为改善金属材料的磨擦磨损性能,本文选取具有优异耐磨性的生物体原型波纹状蜣螂翅鞘,通过对其耐磨机理的深入研究,提出合理简化的仿生磨擦学模型,分别采用空气附加氩气及去离子水作为加工介质,利用激光熔凝在灰铸铁、GCr15滚珠轴承钢和H13热作模具钢表面制备出纳米晶单元体,研究了不同加工介质对单元体特征尺寸的影响、不同水膜厚度激光熔凝对仿生单元体微观组织结构的影响;推导了激光熔凝温度场及冷却速度表达式、计算空气及不同水膜厚度下熔池冷却速度、探讨激光水膜熔凝制备纳米晶的形成机制、详细讨论空气和去离子水激光熔凝对灰铸铁、滚珠轴承钢和热作模具钢摩擦磨损性能的影响。结果表明,去离子水激光熔凝后制备的单元体,具有纳米结构微观组织;在相同条件下,在滚珠轴承钢和热作模具钢试样上均可制备出纳米晶,而在灰铸铁上只能制备出微观组织较空气中熔凝中明显细化的组织,而不能制备出纳米晶。分析发现,在相同冷却速度下,主要与材料成分、不同冶金学机制等因素相关。实验发现,在相同实验条件下,随着水膜厚度增加,制备出的纳米晶颗粒度逐渐减小;在热作模具钢上制备出的纳米晶比滚珠轴承钢粒度更小。去离子水水膜激光熔凝处理灰铸铁、滚珠轴承钢和热作模具钢后,三种材料仿生单元体硬度均较空气中处理大幅提高,磨损量减少,摩擦系数降低且稳定,磨损机制亦改变。比较发现,在相同加工参数下,H13仿生试样的磨损量和摩擦系数最低,其次为GCr15仿生试样,最后为灰铸铁仿生试样。本文采用水膜激光熔凝工艺制备纳米晶单元体,可极大改善所选用材料常温干滑动摩擦磨损性能。这种技术克服了目前常规大块纳米材料制备技术上的困难,不需高温、高压、高真空等极端环境,无预处理及后续处理,成本低廉,过程简单,切实可行;将仿生学理论与纳米材料的优异性能耦合,为研究耐磨材料、耐摩擦磨损开辟新途径,在工业应用上将具有广阔前景