近年来,随着钻采业不断地发展,钻探深度不断的增加,油气开采的环境越来越复杂,对钻杆的要求也越来越高。传统钢制钻杆由于其比重大且在酸性环境下易发生氢脆而失效等因素已不再是石油勘探中的最优选择。铝合金钻杆凭借其具有的密度低、比强度高、良好的耐腐蚀性等优点逐渐被研发和利用,但铝合金钻杆与钢制钻杆相比,其耐磨性较差,如果不做表面强化处理,铝合金钻杆仍难以得到广泛应用。因此,改善铝合金钻杆的抗磨损性能是解决铝合金钻杆得以应用的重要课题,在工程上也具有重大的应用价值。仿生学的出现,为人类提供了一把打开自然、学习自然的金钥匙,很多科学研究和工程技术问题都在仿生学中巧妙的找到了答案。通过对自然界具有良好耐磨性的生物的观察,发现其体表存在一些硬质单元结构,这些硬质单元和其体表的软相组织形成了“软硬相间”的非光滑表面,进一步研究发现,生物适应自然的优异性能并非单一因素决定的,往往是多个方面的因素耦合在一起发挥出非凡的耐受能力。受此启发,本课题组致力于研究利用激光耦合的方法,通过激光熔凝、激光表面合金化、激光熔覆等方式在材料表面制备出结构、形态、材料不同的单元体,通过单元体各个耦元及其特征量的变化耦合出材料的最佳性能,并成功的应用于改善材料的耐磨性、热疲劳性、机械性能等方面的性能。本研究在激光仿生耦合思想的启发下,采用激光熔凝、激光合金化、激光熔覆三种不同的处理方式在6082、7075两种铝合金表面加工出组织、性能、分布不同的单元体,通过磨损实验和有限元模拟分析,深入的研究了材料、结构、形态耦元及其特征量对铝合金磨损性能的影响规律。在单元体结构耦元对铝合金性能的影响中,以单元体结构变化作为主耦元,单元体形态和材料作为次耦元,采用不同的激光能量利用激光熔凝的处理方法分别在6082和7075铝合金表面加工出结构参数不同的单元体,通过对比不同激光能量下的单元体的组织结构、显微硬度、拉伸性能、磨损性能等方面的差异,最终确定了两种基体材料的最优激光参数并分析了两种材料磨损性能随激光能量的变化规律:两种铝合金材料的磨损性能均随着激光能量密度的逐渐增大表现出先增后减的趋势,但两种铝合金具有最优磨损性能的仿生试样所对应的激光加工能量不同,6082铝合金的最优激光能量为497.8J/cm2,7075铝合金的最优激光能量为420.1J/cm2。在形态耦元及其特征量对铝合金耐磨性的影响中,以单元体形态变化为主耦元,利用激光熔凝的处理方法分别以单元体形状、梯度、角度、密度等4个特征量在6082铝合金表面加工出不同形态的单元体,进一步探究了单元体形态耦元对6082铝合金磨损性能的影响规律,得出了每组实验中的最优试样的制备方案并结合有限元模拟分析了不同形态仿生试样的耐磨机理。具有不同形状的仿生试样的耐磨性规律为:点网复合型>网状>点条复合型>条状>点状;具有不同硬度梯度的仿生试样的耐磨性规律为:3梯度>4梯度>5梯度>2梯度>1梯度;具有不同单元体角度的仿生试样的耐磨性规律为:30°>45°>60°>90°>0°;具有不同单元体分布密度的仿生试样的耐磨性规律为:σ0.4>σ0.6>σ0.8>σ0.2>σ1.0(σ为密度分布系数)。在激光合金化、激光熔覆对铝合金耐磨性的研究中,主要以形成的单元体材料为主耦元,通过激光合金化Ni、激光熔覆Si C以及激光熔覆Ni+Si C复合涂层3个方面研究了激光合金化和激光熔覆工艺对熔覆层质量的影响规律。其结论为:E型试样(梯度排列)>D型试样(熔覆成分)>C型试样(熔覆Si C)>B型试样(合金化Ni)>A型试样(熔凝)>未处理试样。仿生试样的耐磨机理可以概括为:不同的激光处理方式和激光加工参数使得处理后的单元体硬度提高,进而单元体和基体之间形成了软硬相间的仿生表面,硬度较高的单元体起到了保护基体的作用,并改变了磨粒的运动方式,减少了试样与摩擦副之间的接触面接,破坏了磨损的连续性;较软的铝合金基体在硬质单元体的约束下,提高了服役过程中的工作弹性,吸收了部分摩擦过程中产生的能量,降低了摩擦分量。单元体和基体在彼此“刚性增强、柔性吸收”的仿生效应下使得整个材料的耐磨性发挥到最优。