CN107199402A - 激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法 - Google Patents

激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开材料表面改性领域中的一种激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，在球墨铸铁构件表面覆以吸收层和约束层，用激光器对构件表面激光喷丸，在构件表面制备仿生形貌，用光纤激光器对构件表面进行激光辐照，激光辐照功率密度为20‑30W/mm2，扫描速度为2‑30mm/s，搭接率为20‑60%，构件中的球状石墨剥离，在构件表面形成原位自生石墨烯；一方面利用仿生形貌调节接触界面的表面粗糙度，并结合形变强化过程中的晶粒细化和位错增殖显著提高球墨铸铁表面的弹性模量和剪切强度，另一方面利用基体自生石墨烯优异的导热性能加快热传导和增强热辐射，降低接触界面的温度梯度，从而有效提高构件的抗热疲劳性能。

Description

激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法
技术领域
本发明属于材料表面改性技术领域，具体是对球墨铸铁构件尤其是球墨铸铁摩擦副构件的表面进行改性的方法，用以提高球墨铸铁摩擦副构件表面的摩擦磨损性能和服役寿命。
背景技术
球墨铸铁因具有良好的耐磨性、减震性和优良的切削加工性能及铸造性能,被广泛应用于机械尤其是车辆等领域的摩擦副构件,诸如凸轮轴、活塞环、气缸体/盖、制动盘等。根据球墨铸铁构件不同的工况条件(干摩擦、湿摩擦)，构件的接触界面需要提供或高或低的摩擦系数，并具有良好的抗磨损性能。并且，由于摩擦过程中机械应力的循环加载和摩擦生热，接触界面的温度通常高于铸铁基体且分布不均。因温度梯度而产生的热应力易引起构件表面热裂纹的萌生与扩展，进而导致热疲劳失效，缩短了摩擦副的服役寿命。因此，如何提高球墨铸铁摩擦副构件的摩擦磨损性能和服役寿命，一直是本领域的难题。
目前针对球墨铸铁摩擦副构件，除了在铸造工艺、铸态组织、外形设计和制造精度上进行优化设计以外，还通过表面改性技术提高其性能。表面改性技术包括有：1、通过混合等离子体轰击，使部分石墨转变为渗碳体，从而在零部件表面形成µm量级的强化层，用以提高耐磨性和使用寿命，但该方法在快速冷热交替过程中，易使材料表面产生微裂纹，且存在强化层制备范围难以精确定位等缺陷。2、采用激光熔覆技术或者离子体沉积工艺在表面制备涂层，但这种方法存在涂层非基体自生，结合强度低等问题。
随着表面织构技术的发展，在摩擦副表面塑造仿生形貌已成为一种改善机械零件摩擦学性能的有效手段。例如：中国专利公开号为CN1857844A的文献中公开的方案是：利用激光器输出单脉冲激光，经聚焦后照射到摩擦副零件表面，完成微观造型，从而达到降低磨损、延长疲劳寿命的效果。中国专利公开号为CN101590569A的文献中公开了一种激光复合制备表层仿生结构的方法和装置，先采用激光雕刻技术在摩擦副表面制备规则的微观几何形貌，再用激光冲击强化处理该形貌区域。但是这两篇文献中公开的方案都是基于激光的热效应使材料表面汽化、蒸发形成微坑或凹槽，易在工件表面形成残余拉应力，从而影响其耐磨性能，而且都没有解决摩擦副的散热问题。而事实上，诸如汽车发动机气缸、活塞、制动盘、电梯曳引轮等典型的球墨铸铁摩擦副构件，其接触界面在循环载荷的作用下摩擦温度都高达百度以上，如果只改善表面摩擦磨损性能而不能很好地解决散热问题，则不仅温度的变化将导致摩擦系数的失稳，由热应力引起的裂纹也将大幅影响构件的服役寿命。
发明内容
本发明的目的在于，针对球墨铸铁摩擦副构件通常需要兼顾摩擦磨损性能和散热性能这一问题，提供一种利用激光复合诱导球墨铸铁表面原位自生石墨烯的方法，通过激光诱导，在构件表面原位自生石墨烯，在解决构件表面散热问题的同时显著提高构件表面的摩擦磨损性能和服役寿命。
为实现上述目的，本发明一种激光复合诱导球墨铸铁表面原位自生石墨烯的方法采用的技术方案是依序按以下步骤：
A、在球墨铸铁构件表面覆以吸收层和约束层；
B、用激光器对构件表面激光喷丸，在构件表面制备仿生形貌；
C、用光纤激光器对构件表面进行激光辐照，激光辐照的功率密度为20-30W/mm2，扫描速度为2-30mm/s，搭接率为20-60%，保护气体为氩气；
D、构件中的球状石墨剥离，在构件表面形成原位自生石墨烯。
进一步地，步骤B中的激光器为纳秒脉冲激光器，脉冲频率1-10Hz，激光能量0.8-2J，光斑直径1-3mm。
进一步地，步骤A中，吸收层采用黑漆涂覆，约束层采用水。
本发明和现有技术相比，具有以下有益效果。
1、本发明一方面利用仿生形貌调节接触界面的表面粗糙度，同时容纳磨屑或储油，并结合形变强化过程中的晶粒细化和位错增殖显著提高球墨铸铁表面的弹性模量和剪切强度，达到调节并稳定摩擦系数、降低磨损量的目的；另一方面利用基体自生石墨烯优异的导热性能加快热传导、增强热辐射，大幅降低接触界面的温度梯度，抑制热裂纹的萌生和扩展，从而有效提高摩擦副构件的抗热疲劳性能，延长服役寿命。本发明具有方法简单，工艺可控，易实现大规模批量化生产等优点。
2、基于激光的力效应塑造表面仿生形貌，有效避免热烧蚀对基体材料的损伤和破坏，保证了基体表面的完整性。
3、构件的应用不限工况，在干摩擦条件下仿生形貌增大表面粗糙度并容纳磨屑，有利于提高摩擦系数、降低磨损量；在湿摩擦条件下仿生形貌充当储油池并容纳磨屑，有利于减小摩擦系数、降低磨损量。
4、被激光辐照构件不限形状，由于球状石墨的枝晶在周向呈辐射状径向生长，因此可根据不同构件的具体轮廓沿周向进行激光辐照，皆可获得螺旋线分布石墨烯。
5、利用石墨烯优异的轴向导热性能和螺旋线分布状态，有效降低构件表面各个方向的温度梯度。
6、利用石墨烯超高的近场热辐射率，迅速帮助构件表面辐射散热，有效缓解热疲劳；
7、利用石墨烯高达TPa的杨氏模量，作为增强相有效提高构件表面耐磨性；
8、充分利用球墨铸铁基体材料，采用激光制备集仿生形貌、形变强化和石墨烯散热增强相于一体的功能性摩擦副构件，显著提高其摩擦磨损性能和抗热疲劳性能，有效延长服役寿命。
附图说明
图1是实施例中球状石墨的碳原子片层的结构示意图；
图2是图1中的碳原子片层经层层剥离后形成的石墨烯的结构示意图；
图3是图2中石墨烯的螺旋线状分布示意图；
图中：1.碳原子片层；2.石墨烯；3.螺旋线。
具体实施方式
本发明先利用激光喷丸诱导冲击波使球墨铸铁构件表面发生塑性变形，从而制备仿生形貌并同时产生形变强化；再利用激光辐照诱导铸铁中的球状石墨层间剥离，原位自生螺旋线分布石墨烯。通过仿生形貌、形变强化和原位自生石墨烯的协同作用，调节并稳定球墨铸铁构件摩擦表面的摩擦系数，降低磨损量，同时提升抗热疲劳性能，抑制热裂纹的萌生与扩展，延长服役寿命。具体如下：
先清洗球墨铸铁制成的摩擦副构件，保持其表面清洁干燥。球墨铸铁的铸铁牌号不限，摩擦副构件的形状不限，构件所服役的干、湿工况不限。清洗后在构件表面覆以吸收层和约束层，吸收层采用以黑漆涂覆，约束层采用水。
然后，采用激光器配合五轴数控运动平台，根据构件表面的不同形状设置五轴数控运动平台和激光器的进给路径，用激光器对覆以吸收层和约束层的构件表面进行激光喷丸处理，利用激光喷丸的力效应所导致的塑性形变在构件表面制备仿生形貌，同步产生形变强化，形变强化在球墨铸铁材料表层引起位错增殖和晶粒细化。构件表面制备的仿生形貌可具有不同形状、深度、宽度、间距和角度，五轴数控运动平台和激光器的进给路径则根据仿生形貌的结构特征进行设置。激光器为Nd:YAG纳秒脉冲激光器，脉冲频率1-10Hz，激光能量0.8-2J，光斑直径1-3mm。
最后，去除构件表面残留的吸收层和约束层物质，再采用光纤激光器配合五轴联动数控工作台，对构件表面进行激光辐照处理。采用的光纤激光器为YLS光纤激光器，功率密度为20-30W/mm2，扫描速度为2-30mm/s，扫描方向根据构件表面轮廓采用周向扫描，搭接率为20-60%，保护气体为氩气。基于石墨对激光的高选择性吸收，利用激光辐照的热效应使基材中的球状石墨克服层间范德瓦尔斯力而剥离，也就是诱导铸铁中的球状石墨克服层间范德瓦尔斯力而剥离，从而在构件表面形成原位自生石墨烯。生成的石墨烯在激光所致热流矢量和超快速热传导所致动量矢量的共同作用下，呈螺旋线分布状态。自生石墨烯优异的轴向导热性能和螺旋线分布状态，能有效降低构件表面各个方向的温度梯度；超高的近场热辐射率，能迅速帮助构件表面辐射散热，有效缓解热疲劳；高达TPa的杨氏模量，作为增强相能有效提高构件表面耐磨性。
以下提供本发明的一个实施例。
实施例
球墨铸铁构件是汽车制动盘，基材为牌号QT500，具体实施步骤如下：
A) 清洗QT500球墨铸铁汽车制动盘样品，并清洁干燥表面，以30µm厚的黑漆和3mm厚的水分别作为吸收层和约束层。
B) 采用Nd:YAG纳秒脉冲激光器，脉冲频率10Hz，激光能量1.5J，光斑直径2mm，选用高斯光束在制动盘的盘面上制备圆凹坑仿生形貌，沿制动盘的直径方向上，相邻两个圆凹坑的中心间距2mm，绕轴向转角15。，利用计算机控制系统，设置五轴数控运动平台的进给路径，对制动盘表面进行激光喷丸处理，制备圆凹坑仿生形貌的同时，在基材表层诱导位错增殖和晶粒细化，同步实现形变强化。
C) 去除表面残留的吸收层和约束层物质，在氩气氛围保护下选用YLS-2000光纤激光器，在不损伤制动盘基体的同时，配合五轴联动数控工作台对制动盘表面进行激光辐照处理。激光功率密度大小为21W/mm2，扫描速度为3mm/s，扫描方向为周向，搭接率为30%。参见图1所示的球状石墨的碳原子片层1的结构，由于球状石墨的枝晶沿径向生长，其中的碳原子片层1呈金字塔状堆砌且其轴向热传导性能优异，因此在光热的作用下迅速克服范德瓦尔斯力层层剥离形成如图2中所示的剥离了的石墨烯2，由于热流矢量和超快速热传导所致动量矢量的共同作用，剥离后的石墨烯2呈如图3中所示的螺旋线3分布形状。
对激光辐照处理后的制动盘进行试验，采用纳米压痕仪和扭转疲劳试验机测定制动盘表面激光处理区域的弹性模量和剪切强度，结果表明，改性处理后的制动盘表面的弹性模量约为原有基体的3倍，剪切强度约为原有基体的1.2倍；采用惯性台架进行变温摩擦试验，结果表明，在室温时样品表面的摩擦系数高达0.452，是原有基体的1.85倍，并且在环境温度到达400摄氏度时，制动盘表面的摩擦系数仍然高达0.395，比相同温度下的未处理样品提高了57%，磨损量降低了39%。因此显著提高了制动盘在高温下的摩擦磨损性能，延长服役寿命。

Claims (6)

1.一种激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征是依序按以下步骤：
A、在球墨铸铁构件表面覆以吸收层和约束层；
B、用激光器对构件表面激光喷丸，在构件表面制备仿生形貌；
C、用光纤激光器对构件表面进行激光辐照，激光辐照的功率密度为20-30W/mm2，扫描速度为2-30mm/s，搭接率为20-60%，保护气体为氩气；
D、构件中的球状石墨剥离，在构件表面形成原位自生石墨烯。
2.根据权利要求1所述的激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征是：步骤A中，吸收层采用黑漆涂覆，约束层采用水。
3.根据权利要求1所述的激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征是：步骤B中的激光器为纳秒脉冲激光器，脉冲频率1-10Hz，激光能量0.8-2J，光斑直径1-3mm。
4.根据权利要求1所述的激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征是：步骤C中，在激光辐照之前先去除构件表面残留的吸收层和约束层。
5.根据权利要求1所述的激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征是：步骤C中，光纤激光器的扫描方向根据构件表面轮廓采用周向扫描。
6.根据权利要求1所述的激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征是：步骤D中，生成的石墨烯呈螺旋线状分布。
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