激光表面微织构加工及减阻技术研究

摘要

表面微织构技术在摩擦减阻领域可以发挥巨大的作用。本文探讨了激光表面微织构加工技术对氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷的加工能力，并利用实验和仿真分析了流体润滑情况下凹坑型表面微织构对材料摩擦学性能的影响。
　　通过采用大功率纳秒激光器，本文对单点多脉冲加工工艺和环形填充加工工艺在氧化铝陶瓷凹坑型表面微织构的制备能力进行了分析。实验发现，单点多脉冲加工工艺加工效率高、产生的残余应力小，但加工质量对光斑质量依赖性较强，制备的微织构凹坑直径的变化范围在18-53μm之间；环形填充加工法应用范围更广，可以用来制备凹坑直径大于70μm的凹坑型表面微织构。环形填充方式工艺参数的调整可以有效地提高加工质量，但加工效率相对较低。实验还对超短脉冲皮秒激光对氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷凹槽型表面微织构的制备能力进行了分析。结果表明：调整平均功率、扫描速度、重复次数等工艺参数可有效地降低凹槽底部粗糙度、减小凹槽壁面锥度和减少氧化产物。
　　本文利用摩擦磨损试验机分析了凹坑型微织构对耐磨性工程材料聚酰亚胺摩擦性能的影响。结果表明：凹坑型表面微织构可以有效地提高聚酰亚胺材料流体润滑时的摩擦学性能。一定间距的表面微织构可以有效地提高摩擦副的承载能力，减小摩擦副间的摩擦力，但间距过小时，加工过程产生的毛刺会严重影响表面粗糙度，从而使摩擦力增大。当凹坑边缘间距大于10μm，凹坑直径30μm、深度10-15um时摩擦学性能最好。
　　通过对弧型凹坑表面微织构流体润滑状态的摩擦学性能进行数值模拟，得出结论：表面微织构的引入能够增加法向承载，并且减小水平方向的摩擦力；表面微织构的动压润滑性能与织构参数的变化规律及流体域中涡流有关，流体域中涡流不利于法向承载的增大和摩擦力的减小。在实验条件下当凹坑深度为5-10μm，凹坑宽度40μm时摩擦学性能达到最优。
　　本文的实验结论在陶瓷等硬脆性材料的织构化处理和微织构减阻技术在聚酰亚胺等耐磨性材料的应用方面具有一定的指导意义。

目录

声明

1绪论

1.1微织构的背景与意义

1.2微织构的应用与研究现状

1.3表面微织构的不同加工工艺方法

1.4存在问题与课题提出

2凹坑型激光表面微织构加工工艺研究

2.1实验方案设计

2.2单点多脉冲加工工艺

2.3环形填充加工工艺

2.4单点多脉冲加工工艺和环形填充加工工艺对比

2.5本章小结

3氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷凹槽型微织构的激光加工工艺探究

3.1实验方案设计

3.2氧化铝陶瓷凹槽型微织构的激光加工

3.3氮化硅陶瓷凹槽型微织构的激光加工。

3.4氧化铝陶瓷凹槽和氮化硅陶瓷凹槽型微织构的激光加工性能对比

3.5本章小结

4微织构摩擦磨损性能分析

4.1引言

4.2实验方案设计

4.3耐磨材料聚酰亚胺摩擦磨损实验

4.4本章小结

5流体润滑状态下织构表面的CFD建模及分析

5.1引言

5.2表面织构CFD模型的建立

5.3表面织构几何模型的建立

5.4表面织构CFD模型求解分析

5.5表面微织构CFD模型求解结果分析

5.6本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢