突破传统单一浅层织构局限的TC4钛合金摩擦学性能优化策略：基于多参数耦合仿真的非稳态跑合期高频波动抑制机制、升压区挤油-降压区抽油动态循环模型及仿生微织构几何-深度匹配对承载力的定量调控研究

前言

TC4钛合金因其高强度、高刚度、出色的耐热性、低密度以及卓越的耐腐蚀性等优异的综合性能,在航空航天、海洋工程和生物医学等高技术领域得到广泛应用 [1−3]。然而,其硬度低、摩擦系数高、易黏着磨损及高温氧化敏感等摩擦学性能缺陷限制了其应用场景[4,5]。为克服上述限制,研究人员针对TC4钛合金的表面改性技术进行了广泛研究，如热化学处理、物理气相沉积以及激光表面工程等[6-9]。其中,仿生表面织构技术作为一种新兴策略[10-12]},通过模拟自然界生物体表面特殊的微观几何结构特征，在材料表面可控地加工出特定形状、尺寸与排布的微米级结构,无需改变材料本体即可赋予其特定的表面功能,从而显著调控材料的摩擦磨损行为。已有大量研究证实，经过合理设计的表面织构能够有效地降低摩擦系数、减少磨损量,并提升材料的耐磨性与服役寿命 [ 13−15]。因此,在TC4钛合金表面制备仿生织构,通过优化接触表面的润滑状态和应力分布,可实现对摩擦学性能的有效改善[16-19]。

相关研究已展现出仿生织构在提升钛合金摩擦学性能方面的巨大潜力。例如,郑清春等 [20]针对钛合金人工髋关节的耐磨性问题,提出了仿鲨鱼皮菱形织构设计;通过建立流体动压润滑模型进行数值模拟,并结合摩擦磨损试验，系统揭示了织构对角线长度和深度对摩擦系数的非线性影响规律，并确定了最优参数组合。研究指出，菱形织构通过增强动压润滑效应，可协同提高承载能力和减摩性能。李云凯等[21]针对水润滑轴承摩擦问题，设计仿生猪笼草的月牙形和径向脊形织构,用ANSYS分析发现,CC1006月牙形和DR0102径向脊形织构优化最佳，织构化轴承的摩擦系数随转速增加呈先减后增的趋势，于中速中载时性能最佳。其机理在于:表面织构通过改变润滑油的流场,诱发局部油膜压力升高(动压效应),从而提供二次润滑,最终实现减摩增效。

尽管仿生表面织构已被证实能有效提升钛合金的摩擦学性能,但当前研究仍存在显著局限:研究对象多聚焦于单一或简单几何形状织构，对不同仿生原型衍生的复杂图案缺乏系统性对比;织构深度参数的研究范围较窄,且对深度与形状的交互效应分析不足[22];排列方式多限于规则阵列，针对旋转摩擦等特定运动形式优化的仿生放射状排列结构的研究较少。同时，现有研究尚未充分结合摩擦学实验与计算流体动力学仿真，难以深入解析织构参数对润滑油膜流动特性和压

力分布的内在调控机制。基于此，本研究提出复合研究策略:基于多生物原型设计具有显著几何差异的仿生图案并开展对比研究;为各图案设置梯度化深度参数,重点探究深度效应及其与形状的交互影响;采用放射状排列设计,以适配旋转摩擦副工况并优化润滑剂流动路径;通过摩擦磨损实验与CFD(计算流体动力学)流场模拟的联合研究，定量评估摩擦系数、磨损率等关键摩擦学性能指标，并从流体力学角度解析油膜流动与压力场分布规律,旨在进一步揭示仿生织构图案及深度参数对TC4钛合金摩擦学性能的调控机制,为该材料的应用拓展与减摩抗磨设计优化提供理论支撑和新思路。

1、试验

1.1试验材料

本研究使用的基材为TC4钛合金。表1为TC4钛合金的成分组成，在激光加工之前，利用丝切割将钛合金板切割成尺寸为32mm32mm8mm的试样,用400、800、1200、2000目砂纸进行抛光处理，以此减少试验误差。最后将抛光后的试样置于无水乙醇中超声清洗15min,吹干备用。

表1 TC4钛合金成分组成表

Table 1 Composition table of TC4 titanium alloy

1.2仿生织构样品制备及摩擦实验

通过解析自然界生物耦合机制，模仿鲤鱼的鱼鳞、蜻蜓复眼和步甲虫外壳黑色斑点,分别简化出3种仿生纹理，即类鱼鳞形、六边形和椭圆形，设计示意图如图1所示。

为有效区分织构深度对摩擦性能的影响,同时确保仿生纹理的生物特征保持一致以排除无关变量干扰,实验中固定织构单元的深度为 200、400、600μm,具体参数如表2。为确保不同织构图案在实验中具有可比性,所有织构图案的面积大小尽量相近。同时所有织构均采用放射状排列方式，以试样中心为原点，织构单元沿半径方向呈辐射状分布，其中摩擦内圈半径r1为8mm,内圈外圈间距 l 1 为4mm,旋转方向为顺时针方向，设计示意图如图2所示。

表2不同织构样品的尺寸参数

Table 2 Dimension parameters of different texture samples

织构加工使用脉冲光纤激光器,根据织构深度调整激光功率至80W,频率20Hz,扫描速度500mm/s,扫描间距0.01mm。激光织构加工后，用3000目砂纸配合2000目抛光膏轻磨表面，去除碎屑和毛刺，最后在超声清洗仪中用酒精清洗15min后进行后续研究。

采用MPX-3多功能摩擦磨损试验机对TC4钛合金试样开展摩擦学性能测试。该试验机最大载荷达3000N,主轴转速可在5~2000r/min范围内无级变速,能够进行常规的摩擦磨损实验。此次实验选用销盘摩擦形式，上摩擦副为直径4mm，长度12mm的轴承钢销，其硬度为62HRC。下试样为TC4钛合金。实验设定负载为20N,转速为200r/min,旋转内半径8 mm,摩擦时间为60min,上试样固定,下试样作顺时针

方向旋转。润滑方面采用46号机械润滑油，并利用蠕动泵以1mL/min的速度对试样持续给油,提供润滑的同时可部分抑制温升。为避免实验偶然性因素，提高结果可靠性及统计意义，每组实验重复3次，实验过程中摩擦系数由试验机自动记录,数据每1s采集1次。实验结束后，使用电子天平测得试样的磨损量，并利用扫描电子显微镜观察试样表面形貌，捕捉表面微织构和磨损轨迹。

2、结果与分析

2.1仿生织构对TC4钛合金摩擦系数的影响

如图3所示,在200μm深度下,所有织构样品均表现出显著的减摩效果,摩擦系数较基材分别降低20.0%、20.8%和22.4%。其中C-2样品性能最优,平均摩擦系数(ACOF)为0.2753。C-2样品在跑合期仅存在轻微波动，并在600s后迅速进入稳定期，全程曲线平稳，振幅较小。A-2与B-2样品在跑合期出现短暂波动，但1200s后稳定于0.28~0.29间。相比之下，基材全程高频剧烈波动，尤其在2 500~3 300 s出现尖峰值，暴露其润滑失效风险。

如图4所示，当深度增至400μm时，织构性能呈现分化趋势。A-4与B-4样品摩擦系数回升至0.298 8和0.3021,降幅缩至15.8%和14.8%。A-4样品在跑合期出现异常峰值，且过渡期延长至1500s;稳定期仍存在间歇波动。而C-4样品维持优异性能，平均摩擦系数为0.281 6,降幅20.6%,跑合期波动幅度与稳定期平稳性均接近200μm深度下的状态。

如图5所示,当深度为600μm时,性能断裂式分化加剧。B-6样品摩擦系数显著回升至0.3059,降幅仅13.8%,跑合期出现极端峰值,过渡期长达1800s。

通过对比分析不同样品的摩擦试验结果,可知C-2样品表现最为优异，其摩擦系数曲线在测试过程中始终保持平稳，未出现任何异常波动，并且磨损量在所有样品中最低。这表明C-2样品在摩擦过程中具有高度的稳定性和抗磨性。另外,其他经过仿生织构处理的样品在摩擦性能上也显著优于未经处理的基材。这一结果有力地验证了仿生织构设计在抗磨减摩方面所具有的显著优势和实际应用潜力。

2.2摩擦磨损形貌与摩擦磨损机理

为了比较织构形状对摩擦的影响，选取了织构深度为600μm的参数条件下不同试样的表面磨痕，并与基材进行对比观察，结果如图6所示。

由图6a可以看出，在润滑摩擦条件下，基材表面主要存在磨粒磨损和剥落坑。这是因为在摩擦磨损过程中，产生的磨屑无法有效排除，导致样品表面磨损较为严重。随着试验时间的延长，样品表面因黏着磨损而产生剥落坑，进而导致材料表面出现脱落现象。

在图6b~6d中,织构化表面主要存在沿摩擦方向的犁沟状磨痕，而未出现明显的磨损剥落坑，磨损程度相对较轻。此外，织构并未因摩擦而导致磨损变形，仍可以清晰地观察到织构的形貌轮廓,这表明织构尚未被完全破坏。这是因为当发生摩擦时，由于表面织构的存在,织构表面比光滑表面拥有更多的润滑剂。在摩擦过程中，润滑剂会逐渐减少，而织构沟槽内的润滑剂则可以通过二次挤压作用补充到滑动表面，从而保持润滑状态，起到二次润滑的作用。织构化表面为摩擦副提供了微楔形间隙，使得润滑剂在微楔形间隙中具有一定的流动速度，从而产生流体升力，进一步分离了相对运动的两物体表面。同时，织构沟槽可以捕获磨料碎屑，减小磨粒造成的二次磨损。

3、仿真研究

采用流体仿真软件，对摩擦过程中润滑油的流体力学性能进行了数值仿真。通过模拟分析，从理论层面探讨在油润滑条件下不同织构尺寸对摩擦学性能的影响。

3.1润滑状态与理论方程

根据润滑膜的形成机理,润滑状态可分为边界润滑、混合润滑及流体润滑3类。为探究表面织构参数对摩擦副润滑特性的影响规律,本研究聚焦于流体润滑状态,建立了包含润滑油膜及织构内部流体的流域模型,如图 7所示。

润滑油膜内的流体流动遵循流体力学基本原理，真实反映物理过程。流体仿真软件基于N-S方程组求解流场问题。鉴于该方程组的完整形式涉及多个复杂变量,而本研究核心关注点为流场内部的速度分布与压力变化，故对控制方程进行了合理简化，并作出如下假设:(1)润滑油为不可压缩的牛顿流体;(2)润滑油的温度恒定不变,且其密度以及黏度为恒定值;(3)忽略流体重力的影响。最终采用连续性方程(1)和动量方程(2)~(4)进行求解。

式中: ρ为润滑油的密度, kg/m³; μ为润滑油的动力黏度,kg/(m·s);u、v和w为润滑油在x、y和z方向的速度分量,m/s;P为流体静压,Pa。

3.2网格无关性验证

为排除网格数量对仿真结果的影响，选取200μm深度的鱼鳞状织构作为研究对象，开展网格无关性验证。通过逐步增加网格数量，对不同网格密度下织构上壁面的压力进行监测，验证结果如图8所示。研究发现,当网格数量超过40万时,织构上边界的压力值波动幅度显著减小，趋于稳定状态。为确保计算精度，最终选用100万网格对三维模型进行网格划分。

3.3边界条件以及材料的设置

在模拟过程中，主要参数设置如下:流体区域的密度设定为856 kg/m³,动力黏度为0.039 2 kg/( m ⋅s),仿真中假设润滑油为等温不可压缩牛顿流体,即忽略摩擦热导致的黏度变化。运动部分的速度为0.21m/s,其余表面均为固定壁面。流体的入口和出口分别设置为压力进口和压力出口,且压力均为标准大气压101 325Pa。

3.4计算结果及分析

仿真完成后，为更直观地分析微织构形貌参数对油膜承载能力及润滑油流动特性的影响，对不同参数的织构模型进行了针对性的后处理。具体方法包括:采用二维云图表征上表面的压力分布;在织构中心处建立对称平面，利用该平面上的速度云图展示流体流

经织构内部的流速演变。图9~11分别展示了织构深度为200、400、600μm时的润滑油流动仿真结果。其中,A、B、C分别对应鱼鳞形、六边形及椭圆形织构样品的压力云图;A'、B'、C'则分别对应上述3种织构样品对称平面内的润滑油流速云图。

当油液从织构进口流入时，由于摩擦表面与织构形成的发散楔,导致油液流入进口时的空间高度突然增大，导致油液压力出现一定的梯度下降。油液流经织构内部后,在织构出口处,摩擦表面与织构形成的收敛楔使油液压力升高,从而在织构两侧形成了动压效应。这种效应显著提升了油膜压力与承载能力,并有效降低了摩擦副之间的摩擦系数。同时,降压区的压力低于织构内部的压力,而升压区的压力高于织构内部的压力。这导致降压区的压力可以将织构内部的油液吸出,补充到无织构区域;升压区则将织构内部的油液挤入无织构区域进行润滑补充。在无织构区域处于欠润滑的状态下，织构的升压区与降压区都发挥了补充润滑的作用,有利于改善摩擦副的润滑状态,对降低材料间的摩擦系数具有积极作用。

综合对比图9~11可见，对于相同织构深度样品;不同几何边界对流体运动产生差异化约束作用,导致速度场结构异化并触发压力场重构。织构A无法有效挤压油膜,形成局部低速回流涡,导致高压区域呈离散化分布破坏了压力积累。织构B部分区域出现流动分离，削弱了动压效应。织构C使得润滑油在流动过程中被有效挤压，产生局部高压，无回流，表明流动稳定，利于压力积累。

对于相同织构图案样，随着织构深度增加，织构内部润滑油的平均流速显著降低。其机理在于:当织构

表面形貌固定时，流经其表层的润滑油流速和体积流量相近。然而，深度的增加意味着凹坑内贮存的润滑油总量增大，且受壁面无滑移边界条件约束，织构底层流体流速趋近于零。在流体分子内黏性力作用下，表层流体受到底层低速流体的强黏性拖拽，流体惯性效应随之减弱,最终导致织构表层润滑油流速降低。流速的减小直接削弱了流体惯性力效应,进而降低了由其产生的动压油膜压力贡献。

将压力 P对控制单元下壁面进行积分得到油膜沿z方向的承载力 F,以及微织构表面剪应力 τ,之后通过计算得到单位面积内平均承载力Fa和微织构表面沿x方向摩擦力 F f ,摩擦系数 f为摩擦力和承载力之比,公式分别为(5)～(8)。

并将计算得出的 f从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,对比实验结果除个别样品因加工微缺陷导致偏差外,仿真结果与实验结果基本一致,有效地证实多参数耦合仿真可有效预测仿生织构摩擦性能。

4、结论

(1)本研究创新性地采用“放射状排列+复杂图案对比+多深度参数+联合仿真”的复合策略,系统研究了仿生织构对 TC4钛合金摩擦学性能的影响。实验结果表明,在富油润滑条件下, 200μm深度的椭圆形织构摩擦系数降至 0.275 3,降幅达 22.4%,且摩擦系数曲线平稳,磨损量明显减少。其他织构在相同深度下摩擦系数降幅均超20%,远优于未织构基材。

(2)通过系统对比 3种复杂仿生图案及 3个深度,揭示了织构参数及形状深度匹配对摩擦的影响:椭圆形在 200、400 μm性能最优且稳定,其几何边界能有效挤压油膜促进动压效应; 600μm深度导致多数织构性能衰退,但鱼鳞形织构性能逆势提升,表明深度效应强烈依赖于图案几何特征。这为织构的精准参数设计提供了关键依据。

(3)放射状织构排列与仿生织构的存在使得润滑油膜内部压力发生了梯度变化,并且在织构内部织构两侧形成动压效应，该效应能够提高油膜压力，增大承载力，同时升压区将织构内润滑油挤向接触面，降压区则从织构内抽吸润滑油补充欠润滑区域，形成持续二次润滑，可有效降低摩擦副之间的摩擦系数。

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（注，原文标题：仿生织构对TC4钛合金摩擦学性能的影响_黄小兵）