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Ti6A14V表面激光织构化及其摩擦学特性研究
摘要
本文通过激光织构化技术对Ti6A14V进行表面处理，并研究其摩擦学特性。通过SEM、XRD等测试手段研究不同激光参数下表面的微观形貌及结构特征，并进行了摩擦试验，测试其摩擦系数和磨损性能。结果表明，激光织构化可以有效地改善Ti6A14V的表面性能，提高了其摩擦学特性，具备较好的应用前景。
关键词：激光织构化；Ti6A14V；摩擦学特性；磨损性能
1.引言
钛合金具有高强度、高刚度、高韧性和良好的耐腐蚀性能等优异特性，被广泛地应用于航空航天、医疗、能源等领域。然而，由于钛合金本身的机械性能限制，其表面往往容易出现磨损、腐蚀等问题，从而影响其使用寿命和可靠性。因此，如何提高钛合金表面的性能，是一个值得研究的问题。
激光织构化作为一种表面改性技术，可以通过激光在表面形成一定的凸状结构，以提高材料表面的附着性、摩擦学特性和磨损性能等。已有研究表明，激光织构化可以有效地改善钛合金的表面性能，但是不同参数下激光织构化对材料表面性能的影响还需进一步研究。
本文以常用的钛合金Ti6A14V为研究对象，采用激光织构化技术对其表面进行改性处理，并研究不同激光参数下所得的表面微观形貌、结构特征和摩擦学特性。为了更准确地评估其磨损性能，本文还对激光织构化后的材料进行了磨损测试。
2.实验方法
2.1样品制备
选取常用的钛合金Ti6A14V作为实验材料，根据激光参数的设置，将样品分为三组分别处理。样品尺寸为10mm×10mm×1mm。
2.2激光织构化
在激光织构化实验中，选择Nd:YAG激光器，工作频率为10Hz，脉冲时间为10ns，激光波长为1064nm。通过改变功率密度、扫描速度和扫描线距离等参数，制备不同参数下的表面结构。所用激光参数如表1所示。
表1不同激光参数下的激光织构化参数
激光参数|扫描速度(cm/min)|扫描线距离(μm)|功率密度(J/cm2)
---|---|---|---
参数1|20|200|3
参数2|30|250|4
参数3|40|300|5
2.3表面形貌和结构分析
采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分别对不同参数下的样品表面进行形貌和结构分析。
2.4摩擦试验
采用球盘式摩擦试验机对样品进行摩擦试验，测试其摩擦系数和耐磨性能。测试条件为：磨头为钢球，直径为6mm，载荷为10N，转速为200rpm，摩擦时间为30min，测试温度为室温。
3.实验结果
3.1表面形貌和结构分析
图1-3分别为不同参数下的样品SEM图像。可以看出，激光织构化处理后，样品表面形成了较为明显的微观凸起结构，结构形貌呈现出随着激光功率密度的增大，凸起结构逐渐变得更加明显的趋势。XRD测试结果显示，激光织构化处理后的样品比未处理的样品表面有明显的晶格畸变和残余应力，这种畸变和应力有助于提高材料的力学性能和附着性。
图1不同参数下的样品SEM图像
3.2摩擦学特性分析
图2为不同参数下的样品摩擦学特性曲线。可以看出，激光织构化处理后，样品的摩擦系数明显下降，磨损量也有所减小。其中，参数3样品的摩擦系数最低，样品表现出了较好的耐磨性能。
图2不同参数下的样品摩擦学特性曲线
4.结论
通过激光织构化处理，Ti6A14V样品表面形成了较为明显的微观凸起结构，能有效地提高材料表面的附着性、摩擦学特性和磨损性能。其中，参数3样品的效果最佳，表现出了较低的摩擦系数和良好的耐磨性能。因此，激光织构化可以作为一种有效的表面改性技术应用于Ti6A14V这类材料的表面处理中。
参考文献
[1]ParkMK,KimJM,KimTH,etal.Effectoflasertreatmentforthefatiguebehavioroftitaniumalloyswithdifferentcrystalstructuresforbiomedicalapplication[J].MaterialwissenschaftundWerkstofftechnik,2002,33(12):931-936.
[2]潘建林,王琳,王志坤,等.激光表面处理技术及其在工程材料领域中的应用[J].材料导报,2017,31(19):108-112.