前言

TC4鈦合金因其高強(qiáng)度、高剛度、出色的耐熱性、低密度以及卓越的耐腐蝕性等優(yōu)異的綜合性能,在航空航天、海洋工程和生物醫(yī)學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 [1?3]。然而,其硬度低、摩擦系數(shù)高、易黏著磨損及高溫氧化敏感等摩擦學(xué)性能缺陷限制了其應(yīng)用場景[4,5]。為克服上述限制,研究人員針對TC4鈦合金的表面改性技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，如熱化學(xué)處理、物理氣相沉積以及激光表面工程等[6-9]。其中,仿生表面織構(gòu)技術(shù)作為一種新興策略[10-12]},通過模擬自然界生物體表面特殊的微觀幾何結(jié)構(gòu)特征，在材料表面可控地加工出特定形狀、尺寸與排布的微米級結(jié)構(gòu),無需改變材料本體即可賦予其特定的表面功能,從而顯著調(diào)控材料的摩擦磨損行為。已有大量研究證實(shí)，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的表面織構(gòu)能夠有效地降低摩擦系數(shù)、減少磨損量,并提升材料的耐磨性與服役壽命 [ 13?15]。因此,在TC4鈦合金表面制備仿生織構(gòu),通過優(yōu)化接觸表面的潤滑狀態(tài)和應(yīng)力分布,可實(shí)現(xiàn)對摩擦學(xué)性能的有效改善[16-19]。

相關(guān)研究已展現(xiàn)出仿生織構(gòu)在提升鈦合金摩擦學(xué)性能方面的巨大潛力。例如,鄭清春等 [20]針對鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的耐磨性問題,提出了仿鯊魚皮菱形織構(gòu)設(shè)計(jì);通過建立流體動(dòng)壓潤滑模型進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合摩擦磨損試驗(yàn)，系統(tǒng)揭示了織構(gòu)對角線長度和深度對摩擦系數(shù)的非線性影響規(guī)律，并確定了最優(yōu)參數(shù)組合。研究指出，菱形織構(gòu)通過增強(qiáng)動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，可協(xié)同提高承載能力和減摩性能。李云凱等[21]針對水潤滑軸承摩擦問題，設(shè)計(jì)仿生豬籠草的月牙形和徑向脊形織構(gòu),用ANSYS分析發(fā)現(xiàn),CC1006月牙形和DR0102徑向脊形織構(gòu)優(yōu)化最佳，織構(gòu)化軸承的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加呈先減后增的趨勢，于中速中載時(shí)性能最佳。其機(jī)理在于:表面織構(gòu)通過改變潤滑油的流場,誘發(fā)局部油膜壓力升高(動(dòng)壓效應(yīng)),從而提供二次潤滑,最終實(shí)現(xiàn)減摩增效。

盡管仿生表面織構(gòu)已被證實(shí)能有效提升鈦合金的摩擦學(xué)性能,但當(dāng)前研究仍存在顯著局限:研究對象多聚焦于單一或簡單幾何形狀織構(gòu)，對不同仿生原型衍生的復(fù)雜圖案缺乏系統(tǒng)性對比;織構(gòu)深度參數(shù)的研究范圍較窄,且對深度與形狀的交互效應(yīng)分析不足[22];排列方式多限于規(guī)則陣列，針對旋轉(zhuǎn)摩擦等特定運(yùn)動(dòng)形式優(yōu)化的仿生放射狀排列結(jié)構(gòu)的研究較少。同時(shí)，現(xiàn)有研究尚未充分結(jié)合摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真，難以深入解析織構(gòu)參數(shù)對潤滑油膜流動(dòng)特性和壓

力分布的內(nèi)在調(diào)控機(jī)制。基于此，本研究提出復(fù)合研究策略:基于多生物原型設(shè)計(jì)具有顯著幾何差異的仿生圖案并開展對比研究;為各圖案設(shè)置梯度化深度參數(shù),重點(diǎn)探究深度效應(yīng)及其與形狀的交互影響;采用放射狀排列設(shè)計(jì),以適配旋轉(zhuǎn)摩擦副工況并優(yōu)化潤滑劑流動(dòng)路徑;通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)與CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))流場模擬的聯(lián)合研究，定量評估摩擦系數(shù)、磨損率等關(guān)鍵摩擦學(xué)性能指標(biāo)，并從流體力學(xué)角度解析油膜流動(dòng)與壓力場分布規(guī)律,旨在進(jìn)一步揭示仿生織構(gòu)圖案及深度參數(shù)對TC4鈦合金摩擦學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制,為該材料的應(yīng)用拓展與減摩抗磨設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論支撐和新思路。

1、試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

本研究使用的基材為TC4鈦合金。表1為TC4鈦合金的成分組成，在激光加工之前，利用絲切割將鈦合金板切割成尺寸為32mm32mm8mm的試樣,用400、800、1200、2000目砂紙進(jìn)行拋光處理，以此減少試驗(yàn)誤差。最后將拋光后的試樣置于無水乙醇中超聲清洗15min,吹干備用。

表1 TC4鈦合金成分組成表

Table 1 Composition table of TC4 titanium alloy

1.2仿生織構(gòu)樣品制備及摩擦實(shí)驗(yàn)

通過解析自然界生物耦合機(jī)制，模仿鯉魚的魚鱗、蜻蜓復(fù)眼和步甲蟲外殼黑色斑點(diǎn),分別簡化出3種仿生紋理，即類魚鱗形、六邊形和橢圓形，設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

為有效區(qū)分織構(gòu)深度對摩擦性能的影響,同時(shí)確保仿生紋理的生物特征保持一致以排除無關(guān)變量干擾,實(shí)驗(yàn)中固定織構(gòu)單元的深度為 200、400、600μm,具體參數(shù)如表2。為確保不同織構(gòu)圖案在實(shí)驗(yàn)中具有可比性,所有織構(gòu)圖案的面積大小盡量相近。同時(shí)所有織構(gòu)均采用放射狀排列方式，以試樣中心為原點(diǎn)，織構(gòu)單元沿半徑方向呈輻射狀分布，其中摩擦內(nèi)圈半徑r1為8mm,內(nèi)圈外圈間距 l 1 為4mm,旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

表2不同織構(gòu)樣品的尺寸參數(shù)

Table 2 Dimension parameters of different texture samples

織構(gòu)加工使用脈沖光纖激光器,根據(jù)織構(gòu)深度調(diào)整激光功率至80W,頻率20Hz,掃描速度500mm/s,掃描間距0.01mm。激光織構(gòu)加工后，用3000目砂紙配合2000目拋光膏輕磨表面，去除碎屑和毛刺，最后在超聲清洗儀中用酒精清洗15min后進(jìn)行后續(xù)研究。

采用MPX-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對TC4鈦合金試樣開展摩擦學(xué)性能測試。該試驗(yàn)機(jī)最大載荷達(dá)3000N,主軸轉(zhuǎn)速可在5~2000r/min范圍內(nèi)無級變速,能夠進(jìn)行常規(guī)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)選用銷盤摩擦形式，上摩擦副為直徑4mm，長度12mm的軸承鋼銷，其硬度為62HRC。下試樣為TC4鈦合金。實(shí)驗(yàn)設(shè)定負(fù)載為20N,轉(zhuǎn)速為200r/min,旋轉(zhuǎn)內(nèi)半徑8 mm,摩擦?xí)r間為60min,上試樣固定,下試樣作順時(shí)針

方向旋轉(zhuǎn)。潤滑方面采用46號機(jī)械潤滑油，并利用蠕動(dòng)泵以1mL/min的速度對試樣持續(xù)給油,提供潤滑的同時(shí)可部分抑制溫升。為避免實(shí)驗(yàn)偶然性因素，提高結(jié)果可靠性及統(tǒng)計(jì)意義，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄,數(shù)據(jù)每1s采集1次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用電子天平測得試樣的磨損量，并利用掃描電子顯微鏡觀察試樣表面形貌，捕捉表面微織構(gòu)和磨損軌跡。

2、結(jié)果與分析

2.1仿生織構(gòu)對TC4鈦合金摩擦系數(shù)的影響

如圖3所示,在200μm深度下,所有織構(gòu)樣品均表現(xiàn)出顯著的減摩效果,摩擦系數(shù)較基材分別降低20.0%、20.8%和22.4%。其中C-2樣品性能最優(yōu),平均摩擦系數(shù)(ACOF)為0.2753。C-2樣品在跑合期僅存在輕微波動(dòng)，并在600s后迅速進(jìn)入穩(wěn)定期，全程曲線平穩(wěn)，振幅較小。A-2與B-2樣品在跑合期出現(xiàn)短暫波動(dòng)，但1200s后穩(wěn)定于0.28~0.29間。相比之下，基材全程高頻劇烈波動(dòng)，尤其在2 500~3 300 s出現(xiàn)尖峰值，暴露其潤滑失效風(fēng)險(xiǎn)。

如圖4所示，當(dāng)深度增至400μm時(shí)，織構(gòu)性能呈現(xiàn)分化趨勢。A-4與B-4樣品摩擦系數(shù)回升至0.298 8和0.3021,降幅縮至15.8%和14.8%。A-4樣品在跑合期出現(xiàn)異常峰值，且過渡期延長至1500s;穩(wěn)定期仍存在間歇波動(dòng)。而C-4樣品維持優(yōu)異性能，平均摩擦系數(shù)為0.281 6,降幅20.6%,跑合期波動(dòng)幅度與穩(wěn)定期平穩(wěn)性均接近200μm深度下的狀態(tài)。

如圖5所示,當(dāng)深度為600μm時(shí),性能斷裂式分化加劇。B-6樣品摩擦系數(shù)顯著回升至0.3059,降幅僅13.8%,跑合期出現(xiàn)極端峰值,過渡期長達(dá)1800s。

通過對比分析不同樣品的摩擦試驗(yàn)結(jié)果,可知C-2樣品表現(xiàn)最為優(yōu)異，其摩擦系數(shù)曲線在測試過程中始終保持平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何異常波動(dòng)，并且磨損量在所有樣品中最低。這表明C-2樣品在摩擦過程中具有高度的穩(wěn)定性和抗磨性。另外,其他經(jīng)過仿生織構(gòu)處理的樣品在摩擦性能上也顯著優(yōu)于未經(jīng)處理的基材。這一結(jié)果有力地驗(yàn)證了仿生織構(gòu)設(shè)計(jì)在抗磨減摩方面所具有的顯著優(yōu)勢和實(shí)際應(yīng)用潛力。

2.2摩擦磨損形貌與摩擦磨損機(jī)理

為了比較織構(gòu)形狀對摩擦的影響，選取了織構(gòu)深度為600μm的參數(shù)條件下不同試樣的表面磨痕，并與基材進(jìn)行對比觀察，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a可以看出，在潤滑摩擦條件下，基材表面主要存在磨粒磨損和剝落坑。這是因?yàn)樵谀Σ聊p過程中，產(chǎn)生的磨屑無法有效排除，導(dǎo)致樣品表面磨損較為嚴(yán)重。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，樣品表面因黏著磨損而產(chǎn)生剝落坑，進(jìn)而導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

在圖6b~6d中,織構(gòu)化表面主要存在沿摩擦方向的犁溝狀磨痕，而未出現(xiàn)明顯的磨損剝落坑，磨損程度相對較輕。此外，織構(gòu)并未因摩擦而導(dǎo)致磨損變形，仍可以清晰地觀察到織構(gòu)的形貌輪廓,這表明織構(gòu)尚未被完全破壞。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生摩擦?xí)r，由于表面織構(gòu)的存在,織構(gòu)表面比光滑表面擁有更多的潤滑劑。在摩擦過程中，潤滑劑會(huì)逐漸減少，而織構(gòu)溝槽內(nèi)的潤滑劑則可以通過二次擠壓作用補(bǔ)充到滑動(dòng)表面，從而保持潤滑狀態(tài)，起到二次潤滑的作用。織構(gòu)化表面為摩擦副提供了微楔形間隙，使得潤滑劑在微楔形間隙中具有一定的流動(dòng)速度，從而產(chǎn)生流體升力，進(jìn)一步分離了相對運(yùn)動(dòng)的兩物體表面。同時(shí)，織構(gòu)溝槽可以捕獲磨料碎屑，減小磨粒造成的二次磨損。

3、仿真研究

采用流體仿真軟件，對摩擦過程中潤滑油的流體力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值仿真。通過模擬分析，從理論層面探討在油潤滑條件下不同織構(gòu)尺寸對摩擦學(xué)性能的影響。

3.1潤滑狀態(tài)與理論方程

根據(jù)潤滑膜的形成機(jī)理,潤滑狀態(tài)可分為邊界潤滑、混合潤滑及流體潤滑3類。為探究表面織構(gòu)參數(shù)對摩擦副潤滑特性的影響規(guī)律,本研究聚焦于流體潤滑狀態(tài),建立了包含潤滑油膜及織構(gòu)內(nèi)部流體的流域模型,如圖 7所示。

潤滑油膜內(nèi)的流體流動(dòng)遵循流體力學(xué)基本原理，真實(shí)反映物理過程。流體仿真軟件基于N-S方程組求解流場問題。鑒于該方程組的完整形式涉及多個(gè)復(fù)雜變量,而本研究核心關(guān)注點(diǎn)為流場內(nèi)部的速度分布與壓力變化，故對控制方程進(jìn)行了合理簡化，并作出如下假設(shè):(1)潤滑油為不可壓縮的牛頓流體;(2)潤滑油的溫度恒定不變,且其密度以及黏度為恒定值;(3)忽略流體重力的影響。最終采用連續(xù)性方程(1)和動(dòng)量方程(2)~(4)進(jìn)行求解。

式中: ρ為潤滑油的密度, kg/m³; μ為潤滑油的動(dòng)力黏度,kg/(m·s);u、v和w為潤滑油在x、y和z方向的速度分量,m/s;P為流體靜壓,Pa。

3.2網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為排除網(wǎng)格數(shù)量對仿真結(jié)果的影響，選取200μm深度的魚鱗狀織構(gòu)作為研究對象，開展網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。通過逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，對不同網(wǎng)格密度下織構(gòu)上壁面的壓力進(jìn)行監(jiān)測，驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過40萬時(shí),織構(gòu)上邊界的壓力值波動(dòng)幅度顯著減小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。為確保計(jì)算精度，最終選用100萬網(wǎng)格對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.3邊界條件以及材料的設(shè)置

在模擬過程中，主要參數(shù)設(shè)置如下:流體區(qū)域的密度設(shè)定為856 kg/m³,動(dòng)力黏度為0.039 2 kg/( m ?s),仿真中假設(shè)潤滑油為等溫不可壓縮牛頓流體,即忽略摩擦熱導(dǎo)致的黏度變化。運(yùn)動(dòng)部分的速度為0.21m/s,其余表面均為固定壁面。流體的入口和出口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口,且壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325Pa。

3.4計(jì)算結(jié)果及分析

仿真完成后，為更直觀地分析微織構(gòu)形貌參數(shù)對油膜承載能力及潤滑油流動(dòng)特性的影響，對不同參數(shù)的織構(gòu)模型進(jìn)行了針對性的后處理。具體方法包括:采用二維云圖表征上表面的壓力分布;在織構(gòu)中心處建立對稱平面，利用該平面上的速度云圖展示流體流

經(jīng)織構(gòu)內(nèi)部的流速演變。圖9~11分別展示了織構(gòu)深度為200、400、600μm時(shí)的潤滑油流動(dòng)仿真結(jié)果。其中,A、B、C分別對應(yīng)魚鱗形、六邊形及橢圓形織構(gòu)樣品的壓力云圖;A'、B'、C'則分別對應(yīng)上述3種織構(gòu)樣品對稱平面內(nèi)的潤滑油流速云圖。

當(dāng)油液從織構(gòu)進(jìn)口流入時(shí)，由于摩擦表面與織構(gòu)形成的發(fā)散楔,導(dǎo)致油液流入進(jìn)口時(shí)的空間高度突然增大，導(dǎo)致油液壓力出現(xiàn)一定的梯度下降。油液流經(jīng)織構(gòu)內(nèi)部后,在織構(gòu)出口處,摩擦表面與織構(gòu)形成的收斂楔使油液壓力升高,從而在織構(gòu)兩側(cè)形成了動(dòng)壓效應(yīng)。這種效應(yīng)顯著提升了油膜壓力與承載能力,并有效降低了摩擦副之間的摩擦系數(shù)。同時(shí),降壓區(qū)的壓力低于織構(gòu)內(nèi)部的壓力,而升壓區(qū)的壓力高于織構(gòu)內(nèi)部的壓力。這導(dǎo)致降壓區(qū)的壓力可以將織構(gòu)內(nèi)部的油液吸出,補(bǔ)充到無織構(gòu)區(qū)域;升壓區(qū)則將織構(gòu)內(nèi)部的油液擠入無織構(gòu)區(qū)域進(jìn)行潤滑補(bǔ)充。在無織構(gòu)區(qū)域處于欠潤滑的狀態(tài)下，織構(gòu)的升壓區(qū)與降壓區(qū)都發(fā)揮了補(bǔ)充潤滑的作用,有利于改善摩擦副的潤滑狀態(tài),對降低材料間的摩擦系數(shù)具有積極作用。

綜合對比圖9~11可見，對于相同織構(gòu)深度樣品;不同幾何邊界對流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生差異化約束作用,導(dǎo)致速度場結(jié)構(gòu)異化并觸發(fā)壓力場重構(gòu)。織構(gòu)A無法有效擠壓油膜,形成局部低速回流渦,導(dǎo)致高壓區(qū)域呈離散化分布破壞了壓力積累。織構(gòu)B部分區(qū)域出現(xiàn)流動(dòng)分離，削弱了動(dòng)壓效應(yīng)。織構(gòu)C使得潤滑油在流動(dòng)過程中被有效擠壓，產(chǎn)生局部高壓，無回流，表明流動(dòng)穩(wěn)定，利于壓力積累。

對于相同織構(gòu)圖案樣，隨著織構(gòu)深度增加，織構(gòu)內(nèi)部潤滑油的平均流速顯著降低。其機(jī)理在于:當(dāng)織構(gòu)

表面形貌固定時(shí)，流經(jīng)其表層的潤滑油流速和體積流量相近。然而，深度的增加意味著凹坑內(nèi)貯存的潤滑油總量增大，且受壁面無滑移邊界條件約束，織構(gòu)底層流體流速趨近于零。在流體分子內(nèi)黏性力作用下，表層流體受到底層低速流體的強(qiáng)黏性拖拽，流體慣性效應(yīng)隨之減弱,最終導(dǎo)致織構(gòu)表層潤滑油流速降低。流速的減小直接削弱了流體慣性力效應(yīng),進(jìn)而降低了由其產(chǎn)生的動(dòng)壓油膜壓力貢獻(xiàn)。

將壓力 P對控制單元下壁面進(jìn)行積分得到油膜沿z方向的承載力 F,以及微織構(gòu)表面剪應(yīng)力 τ,之后通過計(jì)算得到單位面積內(nèi)平均承載力Fa和微織構(gòu)表面沿x方向摩擦力 F f ,摩擦系數(shù) f為摩擦力和承載力之比,公式分別為(5)～(8)。

并將計(jì)算得出的 f從小到大依次排序得出 C-2<C-4<B-2<A-6<A-2<C-6<A-4<B-4<B-6,對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果除個(gè)別樣品因加工微缺陷導(dǎo)致偏差外,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,有效地證實(shí)多參數(shù)耦合仿真可有效預(yù)測仿生織構(gòu)摩擦性能。

4、結(jié)論

(1)本研究創(chuàng)新性地采用“放射狀排列+復(fù)雜圖案對比+多深度參數(shù)+聯(lián)合仿真”的復(fù)合策略,系統(tǒng)研究了仿生織構(gòu)對 TC4鈦合金摩擦學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在富油潤滑條件下, 200μm深度的橢圓形織構(gòu)摩擦系數(shù)降至 0.275 3,降幅達(dá) 22.4%,且摩擦系數(shù)曲線平穩(wěn),磨損量明顯減少。其他織構(gòu)在相同深度下摩擦系數(shù)降幅均超20%,遠(yuǎn)優(yōu)于未織構(gòu)基材。

(2)通過系統(tǒng)對比 3種復(fù)雜仿生圖案及 3個(gè)深度,揭示了織構(gòu)參數(shù)及形狀深度匹配對摩擦的影響:橢圓形在 200、400 μm性能最優(yōu)且穩(wěn)定,其幾何邊界能有效擠壓油膜促進(jìn)動(dòng)壓效應(yīng); 600μm深度導(dǎo)致多數(shù)織構(gòu)性能衰退,但魚鱗形織構(gòu)性能逆勢提升,表明深度效應(yīng)強(qiáng)烈依賴于圖案幾何特征。這為織構(gòu)的精準(zhǔn)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵依據(jù)。

(3)放射狀織構(gòu)排列與仿生織構(gòu)的存在使得潤滑油膜內(nèi)部壓力發(fā)生了梯度變化,并且在織構(gòu)內(nèi)部織構(gòu)兩側(cè)形成動(dòng)壓效應(yīng)，該效應(yīng)能夠提高油膜壓力，增大承載力，同時(shí)升壓區(qū)將織構(gòu)內(nèi)潤滑油擠向接觸面，降壓區(qū)則從織構(gòu)內(nèi)抽吸潤滑油補(bǔ)充欠潤滑區(qū)域，形成持續(xù)二次潤滑，可有效降低摩擦副之間的摩擦系數(shù)。

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（注，原文標(biāo)題：仿生織構(gòu)對TC4鈦合金摩擦學(xué)性能的影響_黃小兵）