CN103710701B - 一种金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复方法与设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复方法与设备，针对金属工件功能表面使用后出现磨损、裂纹后需要修复，从仿生角度出发，研究耐磨损、抗疲劳生物原型；从减小金属表面修复应力应变角度，将生物原型抗磨损、耐疲劳的结构通过激光熔注辅助同轴送粉“复制”在金属工件待修复表面；突破了传统金属表面修复概念，对金属表面磨损、裂纹及其附近有失效倾向区域进行联合仿生修复再造，显著提高金属修复表面的耐磨性与抗疲劳性，延长金属工件使用寿命，为金属失效表面修复提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域。
背景技术
自然界中生物体表经过千百万年的进化，形成了非常独特的结构，如蜣螂、穿山甲等与硬物接触部位的体表是由凹坑、凸包或鳞片等几何结构组成的非光滑表面，生物的非光滑体表具有减粘、降阻、耐磨的作用，在运动过程中具有很好的耐磨性，由此提出金属失效表面局部仿生修复、延长工件使用寿命、改善使用性能的方法。
金属失效表面仿生修复技术是从仿生角度出发，通过研究耐磨损生物原型、抗疲劳生物原型，通过激光熔注辅助同轴送粉实施仿生修复再造，在模具制品、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头等磨损表面形成抗磨损、耐疲劳的仿生结构修复层，从而延长模具、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头等使用寿命。如果通过仿生修复再造延长金属工件寿命50%以上，不仅会给企业带来巨大经济效益，还可以优化资源配置，节约贵重金属材料，降低能源消耗，具有显著的社会效益。
发明内容
本发明是通过如下方式来解决上述技术问题的：
一种金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复设备，由控制单元、熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块、金属失效表面仿生修复数控加工模块和金属失效表面修复仿生结构体设计模块；所述多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块主要包括激光熔注辅助同轴送粉工艺参数数据库，该数据库中每一条数据记录包括金属表面的失效形式、材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔覆材料、粉末尺寸、送粉速度，熔注后金属表面化学成分、组织结构、耐磨性；所述金属失效表面修复仿生结构体设计模块是选择具有耐磨功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对金属表面失效区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小金属失效表面修复应力应变角度，设计耐磨抗裂仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体；仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计；仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计；从减小金属失效表面修复应力应变角度，修正设计的仿生单元体和仿生结构体；所述金属失效表面仿生修复数控加工模块能够根据设计好的金属失效表面修复仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好金属失效表面修复仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该模块的示教系统中；
所述陶瓷颗粒后侧送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～150 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm；
所述熔覆材料同轴送粉器采用同轴送粉，熔覆材料包括钴基、镍基和铁基合金粉末，送粉率1～800 mg/s，颗粒尺寸为100nm～1.0mm；
所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向行走机构，安装在龙门导轨上，Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器通过固定块与Z轴相连，龙门中间是工件夹具平台，平台带动工件能完成C向转动和B向翻转，翻转角度为正负90度。
在金属失效表面，利用激光熔注辅助同轴送粉的加工方法，对表面进行填加化学元素和仿生修复。所述金属失效表面包括模具制品、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头的磨损表面。所述在金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉而成仿生结构体，相邻陶瓷筋脉间距W1、W2为0.1~80mm，熔注陶瓷筋脉宽度W3、W4为0.1~10mm，熔注陶瓷筋脉厚度h1为0.1~8mm ，熔覆金属复合材料层厚度h2为0.1~8mm，筋脉夹角θ为20~160度。
附图说明
图1金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复设备控制结构框图
图2金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复设备主视结构示意图
其中：1. Z向运动装置 2.Y向运动装置 3. 陶瓷颗粒后侧送粉器 4.待修复工件5. B轴转动装置 6.X向运动装置7.C轴转动装置 8.激光头 9. 熔覆材料同轴送粉器 10.龙门床体
图3金属失效表面修复仿生结构体示意图
其中： W1、W2相邻陶瓷筋脉间距 W3、 W4熔注陶瓷筋脉宽度 h1熔注陶瓷筋脉厚度 h2熔覆金属复合材料层厚度 θ 筋脉夹角。
具体实施方式
金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复设备，由控制单元、熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块、金属失效表面仿生修复数控加工模块和金属失效表面修复仿生结构体设计模块；所述多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块主要包括激光熔注辅助同轴送粉工艺参数数据库，该数据库中每一条数据记录包括金属表面的失效形式、材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔覆材料、粉末尺寸、送粉速度，熔注后金属表面化学成分、组织结构、耐磨性；所述金属失效表面修复仿生结构体设计模块是选择具有耐磨功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对金属表面失效区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小金属失效表面修复应力应变角度，设计耐磨抗裂仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体；仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计；仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计；从减小金属失效表面修复应力应变角度，修正设计的仿生单元体和仿生结构体；所述金属失效表面仿生修复数控加工模块能够根据设计好的金属失效表面修复仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好金属失效表面修复仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该模块的示教系统中；
所述陶瓷颗粒后侧送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～150 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm；
所述熔覆材料同轴送粉器采用同轴送粉，熔覆材料包括钴基、镍基和铁基合金粉末，送粉率1～800 mg/s，颗粒尺寸为100nm～1.0mm；
所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向行走机构，安装在龙门导轨上，Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器通过固定块与Z轴相连，龙门中间是工件夹具平台，平台带动工件能完成C向转动和B向翻转，翻转角度为正负90度。
在金属失效表面，利用激光熔注辅助同轴送粉的加工方法，对表面进行填加化学元素和仿生修复。所述金属失效表面包括模具制品、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头的磨损表面。所述在金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉而成仿生结构体，相邻陶瓷筋脉间距W1、W2为0.1~80mm，熔注陶瓷筋脉宽度W3、W4为0.1~10mm，熔注陶瓷筋脉厚度h1为0.1~8mm ，熔覆金属复合材料层厚度h2为0.1~8mm，筋脉夹角θ为20~160度。
金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复步骤如下：
1．将待修复金属工件夹持夹具平台上，闭合电源，启动五自由度数控工作台、激光发生器电源、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器。
2．通过五自由度数控工作台调整激光焦点、陶瓷熔注、熔覆材料送粉与金属失效表面相对位置。
3．启动“多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块”，输入信息，确定激光熔注辅助同轴送粉优化工艺参数；启动“金属失效表面修复仿生结构体设计模块”，针对金属失效表面不同特征，设计仿生结构体。
4.启动“金属失效表面仿生修复数控加工模块”，根据设计好的金属失效表面仿生结构体自动形成数控加工程序。
5．启动“加工开始”，将激光熔注辅助同轴送粉优化工艺参数传递到激光发生器、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器，输出激光、熔覆材料和陶瓷颗粒，将数控加工程序传递到数控工作台，数控平台按照加工程序控制伺服电机驱动工作台运动，完成金属失效表面仿生修复。
根据轧辊表面磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，选择具有耐磨抗裂功能如贝壳等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，根据轧辊失效表面形态、材料、结构特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，设计轧辊失效表面修复仿生结构体，利用激光熔注辅助同轴送粉对轧辊失效表面进行仿生修复再造。轧辊材料为4Cr5MoSiV1，激光器为2kW光纤激光器、五轴CNC数控系统、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器。WC粉末由熔池中后部注入，注入方向与激光扫描方向相同，与基体表面的角度为45°，激光熔注WC陶瓷颗粒平均尺寸为90μm，陶瓷注入速度m=30 mg/s。熔覆材料为镍基Hastelloy C合金粉，尺寸180μm，采用同轴送粉，送粉速度120 mg/s，采用负离焦6.0mm，激光束加工斑点尺寸为5.0mm，激光功率密度P=620 W/mm2，扫描速度v=15mm/s，熔注层中陶瓷（WC）的体积分数为20%，陶瓷以均匀梯度弥散形态。在金属失效表面加工成一定纹理网格，如图3所示，该网格仿生结构体是由条形单元体按一定规律耦合而成，单元体中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中相邻陶瓷筋脉间距W1、W2为40mm，熔注陶瓷筋脉宽度W3、W4为6mm，熔注陶瓷筋脉厚度h1为3mm ，熔覆金属复合材料层厚度h2为4mm，筋脉夹角θ为90度。热轧辊失效表面激光熔注辅助同轴送粉耦合仿生修复后提高轧辊使用寿命1.2倍以上。
Claims (4)
1.一种金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复设备，由控制单元、熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连；
控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块、金属失效表面仿生修复数控加工模块和金属失效表面修复仿生结构体设计模块；
所述多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块主要包括激光熔注辅助同轴送粉工艺参数数据库，该数据库中每一条数据记录包括金属表面的失效形式、材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔覆材料、粉末尺寸、送粉速度，熔注后金属表面化学成分、组织结构、耐磨性；
所述金属失效表面修复仿生结构体设计模块是选择具有耐磨功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对金属表面失效区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小金属失效表面修复应力应变角度，设计耐磨抗裂仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体；仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计；仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计；从减小金属失效表面修复应力应变角度，修正设计的仿生单元体和仿生结构体；
所述金属失效表面仿生修复数控加工模块能够根据设计好的金属失效表面修复仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好金属失效表面修复仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该模块的示教系统中；
所述陶瓷颗粒后侧送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～150mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10％～50％，熔注层厚度0.01～2.0mm；
所述熔覆材料同轴送粉器采用同轴送粉，熔覆材料包括钴基、镍基和铁基合金粉末，送粉率1～800mg/s，颗粒尺寸为100nm～1.0mm；
所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向行走机构，安装在龙门导轨上，Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器通过固定块与Z轴相连，龙门中间是工件夹具平台，平台带动工件能完成C向转动和B向翻转，翻转角度为正负90度。
2.一种利用权利要求1所述的设备进行金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复方法，其特征在于：在金属失效表面，利用激光熔注辅助同轴送粉的加工方法，对表面进行填加化学元素和仿生修复。
3.根据权利要求2所述的方法，所述金属失效表面包括模具制品、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头的磨损表面。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉而成仿生结构体，相邻陶瓷筋脉间距(W1、W2)为0.1～80mm，熔注陶瓷筋脉宽度(W3、W4)为0.1～10mm，熔注陶瓷筋脉厚度(h1)为0.1～8mm，熔覆金属复合材料层厚度(h2)为0.1～8mm，筋脉夹角(θ)为20～160度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NINGBO DONGHAO DIE-CASTING CO., LTD. Effective date: 20141021 |
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| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Lijun Inventor after: Zhang Weijie Inventor after: Wang Yiqiang Inventor after: Yang Wenhao Inventor before: Liu Lijun Inventor before: Zhang Weijie Inventor before: Wang Yiqiang |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LIU LIJUN ZHANG WEIJIE WANG YIQIANG TO: LIU LIJUN ZHANG WEIJIE WANG YIQIANG YANG WENHAO |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20141021 Address after: 315100 Ningbo, Zhejiang Higher Education Park money Hunan Road No. 1 Applicant after: Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University Applicant after: Ningbo Donghao Die Casting Co., Ltd. Address before: 315100 Ningbo, Zhejiang Higher Education Park money Hunan Road No. 1 Applicant before: Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University |
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Granted publication date: 20160824 Termination date: 20190923 |
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