前言

TC4鈦合金因其高強度、高剛度、出色的耐熱性、低密度以及卓越的耐腐蝕性等優異的綜合性能,在航空航天、海洋工程和生物醫學等高技術領域得到廣泛應用 [1?3]。然而,其硬度低、摩擦系數高、易黏著磨損及高溫氧化敏感等摩擦學性能缺陷限制了其應用場景[4,5]。為克服上述限制,研究人員針對TC4鈦合金的表面改性技術進行了廣泛研究，如熱化學處理、物理氣相沉積以及激光表面工程等[6-9]。其中,仿生表面織構技術作為一種新興策略[10-12]},通過模擬自然界生物體表面特殊的微觀幾何結構特征，在材料表面可控地加工出特定形狀、尺寸與排布的微米級結構,無需改變材料本體即可賦予其特定的表面功能,從而顯著調控材料的摩擦磨損行為。已有大量研究證實，經過合理設計的表面織構能夠有效地降低摩擦系數、減少磨損量,并提升材料的耐磨性與服役壽命 [ 13?15]。因此,在TC4鈦合金表面制備仿生織構,通過優化接觸表面的潤滑狀態和應力分布,可實現對摩擦學性能的有效改善[16-19]。

相關研究已展現出仿生織構在提升鈦合金摩擦學性能方面的巨大潛力。例如,鄭清春等 [20]針對鈦合金人工髖關節的耐磨性問題,提出了仿鯊魚皮菱形織構設計;通過建立流體動壓潤滑模型進行數值模擬,并結合摩擦磨損試驗，系統揭示了織構對角線長度和深度對摩擦系數的非線性影響規律，并確定了最優參數組合。研究指出，菱形織構通過增強動壓潤滑效應，可協同提高承載能力和減摩性能。李云凱等[21]針對水潤滑軸承摩擦問題，設計仿生豬籠草的月牙形和徑向脊形織構,用ANSYS分析發現,CC1006月牙形和DR0102徑向脊形織構優化最佳，織構化軸承的摩擦系數隨轉速增加呈先減后增的趨勢，于中速中載時性能最佳。其機理在于:表面織構通過改變潤滑油的流場,誘發局部油膜壓力升高(動壓效應),從而提供二次潤滑,最終實現減摩增效。

盡管仿生表面織構已被證實能有效提升鈦合金的摩擦學性能,但當前研究仍存在顯著局限:研究對象多聚焦于單一或簡單幾何形狀織構，對不同仿生原型衍生的復雜圖案缺乏系統性對比;織構深度參數的研究范圍較窄,且對深度與形狀的交互效應分析不足[22];排列方式多限于規則陣列，針對旋轉摩擦等特定運動形式優化的仿生放射狀排列結構的研究較少。同時，現有研究尚未充分結合摩擦學實驗與計算流體動力學仿真，難以深入解析織構參數對潤滑油膜流動特性和壓

力分布的內在調控機制。基于此，本研究提出復合研究策略:基于多生物原型設計具有顯著幾何差異的仿生圖案并開展對比研究;為各圖案設置梯度化深度參數,重點探究深度效應及其與形狀的交互影響;采用放射狀排列設計,以適配旋轉摩擦副工況并優化潤滑劑流動路徑;通過摩擦磨損實驗與CFD(計算流體動力學)流場模擬的聯合研究，定量評估摩擦系數、磨損率等關鍵摩擦學性能指標，并從流體力學角度解析油膜流動與壓力場分布規律,旨在進一步揭示仿生織構圖案及深度參數對TC4鈦合金摩擦學性能的調控機制,為該材料的應用拓展與減摩抗磨設計優化提供理論支撐和新思路。

1、試驗

1.1試驗材料

本研究使用的基材為TC4鈦合金。表1為TC4鈦合金的成分組成，在激光加工之前，利用絲切割將鈦合金板切割成尺寸為32mm32mm8mm的試樣,用400、800、1200、2000目砂紙進行拋光處理，以此減少試驗誤差。最后將拋光后的試樣置于無水乙醇中超聲清洗15min,吹干備用。

表1 TC4鈦合金成分組成表

Table 1 Composition table of TC4 titanium alloy

1.2仿生織構樣品制備及摩擦實驗

通過解析自然界生物耦合機制，模仿鯉魚的魚鱗、蜻蜓復眼和步甲蟲外殼黑色斑點,分別簡化出3種仿生紋理，即類魚鱗形、六邊形和橢圓形，設計示意圖如圖1所示。

為有效區分織構深度對摩擦性能的影響,同時確保仿生紋理的生物特征保持一致以排除無關變量干擾,實驗中固定織構單元的深度為 200、400、600μm,具體參數如表2。為確保不同織構圖案在實驗中具有可比性,所有織構圖案的面積大小盡量相近。同時所有織構均采用放射狀排列方式，以試樣中心為原點，織構單元沿半徑方向呈輻射狀分布，其中摩擦內圈半徑r1為8mm,內圈外圈間距 l 1 為4mm,旋轉方向為順時針方向，設計示意圖如圖2所示。

表2不同織構樣品的尺寸參數

Table 2 Dimension parameters of different texture samples

織構加工使用脈沖光纖激光器,根據織構深度調整激光功率至80W,頻率20Hz,掃描速度500mm/s,掃描間距0.01mm。激光織構加工后，用3000目砂紙配合2000目拋光膏輕磨表面，去除碎屑和毛刺，最后在超聲清洗儀中用酒精清洗15min后進行后續研究。

采用MPX-3多功能摩擦磨損試驗機對TC4鈦合金試樣開展摩擦學性能測試。該試驗機最大載荷達3000N,主軸轉速可在5~2000r/min范圍內無級變速,能夠進行常規的摩擦磨損實驗。此次實驗選用銷盤摩擦形式，上摩擦副為直徑4mm，長度12mm的軸承鋼銷，其硬度為62HRC。下試樣為TC4鈦合金。實驗設定負載為20N,轉速為200r/min,旋轉內半徑8 mm,摩擦時間為60min,上試樣固定,下試樣作順時針

方向旋轉。潤滑方面采用46號機械潤滑油，并利用蠕動泵以1mL/min的速度對試樣持續給油,提供潤滑的同時可部分抑制溫升。為避免實驗偶然性因素，提高結果可靠性及統計意義，每組實驗重復3次，實驗過程中摩擦系數由試驗機自動記錄,數據每1s采集1次。實驗結束后，使用電子天平測得試樣的磨損量，并利用掃描電子顯微鏡觀察試樣表面形貌，捕捉表面微織構和磨損軌跡。

2、結果與分析

2.1仿生織構對TC4鈦合金摩擦系數的影響

如圖3所示,在200μm深度下,所有織構樣品均表現出顯著的減摩效果,摩擦系數較基材分別降低20.0%、20.8%和22.4%。其中C-2樣品性能最優,平均摩擦系數(ACOF)為0.2753。C-2樣品在跑合期僅存在輕微波動，并在600s后迅速進入穩定期，全程曲線平穩，振幅較小。A-2與B-2樣品在跑合期出現短暫波動，但1200s后穩定于0.28~0.29間。相比之下，基材全程高頻劇烈波動，尤其在2 500~3 300 s出現尖峰值，暴露其潤滑失效風險。

如圖4所示，當深度增至400μm時，織構性能呈現分化趨勢。A-4與B-4樣品摩擦系數回升至0.298 8和0.3021,降幅縮至15.8%和14.8%。A-4樣品在跑合期出現異常峰值，且過渡期延長至1500s;穩定期仍存在間歇波動。而C-4樣品維持優異性能，平均摩擦系數為0.281 6,降幅20.6%,跑合期波動幅度與穩定期平穩性均接近200μm深度下的狀態。

如圖5所示,當深度為600μm時,性能斷裂式分化加劇。B-6樣品摩擦系數顯著回升至0.3059,降幅僅13.8%,跑合期出現極端峰值,過渡期長達1800s。

通過對比分析不同樣品的摩擦試驗結果,可知C-2樣品表現最為優異，其摩擦系數曲線在測試過程中始終保持平穩，未出現任何異常波動，并且磨損量在所有樣品中最低。這表明C-2樣品在摩擦過程中具有高度的穩定性和抗磨性。另外,其他經過仿生織構處理的樣品在摩擦性能上也顯著優于未經處理的基材。這一結果有力地驗證了仿生織構設計在抗磨減摩方面所具有的顯著優勢和實際應用潛力。

2.2摩擦磨損形貌與摩擦磨損機理

為了比較織構形狀對摩擦的影響，選取了織構深度為600μm的參數條件下不同試樣的表面磨痕，并與基材進行對比觀察，結果如圖6所示。

由圖6a可以看出，在潤滑摩擦條件下，基材表面主要存在磨粒磨損和剝落坑。這是因為在摩擦磨損過程中，產生的磨屑無法有效排除，導致樣品表面磨損較為嚴重。隨著試驗時間的延長，樣品表面因黏著磨損而產生剝落坑，進而導致材料表面出現脫落現象。

在圖6b~6d中,織構化表面主要存在沿摩擦方向的犁溝狀磨痕，而未出現明顯的磨損剝落坑，磨損程度相對較輕。此外，織構并未因摩擦而導致磨損變形，仍可以清晰地觀察到織構的形貌輪廓,這表明織構尚未被完全破壞。這是因為當發生摩擦時，由于表面織構的存在,織構表面比光滑表面擁有更多的潤滑劑。在摩擦過程中，潤滑劑會逐漸減少，而織構溝槽內的潤滑劑則可以通過二次擠壓作用補充到滑動表面，從而保持潤滑狀態，起到二次潤滑的作用。織構化表面為摩擦副提供了微楔形間隙，使得潤滑劑在微楔形間隙中具有一定的流動速度，從而產生流體升力，進一步分離了相對運動的兩物體表面。同時，織構溝槽可以捕獲磨料碎屑，減小磨粒造成的二次磨損。

3、仿真研究

采用流體仿真軟件，對摩擦過程中潤滑油的流體力學性能進行了數值仿真。通過模擬分析，從理論層面探討在油潤滑條件下不同織構尺寸對摩擦學性能的影響。

3.1潤滑狀態與理論方程

根據潤滑膜的形成機理,潤滑狀態可分為邊界潤滑、混合潤滑及流體潤滑3類。為探究表面織構參數對摩擦副潤滑特性的影響規律,本研究聚焦于流體潤滑狀態,建立了包含潤滑油膜及織構內部流體的流域模型,如圖 7所示。

潤滑油膜內的流體流動遵循流體力學基本原理，真實反映物理過程。流體仿真軟件基于N-S方程組求解流場問題。鑒于該方程組的完整形式涉及多個復雜變量,而本研究核心關注點為流場內部的速度分布與壓力變化，故對控制方程進行了合理簡化，并作出如下假設:(1)潤滑油為不可壓縮的牛頓流體;(2)潤滑油的溫度恒定不變,且其密度以及黏度為恒定值;(3)忽略流體重力的影響。最終采用連續性方程(1)和動量方程(2)~(4)進行求解。

式中: ρ為潤滑油的密度, kg/m³; μ為潤滑油的動力黏度,kg/(m·s);u、v和w為潤滑油在x、y和z方向的速度分量,m/s;P為流體靜壓,Pa。

3.2網格無關性驗證

為排除網格數量對仿真結果的影響，選取200μm深度的魚鱗狀織構作為研究對象，開展網格無關性驗證。通過逐步增加網格數量，對不同網格密度下織構上壁面的壓力進行監測，驗證結果如圖8所示。研究發現,當網格數量超過40萬時,織構上邊界的壓力值波動幅度顯著減小，趨于穩定狀態。為確保計算精度，最終選用100萬網格對三維模型進行網格劃分。

3.3邊界條件以及材料的設置

在模擬過程中，主要參數設置如下:流體區域的密度設定為856 kg/m³,動力黏度為0.039 2 kg/( m ?s),仿真中假設潤滑油為等溫不可壓縮牛頓流體,即忽略摩擦熱導致的黏度變化。運動部分的速度為0.21m/s,其余表面均為固定壁面。流體的入口和出口分別設置為壓力進口和壓力出口,且壓力均為標準大氣壓101 325Pa。

3.4計算結果及分析

仿真完成后，為更直觀地分析微織構形貌參數對油膜承載能力及潤滑油流動特性的影響，對不同參數的織構模型進行了針對性的后處理。具體方法包括:采用二維云圖表征上表面的壓力分布;在織構中心處建立對稱平面，利用該平面上的速度云圖展示流體流

經織構內部的流速演變。圖9~11分別展示了織構深度為200、400、600μm時的潤滑油流動仿真結果。其中,A、B、C分別對應魚鱗形、六邊形及橢圓形織構樣品的壓力云圖;A'、B'、C'則分別對應上述3種織構樣品對稱平面內的潤滑油流速云圖。

當油液從織構進口流入時，由于摩擦表面與織構形成的發散楔,導致油液流入進口時的空間高度突然增大，導致油液壓力出現一定的梯度下降。油液流經織構內部后,在織構出口處,摩擦表面與織構形成的收斂楔使油液壓力升高,從而在織構兩側形成了動壓效應。這種效應顯著提升了油膜壓力與承載能力,并有效降低了摩擦副之間的摩擦系數。同時,降壓區的壓力低于織構內部的壓力,而升壓區的壓力高于織構內部的壓力。這導致降壓區的壓力可以將織構內部的油液吸出,補充到無織構區域;升壓區則將織構內部的油液擠入無織構區域進行潤滑補充。在無織構區域處于欠潤滑的狀態下，織構的升壓區與降壓區都發揮了補充潤滑的作用,有利于改善摩擦副的潤滑狀態,對降低材料間的摩擦系數具有積極作用。

綜合對比圖9~11可見，對于相同織構深度樣品;不同幾何邊界對流體運動產生差異化約束作用,導致速度場結構異化并觸發壓力場重構。織構A無法有效擠壓油膜,形成局部低速回流渦,導致高壓區域呈離散化分布破壞了壓力積累。織構B部分區域出現流動分離，削弱了動壓效應。織構C使得潤滑油在流動過程中被有效擠壓，產生局部高壓，無回流，表明流動穩定，利于壓力積累。

對于相同織構圖案樣，隨著織構深度增加，織構內部潤滑油的平均流速顯著降低。其機理在于:當織構

表面形貌固定時，流經其表層的潤滑油流速和體積流量相近。然而，深度的增加意味著凹坑內貯存的潤滑油總量增大，且受壁面無滑移邊界條件約束，織構底層流體流速趨近于零。在流體分子內黏性力作用下，表層流體受到底層低速流體的強黏性拖拽，流體慣性效應隨之減弱,最終導致織構表層潤滑油流速降低。流速的減小直接削弱了流體慣性力效應,進而降低了由其產生的動壓油膜壓力貢獻。

將壓力 P對控制單元下壁面進行積分得到油膜沿z方向的承載力 F,以及微織構表面剪應力 τ,之后通過計算得到單位面積內平均承載力Fa和微織構表面沿x方向摩擦力 F f ,摩擦系數 f為摩擦力和承載力之比,公式分別為(5)～(8)。

并將計算得出的 f從小到大依次排序得出 C-2<C-4<B-2<A-6<A-2<C-6<A-4<B-4<B-6,對比實驗結果除個別樣品因加工微缺陷導致偏差外,仿真結果與實驗結果基本一致,有效地證實多參數耦合仿真可有效預測仿生織構摩擦性能。

4、結論

(1)本研究創新性地采用“放射狀排列+復雜圖案對比+多深度參數+聯合仿真”的復合策略,系統研究了仿生織構對 TC4鈦合金摩擦學性能的影響。實驗結果表明,在富油潤滑條件下, 200μm深度的橢圓形織構摩擦系數降至 0.275 3,降幅達 22.4%,且摩擦系數曲線平穩,磨損量明顯減少。其他織構在相同深度下摩擦系數降幅均超20%,遠優于未織構基材。

(2)通過系統對比 3種復雜仿生圖案及 3個深度,揭示了織構參數及形狀深度匹配對摩擦的影響:橢圓形在 200、400 μm性能最優且穩定,其幾何邊界能有效擠壓油膜促進動壓效應; 600μm深度導致多數織構性能衰退,但魚鱗形織構性能逆勢提升,表明深度效應強烈依賴于圖案幾何特征。這為織構的精準參數設計提供了關鍵依據。

(3)放射狀織構排列與仿生織構的存在使得潤滑油膜內部壓力發生了梯度變化,并且在織構內部織構兩側形成動壓效應，該效應能夠提高油膜壓力，增大承載力，同時升壓區將織構內潤滑油擠向接觸面，降壓區則從織構內抽吸潤滑油補充欠潤滑區域，形成持續二次潤滑，可有效降低摩擦副之間的摩擦系數。

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（注，原文標題：仿生織構對TC4鈦合金摩擦學性能的影響_黃小兵）