激光織構(gòu)凸起對316L不銹鋼摩擦性能的影響

供稿人：孫嘯宇、張航
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

武漢特種表面保護材料及應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室的Wen-Xuan Li等人采用激光加工技術(shù)在316L不銹鋼表面制備了三種形狀織構(gòu)（凹槽、方坑、圓坑），并對部分織構(gòu)表面凸起進行了拋光處理（如圖1所示），目的是研究加工凸起對316L不銹鋼材料在不同工況和織構(gòu)形狀下表面摩擦學(xué)性能的影響，并提出了相關(guān)磨損機理。

圖1 三種激光加工制備的表面：（a）—（c）未拋光表面，（d）—（f）拋光表面

作者將這三種織構(gòu)分為兩組：拋光組和未拋光組，將他們和沒有織構(gòu)的表面一起在干摩擦、油潤滑和海水潤滑三種工況下，用摩擦磨損試驗機進行測試。發(fā)現(xiàn)在所有工況下，拋光和未拋光的織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)均比無織構(gòu)的試樣更快達到穩(wěn)定，且未拋光的織構(gòu)試樣達到穩(wěn)定所需的時間最短。

其次測試還發(fā)現(xiàn)在所有工況下，保留激光加工凸起可以提高316L不銹鋼表面的耐磨性，其中油潤滑條件下的磨損減少量最大，為90.7%。主要原因有兩點：1、激光加工過程極速的升溫和冷卻，使得表面硬化，提高了耐磨性；2、在油潤滑條件下，加工凸起增加了織構(gòu)儲油量，增強了流體動壓效應(yīng)，從而有效地提高了材料表面的耐磨性。（如圖2所示）

圖2 三種織構(gòu)的拋光和未拋光試樣與無織構(gòu)基底試樣在油潤滑條件下的磨損痕深度

作者接著對測試造成的磨損形貌和磨損機理進行分析，指出在干摩擦工況下，拋光和未拋光試樣表面的磨損機理都以粘著磨損為主，磨損量最大；在油潤滑工況下，表面磨損機理為磨粒磨損，磨損量減��；在海水潤滑工況下，表面磨損機理同樣為磨粒磨損，磨損量是三種工況中最小的。（如圖3所示）

圖3 表面織構(gòu)試樣在海水潤滑工況下拋光表面(a)、(c)、(e)和未拋光表面(b)、(d)、(f)表面磨損形貌

激光表面紋理加工不可避免地會產(chǎn)生邊緣凸起。目前，激光加工凸起一般采用直接拋光的方法去除，但是這種方法忽略了表面凸起對摩擦副的影響。通過本文的研究，激光加工凸起對于摩擦性能來說具有積極作用，因此在一些特殊應(yīng)用場景和工況下，如海底等，可以視情況減少材料表面的拋光工序，在提升經(jīng)濟性的同時，提高材料表面的耐磨性。

參考文獻：
Li W-X, Liu Y, Duan H-T, et al. Effect of laser texturing bulges on tribological properties of 316L stainless steel[J]. Surface Topography: Metrology and Properties, 2023, 11(1).