基于激光冲击效应的微坑加工方法及其摩擦学性能研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文基于激光冲击效应的微坑加工方法及其摩擦学性能研究班级：A0902091学号：0090209021博士生：李康妹导师：姚振强教授学科：机械工程专业：机械制造及其自动化上海交通大学机械与动力工程学院二〇一五年六月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorASTUDYOFFABRICATIONMETHODANDTRIBOLOGICALPERFORMANCEOFMICRODIMPLEBASEDONLASERSHOCKPROCESSINGAuth

2、or：LIKang-meiSupervisor：Prof.YAOZhen-qiangDicipline：MechanicalEngineeringSpecialty:MechanicalManufacturingandAutomationSchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJune2015摘要基于激光冲击效应的微坑加工方法及其摩擦学性能研究摘要摩擦导致的磨损是机械设备失效的最主要原因。因此，控制摩擦、改善润滑与减少磨损已成为节约能源和原材料、综合提高机械系统运转效率和服

3、役寿命的迫切需求。微坑阵列等表面织构能够有效改善摩擦副表面的摩擦学性能，延长摩擦副的使用寿命。基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法是一种利用激光冲击力学效应的微坑加工新方法，目前人们对该工艺的工艺方法及所加工微坑阵列的摩擦学性能了解尚不系统和深入。本文以典型金属材料作为研究对象，系统分析了基于激光冲击效应的微坑阵列加工工艺机理、工艺适用性、激光冲击工艺参数对微坑阵列几何物理性能的影响规律以及微坑阵列的摩擦磨损性能，为激光冲击工艺参数选择提供优选策略。主要研究内容包括：一、激光冲击微造型工艺机理与工艺方法研究。结合激光诱导等离子体形成过程分析和高压冲击波作用下材料高应变率动态响应过程

4、仿真建模，揭示了激光冲击微造型工艺机理，并对微坑塑性变形状态及残余应力状态进行了预测。通过考察典型金属材料在激光冲击微造型工艺中所制备微坑几何形貌与尺寸的一致性，发现激光冲击微造型工艺具有良好的工艺稳定性和材料适用性，从而为激光冲击微造型工艺规律分析奠定了重要的前提基础。基于激光冲击微造型工艺过程，提出了一种高应变率条件下材料动态硬度的测试方法。二、激光冲击微造型工艺影响规律研究。通过激光冲击微造型试验，系统研究了激光冲击微造型工艺参数（激光功率密度、光斑直径和重复冲击次数等）对微坑几何特征（直径、深度及深径比等）和微坑表面粗糙度、塑性变形层显微硬度、晶粒尺寸等表面完整性的影响规

5、律。研究发现，随着激光功率密度的增大和激光重复冲击次数的增加，微坑直径、深度、深径比、塑性变形层的硬化程度以及晶粒细化程度均增大，但由于应变硬化作用，会表现出冲击饱和效应。随着激光光斑直径的增大，微坑直径也相应增大，但始终小于光斑直径。在激光单脉冲能量一定的情况下，存在一个激光光斑直径阈值，当光斑直径大于该阈值时，微坑深度、深径比、塑性变形层硬化程度以及晶粒第I页上海交通大学博士学位论文细化程度均随着激光光斑直径的增大而减小。当光斑直径小于该阈值时，在等离子体屏蔽效应的作用下，随着光斑直径的增大，微坑深度、微坑塑性变形层硬化程度以及晶粒细化程度均随之增大，微坑深径比的变化因具体情

6、况而异。激光冲击微造型工艺对微坑表面粗糙度的改变取决于材料的原始表面粗糙度及激光冲击参数。当材料原始表面粗糙度较大，且激光功率密度和重复冲击次数较小时，微坑表面粗糙度小于原始表面粗糙度。反之，则大于原始表面粗糙度。三、动压润滑条件下微坑阵列的摩擦性能研究。在流体动压润滑条件下，通过三维计算流体动力学仿真的方法研究了微坑密度、微坑深径比等微坑设计参数和雷诺数等流体特征参数对油膜的压力分布、无量纲平均油膜承载力、无量纲平均油膜剪切力和动压系数等摩擦性能参数的影响规律。研究发现，在流体动压润滑条件下，微坑提高摩擦副动压性能的机理是微坑楔形效应和涡流效应的综合作用；在本文研究的参数范围内

7、，存在最优的微坑密度和微坑深径比使油膜具有最佳的动压性能；而且随着雷诺数的增大，最优微坑深径比呈逐渐减小的趋势，而最优微坑密度保持不变。四、贫油润滑条件下微坑阵列的摩擦学性能研究。在贫油润滑条件下，通过设计合理的摩擦学试验并建立摩擦性能评价方法，系统研究了不同转速和载荷等工况条件下不同密度和深度微坑阵列的摩擦磨损性能。研究发现，随着微坑密度的增大，摩擦副的摩擦系数、最大承载力及失效时间等摩擦性能呈现先提高后降低的趋势，说明存在一个最佳微坑密度范围使摩擦性能达到最优，其机理是由于固