Page 214 - 《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 999

0.20 中离子液体IL-P润滑对应磨痕最浅，说明在同样织构
600 μm texture+IL-Im
800 μm texture+IL-Im 表面上离子液体IL-P的润滑效果优于离子液体IL-Im.
1 000 μm texture+IL-Im
Friction coefficient 0.10 800 μm texture+IL-P 大而变浅，说明织构尺寸增大改善了钛合金表面磨损
0.15
600 μm texture+IL-P
相同工况条件下，磨痕深度均随圆形微坑织构直径增
1 000 μm texture+IL-P
状况. 由此可知，优化复合体系中的表面织构尺寸和
0.05
离子液体性能有利于提升摩擦副表面的耐磨性能.

2.3 ANSYS Fluent仿真结果分析
0.00
利用ANSYS Fluent软件对摩擦过程中离子液体
0 50 100 150 200 250 300
Sliding time/s 的流体力学性能进行仿真，从理论上分析复合润滑体

Fig. 4 Variation of friction coefficient with ionic liquid types 系中圆形微坑织构尺寸和离子液体理化性能对摩擦
[30]
and texture sizes 学性能的影响. 苏等 通过ANSYS Fluent分析了摩擦
图 4 摩擦系数随离子液体类型和织构尺寸的变化 过程中沟槽织构的深度对润滑油产生升力的影响，结
果表明沟槽织构深度为2~4 μm时升力达到最大值.
的圆形微坑织构与离子液体润滑复合条件下对应摩
摩擦过程中，织构化表面的润滑油产生升力主要
擦系数随时间变化曲线. 可以看出，与单一润滑体系
[37]
原因是流体动力润滑的楔形效应 ，即具有一定黏度
相比，复合体系对应摩擦系数显著降低，并且整个摩
的流体进入收敛间隙时能够产生压力. ANSYS Fluent
擦过程中曲线更为平稳. 离子液体润滑情况下，圆形
仿真分析得到离子液体流线及压力分布如图6所示.
微坑织构能够储备离子液体和磨屑并减小实际接触
在图6中，圆形微坑织构右端处，对应离子液体压力值
面积，摩擦副之间的液态润滑膜能够保持完整 . 显
[36]
达到最高，表示离子液体由圆形微坑内部流向外部的
然，圆形微坑织构与离子液体组合构成的复合润滑体
过程中，由于流动空间突然变小，在右端显示出明显
系能够大幅度提升减摩抗磨效果. 所取组合中，1 000 μm
的楔形效应. 随圆形微坑织构的直径增大，右端最高
的圆形微坑织构与离子液体IL-P复合体系对应减摩效
压力值增大，表明楔形效应随之增强.
果最优，测得摩擦系数为织构表面在干摩擦条件下的
表4所列为不同织构尺寸和不同离子液体对应上
1/36，为未织构表面在离子液体润滑条件下的8%.
摩擦副得到升力数值的仿真结果. 圆形微坑直径越

2.2.3 表面磨损状况分析
大，上摩擦副所受升力越大. 由于光滑表面的摩擦副
图5所示为不同润滑情况下钛合金表面磨损形貌
间收敛间隙极小，无法产生明显的楔形效应，所以压
的SEM照片，图5(a1)、(b1)和(c1)分别对应未织构表面 [30]
力几乎无变化 ，因此，未织构表面的离子液体对上
在干摩擦、IL-Im润滑和IL-P润滑情况下的磨斑；图5(a2)、 摩擦副产生的升力极小. 随着圆形微坑直径增大，微
(b2)和(c2)对应600 μm微坑织构化表面在干摩擦、IL- 坑底部的漩涡中心数量随之减少，意味着对升力的干
Im润 滑 和 IL-P润 滑 情 况 下 的 磨 斑 ； 图 5(a3)、 (b3)和
扰因素随之减少，导致升力增大. 由于离子液体IL-P
(c3)对应800 μm微坑织构化表面在干摩擦、IL-Im润滑 的黏度远高于离子液体IL-Im，当采用离子液体IL-P润
和IL-P润滑情况下的磨斑；图5(a4)、(b4)和(c4)分别为 滑时，上摩擦副所受到的升力明显高于离子液体IL-Im

1 000 μm微坑织构化表面在干摩擦、IL-Im润滑和IL- 润滑时的升力，因此对应摩擦系数降低，仿真结果显
P润滑情况下的磨斑. 从图5(a1)中可以看到未织构钛 示离子液体产生的升力与对应黏度数值相吻合.

合金表面在干摩擦情况下磨损严重，存在明显的黏着
3 结论
磨损，而如图5(b1)和(c1)所示，在两种离子液体润滑条
件下，磨痕宽度和深度均有所减小，黏着磨损有所减 a. 采用激光加工技术在钛合金表面制备了具有
轻，且在离子液体IL-P润滑情况下，磨斑处较为光滑. 不同尺寸的圆形微坑织构. 发现选定面密度情况下，
如图5(a2)、(a3)和(a4)所示，在干摩擦情况下，磨痕处 随织构化图案尺寸增大，摩擦系数呈减小趋势.
表面织构均被明显破坏，但随着圆形微坑织构直径增 b. 考察了未织构表面在干摩擦和离子液体润滑
加，呈现磨损区域织构图案完整度增大的趋势. 在离 条件下以及织构化表面在干摩擦和离子液体润滑条
子液体润滑情况下，图5(b2~c4)对应的织构图案均保 件下的摩擦学性能. 结果发现，织构化表面与离子液
持完整性，且磨痕相较于干摩擦情况下明显变浅，图5(c4) 体组合形成复合润滑体系的润滑效果优于表面织构