激光水膜熔凝制备单元体纳米晶对摩擦磨损性能的影响

论文摘要

为改善金属材料的磨擦磨损性能,本文选取具有优异耐磨性的生物体原型波纹状蜣螂翅鞘,通过对其耐磨机理的深入研究,提出合理简化的仿生磨擦学模型,分别采用空气附加氩气及去离子水作为加工介质,利用激光熔凝在灰铸铁、GCr15滚珠轴承钢和H13热作模具钢表面制备出纳米晶单元体,研究了不同加工介质对单元体特征尺寸的影响、不同水膜厚度激光熔凝对仿生单元体微观组织结构的影响;推导了激光熔凝温度场及冷却速度表达式、计算空气及不同水膜厚度下熔池冷却速度、探讨激光水膜熔凝制备纳米晶的形成机制、详细讨论空气和去离子水激光熔凝对灰铸铁、滚珠轴承钢和热作模具钢摩擦磨损性能的影响。结果表明,去离子水激光熔凝后制备的单元体,具有纳米结构微观组织;在相同条件下,在滚珠轴承钢和热作模具钢试样上均可制备出纳米晶,而在灰铸铁上只能制备出微观组织较空气中熔凝中明显细化的组织,而不能制备出纳米晶。分析发现,在相同冷却速度下,主要与材料成分、不同冶金学机制等因素相关。实验发现,在相同实验条件下,随着水膜厚度增加,制备出的纳米晶颗粒度逐渐减小;在热作模具钢上制备出的纳米晶比滚珠轴承钢粒度更小。去离子水水膜激光熔凝处理灰铸铁、滚珠轴承钢和热作模具钢后,三种材料仿生单元体硬度均较空气中处理大幅提高,磨损量减少,摩擦系数降低且稳定,磨损机制亦改变。比较发现,在相同加工参数下,H13仿生试样的磨损量和摩擦系数最低,其次为GCr15仿生试样,最后为灰铸铁仿生试样。本文采用水膜激光熔凝工艺制备纳米晶单元体,可极大改善所选用材料常温干滑动摩擦磨损性能。这种技术克服了目前常规大块纳米材料制备技术上的困难,不需高温、高压、高真空等极端环境,无预处理及后续处理,成本低廉,过程简单,切实可行;将仿生学理论与纳米材料的优异性能耦合,为研究耐磨材料、耐摩擦磨损开辟新途径,在工业应用上将具有广阔前景

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 本文研究内容
• 1.3 文献综述
• 1.3.1 磨损与纳米摩擦学
• 1.3.2 仿生学与仿生摩擦学
• 1.3.3 激光表面工程
• 1.3.4 表层纳米化与材料性能
• 第二章 激光水膜熔凝制备单元体纳米晶及研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试样制备
• 2.3 单元体微观组织表征
• 2.3.1 激光共焦扫描显微镜观察（LM）
• 2.3.2 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.3 扫描显微镜观察（SEM）
• 2.3.4 高分辨透射电镜（TEM）观察及能谱分析（EDS）
• 2.4 显微硬度测量
• 2.5 常温干滑动磨损实验
• 第三章 激光水膜熔凝微观组织表征与探讨
• 3.1 前言
• 3.2 水膜对单元体特征尺寸的影响
• 3.3 水膜对材料微观组织的影响
• 3.3.1 水膜厚度对灰铸铁单元体微观组织影响
• 3.3.2 水膜厚度对GC115 轴承钢单元体微观组织影响
• 3.3.3 水膜厚度对H13 模具钢单元体微观组织影响
• 3.4 纳米颗粒表征
• 3.4.1 TEM表征
• 3.4.2 能谱分析
• 第四章 激光水膜制备纳米晶单元体机制探讨
• 4.1 前言
• 4.2 激光熔凝温度场
• 4.3 激光水膜处理冷却速度推导
• 4.4 不同加工介质下冷却速度计算
• 4.5 纳米晶形成机制探讨
• 4.5.1 不同材料激光水膜熔凝冶金学机制
• 4.5.2 纳米颗粒形核机制
• 第五章 单元体纳米晶对金属材料磨擦磨损性能影响研究
• 5.1 前言
• 5.2 灰铸铁激光水膜熔凝单元体摩擦磨损性能研究
• 5.2.1 激光水膜熔凝对灰铸铁单元体显微硬度的影响
• 5.2.2 激光水膜熔凝灰铸铁试样磨损试验结果及分析
• 5.2.3 激光水膜熔凝灰铸铁单元体磨损形貌分析
• 5.3 GCR15 轴承钢激光水膜熔凝单元体摩擦磨损性能研究
• 5.3.1 激光水膜熔凝GC115 轴承钢单元体显微硬度
• 5.3.2 激光水膜熔凝GC115 轴承钢试样磨损结果及分析
• 5.2.3 激光水膜熔凝GC115 轴承钢单元体磨损形貌分析
• 5.4 H13 热作模具钢激光水膜熔凝单元体摩擦磨损性能研究
• 5.4.1 激光水膜熔凝H13 模具钢数显微硬度
• 5.4.2 激光水膜熔凝H13 模具钢试样磨损结果及分析
• 5.4.3 激光水膜熔凝H13 模具钢单元体磨损形貌分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT