气缸套-活塞环摩擦副作为柴油机中将化学能转化为机械能的核心部件,与活塞和缸盖共同组成燃烧室,在工作过程中承受循环变化的热负荷及机械负荷。随着柴油机强化程度的不断升高,气缸套-活塞环界面的摩擦状态变得愈加苛刻,致使缸套-活塞环摩擦副的摩擦功耗增大,磨损寿命急剧下降,甚至产生严重的拉缸等可靠性问题。为了改善气缸套-活塞环摩擦副的摩擦磨损性能,选择高硅铝合金缸套和铬基陶瓷复合镀活塞环摩擦副为研究对象,采用Nd-YAG激光器在气缸套表面制备不同参数圆形微坑织构,研究了激光参数对气缸套表面微织构微坑几何形貌的作用规律;采用对置往复式摩擦磨损实验机,通过磨损实验及贫油实验,获得了不同工况条件下改性摩擦副的摩擦磨损性能以及抗拉缸性能;采用3D激光共聚焦扫描显微镜,扫描电子显微镜以及能谱仪等检测仪器,对缸套-活塞环表面的成分、形貌以及织构的几何形貌进行表征,初步探索了圆形微织构提升铝合金缸套表面摩擦学性能的作用机制,为降低柴油机的摩擦功耗,改善磨损寿命提供技术支持。(1)研究了激光能量密度(4.25 J/cm2～127.5 J/cm2)、脉冲次数(1～50次)以及离焦量(0.75 mm～+0.75 mm)等参数对气缸套表面微坑几何形貌的影响。发现随着能量密度的增大,微坑直径呈先增大后保持不变的趋势,最大值达到100μm,微坑深度的变化较小;随着脉冲次数增加微坑直径和深度均呈先增加后减小趋势,当脉冲次数为20时,微坑直径和深度均达到最大值140 μm;激光能量密度以焦点为中心,沿轴向呈对称分布,随离焦量增加,微坑直径变大,深度减小;对高硅铝合金缸套烧蚀阈值进行计算,得到1次脉冲条件下烧蚀阈值为φth=2.08 J/cm2,因能量累积效应缸套的烧蚀阈值随着脉冲次数的增加而减小。(2)采用微秒激光器,在缸套表面分别加工出不同面积占有率(5%、10%、20%)、不同直径(40 μm、80 μm、120μm)、不同深度(40μm、80μm、120 μm)微织构。设计了磨合-富油实验,实验分为两个阶段:低载磨合阶段(温度为150℃、载荷5MPa、磨合时间1h),高载磨损阶段(温度为150℃、载荷20MPa、磨损时间为9 h)。试验表明,随着面积占有率的增大,摩擦力及磨损量均先增大后减小;随着圆形凹坑直径的增大,摩擦力及磨损量均变小;随着圆形凹坑深度的变大,摩擦学性能变差。当面积占有率为10%、凹坑直径为120 μm、凹坑深度为40 μm时,摩擦磨损性能最优。通过扫描电子显微镜对磨损后缸套表面形貌检测发现,高硅铝合金缸套-铬基陶瓷复合渡活塞环之间的磨损形式主要为黏着磨损,相比于未织构缸套,有织构缸套磨损后表面较光滑,犁沟数量明显减少,且犁沟多位于垂直于滑动方向上的凹坑之间位置,说明平行于滑动方向上的凹坑之间起到很好的动压润滑效果。(3)设计了磨合-贫油实验。实验分为三个阶段:低载磨合阶段(温度150℃、载荷5 MPa、磨合时间1h)、高载磨合阶段(温度150℃、载荷20MPa、磨损时间为1.5h)、贫油阶段(其余参数不变,停止润滑油供给,直至拉缸)。拉缸实验研究发现,所有实验参数微织构缸套表面的抗拉缸时间均长于无织构缸套。面积占有为10%织构试样的抗拉缸时间为80min,相比于无织构试样的抗拉缸性能提升了 400%,面积占有率5%、20%试样的抗拉缸时间依次为60min和24min;圆形凹坑直径越大,抗拉缸时间越长;凹坑深度越小,抗拉缸性能越好。当面积占有率为10%、凹坑直径为120 μm、凹坑深度为40μm时,抗拉缸性能最优。通过扫描电子显微镜对拉缸后缸套表面拉缸机理进行分析,未织构缸套表面拉缸后发生塑性变形,表面擦伤严重。织构缸套表面拉缸区域磨损较轻,通过对凹坑内部物质进行EDS分析发现,物质中含有活塞环中的Cr元素,说明凹坑能够起到收集磨屑的作用。