钛合金表面微结构电火花加工及其水润滑摩擦学特性研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1选题的意义和来源1.1.1课题研究意义摩擦是自然界中普遍存在的现象，物质的存在及运动离不开摩擦。广义上的摩擦行为存在于所有物质之间或内部有相对运动或有相对运动趋势时，大到天体的变异，小到电流流动时电子的移动都避免不了摩擦。摩擦现象的存在创造了适应生存的条件，也带来了各种自然灾害甚至局部毁灭性损害，如龙卷风等气流的高速流动对接触介质的破坏，泥石流、河流对河床的侵蚀等[1]。对于动物而言，移动需要摩擦来完成，相反摩擦也会产生运动阻力及磨损损害[2]。机械机构的运转离不开摩擦。磨损是零件失效的主要形式，

2、直接影响设备可靠性及寿命，也是重大的安全隐患。磨损是摩擦的结果，摩擦现象的存在不可避免地带来磨损隐患[3,4]。据资料统计，摩擦引起的人类能源消耗大于30%，对于各类设备的故障诊断表明，70%以上的设备故障来源于磨损引起的零件失效[5]。如汽车发动机，其摩擦损失占总功率的20%，活塞式航空发动机的摩擦损失约为总功率的9%，纺织机的摩擦损失约占总功率的85%。美国、英国、德国等国家的统计表明，每年由于摩擦磨损引起的各类经济损失占国民经济年生产总值的2%~7%[5]。我国2006年国民经济生产总值为209407亿元，如果摩擦、磨损方面造成的损失

3、按占国民经济年生产总值的5%计算，那么损失达10470.35亿元。随着机械向高负荷高强度方向发展，摩擦问题带来的负面影响还会逐年增加。由此可见，在当今科技、生产力高速发展的同时，能源紧缺、环境污染严重等问题也同样存在的社会条件下，摩擦问题严重制约着国民经济和社会发展，是亟待解决的难题。机械系统的摩擦性能对提高承载能力和服役寿命很重要，降低摩擦、减少磨损己成为保护环境、提高效率的迫切要求。通过改变润滑油的化学成分以及降低润滑油粘度可以减少润滑油中硫、磷含量，降低环境污染；另一种合理的方法是表面精加工，如对表面进行抛光、研磨等，但受材质和加工精

4、度的影响，粗糙度始终受到限制，而且精度越高成本越高，且两者是指数关系。仿生学研究发现，许多生物体表具有不同的非光滑体表结构，这些非光滑体表是生物为适应其生存环境经过亿万年的进化而形成的。在这些具有非光滑体表形态的生物中，有一些动物，如穿山甲、蜣螂、蜥蜴等，它们长期穿梭和出入于沙石或土壤中，其体表却毫无损伤，研究发现这是因为其体表的非光滑形态具有很好的耐磨性。摩擦学的研究发现，微造型表面的摩擦学性能较光滑表面有如下优点[6]：1.微造型能提高油膜压力、增加油膜厚度，隔离相对摩擦的表面，起到降低摩擦磨损的作用。1钛合金表面微结构电火花加工及摩擦

5、磨损性能研究1.1微凹坑可以吸收两种材料对磨产生的氧化磨损颗粒，显著地提高磨损中的排屑能力，提高摩擦副的使用寿命，延长疲劳失效时间。1.2在机械密封面表面进行部分微造型可以提高接触面的平行度，提高承载能力，形成静压润滑，减小接触压力。1.3密封件表面进行激光微造型，可以减小摩擦力矩，减少端面温度，减小接触区的仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。摩擦学和仿生学相关研究和实践表明，表面并非越光滑则越耐磨，具有一定非光滑形态的表面反而往往具有更好的抗磨性能。近年来，表面微造型作为改变机械摩擦性能的

6、可控技术受到国内外学者的广泛重视，微造型表面摩擦磨损性能的试验研究以及数值分析日益成为研究的热点[7]。根据仿生学的应用结合类似原理、试验优化设计等方法来降低摩擦，减少磨损，提高摩擦副寿命，其原理可行。近年来对摩擦表面的激光表面微造型已取得了很大的突破，例如将其用于汽车内燃机中的汽缸/活塞、滑动轴承套、发动机导轨、密封环以及频繁启动/停车的部件等，可以降低摩擦因数，减小磨损，大大延长了使用寿命；在磁头或磁盘表面制造微小隆起或凹陷以增加接触表面的粗糙度，减小表面接触面积及摩擦和粘着。随着摩擦学理论和实验研究的深入，规则表面造型作为改变机械摩擦

7、性能的可控技术近年来受到国内外学者的广泛重视，摩擦试件表面上规则表面形貌几何造型的设计、加工、试验以及数值分析日益成为研究的热点。在摩擦试件表面进行合适的规则的几何形貌的微观造型，可显著改善摩擦副表面摩擦性能，延长使用寿命，减少能耗等，对提高机械零件摩擦副性能有较大的工程价值，对于节约能源、保护环境有着重要的现实意义。1.1.1课题的来源本课题来源于江苏省自然科学基金青年科技创新人才项目（学术带头人）BK2007529：《水润滑部件表面微结构的仿生制造及摩擦学特性研究》；国家自然科学基金项目50635030：《机械仿生耦合设计原理与关键技术

8、》；国家自然科学基金项目50675102：《氮化碳基薄膜的仿生设计及水润滑摩擦特性的研究》。本文拟开展主要工作是，通过电火花特种加工在钛合金表面设计和制备不同微观结构，随着微结构