缓慢最后保持不变。随能量密度增加,凹坑深度也会增加,能量密度在9.00~90.00 J/cm²范围,凹坑深度值稳定在45 μm,这为后期控制深度不变,制备不同直径的凹坑织构提供参数依据。从图4(b)可以看到,微坑烧蚀体积随激光能量密度增大呈线性增加趋势。当能量密度低于45.00 J/cm²时,烧蚀体积随烧蚀直径增大而增大,当能量密度超过临界值9.00 J/cm²时,虽然微坑的表面直径不再增大,但由于其内部形状由圆锥体逐渐变为圆柱体,因此微坑的体积继续增大。

图 4. 能量密度对微坑几何形貌的影响。(a)直径、深度;(b)烧蚀体积

Fig. 4. Influence of energy density on micro-dimple geometry topography. (a) Diameter and depth; (b) ablation volume

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3.2 脉冲次数对微坑形貌的影响

脉冲次数(N)也是影响表面微坑几何形貌的重要参数,为了研究脉冲次数对微坑直径和深度的影响,在脉冲重复频率为3 kHz,激光能量密度为67.00 J/cm²的条件下,选择脉冲次数为1~50的激光束对铝合金缸套表面进行辐照处理,处理后的三维形貌如图5所示。从图5可以看到,脉冲次数低于20,微坑的四周飞溅物及内部熔渣很少;脉冲次数达到30后,微坑内部出现大量熔渣,熔渣的存在会影响微坑体积,进而影响微坑的储油能力,原因在于激光与材料相互作用时,较少次数的辐照,材料的表面会发生熔化和汽化,熔渣因汽化膨胀或反冲压应力作用从熔池中喷出,从而在材料表面形成微坑;随脉冲次数增大到20~30时,激光输入能量增加,在微坑上方形成等离子体层^[19],既阻挡了微坑内部熔渣的喷出,使熔渣聚集在微坑内部,同时等离子体的存在也起到吸收能量的作用,使激光烧蚀材料的能量发生损失,造成微坑直径和深度减小。图6为脉冲次数对微坑尺度及烧蚀体积的影响曲线。从图6可以看到,随脉冲次数增加,微坑的直径和深度呈先增大后减小的变化趋势,当脉冲次数达到20时,微坑的直径和深度达到最大值,均约为140 μm[图6(a)]。微坑的烧蚀体积随脉冲次数增加呈现与直径和深度相同的变化趋势,当脉冲次数为20时,微坑的体积达到最大值,为1.26×10⁶ μm³[图6(b)],该结果与脉冲次数超过20后微坑内部出现大量熔渣的结果一致。

图 5. 不同脉冲次数下微坑的三维形貌图。(a) 1次;(b) 5次;(c) 10次;(d) 20次;(e) 30次;(f) 50次

Fig. 5. Three dimensional topography of micro-dimple under different pulse numbers. (a) 1 pulse; (b) 5 pulses; (c) 10 pulses; (d) 20 pulses; (e) 30 pulses; (f) 50 pulses

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图 6. 脉冲次数对微坑尺寸及体积的影响。(a)直径、深度;(b)烧蚀体积

Fig. 6. Effect of pulse number on size and volume of micro-dimples. (a) Diameter and depth; (b) ablation volume

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3.3 激光烧蚀作用对表面硬度的影响

激光辐照材料表面时会产生强烈的热-力学相互作用,微坑周围热影响区域经历急速加热及冷却过程,此时微坑熔化和汽化区域内的液体发生喷射,使材料表面硬度等力学性能发生改变,进而影响摩擦副的摩擦学性能。当能量密度为18 J/cm²和180 J/cm²时,微坑周围硬度的径向分布如图7所示,从凹坑边缘开始沿远离凹坑边缘的径向方向等间距测量P₁、P₂、P₃、P₄四个位置硬度值,间距为30 mm。从图7可以看到,当能量密度为18 J/cm²时,微坑边缘硬度1565 MPa,与基体硬度1470 MPa相差不大,当能量密度为180 J/cm²时,微坑边缘硬度2157 MPa,比基体硬度增大687 MPa。说明当激光功率密度较大时,微坑周围产生飞溅物较多,使热影响区域的硬度高于基体硬度。

图 7. 能量密度为18 J/cm²及180 J/cm²时的微坑边缘硬度柱状图

Fig. 7. Histogram of hardness on edge of dimple at energy density of 18 J/cm² and 180 J/cm²

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3.4 烧蚀阈值的计算

利用微秒激光在铝合金缸套表面进行微加工时,只有当激光束的能量达到一个临界值时,铝合金材料才会被去除,这个能量的临界值即为烧蚀阈值^[20]。目前,最常用的烧蚀阈值方法为数值计算法。高斯光束中,激光能量密度φ与单脉冲能量E_p间的关系可表示为

φ=2Epπω02,(1)

式中:ω₀为理论计算光斑半径。

φ与材料烧蚀阈值φ_th间的关系为^[21]

D2=2ω12lnφ-2ω12lnφth,(2)

式中:D为烧蚀微坑直径;ω₁为通过直线斜率得到的实际光斑半径。

由激光功率和脉冲频率可计算激光的E_p,再利用(1)式可计算φ。由(2)式可知,D²与ln φ呈线性关系,利用试验测得不同φ条件下的D,通过拟合可得到光斑直径ω₁,利用ω₁计算φ_th。将试验在能量密度范围为4.5~45.0 J/cm²,脉冲次数依次为1~10测得的铝合金缸套表面微坑直径进行拟合。图8为不同脉冲次数条件下,E_p与D²的关系曲线,1次脉冲下的直线表达式为y=2812x+1388,其中y为D²,结合(2)式,x为2 ω12,可得光斑半径的近似值ω₁≈37 μm,将ω₁代入(2)式,计算得到1次脉冲量微秒激光在铝合金缸套表面的φ_th=2.08 J/cm²。

图 8. E_P与D²曲线

Fig. 8. Curves of E_P and D²

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脉冲激光的φ_th与脉冲数的关系为^[21]

logN·φth(N)=logφth(1)+S·logN,(3)

式中:N为脉冲次数;φ_th(N)为N次脉冲下的烧蚀阈值;φ_th(1)为1次脉冲下的烧蚀阈值;S为累积系数。图9为φ_th与N的关系,从图9可以看到,随着N增加,φ_th逐渐减小,这可能由能量的累积效应造成^[22],单次脉冲辐照时,只有能量密度达到金属的烧蚀阈值,金属靶材才能被烧蚀,然而由于存在能量累积效应,随脉冲次数增加,烧蚀微坑直径不断增大,即使能量低于金属的烧蚀阈值时,多脉冲作用下也能在材料表面得到微坑。

图 9. φ_th与N关系

Fig. 9. Curve of φ_th and N

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3.5 微织构面积占有率对缸套表面摩擦磨损性能的影响

对低载磨合阶段和高载磨合阶段进行试验,试验参数如表2所示。图10为面积占有率为5%,10%,20%的缸套表面激光微织构表面形貌,微坑直径为100 μm,深度为40 μm。

图 10. 不同面积占有率的微织构表面形貌。(a) 5%;(b) 10%;(c) 20%

Fig. 10. Micro-textured surface topography with different area occupancies. (a) 5%; (b) 10%; (c) 20%

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图 11. 不同面积占有率的微织构对缸套表面摩擦性能的影响。(a)摩擦力曲线;(b)磨损量

Fig. 11. Effect of micro-texture with different area occupancy rates on surface friction performance of cylinder liner. (a) Friction curves; (b) abrasion loss

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图11(a)为低载磨合阶段,面积占有率为5%和10%的织构试样表面摩擦力与未织构试样相比相差不大,面积占有率为20%的织构试样表面摩擦力高于未织构试样,且摩擦力上下波动幅度较大。这是由于微坑边缘存在飞溅物,低载磨合阶段主要起到磨掉飞溅物的作用,因此,当面积占有率为20%时,织构密度较致密,过多的飞溅物使摩擦力升高。高载阶段中,未织构试样与面积占有率为5%的织构试样表面摩擦力明显高于面积占有率为10%和20%的织构试样,且高载磨合初期需摩擦很长时间,摩擦力才能趋于稳定。摩擦力大小可代表润滑油膜的成型能力,因此面积占有率为10%和20%的织构试样形成油膜能力明显优于未织构试样与面积占有率为5%的织构试样。图11(b)为不同占有率下的缸套磨损量,三种面积占有率的微织构均能减小缸套表面磨损量,其中面积占有率为10%时最佳。这是由于微坑在摩擦磨损过程中能够收集、储存润滑油与磨粒,该结构能够减少接触面存在的磨粒数量进而减小对试样的磨粒磨损程度。当面积占有率为10%时,微坑能够向接触端面补充润滑油的同时收集即将被磨出接触范围的润滑油,达到一种平衡状态,此时摩擦系数最小。

激光与材料表面相互作用是一个激光能量在材料表面沉积,使材料表面温度迅速升高,产生一系列复杂的强烈熔化、汽化/烧蚀、等离子体化及材料去除时对表面的反冲作用等非平衡过程。激光能量在材料表面由光斑中心沿径向呈高斯分布,中心能量密度高,沿径向逐渐减小,当能量密度小于材料的烧蚀阈值时,材料不再发生烧蚀;随激光能量密度增加,当能量密度低于45.00 J/cm²时,材料表面达到烧蚀阈值的区域迅速增大,导致表面微坑直径迅速增加;当能量密度增加到45.00 J/cm²时,由于受到激光光斑直径的限制,烧蚀直径不再进一步增加。在脉冲次数为5时,随能量密度增大,微坑深度增加不显著,这主要受能量表面集肤效应的影响,沿深度方向分布较小造成;在能量密度一定(67.00 J/cm²)条件下,微坑深度随脉冲次数增加逐渐增大,当脉冲次数增加到20时达到最大值,这可能是由于之前脉冲产生的汽化物和等离子体溅射及反向辐射对入射光产生屏蔽现象,造成微坑内熔渣排除受阻,使微坑内熔渣增多,深度减小^[19]。

4 结论

使用Nd∶YAG激光器在铝合金缸套表面进行微造型加工,研究典型激光参数对表面微造型几何形貌的影响,发现激光表面微造型主要由激光与材料表面相互作用过程及材料本身性质决定,经试验得到:随激光能量密度增加,微坑直径呈先增大后稳定的变化趋势,直径最大值达到100 μm;由于受到集肤效应影响,激光能量密度对微坑深度的影响不显著;随脉冲次数增加,微坑深度呈先增大后减小的变化趋势,这是由于激光与材料表面相互作用过程中在材料表面形成了等离子体层;当脉冲次数到达20时,微坑深度达到最大值,约为140 μm;高硅铝合金缸套的烧蚀阈值是影响微坑形貌的主要因素,因能量累积效应烧蚀阈值随脉冲次数增加而减小,在1次辐照条件下,烧蚀阈值为φ_th=2.08 J/cm²;不同面积占有率的微织构均能起到减磨的作用,其中面积占有率为10%和20%的微织构减磨效果优于面积占有率为5%,适当面积占有率的微织构有助于润滑油膜的形成。