Page 212 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 周鑫鑫, 等: 表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究 997

面沟槽织构的摩擦学性能. 持续时间300 s. 摩擦学测试均在室温环境中进行.

本文作者在钛合金表面构建织构化图案与离子 1.4 模型设计及仿真方法
液体组合形成复合润滑体系来探究复合润滑体系对 用基于N-S方程采用CFD方法进行仿真分析圆形
摩擦学性能的影响，并利用ANSYS Fluent 仿真分析 微坑织构直径对摩擦学性能的影响. 由于圆形微坑深
复合润滑减摩机理，采用试验与模拟结合的方式研究 度小于其直径，可将整个摩擦副表面视作二维平面模

表面织构和离子液体复合润滑状况下的摩擦学性能. 型，设置周期边界条件，进而分析单一圆形微坑与上

摩擦副表面接触瞬间的润滑状态.
1 试验部分
摩擦副接触的简化模型如图1所示，离子液体最

1.1 离子液体的合成 小膜厚为h min ，圆形微坑深度设定为h，圆形直径与两
离子液体1-甲基-3-丁基咪唑三氟甲基磺酰胺盐 边间距均为变量，与实际长度一致，各参数数值列于
(简称离子液体IL-Im)和离子液体十四烷基三丁基季 表2中. 对偶钢球与圆形微坑接触方式简化为平面接
鏻双(2-乙基己基)磷酸盐(简称离子液体IL-P)按文献 触，设置为单向匀速运动，其速度为V=0.073 3 m/s. 模
所述方法合成 [33-34] ，利用AVANCE NEO核磁共振谱仪 拟假设条件设置为稳态、不可压、定温和层流. 通过网

和Nicolet iS 50 FT-IR红外光谱仪针对离子液体IL- 格划分软件(ICEM)建模型并进行网格划分后，在
Im和IL-P进行表征，确认其分子结构. 采用MARS60流 ANSYS Fluent15.0中进行仿真运算.
变仪测定离子液体IL-Im和IL-P的密度和黏度，其密度

和黏度数值列于表1中. Upper friction pair

h min
表 1 离子液体的理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of ionic liquids
h
3 2
Ionic liquid Density/(kg/m ) Dynamic viscosity/(N·s/m )
IL-Im 1 290 0.093 2
V
IL-P 910 0.951 Sample

L W L
1.2 圆形微坑织构表面的制备
试验中选用医用钛合金(Ti-6Al-4V)制成圆柱形 Schematic diagram of simplified friction pair model
Fig. 1 Schematic diagram of simplified friction pair model
块体(φ35 mm×5 mm)，依次采用180、400、800、1 500和 图 1 摩擦副简化模型示意图
2 000目砂纸针对钛合金圆块的表面进行研磨，随后在

无水乙醇中超声清洗3 min. 采用激光微加工系统在钛 表 2 不同直径圆形微坑织构模型参数
合金表面制备圆形微坑织构，激光参数设置如下：波 Table 2 Texture model parameters of circular pits with
长为350 nm，激光频率为50 kHz，平均功率为1 W，扫 different diameters
描速度为150 ms，扫描次数为32次. 选定面密度为 Diameter/μm h/μm h min /μm W/μm L/μm
1 4 4 600 187.5
28.27%，圆形微坑直径分别为600、800和1 000 μm，深
2 4 4 800 250
度为4 μm，得到规则分布的图案结构. 完成激光加工 3 4 4 1 000 308.75
过程之后，用2 000目砂纸针对钛合金表面进行研磨，
除去激光加工过程中产生的熔渣.
2 结果与讨论

1.3 织构形貌表征及摩擦性能测试
利用轮廓仪确定制备的圆形微坑织构深度平均 2.1 圆形微坑织构的表面形貌分析
值为4 μm，利用金相显微镜观察织构表面并对圆形微 图2给出在金相显微镜下观察到的圆形微坑织构
坑织构尺寸进行标注，采用FEI Quanta FEF 250扫描 的图片及圆形微坑织构形貌的SEM照片. 其中图2(a1)、
电子显微镜(SEM)观察摩擦磨损试验前后的表面形 (b1)和(c1)分别为圆形微坑对应直径600、800和1 000 μm
貌. 采用MS-T3001型摩擦磨损试验机进行摩擦学测 的金相显微图片. 圆形微坑织构形貌的SEM照片图2(a2)、
试. 对偶为φ6 mm的GCr15钢球，滑动摩擦呈现旋转运动 (b2)和(c2)显示激光加工后圆形微坑结构具有清晰的
方式，圆周半径3.5 mm，载荷1.0 N，滑动速度200 r/min， 边缘且圆形微坑的底部较为平整.