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飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

抖音快讯 2025年07月25日 22:51 1 admin


长三角G60激光联盟导读

哈尔滨工业大学精密工程研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心的科研人员报道了生物启发的飞秒激光表面织构技术增强Ti6Al4V钛合金摩擦学性能。相关论文以“Bioinspired femtosecond laser surface texturing for enhancing tribological properties of Ti6Al4V titanium alloy”为题发表在《Tribology International》上。

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

研究亮点：

  • 飞秒激光表面织构技术可制备摩擦功能表面
  • 介质环境对织构形貌具有选择性调控效应
  • 30μm间距微沟槽通过磨屑调控和接触面积最小化实现摩擦系数降低55%
  • 原位氧化层形成主导耐磨机制
飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

本研究采用飞秒激光表面织构技术（800nm波长）在Ti6Al4V合金表面制备了四种仿生微织构，系统表征了其表面特性。与ZrO2球的干摩擦测试表明：30μm间距的优化微沟槽织构相较抛光表面，摩擦系数降低55.13%，磨损率下降62.59%。性能提升归因于接触界面减小、磨屑捕获能力增强及保护性二氧化钛/低价氧化钛层形成的协同效应。该研究证实飞秒激光织构技术是设计仿生抗磨表面的有效方法，在提升耐久性和摩擦控制方面具有应用前景。

关键词：钛合金；飞秒激光表面织构；仿生织构；摩擦学性能

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图1. 飞秒激光表面织构加工示意图

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图2. 典型仿生表面飞秒激光织构的SEM形貌

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图3. 不同参数飞秒激光织构表面的粗糙度参数

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图4. 不同参数飞秒激光织构表面的几何轮廓

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图5. 不同介质条件下飞秒激光织构的作用机制示意图

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图6. 干摩擦测试与表面摩擦学性能

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图7. 干摩擦测试后磨痕形貌与宽度：(a,b)不同参数下磨痕宽度趋势；(c-f)干摩擦条件下磨痕形貌与轮廓

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图8. 典型试样的磨损形貌与磨损率：(a)摩擦系数随时间变化；(b)平均摩擦系数与磨损率统计；(c)显微硬度；(d-h)磨痕SEM图像

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图9. 四种典型试样的EDS元素分布与含量对比

飞秒激光织构增强Ti6Al4V摩擦学性能

图10. 原始试样与不同介质处理试样的XRD结果：(a)20°~80°谱图；(b)32°~44°谱图

本研究系统探究了Ti6Al4V合金的飞秒激光仿生表面织构技术，通过在空气/去离子水/乙醇介质中调控激光参数制备了微沟槽、凹坑、六边形和穹顶四种仿生织构。主要发现：

1. 飞秒激光织构显著改善Ti6Al4V摩擦磨损行为，其优化机制受织构几何形貌与磨屑管理支配

2. 0.3mJ脉冲能量与30μm间距的周期性微沟槽织构表现最优，摩擦系数从0.598降至0.268（降幅55.13%），磨损率降低62.59%

3. 性能提升源于接触面积优化与磨屑捕获能力的协同作用，有效抑制粘着磨损与磨粒磨损

4. 飞秒激光诱导的表面氧化物相变（以TiO2为主相，含TiO/Ti2O3/Ti3O5等低价氧化物）显著提升表面硬度与摩擦性能

该研究为航空航天轴承、生物医用植入体等领域的金属表面摩擦磨损性能定制提供了科学框架，通过参数化织构调控实现表面性能精确设计，在功能表面工程中具有广阔应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2025.110987

长三角G60激光联盟陈长军转载

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