宋驍睿， 李雙建， 侯媛媛， 巴召文， 鄭宏宇， 劉明明

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255000； 2.廣東省科學(xué)院新材料研究所， 廣東 廣州 510630)

0 前 言

摩擦系數(shù)和磨損量是衡量材料摩擦學(xué)性能非常重要的2 個(gè)參數(shù)[1]，但從世界范圍來(lái)看，每年近23%的能耗是由摩擦磨損引起的[2]，其浪費(fèi)了大量能源，給經(jīng)濟(jì)與環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。 如何減少不必要的摩擦磨損，一直以來(lái)都是相關(guān)科研工作者們的研究重點(diǎn)。 傳統(tǒng)摩擦學(xué)理論認(rèn)為表面越光滑摩擦學(xué)性能越好[3]，但現(xiàn)有的科技水平無(wú)法加工出絕對(duì)光滑的表面，且精加工成本過(guò)高，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。 隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者從自然界[4－6]得到啟示，發(fā)現(xiàn)具有微觀結(jié)構(gòu)的表面具有良好的摩擦學(xué)特性。 后來(lái)人們將這種把材料表面加工成具有某種排布規(guī)律形態(tài)的技術(shù)，稱(chēng)之為表面織構(gòu)技術(shù)。 表面織構(gòu)加工方法主要包括化學(xué)離子刻蝕、電火花、激光加工[7]和光刻加工等。 自1960年梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，這種被譽(yù)為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”的激光技術(shù)便開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的視野，隨后研究人員在激光器的共振腔內(nèi)引入快速光開(kāi)關(guān)(Q 開(kāi)關(guān))，便可獲得窄脈沖寬度和高峰值功率的激光輸出，激發(fā)了大量學(xué)者對(duì)激光技術(shù)的研究興趣。

1977 年Zhukov 等[8]利用連續(xù)激光照射在灰鐵鑄件表面，灰鐵的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，產(chǎn)生了表面硬化的效果；1985 年Yoshida 等[9]在以前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同材料表面進(jìn)行激光硬化，發(fā)現(xiàn)硬化深度越深，其材料表面耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度等性能越好，從此激光硬化作為一種新的表面硬化方法引起了廣大學(xué)者的研究興趣。 超快激光技術(shù)最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)70 年代初，激光鎖模技術(shù)讓超短脈沖的實(shí)現(xiàn)成為了可能，推動(dòng)了激光技術(shù)的迅速發(fā)展。 連續(xù)波和長(zhǎng)脈沖激光主要利用光的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行加工，加工質(zhì)量較低；短脈沖和超短脈沖激光與材料作用時(shí)間極短，減少了熱效應(yīng)對(duì)激光加工周?chē)鷧^(qū)域的影響，大大提高了加工精度與質(zhì)量。 在激光織構(gòu)早期研究中，大多聚焦于光斑大小、脈沖強(qiáng)度等對(duì)織構(gòu)形貌的影響，而對(duì)其減摩的研究較少。 1997 年Chen 等[10]基于阿特伍德定律開(kāi)發(fā)了一種磨損模型，研究了激光織構(gòu)后的磁盤(pán)涂層在恒定速率下的磨損深度，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)后的表面耐磨性明顯提高，但隨著凹?jí)K深度的增大，磨損率會(huì)升高。 該結(jié)論使大量學(xué)者開(kāi)始研究激光織構(gòu)對(duì)材料表面摩擦磨損性能的影響(圖1)[11－13]。 2005 年楊卓娟等[14]通過(guò)試驗(yàn)證明材料的摩擦系數(shù)和磨損量隨著表面織構(gòu)凹坑直徑等幾何參數(shù)的增大而減小，此研究帶動(dòng)了大量研究人員開(kāi)始探索不同尺寸參數(shù)，如凹坑直徑、織構(gòu)密度、排列方式等對(duì)摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。 2011 年Mishra等[15]發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑劑參與下，由于原始表面沒(méi)有潤(rùn)滑劑的儲(chǔ)存位點(diǎn)，在摩擦過(guò)程中表面的潤(rùn)滑劑容易流失導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加，而經(jīng)過(guò)激光織構(gòu)后摩擦系數(shù)長(zhǎng)時(shí)間保持在0.1 以下。 2013 年Shi 等[16]在原始膨脹錐的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿生學(xué)改進(jìn)，使用激光在膨脹錐表面織構(gòu)溝槽后可降低初始階段15%的膨脹壓力，相較原始膨脹錐，仿生錐的溝槽儲(chǔ)存磨屑減少了磨粒磨損，且溝槽方向?qū)τ差w粒有導(dǎo)向作用，進(jìn)一步提高了仿生錐的摩擦學(xué)性能。 該研究推動(dòng)了仿生結(jié)構(gòu)在激光織構(gòu)減摩表面的應(yīng)用，仿豬籠草結(jié)構(gòu)、仙人掌的荊棘結(jié)構(gòu)、蜂巢結(jié)構(gòu)等都在不同材料表面激光織構(gòu)了出來(lái)。 2014 年Sudeep等[17]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，激光功率和脈沖數(shù)對(duì)織構(gòu)凹坑的直徑和深度有顯著影響，不同載荷和滑動(dòng)速率下的摩擦學(xué)表現(xiàn)具有一定差異，該研究總結(jié)了激光加工參數(shù)對(duì)材料表面加工質(zhì)量的影響，為后續(xù)相關(guān)研究提供了引領(lǐng)作用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選取恰當(dāng)?shù)募す鈪?shù)。2020 年劉成龍等[18]在潤(rùn)滑軌道上使用飛秒激光加工出能夠使?jié)櫥投ㄏ蛞苿?dòng)的梳齒狀織構(gòu)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑液滴在拉普拉斯力的約束下能夠很好地留在潤(rùn)滑軌道，約束了其在潤(rùn)滑軌道的橫向伸展，其摩擦系數(shù)相較普通表面減少了30%左右，該研究為乏油情況下表面織構(gòu)減摩研究提供了新思路。 2023 年Chen 等[19]結(jié)合超精密車(chē)床切削和飛秒激光在刀具表面制備了仿豬籠草結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可向切削區(qū)域定向運(yùn)輸切削液，其磨損量與未處理表面相比降低了85%以上。 該研究帶動(dòng)相關(guān)人員將激光與其他表面加工技術(shù)結(jié)合起來(lái)對(duì)表面進(jìn)行處理來(lái)降低摩擦磨損。

圖1 激光織構(gòu)減摩研究的發(fā)展歷程[11－13]Fig.1 The development of friction reduction by laser texture[11－13]

與其他表面加工方法相比，激光織構(gòu)精度高、速率快、環(huán)境污染小，同時(shí)也能更好地節(jié)約成本，在刀具表面[20]、齒輪[21]、滑動(dòng)軸承[22]、缸套與活塞環(huán)[23]、機(jī)械密封[24]等領(lǐng)域常常與潤(rùn)滑劑配合來(lái)減少摩擦[25]，但不同的工況條件對(duì)摩擦學(xué)性能影響很大[26]，織構(gòu)形貌種類(lèi)多，激光參數(shù)選擇多樣[27]，不同尺寸參數(shù)、潤(rùn)滑條件等都對(duì)摩擦學(xué)性能有影響。 因此，本文綜述了激光織構(gòu)對(duì)材料表面摩擦學(xué)性能影響的研究進(jìn)展，討論了幾何形貌、激光參數(shù)、織構(gòu)尺寸、工況條件等對(duì)材料表面摩擦學(xué)性能的影響，概括了不同潤(rùn)滑條件下激光織構(gòu)的減摩機(jī)理，提出了激光織構(gòu)研究目前存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 激光的特點(diǎn)及織構(gòu)減摩機(jī)理

1.1 激光技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

激光按照出光時(shí)間，可分為連續(xù)波、長(zhǎng)脈沖、短脈沖、超短脈沖4 類(lèi)，超快激光是指輸出激光的脈沖寬度在皮秒或皮秒以下的脈沖激光。 連續(xù)波和長(zhǎng)脈沖主要利用光的熱效應(yīng)進(jìn)行加工，其效率是傳統(tǒng)機(jī)械加工的數(shù)倍以上，因此大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，例如激光熔覆、激光切割、激光焊接等[28，29]，而短脈沖和超短脈沖由于激光與材料作用的時(shí)間很短，光熱效應(yīng)對(duì)激光加工周邊區(qū)域的影響極小，廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療、微納加工等超精密領(lǐng)域[30，31]。 與刻蝕、電鍍、陽(yáng)極氧化、噴砂等傳統(tǒng)表面加工技術(shù)相比，激光主要具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)加工精度高 大部分材料的熱傳遞過(guò)程發(fā)生在皮秒級(jí)別，當(dāng)脈沖的持續(xù)時(shí)間降到飛秒級(jí)別時(shí)，光的熱效應(yīng)對(duì)加工周邊區(qū)域的影響可以忽略，加工精度極高。 圖2a 為飛秒激光加工的微米級(jí)品牌標(biāo)志及齒輪結(jié)構(gòu)，加工區(qū)域周?chē)鸁o(wú)熔融重鑄層[32]。 當(dāng)使用納秒激光時(shí)，將不可避免地在加工區(qū)域周?chē)霈F(xiàn)凸起和毛刺，對(duì)材料表面的減摩性能產(chǎn)生消極影響，Ezhilmaran等[33]通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納秒激光織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)較原始表面可降低69%，而飛秒激光織構(gòu)的試樣由于消除了重鑄層的影響，表面更加光滑，摩擦系數(shù)降低了76%；Wang 等[34]在碳化鎢上探究了織構(gòu)的尺寸參數(shù)對(duì)表面形貌的影響， 發(fā)現(xiàn)在50～250 μm 級(jí)時(shí)， 織構(gòu)內(nèi)部光滑平整(圖2b)。

圖2 激光加工后的表面形貌Fig.2 Surface morphology after laser processing

(2)功率大，應(yīng)用范圍廣 激光的瞬時(shí)功率非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大部分材料的損傷閾值，對(duì)材料特性(如導(dǎo)熱性、透明度、熱或沖擊敏感性)的依賴(lài)程度很低，可廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體、甚至生物樣本等。 Abdel-Radi等[35]發(fā)現(xiàn)與機(jī)械微角膜刀相比，使用飛秒激光進(jìn)行薄皮瓣眼部手術(shù)明顯改善了術(shù)后干眼癥的現(xiàn)象。Wu 等[36]在單晶金剛石表面使用飛秒激光進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了材料的去除；圖3 為Qi 等[37]使用不同飛秒激光加工參數(shù)燒蝕后的聚碳酸酯表面形貌。

圖3 激光加工后的聚碳酸酯表面形貌[37]Fig.3 Surface morphology of polycarbonate after laser processing[37]

1.2 激光與材料表面的相互作用

盡管激光器的種類(lèi)有很多，但不同激光器的工作原理大致相同，采用不同激勵(lì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并通過(guò)諧振腔調(diào)整光子的頻率、相位等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光放大。 在激光鎖模技術(shù)出現(xiàn)以前，激光器輸出光的各個(gè)縱模是非相干疊加的，脈沖持續(xù)時(shí)間只能達(dá)到納秒級(jí)別，通過(guò)鎖模技術(shù)，固定不同模式或頻率的激光脈沖之間的相位關(guān)系，使各模的振動(dòng)方向相同，可以得到具有極短脈沖的超快激光[38，39]。 當(dāng)激光射在材料表面發(fā)生吸收、反射等物理現(xiàn)象時(shí)，吸收了激光能量的材料表面溫度升高形成熔池并發(fā)生相變[40]；隨著激光輻照時(shí)間的增加，熔池向材料內(nèi)部滲透，當(dāng)氣體膨脹壓力克服熔融物質(zhì)的液體表面張力作用時(shí)，就會(huì)促使微坑的形成(圖4)。

圖4 激光表面織構(gòu)原理[40]Fig.4 Schematic diagram of laser surface texturing[40]

1.3 激光織構(gòu)表面的減摩機(jī)理

激光表面織構(gòu)是在材料表面使用激光加工出具有一定排布規(guī)律的凹坑、溝槽等形貌的一種表面改性技術(shù)。 激光加工區(qū)域的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生表面硬化的效果[8，9]，在摩擦過(guò)程中高硬度的織構(gòu)區(qū)域可起到支撐作用并儲(chǔ)存磨屑，減少磨損量，然而織構(gòu)過(guò)程中若激光參數(shù)選擇不當(dāng)，激光沖擊產(chǎn)生的氣孔、熔融物質(zhì)在材料表面的飛濺等現(xiàn)象加劇，會(huì)破壞材料表面形貌，顯著降低表面加工質(zhì)量，增大表面粗糙度，對(duì)摩擦學(xué)性能產(chǎn)生消極影響。 不同織構(gòu)形貌和尺寸參數(shù)等也對(duì)減摩效果有影響，相關(guān)研究指出干摩擦下摩擦副之間接觸劇烈，織構(gòu)可以捕獲摩擦過(guò)程產(chǎn)生的磨屑減弱磨粒磨損、減少接觸面積降低黏著磨損，但當(dāng)織構(gòu)密度過(guò)大或形貌選擇不佳時(shí)，織構(gòu)邊緣的高硬度“毛刺”對(duì)摩擦副的切削作用和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象將會(huì)降低材料的摩擦學(xué)性能[41，42]；潤(rùn)滑劑供給有限時(shí)載荷可以將凹坑內(nèi)儲(chǔ)存的潤(rùn)滑劑擠出，修復(fù)油膜減少區(qū)域，在摩擦副之間形成連續(xù)穩(wěn)定的油膜，減少微凸體接觸，增強(qiáng)潤(rùn)滑，降低摩擦；充分供給潤(rùn)滑劑時(shí)，摩擦副之間完全被潤(rùn)滑劑填滿，織構(gòu)可以在兩摩擦副之間產(chǎn)生“空化效應(yīng)”并形成流體動(dòng)壓，提高油膜承載力(圖5)。

圖5 潤(rùn)滑狀態(tài)下表面織構(gòu)的減摩機(jī)理Fig.5 Antifriction mechanism of surface texture under lubrication

2 激光織構(gòu)表面的幾何形貌對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

2.1 仿生結(jié)構(gòu)

在生物漫長(zhǎng)的優(yōu)勝劣汰進(jìn)化過(guò)程中，許多生物表面進(jìn)化出特殊的微結(jié)構(gòu)，具有傳統(tǒng)材料難以相比的黏附性、潤(rùn)濕性、摩擦性和耐磨減阻性等。 例如沙漠甲蟲(chóng)翅膀的自集水效應(yīng)[43]、荷葉表面的自清潔作用[44]、穿山甲鱗片的耐磨性[45]、蝴蝶翅膀的超疏水性等[46]。 相關(guān)研究者從自然界得到啟發(fā)，使用包括激光織構(gòu)技術(shù)在內(nèi)的表面改性技術(shù)，制備了許多具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能的仿生表面。

Cui 等[12]受到穿山甲鱗片和蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在刀具表面激光織構(gòu)了具有抗沖擊、潤(rùn)滑劑儲(chǔ)存和定向運(yùn)輸性能的復(fù)合仿生結(jié)構(gòu)。 每個(gè)微結(jié)構(gòu)由2 個(gè)區(qū)域組成，一部分區(qū)域設(shè)計(jì)成三角形楔形，內(nèi)部為仿照蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，另一區(qū)域覆滿三角形鱗片結(jié)構(gòu)。 這樣的復(fù)合形貌會(huì)產(chǎn)生表面張力梯度，實(shí)現(xiàn)液滴的定向運(yùn)輸，具有優(yōu)良的耐磨減阻性(圖6a ～6c)；Zhang 等[47]在導(dǎo)軌表面加工了仿生六邊形溝槽，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在較高載荷和滑動(dòng)速率以及僅1 個(gè)表面織構(gòu)條件下，對(duì)導(dǎo)軌的摩擦學(xué)性能有積極影響，但在較低載荷和滑動(dòng)速率以及2 個(gè)表面都織構(gòu)情況下相反。 原因是在較低載荷和滑動(dòng)速率下，六邊形溝槽提供的流體動(dòng)壓效應(yīng)不明顯，不能提升油膜承載能力；且2 個(gè)配合表面都織構(gòu)一定程度上增大了粗糙度，在摩擦過(guò)程中會(huì)發(fā)生咬合現(xiàn)象，摩擦系數(shù)最高達(dá)到了0.161(圖6d ～6g)。Xu 等[48]在鈦合金表面激光織構(gòu)了分層仿生環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其在模擬體液(m-SBF)中表現(xiàn)出各向異性的摩擦學(xué)行為，沿堆疊環(huán)方向的摩擦減小，而沿其他方向的摩擦增加；Greiner 等[49]仿照蛇鱗和沙魚(yú)皮，在100Cr6 軸承鋼銷(xiāo)表面激光織構(gòu)的鱗片狀仿生表面，干摩擦下摩擦力減少40%以上，而在潤(rùn)滑狀態(tài)下相同的形貌使摩擦增加了3倍。 這些研究為水下防滑表面的制備提供了新思路。

圖6 仿生織構(gòu)的形貌及其性能[26，47]Fig.6 Morphology and properties of biomimetic texture[26，47]

某些生物表面的潤(rùn)濕性或耐磨性等遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)材料的，但單一仿生結(jié)構(gòu)提升材料性能有限，多種仿生結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)使材料同時(shí)具有控制潤(rùn)滑液定向輸送、減少應(yīng)力集中、儲(chǔ)存磨屑、抗沖擊、耐沖刷等性能，其產(chǎn)生的協(xié)同作用將最大程度改善材料表面的摩擦學(xué)性能，產(chǎn)生“1＋1＞2”的效果。

2.2 連續(xù)型、離散型、復(fù)合型結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于表面織構(gòu)減摩的常規(guī)形貌設(shè)計(jì)方向主要可分為離散型結(jié)構(gòu)和連續(xù)型結(jié)構(gòu)(圖7a)[50，51]，其中連續(xù)型結(jié)構(gòu)的主要形式包括溝槽、直線、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等[52]，離散型結(jié)構(gòu)的主要形式包括圓形、三角形、矩形等凹坑結(jié)構(gòu)。

圖7 常規(guī)幾何形貌及復(fù)合結(jié)構(gòu)[50，51]Fig.7 Conventional geometry and composite structure[50，51]

林乃明等[53]對(duì)圓形、菱形、三角形、正方形等結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)凹坑存儲(chǔ)了摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑，且激光織構(gòu)時(shí)發(fā)生的表面硬化現(xiàn)象提高了耐磨性，使得磨損失重遠(yuǎn)小于原始表面，其中正方形凹坑的耐磨性最好，摩擦失重僅為0.79 mg，而基材的磨損失重為2.40 mg；Paul 等[54]發(fā)現(xiàn)不同織構(gòu)圖案對(duì)鉻合金摩擦磨損性能有影響，橢圓形結(jié)構(gòu)在儲(chǔ)存磨屑和潤(rùn)滑劑方面更有優(yōu)勢(shì)，與圓形結(jié)構(gòu)相比其磨損量減少了0.008 mm3，Mawignon 等[55]在GCr15 軸承鋼表面研究圓形、矩形、六邊形的激光織構(gòu)形貌對(duì)摩擦學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，相同激光加工參數(shù)下圓形結(jié)構(gòu)的深度最深、周?chē)套钌伲c其他2 種結(jié)構(gòu)相比可儲(chǔ)存更多的摩擦碎屑，周?chē)淘斐傻倪吘墤?yīng)力集中現(xiàn)象也最低，在干摩擦和油潤(rùn)滑條件下都保持著最低的摩擦系數(shù)；Zhang 等[56]使用激光在硬質(zhì)合金刀具表面織構(gòu)了直線形、正弦形和菱形溝槽，發(fā)現(xiàn)溝槽的存在降低了刀具切削時(shí)與工件表面的黏附作用，能夠儲(chǔ)存切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑，減少了硬微粒對(duì)刀具表面的破壞，在相同織構(gòu)面積時(shí)直線形溝槽的摩擦系數(shù)最小僅為0.076，為原始表面的34%；菱形溝槽的摩擦系數(shù)穩(wěn)定且受負(fù)載變化的影響??；正弦形溝槽降低最大應(yīng)力的效果好。

近年來(lái)，復(fù)合形貌織構(gòu)逐漸得到了相關(guān)研究人員的重視(圖7b)。 Zhan 等[50]在40Cr 鋼表面使用納秒激光織構(gòu)了6 種不同形貌的表面，研究干摩擦往復(fù)式條件下不同形貌對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)為0.38，而未織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)為0.65 以上；同時(shí)正弦槽復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的摩擦碎片捕捉能力，摩擦系數(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定；曾繁鏗等[51]在圓凹坑中心引入球凸結(jié)構(gòu)，形成球凸-凹坑復(fù)合結(jié)構(gòu)。 在潤(rùn)滑條件下，凹坑提供一次流體動(dòng)壓，球凸在凹坑內(nèi)可以提供二次動(dòng)壓，其減摩性能隨著球凸高度的增加而提高。 兩者的協(xié)同作用顯著提升了摩擦學(xué)性能，平均摩擦系數(shù)與單一圓凹坑織構(gòu)相比降低了41%。

2.3 特殊結(jié)構(gòu)

近年來(lái)隨著激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展，相關(guān)學(xué)者使用激光制備了復(fù)雜精密的特殊結(jié)構(gòu)，其具有傳統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)難以比擬的調(diào)控液滴定向移動(dòng)的特性，某些特殊回油結(jié)構(gòu)甚至可以誘導(dǎo)潤(rùn)滑劑定向移動(dòng)至潤(rùn)滑軌道，改善潤(rùn)滑條件，提高材料表面的摩擦學(xué)性能。 Chen 等[19]在鈦合金刀具表面使用飛秒激光制備了仿豬籠草唇緣結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以向刀具切削區(qū)域連續(xù)和定向輸送切削液(圖8a，8b)，使刀具長(zhǎng)時(shí)間切割時(shí)局部溫度過(guò)高、潤(rùn)滑劑供給不足的情況得到了改善，與光滑以及傳統(tǒng)溝槽織構(gòu)試樣相比，磨損量分別降低了85%、60%；Grützmacher 等[58]基于毛細(xì)力和液滴釘扎效應(yīng)，在不銹鋼表面織構(gòu)了特殊線性結(jié)構(gòu)(圖8c，8d)，該結(jié)構(gòu)使液體在垂直于織構(gòu)方向的運(yùn)動(dòng)受限，平行于織構(gòu)方向液體擴(kuò)散速率更快，有利于摩擦過(guò)程中潤(rùn)滑劑在潤(rùn)滑軌道的富集(圖8e)；劉成龍等[18]在材料表面織構(gòu)了具有拉普拉斯力的梳齒狀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能限制潤(rùn)滑液滴在潤(rùn)滑軌道垂直方向上的鋪展，使在摩擦過(guò)程中由于機(jī)械分離作用擠到潤(rùn)滑軌道之外的潤(rùn)滑油在拉普拉斯力的驅(qū)使下回到潤(rùn)滑軌道，改善了潤(rùn)滑條件，相較于未織構(gòu)表面，梳齒狀織構(gòu)的摩擦系數(shù)減少了30%左右。

圖8 特殊結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程和性能表征[16，58]Fig.8 Preparation process and performance characterization of special structure[16，58]

從以上激光織構(gòu)的幾何形貌對(duì)摩擦學(xué)性能影響的相關(guān)研究可以看出，應(yīng)根據(jù)材料和實(shí)際需求選擇不同形貌的織構(gòu)(表1)。 激光的出現(xiàn)使一些精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工得以實(shí)現(xiàn)，但其作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，出現(xiàn)時(shí)間較傳統(tǒng)表面改性技術(shù)晚，基于激光加工的特殊微循環(huán)和回油結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)踐研究還不夠深入，但相信未來(lái)隨著加工技術(shù)和研究水平的提高，會(huì)有越來(lái)越多具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能的特殊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

表1 不同幾何形貌減摩性能的對(duì)比Table 1 Comparison of antifriction properties of different geometries

3 激光織構(gòu)的尺寸和加工參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

3.1 尺寸參數(shù)

表面形貌的寬度、深度、間距、排布方式、織構(gòu)密度等尺寸參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能有很大影響[59]。 與潤(rùn)滑條件下不同，干摩擦?xí)r摩擦過(guò)程劇烈，表面織構(gòu)的存在增大了表面粗糙度、凹坑邊緣的毛刺對(duì)摩擦副的切削作用破壞了表面形貌等都對(duì)摩擦學(xué)性能起消極作用；但凹坑可以降低黏附作用、儲(chǔ)存摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑，對(duì)摩擦學(xué)性能起積極作用，只有選擇恰當(dāng)?shù)某叽鐓?shù)，才能使積極作用勝過(guò)消極作用，達(dá)到減少摩擦磨損的效果。 供油條件下也是如此，合理的織構(gòu)參數(shù)可以增強(qiáng)織構(gòu)儲(chǔ)存磨屑和潤(rùn)滑劑的能力、提升流體動(dòng)壓效應(yīng)，因此研究不同材料和潤(rùn)滑狀態(tài)下織構(gòu)的尺寸參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響很有必要。

Zhang 等[60]在YG8 圓盤(pán)表面激光織構(gòu)了不同的寬度和織構(gòu)面積的溝槽(圖9a，9d)，研究發(fā)現(xiàn)隨著織構(gòu)面積增大、溝槽寬度減小，摩擦系數(shù)可降至0.145，這與其建立的干摩擦下理論模型得出的結(jié)果相擬合。

圖9 不同尺寸參數(shù)的織構(gòu)形貌及其對(duì)摩擦性能的影響[60]Fig.9 Texture morphology of different size parameters and its effect on friction properties[60]

李亞軍等[61]通過(guò)球-盤(pán)式摩擦機(jī)對(duì)織構(gòu)后的45 鋼與直徑6 mm 的GGr15 鋼球進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在乏油條件下織構(gòu)密度為4%時(shí)摩擦系數(shù)為0.56，小于原試件的0.71，而當(dāng)織構(gòu)密度繼續(xù)增大時(shí)，摩擦系數(shù)的變化并不明顯，這是因?yàn)楸砻婵棙?gòu)對(duì)減摩的積極作用和消極作用相抵消，織構(gòu)密度增大而其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變時(shí)，上試件在摩擦過(guò)程中接觸的凹坑數(shù)量會(huì)隨著織構(gòu)密度的增大而增多，對(duì)凹坑儲(chǔ)油以及凹坑邊緣切削作用的影響也會(huì)發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù)。 Annadi等[62]發(fā)現(xiàn)并不是織構(gòu)密度越大減摩效果越好，當(dāng)織構(gòu)密度過(guò)大時(shí)，應(yīng)力集中、表面粗糙度等對(duì)摩擦學(xué)性能的消極影響越來(lái)越顯著，織構(gòu)面積密度為0.3、織構(gòu)深度為10 μm 的材料具有較好的摩擦學(xué)性能。 Guo 等[63]在硬質(zhì)合金表面織構(gòu)后沉積了金剛石涂層，因?yàn)榻饎偸w粒排列緊密、硬度大，一定程度上可消除織構(gòu)后表面產(chǎn)生的缺陷，與僅織構(gòu)未涂層的試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，磨損量減少了21%，摩擦系數(shù)下降了16%，且減摩效果隨著織構(gòu)面積的增加而減小，這可能是表面粗糙度增大帶來(lái)的影響。

上述研究表明合適的尺寸參數(shù)減摩效果顯著，但參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致織構(gòu)化的表面比光滑表面的摩擦磨損更加嚴(yán)重。

3.2 激光加工參數(shù)

激光表面織構(gòu)成形機(jī)理比較復(fù)雜，涉及多個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域[64]。 不同激光參數(shù)的選擇，例如功率、掃描次數(shù)、脈寬、掃描線間距、掃描速率、頻率等，將直接影響最后表面形貌的深度、直徑等幾何參數(shù)以及摩擦學(xué)性能。 只有選擇恰當(dāng)?shù)募す鈪?shù)才能使激光織構(gòu)后的表面形貌達(dá)到預(yù)期的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)。 因此很多學(xué)者研究了不同的激光參數(shù)對(duì)表面織構(gòu)減摩效果的影響[65－68]。

在表面制備涂層可以改變材料的物化性質(zhì)與力學(xué)性能，提高其耐磨潤(rùn)滑性[69，70]。 吳雪峰等[71]結(jié)合SEM 形貌指出當(dāng)激光能量和掃描速率過(guò)高時(shí)，表面形貌和涂層破壞嚴(yán)重，而當(dāng)降低激光能量并增加掃描次數(shù)，加工出的表面形貌清晰完整。 張娜等[72]發(fā)現(xiàn)溝槽尺寸與激光功率和掃描次數(shù)呈正比，但溝槽底部形貌加工質(zhì)量隨之降低，采用最佳激光加工參數(shù)時(shí)，摩擦系數(shù)比光滑試樣降低了25%(圖10a ～10c)。 Roushan等[73]在硬質(zhì)合金刀前表面制備線性織構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，高能量密度和脈沖數(shù)下激光燒蝕速率的提高可導(dǎo)致織構(gòu)深度的增加，而當(dāng)能量密度和脈沖數(shù)進(jìn)一步提高時(shí)，織構(gòu)區(qū)域周?chē)耐蛊鹬罔T層在刀具切削時(shí)會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生破壞，磨損嚴(yán)重。 何霞等[74]使用不同的激光參數(shù)在鈹青銅表面進(jìn)行織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)凹坑直徑隨著功率的增加而增加；而摩擦系數(shù)和磨損量隨著凹坑直徑的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)(圖10d、10e)，原因是當(dāng)凹坑直徑過(guò)大時(shí)，摩擦副之間的實(shí)際接觸面積減少，應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)加劇損害表面形貌，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不降反增，當(dāng)選取最佳激光參數(shù)時(shí)摩擦系數(shù)可減少23.9%，鈹青銅盤(pán)磨損量減少42.9%。

圖10 激光加工參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響[72，74]Fig.10 Effect of laser processing parameters on friction properties[72，74]

從以上幾何參數(shù)和激光加工參數(shù)對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響不難看出，織構(gòu)的形貌(三角形、圓形、矩形、溝槽等)和尺寸參數(shù)(直徑、間距、深度、排列角度與方式等)將直接影響材料的摩擦學(xué)性能，而形貌與尺寸參數(shù)主要由激光加工參數(shù)(激光頻率、功率、掃描次數(shù)、速率等)決定，但是不同材料表面的光熱性能有差異，某種材料上確定的最佳減摩參數(shù)用來(lái)加工另一種材料，其織構(gòu)形貌和尺寸會(huì)與預(yù)期發(fā)生差別，導(dǎo)致減摩效果不理想。因此相關(guān)研究者應(yīng)建立一套參數(shù)共享庫(kù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)整合后確定某種材料在特定工況條件下的最優(yōu)減摩形貌及參數(shù)，形成一套技術(shù)要求與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使后續(xù)研究者在該種材料織構(gòu)時(shí)，只需調(diào)整加工參數(shù)使形貌達(dá)到要求即可，提高科研效率，推動(dòng)激光織構(gòu)減摩研究更快發(fā)展。

4 摩擦測(cè)試條件對(duì)織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能的影響

4.1 工況條件

激光織構(gòu)后的表面需要經(jīng)過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)才能對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行表征，不同測(cè)試條件如載荷、滑動(dòng)速率、摩擦試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)及時(shí)間等對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響不可忽略，織構(gòu)化表面隨著載荷、速率和時(shí)間的增加而出現(xiàn)機(jī)械刺激下表面形貌的破壞、織構(gòu)坑被磨平或被磨屑填滿、高滑動(dòng)速率下流體動(dòng)壓效應(yīng)的增強(qiáng)等現(xiàn)象[75]，會(huì)對(duì)織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響。

Segu 等[76]在鈦合金表面激光制備了圓形與橢圓形的復(fù)合織構(gòu)表面，摩擦磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與未織構(gòu)表面相比，其摩擦系數(shù)降低了15%，且在0.08 ～0.42 m/s的滑動(dòng)速率變化范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的減摩效果，摩擦系數(shù)、磨損量變化不大(圖11a，11b)。 而在高載荷下摩擦軌道內(nèi)織構(gòu)凹坑仍存在，并未觀察到大量磨屑以及磨屑造成的三體摩擦痕跡(圖11c)，這是鈦合金復(fù)合織構(gòu)表面在高載荷和滑動(dòng)速率下仍具有減摩效果的關(guān)鍵。 Segu 等[77]研究指出，滑動(dòng)速率恒定時(shí)油膜承載能力不變，載荷的增加會(huì)引起摩擦系數(shù)升高，而滑動(dòng)速率的增加能夠提升正弦形織構(gòu)表面的流體動(dòng)壓效果，可以有效地捕獲更多的磨屑，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速率的增加而緩慢減少。 Hu 等[78]在碳化硅表面制備金剛石涂層后使用激光織構(gòu)了圓柱形結(jié)構(gòu)，在5 N 載荷下其磨損率較原始碳化硅表面可降低28 倍以上， 隨著載荷增加到25 N， 織構(gòu)區(qū)域的邊緣應(yīng)力不斷升高致使涂層剝落(圖11d～11f)，導(dǎo)致磨損率上升。

圖11 工況條件對(duì)織構(gòu)化表面摩擦性能的影響[76，78]Fig.11 The effect of working conditions on the friction performance of textured surface[76，78]

上述研究表明隨著載荷和滑動(dòng)速率的增加，激光織構(gòu)的結(jié)構(gòu)能否在表面穩(wěn)定存續(xù)是影響其摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵，織構(gòu)的存在可以?xún)?chǔ)存磨屑，提供流體動(dòng)壓，若在機(jī)械刺激下激光織構(gòu)的結(jié)構(gòu)破損或消失，其摩擦系數(shù)和磨損量將上升。

4.2 潤(rùn)滑條件

在表面進(jìn)行織構(gòu)可以提升材料的摩擦學(xué)性能，相關(guān)研究指出在無(wú)油潤(rùn)滑條件下部分材料織構(gòu)后可減少磨損量[79]，然而干摩擦下摩擦副之間接觸劇烈，摩擦系數(shù)波動(dòng)很大，只有當(dāng)織構(gòu)儲(chǔ)存磨屑、減少接觸面積、降低黏附等對(duì)摩擦的積極作用勝過(guò)凹坑邊緣對(duì)摩擦副的切削和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)摩擦的消極作用時(shí)，才能降低摩擦系數(shù)；限量供油條件下，織構(gòu)可以?xún)?chǔ)存潤(rùn)滑油和磨屑，當(dāng)摩擦副之間潤(rùn)滑油不足時(shí)，載荷可將其從凹坑擠出形成二次潤(rùn)滑，減少摩擦副之間的微凸體接觸達(dá)到減摩效果；在充分供油條件下，摩擦副之間完全不接觸，潤(rùn)滑劑黏度和潤(rùn)滑劑與摩擦副之間的相對(duì)作用對(duì)材料的摩擦學(xué)性能起主要作用，織構(gòu)可以在兩摩擦副之間產(chǎn)生“空化效應(yīng)”并形成流體動(dòng)壓，提高油膜承載力，摩擦系數(shù)和磨損量與其他2 種潤(rùn)滑條件相比最低。 不同潤(rùn)滑條件下織構(gòu)減摩機(jī)理不同，因此相關(guān)學(xué)者對(duì)不同潤(rùn)滑條件下激光織構(gòu)對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行了大量的研究。

4.2.1 無(wú)油潤(rùn)滑

在某些無(wú)法使用潤(rùn)滑油的特殊工作環(huán)境中，可以通過(guò)在工件表面進(jìn)行織構(gòu)的方法來(lái)減少摩擦磨損。 在無(wú)油潤(rùn)滑即干摩擦條件下，摩擦副之間在載荷作用下主要發(fā)生疲勞磨損[80]、黏著磨損[81]、磨粒磨損[82]，嚴(yán)重?fù)p害了表面形貌。 當(dāng)引入表面織構(gòu)后可以減少兩摩擦副之間的接觸面積，減少黏著磨損；且凹坑可存儲(chǔ)摩擦?xí)r產(chǎn)生的磨屑，減少磨粒磨損。 然而還需考慮到織構(gòu)化表面對(duì)摩擦磨損的不利影響，當(dāng)織構(gòu)面積密度過(guò)大時(shí)會(huì)增大表面粗糙度，摩擦過(guò)程中凹坑邊緣的凸起與毛刺對(duì)摩擦副有切削作用等，這些都對(duì)干摩擦條件下的表面織構(gòu)減摩效應(yīng)有負(fù)面作用；且干摩擦條件相較于供油條件摩擦劇烈，磨損嚴(yán)重，表面織構(gòu)能起到的減摩作用有限，只有合適的織構(gòu)參數(shù)才能起到減少摩擦磨損的效果。

王文安等[83]模擬配流盤(pán)-缸體的低速重載工作條件，在黃銅配流盤(pán)表面織構(gòu)后與鋼缸體試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在干摩擦條件下織構(gòu)后的試樣磨損量甚至比原始表面的多23.7%，原因是引入織構(gòu)后增加了表面粗糙度，配流盤(pán)-缸體摩擦副摩擦劇烈，磨屑又進(jìn)一步參與摩擦過(guò)程發(fā)生三體磨損[84]，從而使織構(gòu)后的磨損量增大。 Srivyas 等[85]指出在滑動(dòng)表面間存在磨損顆粒時(shí)會(huì)增大摩擦力，且摩擦系數(shù)在0.2 ～0.5 之間波動(dòng)，對(duì)滑動(dòng)表面進(jìn)行激光織構(gòu)處理后可以捕獲并儲(chǔ)存磨屑，其摩擦系數(shù)降至0.1。 齊燁等[86]結(jié)合環(huán)－塊摩擦試驗(yàn)和ANSYS 仿真模擬，發(fā)現(xiàn)在干摩擦條件下選取合適的織構(gòu)面積時(shí)，摩擦件與對(duì)偶件的磨損量可以減少83.4%，原因是凹坑的硬度比基材的高，其在摩擦過(guò)程中起到支撐作用，降低了摩擦副間應(yīng)力集中的現(xiàn)象。逄明華等[87]采用液相輔助激光在YT15 硬質(zhì)合金表面進(jìn)行織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)激光在液相中發(fā)生了散射，且液相在加工過(guò)程中起到了降溫冷卻的作用，讓表面形貌加工得更加均勻，表面摩擦系數(shù)降至0.260，低于未處理表面的0.296(圖12)。

圖12 液相輔助激光織構(gòu)[87]Fig.12 Liquid phase assisted laser texture[87]

上述相關(guān)研究表明在干摩擦條件下，部分材料表面織構(gòu)后可以起到減少磨損量的作用；但只有當(dāng)表面織構(gòu)儲(chǔ)存磨屑、減少接觸面積、增強(qiáng)表面硬度等對(duì)減摩的積極作用勝過(guò)凹坑邊緣切削、局部應(yīng)力集中等消極作用時(shí)[88]，才能夠降低摩擦系數(shù)。

4.2.2 限制潤(rùn)滑劑供給

在機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域，過(guò)量使用潤(rùn)滑油可能會(huì)帶來(lái)攪油溫升[89]和環(huán)境污染等問(wèn)題。 基于減少摩擦、增強(qiáng)潤(rùn)滑的考量，很多學(xué)者結(jié)合表面織構(gòu)的凹坑儲(chǔ)油、摩擦過(guò)程中潤(rùn)滑油被擠出充當(dāng)“二次潤(rùn)滑”等減摩機(jī)理[90]，開(kāi)展限量供油條件下表面織構(gòu)減摩的研究[15，91－93]。 在限量供油條件下，可根據(jù)摩擦副之間潤(rùn)滑油膜的厚度將其潤(rùn)滑形式分為邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑。 邊界潤(rùn)滑條件下兩摩擦副之間潤(rùn)滑油膜極薄，表面之間的微凸體充分接觸，摩擦磨損較高；隨著供油量的增加進(jìn)入混合潤(rùn)滑狀態(tài)，油膜逐漸增厚，微凸體接觸越來(lái)越少，摩擦磨損逐漸降低；若進(jìn)一步增加供油量(即充分供油)，將進(jìn)入流體潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)兩摩擦副之間完全不接觸，摩擦磨損最低。

Khaemba 等[94]在邊界潤(rùn)滑條件下使用基礎(chǔ)油進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)激光織構(gòu)溝槽對(duì)表面的摩擦學(xué)性能沒(méi)有提升，甚至摩擦系數(shù)還升高了0.02，而在基礎(chǔ)油中加入添加劑后，由溝槽構(gòu)成的各向異性表面在凸起處增加了局部接觸壓力，可以促進(jìn)添加劑的降解并形成摩擦膜，摩擦系數(shù)較原始表面可降低0.02；馬晨波等[95]與以往僅在材料一個(gè)表面進(jìn)行織構(gòu)不同的是，將摩擦副的對(duì)偶件也進(jìn)行了織構(gòu)(圖13a)，發(fā)現(xiàn)雙面織構(gòu)與未織構(gòu)試件的摩擦系數(shù)穩(wěn)定后均為0.02 左右，原因是上表面織構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)件， 與光滑試件相比增加了表面粗糙度，對(duì)減摩起消極影響，而下表面織構(gòu)作為靜止件，其儲(chǔ)油、二次潤(rùn)滑等作用對(duì)減摩起積極影響，二者的耦合作用導(dǎo)致減摩效果不明顯。 Gu 等[96]等建立了適用于給定織構(gòu)特征尺寸進(jìn)行計(jì)算的統(tǒng)一方程，研究了活塞環(huán)和缸套織構(gòu)后在乏油情況下的摩擦學(xué)性能。 發(fā)現(xiàn)隨著供油量的減少，摩擦副之間微凸體會(huì)發(fā)生接觸導(dǎo)致摩擦加劇，產(chǎn)生的磨屑堆積使織構(gòu)深度減小[97]，其儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑和磨屑的能力減弱，最終使表面織構(gòu)減摩效果降低，摩擦系數(shù)升高(圖13b)。

圖13 限制供油環(huán)境下激光織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響[95，96]Fig.13 Effect of laser texture on friction properties under limited oil supply environment[95，96]

在限量供油條件下，根據(jù)供油量的多少，摩擦副可能處于混合潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)兩摩擦副之間的微凸體接觸隨著供油量的減少越來(lái)越劇烈，在需要頻繁啟停的工作條件下，某些區(qū)域潤(rùn)滑油會(huì)減少甚至處于干摩擦條件，嚴(yán)重破壞材料表面形貌，摩擦磨損加劇，而經(jīng)過(guò)表面織構(gòu)后，儲(chǔ)存在凹坑或溝槽中的潤(rùn)滑油在載荷刺激下，可以補(bǔ)充到乏油區(qū)形成二次潤(rùn)滑，在摩擦副之間形成潤(rùn)滑油膜，減少摩擦磨損。

4.2.3 充分供給潤(rùn)滑劑

在充分供油條件下，兩摩擦副之間完全不接觸，處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑劑充滿期間。 此時(shí)潤(rùn)滑劑黏度和潤(rùn)滑劑與摩擦副之間的相對(duì)作用對(duì)材料的摩擦學(xué)性能起主要作用。 上下表面光滑時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)僅導(dǎo)致黏性剪切，2 個(gè)表面之間的壓力沒(méi)有變化，不能提供流體動(dòng)壓力[98]；引入表面織構(gòu)后，一方面在織構(gòu)進(jìn)出口形成發(fā)散楔和收斂楔，油膜壓力在發(fā)散楔降低并在收斂楔升高形成流體動(dòng)壓[99]， 當(dāng)增高的壓力超過(guò)降低的壓力時(shí)[100]，形成的流體動(dòng)壓效應(yīng)顯著增強(qiáng)油膜承載能力；另一方面，還需考慮空化效應(yīng)對(duì)油膜承載力的影響。平行表面考慮空化效應(yīng)時(shí)，油膜承載力高，改善摩擦學(xué)性能效果好[101]，而傾斜表面織構(gòu)時(shí)，只有較厚的油膜在考慮空化效應(yīng)時(shí)才能提升油膜承載力[102]。

劉洪龍等[103]在試樣表面加工矩形織構(gòu)并充分供油，研究發(fā)現(xiàn)高往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率且織構(gòu)深度淺的試件摩擦系數(shù)僅為0.04，因?yàn)樵诟哳l率下球-盤(pán)摩擦機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率快，卷吸作用強(qiáng)，容易把淺織構(gòu)中的潤(rùn)滑油誘導(dǎo)回潤(rùn)滑軌道，從而降低了摩擦系數(shù)。 Galda 等[104]發(fā)現(xiàn)在充分供油條件下，軸頸軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為流體潤(rùn)滑狀態(tài)，關(guān)機(jī)時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的降低會(huì)進(jìn)入混合潤(rùn)滑狀態(tài)。 此時(shí)轉(zhuǎn)速降低、載荷增大，摩擦磨損劇烈，對(duì)軸承壽命的影響最大，通過(guò)在軸頸軸承表面進(jìn)行織構(gòu)，在轉(zhuǎn)速降低潤(rùn)滑油膜厚度減少時(shí)，儲(chǔ)存在凹坑中的潤(rùn)滑油被擠出，改善了潤(rùn)滑條件，摩擦系數(shù)較光滑表面可降低57%以上。Peng 等[105]研究了鈦合金表面織構(gòu)和DLC(類(lèi)金剛石)涂層的協(xié)同作用對(duì)油脂潤(rùn)滑條件下摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的存在增強(qiáng)了流體動(dòng)壓效應(yīng)；而DLC 涂層和織構(gòu)表面結(jié)合緊密，在基體表面的抗剪切性高，具有低摩擦系數(shù)、高硬度的特點(diǎn)，二者的協(xié)同作用為表面結(jié)構(gòu)提供了良好的潤(rùn)滑和耐磨性，其摩擦系數(shù)和磨損量與原試件相比分別降低了80.6%、97.5%。

5 結(jié)論和展望

本文主要從幾何形貌、織構(gòu)尺寸和密度、激光參數(shù)、工況條件、潤(rùn)滑條件等不同方面綜述了激光織構(gòu)對(duì)材料表面摩擦學(xué)性能的影響，分析了表面織構(gòu)在不同供油條件下的減摩機(jī)理。 激光織構(gòu)技術(shù)因其在超精密加工領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)，引起了很多學(xué)者的研究興趣，而其作為一門(mén)新興技術(shù)，在研究發(fā)展階段還有一些可以改進(jìn)的方面。

(1)目前單一的連續(xù)型和離散型等結(jié)構(gòu)由于便于加工與設(shè)計(jì)，已得到了相關(guān)學(xué)者大量的研究，連續(xù)型織構(gòu)在儲(chǔ)存磨屑等方面優(yōu)于離散型織構(gòu)，但離散型提升流體動(dòng)壓效應(yīng)的能力要優(yōu)于連續(xù)型，目前多種結(jié)構(gòu)組合形成的復(fù)合織構(gòu)由于其加工難度大、激光掃描路線設(shè)計(jì)復(fù)雜，相關(guān)研究并不多，然而單一形貌的減摩效果有限，復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更多樣性的形貌排列組合和尺寸參數(shù)，多種結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用對(duì)摩擦學(xué)性能的影響將是未來(lái)的研究趨勢(shì)；

(2)現(xiàn)階段表面織構(gòu)的研究往往聚焦于常規(guī)形貌在不同工況條件下的摩擦學(xué)性能，通過(guò)激光在材料表面加工具有拉普拉斯力等有潤(rùn)濕梯度的特殊的回油織構(gòu)，來(lái)約束并控制潤(rùn)滑劑定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)減摩潤(rùn)滑的相關(guān)研究較少；

(3)激光表面織構(gòu)結(jié)合其他表面改性技術(shù)的相關(guān)研究較少，未來(lái)可結(jié)合如刻蝕、涂層、化學(xué)表面改性等來(lái)調(diào)整材料表面的親水性、 黏附性、 硬度等特性[106，107]，通過(guò)多種性能的協(xié)同作用來(lái)提高摩擦學(xué)性能；

(4)不同材料的激光加工參數(shù)和幾何參數(shù)的選擇對(duì)表面成型有很大影響，相關(guān)研究者可共建共知共享代碼庫(kù)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)整合后確定某種材料的最優(yōu)減摩形貌及參數(shù)，使后續(xù)研究者在該種材料織構(gòu)時(shí)只需調(diào)整加工參數(shù)使形貌達(dá)到要求即可，提高科研效率，推動(dòng)激光織構(gòu)減摩研究更快發(fā)展；

(5)目前大部分激光織構(gòu)主要以實(shí)驗(yàn)為主，科研成本高、周期長(zhǎng)，未來(lái)可使用有限元織構(gòu)虛擬模型的方法進(jìn)行研究，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，可顯著提升科研效率。