为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜, 采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成, 在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率, 结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明, 由于甲烷气体含量的升高, 金刚石薄膜结晶质量下降, 薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示: 3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好, 磨损率为2.2×10-7 mm3/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032), 磨损率为5.7×10-7 mm3/mN, 制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10-5 mm3/mN)提升了两个数量级, 显著提高了碳化硅基底的耐磨性。

主要研究了磨损速率对NM360激光熔覆铁基合金后的表面耐磨性的影响。利用销盘摩擦磨损试验机测量了不同转速下, 摩擦副的摩擦系数, 磨损率的变化情况; 然后分别用电子显微镜和扫描电镜进行磨损形貌和磨损机理的分析。结果表明, 随着转速提高, 试样表面的平均摩擦系数降低, 磨损率增加, 磨损面磨损程度增加, 磨损机理表现为: 当转速为800 r/min～1 200 r/min时, 磨损机理主要表现为磨粒磨损; 当转速为1 600 r/min～2 000 r/min时磨损机理主要为粘着磨损。

金属与金属配副的滑动导轨具有刚度高、承载力强等优点, 但该类型导轨存在摩擦系数大、响应速度慢的缺点, 严重限制了该型导轨的使用范围。根据仿生学原理使用激光微织构技术在金属滑动导轨副表面加工出有序排列的微凹坑以改善导轨的摩擦学性能。通过Matlab仿真验证微凹坑造型对减少摩擦副摩擦力的作用, 并在40Cr盘试样端面加工规则、有序排列的微凹坑, 与HT200销试样配副, 在Rtec摩擦磨损试验机上开展导轨的摩擦特性试验研究。仿真和实验结果表明, 微凹坑不仅可以改善导轨的储油情况, 还可以产生动压润滑效应, 有效地降低金属配副滑动导轨的摩擦系数, 实验中最大摩擦系数可降低72%。

针对轧机齿面边界润滑磨损失效、堆焊修复性能低的问题, 在齿轮常用钢(20CrNi2Mo)表面激光熔覆制备自润滑耐磨涂层。研究了自润滑耐磨涂层设计可行性、粉末成分对熔覆层摩擦系数、磨损量的影响。在CFT-1型摩擦磨损试验机对熔覆层、基体及堆焊层进行干摩擦滑动磨损试验, 检测摩擦系数及磨损量。结果表明, 各激光熔覆层磨损量均小于堆焊层, 涂层设计可行; MoS2的加入显著提高了涂层耐磨性, 最小磨损涂层C1磨损量为4.38×10-3mm3, 相对耐磨性分别是基体和A2涂层的17.35倍和1.68倍; 添加润滑相MoS2的C1摩擦系数相对纯铁基的A1涂层提升了66.7%。

利用激光熔覆技术, 在钛合金基体表面制备Ni/Ti涂层和Ni/Ti-Al2O3涂层, 用显微硬度计和多功能摩擦磨损试验机分别对涂层的显微硬度分布情况和涂层的摩擦磨损性能进行了测试。结果表明, Ni/Ti涂层、Ni/Ti-10%Al2O3涂层和Ni/Ti-20%Al2O3涂层硬度平均值达到720、760 HV0.1和800 HV0.1, 使基体硬度提高了一倍多。涂层的摩擦磨损试验表明, 摩擦过程中存在跑合期、平缓增长期、快速增长期和平稳期四个阶段, 涂层的磨损量要低于基体的磨损量, 而摩擦系数要高于基体的摩擦系数。

采用激光熔覆技术用半导体激光器在45#钢上制备了CNTs/SiC/Ni60A复合涂层, 分别运用蔡司AxioVert.A1金相显微镜、M-2000型磨损试验机、HXD-1000TMB/LCD显微硬度计研究了CNTs含量对合金显微组织、磨损性能、显微硬度的影响, 并结合了SEM、EDS和XRD对涂层进行了更综合、具体的显微分析和物相分析。研究表明, 随着CNTs含量的增大, 涂层的显微硬度和耐磨性均先增大后降低;而摩擦系数则先减小后增大, 当CNTs含量为3%时, 涂层宏观表面光滑, 未见明显的气孔和裂纹; 涂层显微组织分布均匀, 主要以等轴晶形式存在, 且涂层性能也最好, 显微硬度最大值为1 058.3 HV0.2; 耐磨损性能也最好且主要以粘着磨损为主, 磨损量为0.001 1 g, 摩擦系数为0.181。

应用摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验并对实验前后零件称重以分析其在不同条件下摩擦系数和磨损率的变化；对零件实验前后表面组织和形貌采用金相显微镜和扫描电子显微镜分别进行观察以研究其磨损机理。结果表明，在干摩擦、氯化钠（NaCl）和人工唾液润滑条件下，SLM成型件正面的磨损率比铸造件分别低27.92%、21.15%和19.03%，比侧面分别低26.97%、10.88%和14.97%；SLM成型件与铸造件相比，表面组织更加均匀，基本无孔洞；在干摩擦下表现为磨粒磨损，在NaCl及人工唾液润滑条件下主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损。这些结论为SLM成型CoCrMo合金在医学植入体方面的应用提供了依据。

采用激光喷丸在球墨铸铁QT600表面加工出具有不同凹坑中心距的微凹坑造型阵列，研究了激光微造型对其表面摩擦磨损性能的影响。仪器测试结果表明，相比于未造型试样，激光喷丸在球墨铸铁表面引入有益的残余压应力，磨损量明显降低，干摩擦条件下降幅达7.9%。微造型试样在干摩擦条件下的表面摩擦系数明显提高，增幅最大可达12.9%，而湿摩擦条件下则明显降低，降幅最高可达11.8%；同时微造型试样表面磨损程度明显轻于未造型试样表面，氧化物也明显减少。