CN101792906A

CN101792906A - 一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法

Info

Publication number: CN101792906A
Application number: CN 201010143888
Authority: CN
Inventors: 周倜; 任露泉; 周宏�; 张志辉; 张舟; 张鹏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: CN101792906B

Abstract

本发明涉及在热疲劳和磨粒磨损工况条件下使用的疲劳磨损机械部件的制造加工技术，具体说，涉及一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，采用的技术方案是：该方法在机械部件受摩擦面一定厚度的区域上，模仿生物体的耦合结构，利用激光熔凝填充到槽内或坑内不同种类的合金和陶瓷粉末加工制作成仿生耦合单元体。由仿生耦合单元体和工件表面组成仿生物表面的仿生耦合区域，即在试样表面根据生物体的结构，加工出凹坑或沟槽将拌有粘结剂的不同种类的合金和陶瓷粉末填充到槽内，紧实风干后进行激光熔凝仿生耦合处理。采用该方法可有效解决在急冷急热或反复摩擦工况下，机械部件表层抗疲劳特性以及表层耐磨性的问题。

Description

一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法

技术领域

本发明涉及在机械零部件的急冷急热工况条件下的抗热疲劳技术的设计与制造加工技术，涉及一种提高零件热疲劳寿命的方法。

背景技术

对于急冷急热或反复摩擦条件下服役的部件(如轿车的制动盘、卡车制动毂、列车制动盘、玻璃模具、锻造模具、压铸模具、塑料模具、轧制各种型材的轧辊等)，其表面因反复加热膨胀、冷却收缩，而产生疲劳裂纹造成部件失效。以卡车制动毂为例当各种工程车辆制动时，绝大摩擦功转化为热能被制动零件吸收，导致其工作表面温度迅速升高(持续制动时最高温度可达600-700℃)，随后因金属导热工作表面又被快速冷却。频繁制动使制动毂经常受反复加热和冷却，温度梯度的变化将引起材料自由膨胀、收缩受到约束而形成循环应力或应变，最终在制动表面产生热疲劳裂纹。我国汽车用铸铁件的生产发展很快，其中制动毂是经常更换的易损件，需求量很大。我国每年因疲劳产生部件失效造成的浪费价值几百亿元，能源和动力费高达几十亿，额外生产、维修和更换部件的人工费用不计其数。另一方面，随着公路建设的日新月异，重载汽车开始向高速、重载方向发展，车辆的制动力矩增大、单次制动时间增长，使得制动毂热疲劳失效更加频繁、严重，现有制动毂的使用寿命已远远不能满足要求。我国每年因制动毂失效引发的重大交通事故上千起，给人民生命、财产造成了巨大的伤害，给国家带来严重的经济损失。此外，汽车制动毂属于劳动密集型产品，在国外生产成本大多高于国内。目前，我国生产的制动毂主要出口到美国、日本和欧洲各国。有数据表明，美国汽车制动毂配套市场年需求量4000万件以上，配件市场则多达6000万件至7000万件；欧洲汽车制动毂对美国出口额已达3000万美元以上，但是只占美国市场份额的5％左右。这是由于国产制动毂抗热疲劳性能较差，使用寿命低，缺乏市场竞争力。

发明内容

本发明的目的在于解决在急冷急热或反复摩擦工况下，机械部件表层抗疲劳特性以及表层耐磨性的问题，依据仿生原理提出一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，采用以下步骤：

a)在工件表面结共填充槽或填充坑

填充槽的几何形状：宽度：0.5-5mm，深度：0.5-3mm；

填充坑的几何形状：直径：0.5-5mm，深度：0.5-3mm；

填充槽或填充坑在按与机械部件轴线呈0-90°呈网格状或平行条状排列分布，分布间距为0.5-3mm；

b)按部件的使用性能要求选择预置合金材料

预置合金材料的种类包括：Fe30A、Ni45和Co50的自熔合金粉末，或WC、SiC、TiC陶瓷粉末，或包括高铬铸铁、高速钢的特定合金粉末；

c)对预置合金材料激光熔敷

在加工好的工件填充槽或填充坑内预置准备熔凝的合金粉末，将工件放在工作台上，工作台按照预定的程序进行运动，在工作台运动开始时，用激光对工件填充槽或填充坑内的合金材料进行熔敷加工成单元体，熔敷过程采用一次或多次进行，每次熔敷金属厚度为0.1-0.6mm，完成熔敷后的部件表面的单元体略高于母体，完成仿生耦合单元体的制作；

所述的填充槽或填充坑按网格状分布为：填充槽或填充坑单一分布，或填充槽与填充坑交叉混和分布。

所述的填充槽或填充坑按平行条状排列分布为：填充槽或填充坑按平行条状排列分布，填充槽与填充坑按等数或不等数交替排列分布。

所述的填充槽或填充坑的几何尺寸为同一尺寸分布或不同尺寸分布，分布间距：0.5-3mm。

本发明的技术效果是：提出一种更为合理、行之有效的提高机械部件抗热疲劳性能的方法，其突破传统从整体或整个表面进行处理改善的方法，并具有加工工艺简单、性能可靠、加工成本低等优点。

本发明采用激光熔凝技术制备的仿生耦合单元体其组织不同于母体，相当于陶瓷复合材料或高合金金属材料，其机械性能、硬度等大大高于母体材料，如同在工件表层增加了坚固的桩钉或加强筋，单元体的高硬度使其磨损时明显少于工件材料，形成了保护工件的耐磨层，使工件的耐磨性能大幅度增强。同时，单元体高强度特性，在试样表层产生了“桩钉”和“堤坝”效应，可有效切断裂纹的扩展路径，裂纹扩展至仿生耦合单元体将受到阻滞，随后发生不同程度的分叉或偏转，这些现象导致热疲劳裂纹扩展驱动力减小，扩展速率降低，明显改善其抗热疲劳性能，仿生耦合试样的抗热疲劳裂纹扩展能力得到增强。

具体实施方式

改善材料及其制件的抗热疲劳性能一直是研究的热点，但是，由于这类部件工作环境的恶劣性辅以热疲劳问题的复杂性，结果是往往部件的使用寿命提高不大且成本大为提高。生物经过亿万年的进化，不仅能够适应自然，而且其进化程度接近完善，他们一些奇妙的功能远远超过人类自身先前的设计，并逐渐成为解决疑难工程问题的答案。通过观察自然界具有优异抗疲劳的生物(如贝壳、树叶、蜻蜓翅膀等)发现他们都有非常相似的特征：1.它们都具有软硬相交替的结构；2.该结构中硬质单元自身可以有不同的分布形态；3.硬质单元的相对高硬度均来自其与软质单元的组成材料或组织结构差别。这种形态、结构和组成材料的有机耦合使得生物具有优异的力学性能和止裂抗疲劳功能。

由此本发明提出了采用激光熔覆技术，在部件表面加工形成类似生物体的特殊结构，改善部件的止裂抗疲劳功能的方法。具体做法是首先采用机械加工的方法在部件的表面，加工出类似生物体筋、脉分布的沟槽或凹坑，将合金粉末填充进去并夯实，用激光直接照射让其和基材一起熔化后迅速凝固在表面，获得模仿生物体表软硬相间的仿生耦合区域，熔凝填充到槽(坑)内不同种类的合金或陶瓷粉末形成的仿生耦合单元体，具有比基材更好的强度和耐磨性，这种方法改变了部件表层为单一化学成分及组织的状态，变为软硬相间的结构，可以使原来是单一化学成分及组织的强度和耐磨性大为提高，从而改善部件的抗疲劳功能同时也提高耐磨性。这种方法同原来的激光熔凝相比其熔凝的深度可以任意控制，而原来的深度最大只能达到0.8mm，另一方面原来的熔凝仅是让原材料熔化凝固成分没有改变，熔凝区域的性能改变有限，而此种方法可以熔凝不同种类的合金或陶瓷粉末熔凝区域的性能大幅度提高且可调，和原来的激光熔覆相比熔覆的陶瓷粉末比例可调，熔覆的陶瓷粉末不像原来只存在于表面，它可均匀存在于整个熔凝区域，使熔凝区域的性能在部件的服役期内均衡，避免原来表面熔覆陶瓷出现的存在陶瓷层时性能好，陶瓷层消失时性能下降的现象，多次熔敷可获得理想熔敷金属厚度，实现部件服役寿命的人为控制。

本发明可采用通用激光加工设备对机械部件表面预制填充槽或填充坑进行熔敷，激光参数可视工件的尺寸大小和填充槽或填充坑的大小以及填充的合金粉末的性能选择。

下面结合实例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式：

具体的实施例参阅下表，表1是以轨道列车专用制动盘为对象的实施例，表2是以解放卡车专用制动毂为对象的实施例。

实施例1.以轨道列车专用制动盘为对象

条件

填充槽宽度

填充槽深度

填充材料

熔敷次数

填充槽分布

间距

与部件轴线角度

使用效果

1

0.5mm

1mm

WC

3

平行条状

0.5mm

90

1.5倍

2

1.0mm

1mm

TiC

3

平行条状与坑状相间分布

1.0mm

45

2.0倍

3

1.5mm

SiC

5

平行条状

1.5mm

60

1.6倍

4

1.5mm

WC

5

网格状

0.5mm

0

2.1倍

5

2.0mm

SiC

7

网格状

1.5mm

30

1.6倍

6

5mm

3mm

TiC

5

平行条状

1.0mm

45

1.6倍

7

5.0mm

3.0mm

TiC

10

平行条状与坑状两排两排相间分布

1.5mm

0

1.5倍

8

0.5mm

SiC

1

坑状

3mm

45

2.0倍

9

4mm

3mm

WC

8

不规则条状

2mm

90

1.4倍

实施例2.以解放卡车专用制动毂为对象

条件	填充槽宽度	填充槽深度	填充材料	熔敷次数	填充槽分布	间距	与部件轴线角度	使用效果
条件	填充槽宽度	填充槽深度	填充材料	熔敷次数	填充槽分布	间距	与部件轴线角度	使用效果	1	0.5mm	1mm	Fe30A	3	平行条状	0.5mm	90	0.5倍
2	1.0mm	1mm	Ni45	3	平行条状	1.5mm	60	1.0倍	1	0.5mm	1mm	Fe30A	3	平行条状	0.5mm	90	0.5倍
2	1.0mm	1mm	Ni45	3	平行条状	1.5mm	60	1.0倍	3	1.5mm	1.5mm	Fe30A	5	平行条状于坑状随机分布	1.5mm	30	0.8倍
4	1.5mm	1.5mm	Co50	5	网格状	1.0mm	0	1.1倍	3	1.5mm	1.5mm	Fe30A	5	平行条状于坑状随机分布	1.5mm	30	0.8倍
4	1.5mm	1.5mm	Co50	5	网格状	1.0mm	0	1.1倍	5	2.0mm	2.0mm	Co50	7	网格状	1.5mm	60	1.2倍
6	2.5mm	1.5mm	Fe30A	5	坑状	1.0mm	0	0.7倍	5	2.0mm	2.0mm	Co50	7	网格状	1.5mm	60	1.2倍
6	2.5mm	1.5mm	Fe30A	5	坑状	1.0mm	0	0.7倍	7	5.0mm	3.0mm	Ni45	10	网格状	1.5mm	45	0.8倍
8	5mm	3mm	Ni45	8	坑状	2mm	60	0.6倍	7	5.0mm	3.0mm	Ni45	10	网格状	1.5mm	45	0.8倍
8	5mm	3mm	Ni45	8	坑状	2mm	60	0.6倍	9	4mm	2.5mm	Co50	7	不规则条状	3mm	45	0.5倍

Claims

1.一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，其特征在于采用以下具体步骤：

a)在工件表面结共填充槽或填充坑

填充槽的几何形状：宽度：0.5-5mm，深度：0.5-3mm；

填充坑的几何形状：直径：0.5-5mm，深度：0.5-3mm；

b)按部件的使用性能要求选择预置合金粉末

c)对预置合金材料激光熔敷

在加工好的工件填充槽或填充坑内预置准备熔凝的合金粉末，将工件放在工作台上，工作台按照预定的程序进行运动，在工作台运动开始时，用激光对工件填充槽或填充坑内的合金粉末进行熔敷加工成单元体，熔敷过程采用一次或多次进行，每次熔敷金属厚度为0.1-0.6mm，完成熔敷后的部件表面的单元体略高于母体，完成仿生耦合单元体的制作；

2.根据权利要求1所述的一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，其特征在于，所述的填充槽或填充坑按网格状分布为：填充槽或填充坑单一分布，或填充槽与填充坑交叉混和分布。

3.根据权利要求1所述的一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，其特征在于，所述的填充槽或填充坑按平行条状排列分布为：填充槽或填充坑按平行条状排列分布，填充槽与填充坑按等数或不等数交替排列分布。

4.根据权利要求2或3所述的一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，其特征在于，所述的填充槽或填充坑的几何尺寸为同一尺寸分布或不同尺寸分布，分布间距：0.5-3mm。