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《武汉理工大学》 2017年
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7075铝合金激光标刻制备表面微结构及其性能研究

汤名锴  
【摘要】:表面微结构制备技术在改变材料表面特性方面可起到重要作用,通过在材料表面制备特定微结构,可赋予材料特殊功能,改善材料原有性能,因此在工业领域有巨大应用价值,受到研究者的广泛关注。目前现有的表面微结构制备方法存在如制备效率低、可重复性差、难以实现大面积加工、操作复杂、污染环境等问题。更为重要的是,大多数方法所制备的微结构与基体附着强度低,微结构本身机械强度也较差,难以实际应用。对此,本文以7075铝合金材料为研究对象,运用激光标刻技术,实现了激光标刻铝合金表面多种纹理微结构的可控制备,以此在铝合金表面制备特定微结构,并对所制备的微结构表面各项性能开展系统研究,取得如下研究成果:通过激光标刻技术实现了铝合金表面多种纹理结构的制备,研究了激光标刻过程激光与铝合金表面相互作用,建立材料表面激光作用热效应模型。在此基础上研究了不同激光标刻参数下铝合金表面微结构形貌、几何尺寸及化学组分变化,建立激光标刻参数与表面微结构形貌、几何尺寸之间相互关系。研究表明激光频率和扫描速度会改变熔融区大小、熔融区之间重叠程度以及熔化材料爆破飞溅程度,对铝合金表面凹凸结构形貌以及结构尺寸有较大影响。基于表面润湿理论,建立规则凹坑微结构表面润湿模型,并运用激光标刻方法在铝合金表面制备相应规则阵列凹坑微结构形貌,对其表面润湿性、超疏水性、自清洁性、耐腐蚀性、抗结冰性、摩擦后超疏水性进行相应研究。结果表明铝合金表面凹坑之间距离减小可使表面接触角增大,而凹坑直径的减小可使表面接触角减小,当凹坑间距较小时(60μm)规则阵列凹坑表面具有优秀的超疏水性,其静态接触角可达156°(相同状态下抛光表面为82.4°),滚动角达3.9°,超疏水状态使表面与液滴接触面积不足8%,这使得铝合金自清洁性、耐腐蚀性、抗结冰性均明显提高。而表面超疏水性主要由凹坑结构及其表面低表面能膜的完整性决定,凹坑周围突起结构的存在对表面超疏水性起增强作用,并确保表面经受一定摩擦磨损后仍保持良好超疏水性。运用激光标刻方法在铝合金表面精确构筑出横条、网格、圆圈、凹坑4种微结构形貌,对不同尺寸的4种微结构表面在不同干摩擦滑动速度下摩擦特性进行了系统研究,获得不同结构形貌的微结构摩擦学性能并揭示其主要减摩、抗磨机制。研究表明,在保证微结构不被完全磨损条件下,微结构均可有效改善铝合金表面摩擦磨损性能。在较低滑动速度下(100mm/s),因凹槽结构与摩擦方向一致,极大减小表面犁削效应,加工纹理间距150μm的圆圈微结构对铝合金摩擦磨损性能改善效果较好,表面摩擦系数、磨损量分别约为抛光表面的61%和30%。在较高滑动速度下(400mm/s),因微结构导屑能力对磨屑优秀处理能力,减小三体摩擦磨损,加工纹理间距150μm的横条微结构对表面摩擦学性能改善效果较好,表面摩擦系数、磨损量分别约为抛光表面的54%和32%。根据上述研究结果,建立了微结构表面滑动摩擦磨损模型,分析探讨了材料表面微结构导屑/储屑能力、摩擦方向、微结构分布密度以及滑动速度对表面摩擦磨损性能的影响。研究表明,微结构中凹陷结构与摩擦方向一致时表面犁削力较小,使表面摩擦磨损较小。导屑微结构对表面磨屑处理能力要强于储屑微结构,且滑动速度增加可显著提升导屑微结构对磨屑处理能力,对表面摩擦学性能改善效果较好。此外,表面凸起结构分布密度的增大会使表面与球摩擦副实际接触面积以及微结构对磨屑处理能力同时减弱,使表面摩擦磨损显著增加。所建立模型可用于指导实际工程应用中减摩、抗磨微结构的设计和选择。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG174.4

【参考文献】
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