激光仿生耦合处理7075铝合金耐磨性能的研究

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1、分类号：TG143.2单位代码：10183研究生学号：2015434058密级：公开吉林大学硕士学位论文（专业学位）激光仿生耦合处理7075铝合金耐磨性能的研究StudyonWearResistanceof7075AluminumAlloyProcessedbyLaserBiomimeticCouplingTechnique作者姓名：袁玉环类别：工程硕士领域（方向）：材料工程指导教师：周宏教授佟国栋研究员培养单位：材料科学与工程学院2018年5月激光仿生耦合处理7075铝合金耐磨性能的研究StudyonWearResistanceof7075AluminumAlloyProcessedbyLa

2、serBiomimeticCouplingTechnique作者姓名：袁玉环领域（方向）：材料工程指导教师：周宏教授佟国栋研究员类别：工程硕士答辩日期：2018年5月31日摘要激光仿生耦合处理7075铝合金耐磨性能的研究摘要随着钻探深度的不断增加，铝合金钻杆以密度低、自重轻、比强度高等优势，在超深井、水平井等应用中逐渐替代钢制钻杆。但是与钢制钻杆相比，铝合金钻杆自身硬度较低，耐磨性能较差，在使用过程中与井壁和套管之间的磨损较为严重，因而限制了铝合金钻杆的推广应用。因此，提升铝合金钻杆的抗磨损性能，对延长其使用寿命具有重要的现实意义。仿生学的一些研究发现，一些生物在千万年的进化中获得的一种具有“

3、软-硬”相间的非光滑体表对磨损具有良好的耐受能力。本课题组一直致力激光仿生耦合研究，依据仿生理论，通过激光加工技术，在材料表面加工出具有不同结构、形态、性能的仿生单元体，成功应用于对材料耐磨性能、抗疲劳性能以及机械性能的提升等方面。受此启发，本研究在前人研究的基础上，将激光仿生处理技术应用到7075铝合金钻杆上，以提升其耐磨性能，并总结其中的规律与耐磨机理。本文分别探究了仿生单元体结构以及仿生单元体形态及特征量对7075铝合金耐磨性能的影响。研究中通过输入不同的激光能量密度获得了具有不同组织结构、不同大小、硬度及性能的仿生单元体，探究了其中的影响规律。其次，本文设计了具有相同面积占比的5种表面

4、形态的仿生试样以及具有相同形态的5种不同硬质单元体面积占比的仿生试样，实验中通过磨损实验与有限元分析相结合的方式探究其中的作用规律。研究表明：经过激光仿生耦合处理之后的7075铝合金耐磨性能得到2了不同程度的提升。其中当激光能量密度为420.1J/cm时，材料的机械性能与耐磨性能均获得了最大幅度的提升。另外，在单元体面积占比相同的情况下，复合形态的单元体具有更好的耐磨性能，其中点网形态耐磨性能最好；在单元体表面形态均为条状单元体的情况下，硬质单元面积占比在40%~60%之间时，其耐磨性能较好。对于其中的耐磨机理进行分析可以总结为以下几个方面：首先，在磨损过程中较硬的单元体主要扮演着骨架支撑的作

5、用，阻碍磨屑运动的连续性以及磨屑与基体的接触，从而保护基体。单元体骨架支撑发挥作用的大小主要与单元体组织、大小、硬度及拉伸性能有关；其次，不同形态及特征量变化的仿生单元体，会改变试样表面的应力分布，单元体承担的应力越多，基体承担的应力越小，单元体对基体的保护I吉林大学硕士学位论文效果越好，试样的耐磨性能提升越明显。关键词：7075铝合金，仿生耦合，激光表面处理，摩擦磨损，机械性能IIAbstractStudyonWearResistanceof7075AluminumAlloyProcessedbyLaserBiomimeticCouplingTechniqueAbstractWiththei

6、ncreaseindrillingdepth,thealuminumalloydrillpipehasgraduallyreplacesteeldrillpipeinapplicationssuchasultra-deepwellsandextendedreachwellsowningtothecorrespondinglowdensity,lightweight,andhighspecificstrength.However,comparedwiththesteeldrillpipe,therewereseriouswearbetweenaluminumalloydrillpipeandca

7、singandstratumaggravatesduringtheprocessofdrillingoperationbecauseofthelowerhardnessandpoorwearresistance,whichlimitsthepromotionandapplicationofthealuminumalloydrillpipe.Accordingtotherelatedstudieso