CN102242360A - 一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于强韧化机械零部件的设计与制造加工技术领域，涉及一种可控提高零部件强度与韧性的方法，具体涉及一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法。其特征是部件表面分布有由仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成的仿生耦合单元体，仿生耦合单元体规律性的分布及其优于原材料的强化组织能够实现处理后大幅度可控调整零部件的强度与韧性的目的，有效地提高材料性能，极大地延长部件的服役寿命。同时，本发明突破传统的对整体材料或整体表面进行改性的思路，利用仿生学原理以激光、电脉冲等高能量束为加工手段对部件进行局部处理，具有制备成本低廉、性能价格比高、绿色、环保等巨大优势。

Description

一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法

技术领域

本发明属于强韧化机械零部件的设计与制造加工技术领域，涉及一种可控提高零部件强度与韧性的方法，具体涉及一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法。

背景技术

现代工业一方面向着高速、高温、高压的方向发展，对金属机械零部件的强度和韧性提出了更高的要求。据统计，在各类零部件的失效与报废中，约有80％是由于金属材料的强度或韧性不适应当前高要求的服役环境而造成的，这造成了重大的经济损失和难以预料的危害。另一方面，又希望减少制造金属机械零部件时的材料消耗，提高机械效率、减少能源消耗，因此如何大幅度可控调整金属机械零部件的机械性能一直是非常重要的工作，是世界性的难题。

目前的研究主要集中在开发新的高性能金属材料、对金属机械零部件进行整体改性处理等方面，它们存在的主要不足是：

第一，在工程应用中，金属机械零部件对材料性能的要求并不单一，往往要求材料具有良好的综合性能。比如说具有高强度的同时具有高韧性，但同种材料的强度和塑性是一对矛盾，既使材料具有很高的强度又具有很好的塑性是很难兼顾的，由此制约了这类零部件的性能改善，往往难以使服役寿命得到显著提高。

第二，改善零部件的成本高。尽管一些方法和技术受到了部分研究者和使用者的青睐，如：开发高强度新型材料、改善热处理工艺等，但要在工业生产中对整体零部件进行改进来提高强度、塑性、延长使用寿命往往受到较为昂贵的价格的限制；同时，在各类零部件的失效与报废中，很大一部分是由于材料表面失效造成的，因此理想的技术方案是对零部件表面进行改性处理而保持心部不变，而目前对整体零部件的改性往往会造成一定程度的资源浪费。

第三，改善材料的工艺往往过程复杂且不易控制，这不仅降低了工艺性、提高了生产成本，而且使得改善的效果也只是具有一定程度的优化，无法实现优化程度、优化方向的可控性。

因此，目前的改善工艺在生产应用中往往具有一定程度的局限性，无法实现在多种零部件上的广泛快速应用。可见，强度和韧性的综合提高已经成为限制一些机械零部件使用寿命的重要因素，而对典型机械零部件的强韧化研究已迫在眉睫。

仿生学研究发现，生物以其形貌、结构、组织等多个因素的协同作用呈现多种功能，实现对环境的最佳适应性。生物的这种“协同作用”称为“生物耦合”，影响生物特定功能的各种因素，是构成生物耦合系统的基本单元，称为耦合单元，简称为“耦元”，例如：形貌耦元、组织耦元。生物界存在着大量天然合理的这种“耦合”，且已达到优化的水平，这是生物生存的需要，是亿万年自然选择和进化的结果。基于生物耦合的机理与规律而进行的仿生，称为“仿生耦合”，它是一种全新的研究方法，依赖于对事物系统、全面的理解，强调各耦元之间的相关性，耦元之间相互制约，相互影响，共同作用，使模仿生物系统而研制的人工系统具有适应环境的功能特性，为新材料的设计和制造开辟了一条崭新的道路。

发明内容

本发明所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，目的是为了解决机械零部件强度与韧性难以同时提高这一矛盾，通过在机械零部件具有一定深度的表层区域进行高能量束仿生耦合处理，实现大幅度可控调整零部件的强度与韧性，延长机械零部件的服役寿命。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

为解决上述问题，借鉴仿生学的发展成果，师法自然，模仿荷叶、贝壳、蜻蜒翅膀等生物通过形貌、结构、组织等多个耦元协同耦合作用的强化模式，通过调整仿生耦元的组织性能和耦合形式，实现使处理后大幅度可控调整零部件的强度与韧性的目的，有效地提高材料性能，极大地延长零部件的使用寿命。

首先根据零部件形状及使用性能要求在部件表面设计出模仿生物体表的仿生形貌耦元，然后利用高能量束在机械零部件表面制造出强化组织，形成形状类似荷叶乳突、植物叶片和蜻蜒翅膀脉络的、性能大大优于原表层组织的强化组织耦元。高能量束按仿生形貌对零部件表面进行处理后，部件表面一定深度范围内获得由仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成的仿生耦合单元体，仿生耦合单元体和部件形成软硬相间、高性能和低性能、高韧性和低韧性以及强度和韧性搭配的仿生耦合强韧化模式。

具体步骤如下：

步骤一，设计仿生耦合单元体的仿生形貌耦元，按零部件形状及使用性能要求，在零部件表面设计出类似于生物体表的仿生形貌耦元，包括一元仿生形貌耦元或二元仿生形貌耦元；

步骤二，选择仿生耦合单元体的强化组织耦元的制备方式。模仿生物体表的强化组织耦元(仿生耦合单元体的强化组织)和低性能组织耦元(部件的原始组织)搭配的组织结合模式，通过高能量束在零部件表面快速加热或冷却制备优于原部件组织的强化组织，制备方式包括：

a)高能量电脉冲或激光直接处理零部件表面，获得仿生耦合单元体的强化组织耦元；

b)高能量电脉冲或激光结合熔覆或熔焊方法处理零部件表面，获得仿生耦合单元体的强化组织耦元；

步骤三，零部件表面的预处理，根据步骤二中选择的仿生耦合单元体的强化组织耦元制备方式，使用高能量束制备强化组织耦元前对零部件表面进行预处理，具体方式包括：

a)对高能量束直接处理的零部件；

b)对高能量束结合熔覆处理的零部件；

c)对高能量束结合熔焊处理的零部件；

步骤四，使用高能量束制备仿生耦合单元体，获得仿生形貌耦元耦合强化组织耦元的强韧化模式。

将经过步骤三预处理的零部件放置在工作台上，工作台按照由仿生形貌耦元设计的程序进行运动，同时激光器或电脉冲装置发出高能量束，对零部件表面进行局部快速加热或冷却处理，在零部件表面一定深度范围内制备出仿生耦合单元体，仿生耦合单元体由一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，形成一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元的二元仿生耦合强韧化模式，或者，仿生耦合单元体由二元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，形成多元仿生耦合强韧化模式。

一种表层局部区域在一定深度范围内分布有仿生耦合单元体的机械零部件，仿生耦合单元体由桩钉状、堤坝状、网格状或层状一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，为二元仿生耦合强韧化模式；仿生耦合单元体由桩钉状耦合堤坝状、桩钉状耦合网格状、桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状、网格状耦合层状的二元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，为多元仿生耦合强韧化模式。

所述桩钉状仿生形貌耦元在零部件表面呈规则点阵式分布，直径为0.07-3.50mm，其深度为0.10-2.50mm，相邻桩钉间距为0.05-10mm。

所述堤坝状、网格状仿生形貌耦元在零部件表面与机械零部件轴线呈0-90°均匀平行分布，条纹宽度为0.07-3.50mm，其深度为0.10-2.50mm，条纹间距为0.05-10mm。在机械零部件表面分布有堤坝状或网格状仿生形貌的仿生耦合单元体时，零部件的强度提高量随仿生形貌耦元与轴线夹角减小而增加，韧性提高量随仿生形貌耦元与轴线夹角增大而增大。即，小的夹角值下，强度提高比韧性提高显著；大的夹角值下，韧性提高比强度提高显著。通过调整堤坝状或网格状仿生形貌耦元与零部件轴线的夹角能够实现机械零部件强度、韧性的可控性提高，有利于根据不同机械零部件的性能需求进行具有针对性的性能提高，实现优化程度、优化方向的可控性。

所述层状仿生形貌耦元覆盖零部件表面，即层状仿生形貌耦元在零部件表面所占面积百分比为100％，其深度为0.05mm-3.50mm。

所述二元仿生形貌耦元由两种交互均匀分布的一元仿生形貌耦元耦合构成：桩钉状仿生形貌耦元均匀的分布于平行的堤坝状或网格状仿生形貌耦元中，分别构成桩钉状耦合堤坝状、桩钉状耦合网格状的二元仿生形貌耦元；桩钉状、堤坝状或网格状仿生形貌耦元均匀的分布于层状仿生形貌耦元上，构成桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状、网格状耦合层状的二元仿生形貌耦元。

本发明所采用的技术手段是通过电脉冲、激光等高能量束结合熔覆、熔焊等方法在经过预处理的机械零部件表面快速加热或冷却，将生物体经过亿万年进化保留下来的最优结构，移植到机械零部件的表层，形成形状类似植物叶片和蜻蜒翅膀脉络的、性能大大优于原表层组织的仿生耦合单元体，让它们和原表层组织形成软硬相间、高性能和低性能、高韧性和低韧性以及强度和韧性搭配的、仿生形貌耦合强化组织的仿生耦合强韧化模式。通过调整仿生耦元的组织性能和耦合形态，实现使处理后大幅度可控调整零部件的强度与韧性的目的。

可通过熔覆不同的合金粉末、熔焊合金种类和含量不同的焊条向单元体中加入Cr、Mn、Si、Mo、V、B、W等合金元素，加入后仿生耦合单元体中合金元素含量高于基体中对应元素含量0.1-5％(质量百分比)，实现进一步强化仿生耦合单元体的目的。

本发明的技术效果是：制备成本低廉，突破传统的对整体材料或整体表面进行改性的思路，以绿色、环保，性能价格比高的方法同时可控提高零部件强度与韧性，延长机械零部件服役寿命。

附图说明

图1是表面有桩钉状仿生耦合单元体的机械零部件结构示意图；

图2是表面有堤坝状仿生耦合单元体的机械零部件结构示意图；

图3是表面有网格状仿生耦合单元体的机械零部件结构示意图；

图4是表面有层状仿生耦合单元体的机械零部件结构示意图；

图5是表面有多元仿生耦合强化模式(桩钉状仿生形貌耦元+堤坝状仿生形貌耦元+强化组织耦元)的机械零部件结构示意图；

图6是表面有多元仿生耦合强化模式(桩钉状仿生形貌耦元+网格状仿生形貌耦元+强化组织耦元)的机械零部件结构示意图；

图7是表面有多元仿生耦合强化模式(桩钉状仿生形貌耦元+层状仿生形貌耦元+强化组织耦元)的机械零部件结构示意图；

图8是表面有多元仿生耦合强化模式(堤坝状仿生形貌耦元+层状仿生形貌耦元+强化组织耦元)的机械零部件结构示意图；

图9是表面有多元仿生耦合强化模式(网格状仿生形貌耦元+层状仿生形貌耦元+强化组织耦元)的机械零部件结构示意图。

图中：1.桩钉状仿生耦合单元体 1-1.桩钉状仿生耦合单元体厚度 1-2.桩钉状仿生耦合单元体间距 2.堤坝状仿生耦合单元体 2-1.堤坝状仿生耦合单元体厚度 2-2堤坝状仿生耦合单元体间距 3.网格状仿生耦合单元体 3-1.网格状仿生耦合单元体厚度3-2.网格状仿生耦合单元体间距 4.层状仿生耦合单元体 4-1.层状仿生耦合单元体厚度5.机械零部件轴线 6.仿生耦合单元体与机械零部件轴线角度

具体实施方式

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：

具体方法是首先在材料表面设计出桩钉状、堤坝状、网格状或层状一元仿生形貌耦元或桩钉状耦合堤坝状、桩钉状耦合网格状、桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状、网格状耦合层状的二元仿生形貌耦元；选择强化组织耦元的制备方法后，用砂纸对零部件表面进行预处理，清理零部件表面，使零部件表面在电脉冲或激光处理时获得均匀、稳定的能量吸收，并防止高能量束处理时熔入氢、硫、磷等有害元素；对选择高能量束结合熔覆或熔焊处理的部件，使用砂纸清理部件表面并用水玻璃固定合金粉末或焊丝；其后，在工作台上，利用高能量束直接处理或结合熔覆、熔焊等方法处理需要加工的区域，通过局部快速加热和快速冷却，在材料表面制备出由仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成的仿生耦合单元体。由于仿生耦合单元体具有晶粒细化、高位错密度、高硬度的强化组织，其性能高于基体材料，在零部件承受拉应力、交变应力等复杂服役环境下，能够分担更高的载荷，从而降低基体材料的受力，改善机械零部件内部的应力分布，使零部件能够承受更高的应力，从而有效提高机械零部件的强度。同时，由于仿生耦合单元体在零部件表面有规律的均匀分布，零部件受力形变过程中，仿生耦合单元体能够有效的约束零部件形变，阻碍应力集中，提高均匀形变程度，使零部件具有更高的形变能力，从而提高零部件的韧性。

本发明所使用高能量束可采用通用激光加工设备和电脉冲加工设备获得，激光参数和电脉冲参数根据加工设备性能、工件的尺寸大小、合金粉末或焊丝的性能而确定。

一种表层局部区域在一定深度范围内分布有仿生耦合单元体的机械零部件，仿生耦合单元体由桩钉状、堤坝状、网格状或层状一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，为二元仿生耦合强韧化模式；仿生耦合单元体由桩钉状耦合堤坝状、桩钉状耦合网格状、桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状、网格状耦合层状的二元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，为多元仿生耦合强韧化模式。

参阅图1，所述桩钉状仿生形貌耦元在零部件表面呈规则点阵式分布，直径为0.07-3.50mm，其深度为0.10-2.50mm，相邻桩钉间距为0.05-10mm。

参阅图2、图3，所述堤坝状、网格状仿生形貌耦元在零部件表面与机械零部件轴线呈0-90°均匀平行分布，条纹宽度为0.07-3.50mm，其深度为0.10-2.50mm，条纹间距为0.05-10mm。在机械零部件表面分布有堤坝状或网格状仿生形貌的仿生耦合单元体时，零部件的强度提高量随仿生形貌耦元与轴线夹角减小而增加，韧性提高量随仿生形貌耦元与轴线夹角增大而增大。即，小的夹角值下，强度提高比韧性提高显著；大的夹角值下，韧性提高比强度提高显著。通过调整堤坝状或网格状仿生形貌耦元与零部件轴线的夹角能够实现机械零部件强度、韧性的可控性提高，有利于根据不同机械零部件的性能需求进行具有针对性的性能提高，实现优化程度、优化方向的可控性。

参阅图4，所述层状仿生形貌耦元覆盖零部件表面，即层状仿生形貌耦元在零部件表面所占面积百分比为100％，其深度为0.05mm-3.50mm。

参阅图5，图6，所述二元仿生形貌耦元由两种交互均匀分布的一元仿生形貌耦元耦合构成：桩钉状仿生形貌耦元均匀的分布于平行的堤坝状或网格状仿生形貌耦元中，分别构成桩钉状耦合堤坝状、桩钉状耦合网格状的二元仿生形貌耦元；

参阅图7，图8，图9，所述桩钉状仿生形貌耦元、堤坝状仿生形貌耦元或网格状仿生形貌耦元均匀的分布于层状仿生形貌耦元上，构成桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状、网格状耦合层状的二元仿生形貌耦元。

通过熔覆不同的合金粉末、熔焊合金种类和含量不同的焊条向仿生耦合单元体中加入合金元素，加入的合金元素包括Cr、Mn、Si、Mo、V、B、W中的一种或几种，加入后仿生耦合单元体中合金元素含量高于基体中对应元素含量0.1-5％(质量百分比)。

根据选择的仿生耦合单元体的强化组织耦元制备方式，使用高能量束制备强化组织耦元前对零部件表面进行预处理，具体方式包括：a)对高能量束直接处理的零部件，使用砂纸清理零部件表面的毛刺、铁锈、油污等异物；b)对高能量束结合熔覆处理的零部件，使用水玻璃将合金粉末调成糊状，均匀涂抹在已处理干净的零部件表面，涂层厚度为1-2mm，自然晾干或在烘箱中加热到100-300℃，保温0.5-3h；c)对高能量束结合熔焊处理的零部件，使用水玻璃将焊丝固定在已处理干净的零部件表面，涂层厚度与焊丝半径等同，自然晾干或在烘箱中加热100-300℃，保温0.5-3h。

具体实例参阅下表，以高速轨道客车天线支架为研究对象。实例中所使用激光加工设备和电脉冲加工设备分别为：Nd:YAG激光器，其主要参数是激光加工电流强度(简称电流强度：100-300A)、脉冲宽度(简称脉宽：1-20ms)、脉冲频率(简称频率：1-20Hz)；脉冲电流放电处理器，其主要加工参数是电流密度(10-200MA/m²)、放电时间(10-300ms)。表1是二元仿生耦合强韧化模式(即仿生耦合单元体由一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成)的高速轨道客车天线支架的强韧化效果，表2是多元仿生耦合强韧化模式(即仿生耦合单元体由二元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成)的高速轨道客车天线支架的强韧化效果。

实施例1，二元仿生耦合强韧化模式的强韧化效果

实施例2多元仿生耦合强韧化模式的强韧化效果

Claims (9)

1.一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，采用以下具体步骤：

步骤一，设计仿生耦合单元体的仿生形貌耦元，按零部件形状及使用性能要求，在零部件表面设计出类似于生物体表的仿生形貌耦元，包括一元仿生形貌耦元或二元仿生形貌耦元；

步骤二，选择仿生耦合单元体的强化组织耦元的制备方式，模仿生物体表的强化组织耦元即仿生耦合单元体的强化组织和低性能组织耦元即部件的原始组织搭配的组织结合模式，通过高能量束在零部件表面快速加热或冷却制备优于原部件组织的强化组织，制备方式包括：

a)高能量电脉冲或激光直接处理零部件表面，获得仿生耦合单元体的强化组织耦元；

b)高能量电脉冲或激光结合熔覆或熔焊方法处理零部件表面，获得仿生耦合单元体的强化组织耦元；

步骤三，零部件表面的预处理，根据步骤二中选择的仿生耦合单元体的强化组织耦元制备方式，使用高能量束制备强化组织耦元前对零部件表面进行预处理，具体方式包括：

a)对高能量束直接处理的零部件；

b)对高能量束结合熔覆处理的零部件；

c)对高能量束结合熔焊处理的零部件；

步骤四，使用高能量束制备仿生耦合单元体，获得仿生形貌耦元耦合强化组织耦元的强韧化模式；

将经过步骤三预处理的零部件放置在工作台上，工作台按照由仿生形貌耦元设计的程序进行运动，同时激光器或电脉冲装置发出高能量束，对零部件表面进行局部快速加热或冷却处理，在零部件表面一定深度范围内制备出仿生耦合单元体，仿生耦合单元体由一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，形成一元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元的二元仿生耦合强韧化模式，或者，仿生耦合单元体由二元仿生形貌耦元耦合强化组织耦元构成时，形成多元仿生耦合强韧化模式。

2.根据权利要求1所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述步骤一中的一元仿生形貌耦元包括：桩钉状、堤坝状、网格状、层状；二元仿生形貌耦元由两种交互均匀分布的一元仿生形貌耦元耦合构成，其形貌包括：桩钉状耦合堤坝状、桩钉状耦合网格状、桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状、网格状耦合层状。

3.根据权利要求1所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述步骤二中通过熔覆不同的合金粉末、熔焊合金种类和含量不同的焊条向仿生耦合单元体中加入合金元素，加入的合金元素包括Cr、Mn、Si、Mo、V、B、W中的一种或几种，质量百分比，加入后仿生耦合单元体中合金元素含量高于基体中对应元素含量0.1-5％。

4.根据权利要求1所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于所述步骤三中：

a)对高能量束直接处理的零部件，使用砂纸清理零部件表面的毛刺、铁锈、油污等异物；

b)对高能量束结合熔覆处理的零部件，使用水玻璃将合金粉末调成糊状，均匀涂抹在已处理干净的零部件表面，涂层厚度为1-2mm，自然晾干或在烘箱中加热到100-300℃，保温0.5-3h；

c)对高能量束结合熔焊处理的零部件，使用水玻璃将焊丝固定在已处理干净的零部件表面，涂层厚度与焊丝半径等同，自然晾干或在烘箱中加热100-300℃，保温0.5-3h。

5.根据权利要求书2所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述桩钉状仿生形貌耦元在零部件表面呈规则点阵式分布，直径为0.07-3.50mm，其深度为0.10-2.50mm，相邻桩钉间距为0.05-10mm。

6.根据权利要求2所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述堤坝状或网格状仿生形貌耦元在零部件表面与机械零部件轴线呈0-90°均匀平行分布，条纹宽度为0.07-3.50mm，其深度为0.10-2.50mm，相邻条纹间距为0.05-10mm。

7.根据权利要求书2所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述层状仿生形貌耦元覆盖零部件表面，即层状仿生形貌耦元在零部件表面所占面积百分比为100％，其深度为0.05mm-3.50mm。

8.根据权利要求2所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述桩钉状仿生形貌耦元分布于平行的堤坝状或网格状仿生形貌耦元中，分别构成桩钉状耦合堤坝状或桩钉状耦合网格状的二元仿生形貌耦元。

9.根据权利要求2所述的一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法，其特征在于，所述桩钉状仿生形貌耦元、堤坝状仿生形貌耦元或网格状仿生形貌耦元均匀的分布于层状仿生形貌耦元上，构成桩钉状耦合层状、堤坝状耦合层状或网格状耦合层状的二元仿生形貌耦元。

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