鱼鳞织构对钛合金摩擦磨损性能的影响

中图分类号 TG174.45 文献标志码 A

1 引言

钛合金作为一种极为优异的金属材料，它的强度、耐腐蚀能力、以及抗高温能力相较于其余金属材料都是比较优异的，因此在很多的工业邻领域中有着重要作用，比如在航空航天、船舶、医疗和高端装备制造等领域都得到了广泛应用[1]。但是，由于钛合金表面在摩擦过程中的摩擦系数过大，并且耐磨能力和磨损率都比较弱势，这也就导致了钛合金在一些重要的部件运转中发挥不出它自身的优异性能。

近十多年以来，由于仿生学的不断发展和与材料表面工程的不断相互交叉融合，通过观察自然界各种能够通过自身皮肤来减小摩擦作用的生物的体表微结构并在金属以及各种材料的表面上模仿雕刻生物的体表微观结构来解决材料存在的摩擦问题提供了创新思路[2]。例如，穿山甲能够在山体土壤之中自由穿梭就是由于其体表鳞片的特殊排列方式，这种方式能保证穿山甲在钻地过程中最大限度上减少鳞片的磨损程度[3]；鲨鱼之所以能够在海洋之中迅速移动来追赶猎物，是因为它的皮肤表面有着微小肋状结构，从而能有效的降低流体阻力；蜣螂的头部表面是一种非光滑表面的特殊构型，这一结构是其有着优异的减阻性能，并且这一研究发现已经在推土板的设计优化中成功应用[4]。本文旨在讨论通过模仿鱼鳞的微观结构并对钛合金表面进行表面仿生织构处理，分析一系列摩擦实验的结果，随后优化仿生织构的设计参数和加工工艺，最终使得钛合金表面的摩擦性能得到有效改善。

2 试验及方法

选用直径为 30mm 的 TC4 钛合金圆柱形试样，依次采用 60#至 2000#砂纸逐级磨抛，确保表面粗糙度Ra≤0.05μm。采用光纤激光雕刻系统加工鱼鳞仿生织构激光参数设定为扫描速度 100mm/s 、频率 30kHz、电流1A，并控制面密度为30%。摩擦性能测试在MWF-02 型往复摩擦磨损试验机上进行，采用GCr15 钢球（Φ6mm）作为对磨副，载荷20N，频率2Hz，行程5mm，总循环10000 次。

3 结果与讨论

3.1 摩擦系数与磨损率分析

通过对比未处理的表面和鱼鳞仿生织构改性表面的摩擦系数变化（图 1），研究发现鱼鳞仿生织构试样的摩擦性能优于未处理试样。在摩擦起始阶段，原片和鱼鳞的摩擦系数均快速变化，原片迅速上升至接近 0.7 后有定下降，鱼鳞则从较低值快速升至接近0.6，此为材料表面开始接触作用，微观不平度等因素所致。中间阶段，原片摩擦系数稳定在 0.5--0.6 间波动，而鱼鳞维持在 0.4-0.5 间波动，明显低于原片，表明摩擦一段时间后二者表面状态趋于稳定，且鱼鳞结构减摩效果更佳。后期阶段，原片摩擦系数依旧在 间波动，鱼鳞的摩擦系数则出现下降，接近 0.4 。整体来看，鱼鳞的摩擦系数始终低于原片，在中间和后期阶段差值更为显著。

通过使用 SM-5000 型超景深三维显示系统对磨痕体积进行扫描和测量，发现所有仿生织构试样的磨损率均低于未处理试样（图 2）。这一结果进一步验证了仿生表面织构能够有效的改善钛合金表面的摩擦性能。在添加水基切削液的常温工况条件下，仿生织构表现出优异的抗磨损特性。

图3 表面轮廓图

为了分析材料的磨损情况，研究通过共聚焦电镜分析了表面轮廓，如图 3 所示。从图3（a）可以看出，未改性试样的表面轮廓呈现出明显且较为规则的“凹槽”形态。图 3（b）所示的鱼鳞织构改性试样的表面轮廓曲线在 0-2 .8mm 的测量长度内呈现出高度的不规则性。曲线频繁地上下波动，说明表面存在许多微小的凸起和凹陷结构，这些正是鱼鳞织构的微观形态体现。表面轮廓的高度变化范围较大，从接近 0μm 到50μm 以上都有分布。与未改性试样相比，其没有像未改性试样那样的单一、连续且深度较大的凹槽，而是由众多微小的高低起伏构成。这种复杂的轮廓形态表明鱼鳞织构在摩擦试验后依然较好地保持了其结构特征，并且这些微小结构的存在改变了表面的磨损模式。鱼鳞织构能够在摩擦过程中分散应力，避免局部出现过大的磨损，同时微小的凸起和凹陷结构还可以储存润滑剂，进一步降低表面之间的直接接触和摩擦，这也与该试样在摩擦试验中表现出较低的摩擦系数和磨损率相一致。

鱼鳞织构的减摩效果主要源于其独特 几何形貌和润滑机制 维形貌分析表明，织构表面形成的微小凹凸结构可有效储存润滑剂，在摩 副间的直接接触面积。同时，鱼鳞状排列方式有助于促进润滑剂的均匀分布 行为，从而降低摩擦系数。这一机制与自然界中鲨鱼皮肤、穿山甲鳞片等生物表面的减摩原理高度相似，均通过微观结构调控实现摩擦阻力的降低。

在抗磨损性能方面，鱼鳞织构表现出双重保护机制。其微观凹凸结构能够分散接触应力，避免局部应力集中导致的严重磨损，使磨损模式从粘着 损转变为 磨粒磨损。织构表面的微小凹陷可有效捕获并保持润滑剂，在摩擦过程中形成持续润滑，减少金属间的 接接触。由此可见，鱼鳞织构试样不仅磨损形貌更为复杂，其磨损率也显著低于未处理试样，充分验证了上述保护机制的有效性。

参考文献

[1]刘彬，李晟，毛玉刚，等.TA15 钛合金高温摩擦磨损性能研究[J].表面技术，2023，52（10）：151-159.

[2]牛威杨.激光织构对材料表面摩擦学性能的影响分析[J].造纸装备及材料，2025，54（01）：47-49.

[3] 代炳贵，陈文刚，等.南方土壤环境下穿山甲鳞片仿生织构的摩擦学性能[J].中国表面工程，1-13.

[4] 王春华，王琛.仿蜣螂虫凹坑形镐形截齿的设计与研究[J].机械强度，2020，42（02）：330-325．

项目资助：四川省自然科学基金青年基金项目（2023NSFSC0871）作者：左宇航，硕士研究生，2583520131@qq.com项目资助：四川省自然科学基金青年基金项目（2023NSFSC0871）