飞秒激光表面织构化提升AISI 5115钢发动机气门传动部件摩擦学性能研究

【编辑推荐】针对AISI 5115钢因硬度不足导致的摩擦系数(COF)高、耐磨性差问题，研究人员通过飞秒激光构建三角形/椭圆形/圆形织构（密度5%-20%），系统评估干摩擦/贫油/润滑条件下的摩擦学性能。结果表明，15%密度、45°倾角的椭圆织构使COF最高降低72.2%，磨损减少93.2%，为发动机传动部件表面优化提供了关键技术支撑。

　　

研究背景与意义
在汽车发动机气门传动系统中，AISI 5115钢因兼具高强度与耐腐蚀性被广泛应用，但其硬度不足（217 HB）导致摩擦系数(COF)居高不下，磨损问题突出。传统润滑方案在极端工况下易失效，而表面织构技术通过微米级结构设计可存储润滑剂、捕获磨屑，成为突破材料固有局限的新思路。然而，织构几何形状（三角形/椭圆/圆形）、排列密度（5%-20%）和倾角（如45°）对摩擦学性能的影响机制尚未明确，亟需系统性研究为工程应用提供精准优化方案。

山东大学的研究团队在《Optics》发表论文，采用飞秒激光表面处理(LST)技术，在AISI 5115钢表面构建三类织构，通过激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)分析表面形貌，结合不同转速（100-400 RPM）和润滑状态的摩擦试验，揭示了最优织构参数组合及其减摩抗磨机制。

关键技术方法

1. 飞秒激光织构化：采用脉冲重叠控制技术制备三角形/椭圆/圆形织构，密度梯度为5%-20%，接触角测试证实表面超亲油性
2. 多工况摩擦测试：使用球-盘摩擦计在干摩擦/贫油/润滑条件下评估COF和磨损量
3. 三维形貌分析：激光共聚焦显微镜(LSCM)量化表面粗糙度(Sa)，SEM观察磨损形貌

研究结果

摩擦系数动态变化

• 瞬态阶段：未织构表面COF波动剧烈（±0.15），而15%椭圆织构使波动幅度降低60%
• 稳定阶段：45°倾角椭圆织构在贫油条件下COF最低（0.12），较未处理表面降低72.2%

磨损机制差异

• 干摩擦：未织构表面出现严重粘着磨损，织构区域磨屑被捕获于凹坑内，磨损体积减少93.2%
• 润滑状态：椭圆织构产生流体动压效应，油膜厚度增加3倍，磨损降低55.5%

织构参数优化

• 密度阈值：15%密度时流体动压与承载面积达到平衡，20%密度因接触面积过小导致性能下降
• 几何效应：椭圆织构长轴45°排列最佳，其不对称结构促进润滑油膜形成

结论与展望
该研究证实15%密度、45°倾角的椭圆织构可使AISI 5115钢在极端工况下COF降低72%，磨损减少93%，其机制在于：1）微凹坑捕获磨屑避免三体磨损；2）倾斜椭圆结构增强流体动压效应；3）超亲油表面改善润滑剂润湿性。研究成果为发动机部件寿命提升提供了可工程化的表面处理方案，未来可结合高温氧化行为研究进一步拓展至航空发动机领域。作者Junqi Xue等特别指出，飞秒激光的微秒级加工精度是实现织构参数精准控制的关键，这种非接触式加工技术易于集成到现有生产线。