不同极性纳米颗粒对钛合金表面能的影响

不同极性纳米颗粒对钛合金表面能的影响

磁流是一种稳定的胶体溶液，由基础溶液、纳米颗粒和表面活性剂组成。Shahrivar等表面织构可以起到储存润滑油实现“二次润滑”和收集磨粒防止磨损加剧的作用一般通过相对介电常数来表征溶液的极性和非极性，相对介电常数值越高，溶液极性越强。本文选择水基磁流体、煤油基磁流体去离子水（极性，相对介电常数值约为81）和煤油（非极性，相对介电常数值约为2）为润滑剂。通过在光滑表面上加工出间距不同的凹坑型表面织构来放大表面能，形成不同表面能试件。通过对比水溶液和煤油溶液添加磁性纳米颗粒前后摩擦学性能的变化，来揭示不同极性磁性纳米颗粒对不同表面能钛合金摩擦磨损的影响机理。1实验1.1样品制备下试样的材料为Ti-6Al-4V(TC4)钛合金，用线切割将其制备成151.2表面测试采用Owens等1.3摩擦磨损试验在UMT-3摩擦磨损试验机上进行往复运动下的摩擦磨损实验，上试件为2分析与讨论的结果2.1凹坑外围主导结构eds分析图1为不同间距凹坑型表面织构的激光共聚焦图。从图1中可以看出，凹坑的直径约为133图2为凹坑外围突起结构EDS分析图，对于图中的A点，未经激光照射的地方，EDS能谱中基本没有氧元素。而对比B点，经激光照射后，指定区域内，氧元素含量剧增，钛元素含量下降，这是因为激光高温加工，钛元素和空气中的氧气反应，生成了2.2表面测试的结果图3为经二液法测得各试件的表面能，其中表面能等于色散力加极性力。从图中可以看出，凹坑间隔为2502.3流体润滑和非极性磁性颗粒图4（a）为3N载荷下光滑钛合金表面在极性不同的磁流体润滑下的摩擦系数变化曲线，其中WF代表水基磁流体，KF代表煤油基磁流体，下同。图4（b）为图4（a）对应的磨损量分析图。对于图4（a），通过对比水润滑和水基磁流体润滑的摩擦系数变化图，可以发现水润滑时，摩擦系数波动很大，远大于水基磁流体润滑。这可能是在摩擦过程中，水膜的承载能力不够，逐渐被挤出摩擦副接触区，无法形成连续的润滑膜，导致润滑状态向边界摩擦或干摩擦转变。同时，由于钛合金的摩擦学性能差，因此摩擦系数波动比较大，摩擦系数也大，平均摩擦系数为0.3929。而对于水基磁流体润滑，随着极性磁性颗粒的加入，极性磁性颗粒和钛合金表面发生吸附作用，颗粒会聚集到摩擦副接触区，从而增大油膜厚度和刚度，形成较为连续的油膜，因此摩擦系数波动小，平均摩擦系数为0.3598，比水润滑下降了8.42%。通过图4（b）磨损分析，对比水润滑和水基磁流体润滑可以发现，极性磁性颗粒使得磨损量增大了30.38%，这主要体现在磨痕深度增大了20.52%，但与此同时，磨痕宽度却下降了8.47%。因此可以知道极性磁性颗粒吸附在钛合金表面，可以减小摩擦副之间的接触面积，但同时粒子会对接触区进行“微切削”作用，从而增大磨痕深度和磨损体积。通过对比煤油润滑和煤油基磁流体润滑，同样可以发现煤油润滑时，摩擦系数波动很大，远大于煤油基磁流体，说明非极性磁性颗粒同样可以减小摩擦过程中的波动，这和水润滑和水基磁流体润滑情况类似。但不同地方在于煤油基磁流体润滑平均摩擦系数0.2119反而大于煤油润滑的平均摩擦系数0.1582，摩擦系数上升了33.94%，说明在煤油溶液里，非极性磁性颗粒虽然会降低摩擦过程中产生的振动冲击，但同时非极性磁性颗粒和表面接触，增大了摩擦力。很明显这种作用是有别于极性磁性颗粒的。通过图4（b）对于煤油润滑和煤油基磁流体润滑的磨损情况进行分析可以发现，煤油基磁流体相较于煤油润滑的磨损量增大了232.34%，磨痕深度增大了123.26%，磨痕宽度增大了42.20%。说明非极性磁性粒子并没有对摩擦副起到保护作用，反而加剧了磨损情况。图5为磨痕的电镜图。对于水润滑，水膜承载能力不足，磨痕处有大量的剥落和犁沟，磨损方式主要为黏着磨损和磨粒磨损。而水基磁流体润滑的磨损面较为光滑，磨痕处有轻微的犁沟，磨损方式为轻微的磨粒磨损，可见极性磁性颗粒和钛合金表面发生吸附作用，增加油膜的厚度和刚度，会对磨损面起到一定的保护作用。对于煤油润滑，磨痕处表现为轻微的剥落物伴随轻微的犁沟，磨损程度不大，磨损方式为轻微的黏着磨损和磨粒磨损。对于煤油基磁流体润滑，磨痕处有大量的犁沟，磨损方式主要为严重的磨粒磨损，和极性磁性颗粒对比，非极性磁性颗粒，由于并没有和钛合金表面发生吸附作用，所以没有形成保护膜，与此同时，虽然磁性颗粒是纳米级别的，但是36%的质量分数使得颗粒在表面的“微切削”作用变强，因此在钛合金表面形成大量的犁沟。图6为磨痕的EDS分析图。对比图6（a）和图6（b）可以发现水润滑和水基磁流体润滑的EDS图总体变化不大，只是水基磁流体润滑的氧元素和铁元素含量略微有所上升。而对比图6（c）和图6（d）发现煤油润滑和煤油基磁流体润滑的EDS图差异却很大，可以看到氧元素和铁元素的含量剧增。在摩擦过程中，极性磁性颗粒吸附在钛合金表面，在减小摩擦副之间接触的同时，还能防止粒子在表面进行“微切削”作用，而在形成保护层之后，摩擦更多发生在氮化硅陶瓷球和保护层以及极性颗粒和保护层之间，使得磨痕宽度减小，因此摩擦结束后，钛合金表面元素变化总体和水润滑差不多。而非极性磁性颗粒在钛合金表面则是做着无规则的滚动或者滑动，并没有对表面形成保护作用，使得磨损剧增，粒子和钛合金表面接触变多，因此可以发现钛合金表面氧和铁的元素含量剧增。2.4织构表面对摩擦学性能的影响图7为钛合金表面织构在不同极性磁流体润滑下摩擦系数的变化曲线。由于在织构表面，煤油润滑和煤油基磁流体润滑的磨痕太浅，用SEM观测不明显，故采用金相显微镜观测织构的磨痕。图8为图7对应的磨痕金相显微图。对于水润滑和水基磁流体润滑，相较于光滑表面，在三种间距不同的凹坑型表面织构中，水基磁流体润滑的平均摩擦系数(0.2945,0.2968,0.3012)下降了0.1左右，同时摩擦系数更为稳定，在磨合过程中的振动噪声也小。这可能是由于凹坑型表面织构能减小摩擦副实际接触面积，同时在一定的载荷作用下，储存在织构内部的润滑油会被挤压出来，实现“二次润滑”。与此同时，极性磁性颗粒的极性端会吸附到织构表面，从而提高油膜厚度和刚度，因此摩擦系数相较于光滑表面更稳定，数值也更小。从金相显微图也可以看出磨损宽度远小于光滑表面。而在织构表面，水润滑的平均摩擦系数（0.3955,0.3809,0.3978）整体和光滑表面差不多。这主要是因为水润滑时，虽然同样会产生“二次润滑”，但是由于水膜的承载能力不够，不足以使支撑起摩擦副，润滑方式向边界润滑和干摩擦转变，由于钛合金自身摩擦学性能差，因此摩擦系数波动大。但在织构的作用下，使得实际接触面积变小，磨损产生的磨屑和磨粒减小，同时织构能容纳一部分磨屑和磨粒，从而减小摩擦损伤。从图8的金相显微图也可以看出，水润滑的磨损宽度同样小于光滑表面。综合来说，由于表面织构的作用，水润滑和水基磁流体润滑均会使磨损量下降，但随着钛合金表面能增大，极性磁性颗粒和表面的吸附效果增强，从而进一步增强了油膜的厚度和刚度，改善了润滑性能，使得摩擦系数和磨损量下降量远大于光滑表面。因此极性磁性颗粒在织构表面上减摩效果进一步提升。对于煤油润滑和煤油基磁流体润滑，在三种间距不同的凹坑型表面织构中，摩擦系数相较于光滑表面都有一定程度上下降。和水润滑和水基磁流体润滑类似，这是织构在摩擦中起到了减摩效果，但不同的地方在于煤油润滑的平均摩擦系数是略小于煤油基磁流体润滑，根据金相图可以观察到煤油润滑和煤油基磁流体润滑的磨损情况也类似，这说明煤油基磁流体的非极性磁性颗粒在摩擦过程中并没有和试件表面发生作用而起到减摩效果。但值得一提的是，煤油基磁流体润滑的磨损情况相较于光滑表面有很大的改善。由前文可知，在光滑表面，煤油基磁流体润滑相较于煤油润滑，磨痕内部有大量的犁沟，磨损方式表现为严重的磨粒磨损，同时磨损量也相应的剧增。而在织构表面基本观测不到磨痕，说明织构对磁性颗粒起到存储作用，从而有效地降低了颗粒对表面的损伤。这能有效提高非极性磁流体的在实际应用时的使用寿命。一般用激光加工表面织构会在织构外围形成凸起结构。关于凸起结构对摩擦磨损的影响，主要和摩擦副材质的硬度有关3油酸表面活性剂的分类图9给出了不同极性磁流体作用钛合金表面的机理图。通常来说，稳定磁流体中的表面活性剂主要有两个作用：一个作用是对磁性颗粒表面进行修饰，防止磁性颗粒之间因范德华力和偶极-偶极力相互吸引发生团聚而沉降；另一个作用是被修饰后磁性颗粒的表面化学性质要和基载液相近（相似相溶原理）。以常见的油酸表面活性剂为例，一端是极性头，另一端是非极性头。对于煤油溶液来说，溶液极性力很弱，只需要一层油酸分子包覆即可，极性头吸附在磁性颗粒表面，非极性头暴露在溶液中，因此颗粒整体表现为非极性。而对于水溶液来说，溶液极性力很强，要形成稳定的水基磁流体，磁性颗粒至少要两层油酸分子包裹（一般为两层，四层以上不稳定），使得最外层油酸分子的极性头和水接触，因此颗粒整体表现为极性。在摩擦过程，对于常见的金属，表面能通常很大，因此极性磁性颗粒很容易吸附在表面，形成保护膜，且极性粒子更容易填充到不规则粗糙峰内，从而降低摩擦系数。而对于非极性磁性颗粒，非极性头难以和表面发生作用，颗粒无规则在表面滚动，使得磨损方式由二体磨损变为三体磨粒磨损，磨损量加剧。本文研究4表面改性对纳米磁流体表面织构的作用机理（1）磁流体的磁性颗粒在摩擦过程中，可以起到稳定摩擦系数，减小摩擦过程的产生振动冲击的作用。其中极性磁性颗粒能有效降低摩擦系