CN108413007B - 一种具有自适应功能的耐磨齿轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自适应功能的耐磨齿轮及其制造方法。目的在于提供一种具有压力、温度自适应功能的耐磨齿轮，尤其在齿轮温度瞬间升高时，这种齿轮能较长时间地保持良好的传动能力。为克服齿轮传统机械加工方式难以制备TiNi合金/陶瓷仿生结构材料齿轮的难题，本发明采用选区激光熔化技术(SLM)按照如下步骤制备齿轮：选取混合单质粉末、TiNi合金粉末或TiNi合金/陶瓷复合材料粉末，将齿轮的二维切片模型导入3D打印成型装置的控制系统，设定基于SLM的3D打印工艺参数，在真空/惰性气体保护下进行齿轮的3D打印成型，成型齿轮在真空/惰性气体保护下热处理。该齿轮在高载荷下，使用寿命得到了极大的提升，是一种具有广泛应用前景的新型高性能齿轮。

Description

一种具有自适应功能的耐磨齿轮及其制造方法
技术领域
本发明属于机械零件制造领域，具体涉及一种具有自适应功能的耐磨齿轮及其制造方法。
背景技术
齿轮作为机械结构中重要的传动零件，具有传动效率高、工作平稳性高、传动比准确、使用寿命长、安全可靠性强等优点。在齿轮传动过程中，由于过载、齿轮摩擦温度升高，容易发生齿面磨损加剧、齿面胶合、齿面塑性变形甚至轮齿折断等形式的齿轮失效现象。尤其是在突发情况下，供油系统故障，齿轮在乏油或干摩擦条件下运转，齿轮温度瞬间升高，导致齿轮发生胶合现象而瞬间卡死或折断。面对高载荷高温条件下齿轮材料快速失效的问题，主要解决方法有设计高性能齿轮材料、齿轮表面工程技术、表面润滑技术。表面工程技术工艺相对复杂，经处理的表面往往厚度较薄，不能满足承受重载、高温、高耐磨性的要求。表面润滑容易在重载、高温、高速下发生润滑失效的现象，不能保证在特殊工况下的有效性，且防止齿轮失效的效果有限。设计高性能齿轮材料是解决高温高载荷条件下齿轮材料快速失效问题最有希望的解决方法，但传统设计理念通常仅从改善材料硬度、强度等方面来考虑，忽略材料强韧匹配等因素，对齿轮性能的提升有限。
近年来，仿生学研究发现，自然界具有强韧、耐磨特性的生物体，其体表均是刚柔耦合结构，如沙漠蜥蜴背部、海洋贝类等，这类复合结构中的刚性材料具有高硬高耐磨特性，柔性材料具有弹性变形的能力，可多方向承载受压，最终表现出较高的承载能力和极高的耐磨性能。TiNi合金具有超弹性、高耐磨性和高抗疲劳性，在较大应力范围内能产生可逆超弹性变形。高硬陶瓷，如Ti5Si3、TiC等具有高强高承载和高硬高耐磨特性。将TiNi合金和高硬陶瓷优化复合的刚柔耦合材料用于制造齿轮，所得到的齿轮具有自适应特性、高强度、高韧性和高耐磨性。尤其在供油系统故障，齿轮温度瞬间升高，齿轮材料膨胀变形的紧急情况下，这种齿轮由于能发生可逆超弹性变形，不容易发生卡死或轮齿折断的现象，能在紧急情况下较长时间地保持良好的传动能力。
TiNi合金及TiNi合金/陶瓷复合材料的机械加工性非常差，但近年来兴起的激光增材制造技术为难机械加工材料制造齿轮提供了新技术，可用于制造具备各种形状、尺寸以及功能的齿轮。
发明内容
本发明的目的在于改变传统高性能齿轮设计思想，运用仿生学原理，提供一种具有自适应功能的耐磨齿轮及其制造方法，以改善传统方法设计制造的齿轮难以避免的在传动过程中，由于过载、齿轮温度过高，发生齿面磨损加剧、齿面胶合、齿面塑性变形甚至轮齿折断等形式的齿轮失效的问题，当供油系统故障，齿轮温度瞬间升高的紧急情况下能较长时间地保持良好的传动能力。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种具有自适应功能的耐磨齿轮，所述耐磨齿轮由TiNi合金或TiNi合金/陶瓷复合材料通过基于选区激光熔化的3D打印制备而成，其特征在于，具体组分包含原子比为1:1～1:0.4的Ti元素和Ni元素，以及0～30at.％的B、Si、C中的一种或多种元素。
所述TiNi合金/陶瓷复合材料包括：TiNi/TiB2、TiNi/TiC、TiNi/SiC或TiNi/Ti5Si3复合材料。
所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，包括以下步骤：
(1)原料：粒径为30～60μm，球化率大于98％，松装密度为2.35～3.5g/cm3，纯度大于99.5wt.％的所述元素的单质粉末、TiNi合金粉末或TiNi合金/陶瓷复合材料粉末，其中，所述元素的单质粉末按所述比例经均匀混合后作为原料；
(2)利用建模软件建立齿轮三维模型，对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统；
(3)基于选区激光熔化的3D打印工艺参数：铺粉层厚30～70μm，激光功率50～300W，光斑直径50～100μm，扫描速度70～2000mm/s，扫描间距50～100μm；
(4)3D打印过程：成型腔为真空环境或通入惰性气体保护，根据设定工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印；
(5)后处理：打印成型的齿轮送入真空度为10-2～10-4Pa的热处理室进行热处理，热处理温度800～1050℃，保温时间5～40h，随炉冷却至室温，热处理后的齿轮根据使用要求抛光至所需精度。
步骤(4)所述的真空环境的真空度为10-2～10-4Pa，所述惰性气体为氩气。
步骤(5)中进行齿轮抛光工序前对齿轮进行渗Mo或渗N处理，用于抗腐蚀环境。
所述渗Mo处理为：在等离子热处理设备中进行双辉等离子处理的温度为900～950℃，气压为30～40Pa，处理时间为1.5～2h，极间距为15～20mm，源极电压为-600～-750V，阴极电压为-400～-550V。
所述渗N处理为：在离子渗氮机中处理温度为550～600℃，处理时间为5～6h，N2和H2的比为1:1。
所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮，对压力和温度具有很强的自适应能力，齿轮表面受到局部高应力时，能产生超弹性变形，降低局部应力，减小齿轮磨损；齿轮摩擦温度快速升高时，齿轮超弹应力相应升高，能在更大的压力范围内产生超弹性变形，同时齿轮强度得到提升，并且齿轮在超弹性变形过程中能吸收一定的热量，从而降低齿轮温度，减少因温度升高而发生的齿面胶合、轮齿折断等齿轮失效现象的发生。
本发明的有益效果：
本发明提供的具有自适应功能的耐磨齿轮具备TiNi合金可逆超弹性变形能力，当应力增大时，齿面发生超弹性变形，增大接触面积，减小局部应力，降低齿轮磨损率(图1)；随着齿轮摩擦温度升高，TiNi合金超弹应力升高，提高自身强度；在超弹性变形过程中，TiNi合金发生应力诱发马氏体相变并吸收热量，降低齿轮温度，因此所述齿轮对压力和温度具有很强的自适应能力。同时，本发明提供的齿轮还具备高硬陶瓷材料的高强高承载和高硬高耐磨特性，能够提高齿轮的耐磨性能,有效降低由于过载、齿轮温度过高，发生的齿面磨损加剧、齿面胶合、齿面塑性变形甚至轮齿折断等形式的齿轮失效的风险，延长使用寿命，尤其是在供油系统故障，齿轮温度瞬间升高，齿轮材料膨胀变形的紧急情况下，这种齿轮由于能发生可逆超弹性变形，不容易发生卡死或轮齿折断的现象，能在紧急情况下较长时间地保持良好的传动能力。
附图说明
图1为本发明齿轮压力自适应原理图，其中：
(a)从动齿轮轮齿过载-应力分散(超弹性变形)；
(b)从动齿轮轮齿卸载-超弹性变形回复。
图2为激光熔化(SLM)的3D打印示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明提供的具有自适应功能的耐磨齿轮进行进一步的说明。
本发明所制备的齿轮由TiNi合金或TiNi合金/陶瓷复合材料组成，具体组分包含原子比为1:1～1:0.4的Ti元素和Ni元素，以及0～30at.％的B、Si、C中的一种或多种元素。具体技术方案如下：
(1)选取粒径为30～60μm，球化率大于98％，松装密度为2.35～3.5g/cm3，纯度大于99.5wt.％的所述元素的单质粉末、TiNi合金粉末或TiNi合金/陶瓷复合材料粉末作为齿轮制备原料。其中，所述元素的单质粉末需按所述比例经均匀混合后作为原料。优选粉末原料以形成高精度、高质量的齿轮。
(2)利用三维CAD建模软件，如UG、ProE、Catia、Solidworks等建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统。
(3)设定基于选区激光熔化(SLM)技术的3D打印工艺参数：铺粉层厚30～70μm，激光功率50～300W，光斑直径50～100μm，扫描速度70～2000mm/s，扫描间距50～100μm。通过多次试验，准确选择基于SLM技术的3D打印工艺参数，以打印出结构致密、无气孔等缺陷的高质量齿轮。
(4)为防止在高温加工过程中，原料被氧化，控制成型腔为真空环境(真空度为10-2～10-4Pa)或通入惰性气体(氩气)保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印。
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2～10-4Pa的热处理室进行热处理，温度800～1050℃，保温时间5～40h。热处理后的齿轮根据使用需求抛光至所需精度。
如所述齿轮需在腐蚀环境中工作，步骤(5)中进行齿轮抛光工序前需对齿轮进行渗Mo或渗N处理：
所述渗Mo处理为：在等离子热处理设备中进行双辉等离子处理的温度为900～950℃，气压为30～40Pa，处理时间为1.5～2h，极间距为15～20mm，源极电压为-600～-750V，阴极电压为-400～-550V；
所述渗N处理为：在离子渗氮机中处理温度为550～600℃，处理时间为5～6h，N2和H2的比为1:1。
本发明所制造的具有自适应功能的耐磨齿轮：其自适应功能主要源于TiNi合金的超弹性、温度自适应性，可根据齿轮使用的不同工况来调节TiNi组分和陶瓷组分的比例，以提高齿轮的自适应能力。
实施例1
(1)按摩尔比52.5:39.5:8选取Ti、Ni、Si单质粉末，所述粉末粒径约30μm，纯度99.7％，球化率99％。将所述三种元素的单质粉末均匀混合，混合粉末松装密度3.3g/cm3。
(2)利用三维CAD建模软件Solidworks建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统。
(3)设定基于选区激光熔化(SLM)技术的3D打印工艺参数：铺粉层厚30μm，激光功率300W，光斑直径80μm，扫描速度1600mm/s，扫描间距60μm。
(4)向成型腔通入氩气保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印。
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2Pa的热处理室进行热处理，温度950℃，保温时间12h。抛光齿轮至7级精度，完成TiNi/Ti5Si3复合材料齿轮的制造。
由于TiNi合金的自适应特性和Ti5Si3的高承载高耐磨特性，在同等工作条件下该齿轮耐磨性能比耐磨合金38CrMoAlA齿轮的耐磨性能提升5.8倍以上，使用寿命提升6.2倍以上。
实施例2
(1)按摩尔比46:38:16选取Ti、Ni、B单质粉末，所述粉末粒径约60μm，纯度99.8％，球化率99％。将所述三种元素的单质粉末均匀混合，混合粉末松装密度2.4g/cm3。
(2)利用三维CAD建模软件Solidworks建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统。
(3)设定基于选区激光熔化(SLM)技术的3D打印工艺参数：铺粉层厚40μm，激光功率150W，光斑直径80μm，扫描速度700mm/s，扫描间距50μm。
(4)向成型腔通入氩气保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印。
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2Pa的热处理室进行热处理，温度1000℃，保温时间10h。抛光齿轮至7级精度，完成TiNi/TiB2复合材料齿轮的制造。
由于TiNi合金的自适应特性和TiB2的高承载高耐磨特性，在同等工作条件下该齿轮耐磨性能比耐磨合金38CrMoAlA齿轮的耐磨性能提升5.5倍以上，使用寿命提升5.8倍以上。
实施例3
(1)选取Ti、Ni、C比为50:30:20的TiNi/TiC复合材料粉末，所述粉末粒径约50μm，纯度99.8％，球化率99％。将所述三种元素的单质粉末均匀混合，混合粉末松装密度2.6g/cm3。
(2)利用三维CAD建模软件Solidworks建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统。
(3)设定基于选区激光熔化(SLM)技术的3D打印工艺参数：铺粉层厚60μm，激光功率100W，光斑直径80μm，扫描速度200mm/s，扫描间距80μm。
(4)向成型腔通入氩气保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印。
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2Pa的热处理室进行热处理，温度900℃，保温时间20h。将热处理后的部分齿轮在等离子热处理设备中进行渗Mo处理，处理温度为950℃，气压为35Pa，处理时间为1.8h，极间距为20mm，源极电压为-700V，阴极电压为-450V。抛光齿轮至7级精度，完成TiNi/TiC复合材料齿轮的制造。
由于TiNi合金的自适应特性和TiC的高承载高耐磨特性，同等工作条件下未经渗Mo处理的TiNi/TiC复合齿轮耐磨性能比耐磨合金38CrMoAlA齿轮的耐磨性能提升6.4倍以上，使用寿命提升7.3倍以上；在5mol/L的KOH碱性溶液中进行300h腐蚀测试，经渗Mo处理的TiNi/TiC复合齿轮的质量损失率仅为未经渗Mo处理的TiNi/TiC复合齿轮的15％，极大地提升了齿轮的耐腐蚀性能。

Claims (9)

1.一种具有自适应功能的耐磨齿轮，所述耐磨齿轮由TiNi合金或TiNi合金/陶瓷复合材料通过基于选区激光熔化的3D打印制备而成，其特征在于，具体组分包含原子比为1:1～1:0.4的Ti元素和Ni元素，以及0～30at.％的B、Si、C中的一种或多种元素，所述TiNi合金/陶瓷复合材料包括：TiNi/TiB2、TiNi/TiC、TiNi/SiC或TiNi/Ti5Si3复合材料。
2.如权利要求1所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，包括以下步骤：
(1)原料：粒径为30～60μm，球化率大于98％，松装密度为2.35～3 .5g/cm3，纯度大于99.5wt.％的元素的单质粉末、TiNi合金粉末或TiNi合金/陶瓷复合材料粉末，其中，元素的单质粉末按比例经均匀混合后作为原料，所述元素的单质粉末包含Ti元素和Ni元素，以及B、Si、C中的一种或多种元素，所述元素的单质粉末按所述比例包含原子比为1:1～1:0.4的Ti元素和Ni元素，以及0～30at.％的B、Si、C中的一种或多种元素；
(2)利用建模软件建立齿轮三维模型，对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统；
(3)基于选区激光熔化的3D打印工艺参数：铺粉层厚30～70μm，激光功率50～300W，光斑直径50～100μm，扫描速度70～2000mm/s，扫描间距50～100μm；
(4)3D打印过程：成型腔为真空环境或通入惰性气体保护，根据设定工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印；
(5)后处理：打印成型的齿轮送入真空度为10-2～10-4Pa的热处理室进行热处理，热处理温度800～1050℃，保温时间5～40h，随炉冷却至室温，热处理后的齿轮根据使用要求抛光至所需精度。
3.如权利要求2所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，其特征在于，步骤(4)所述的真空环境的真空度为10-2～10-4Pa，所述惰性气体为氩气。
4.如权利要求2所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，其特征在于，步骤(5)中进行齿轮抛光工序前对齿轮进行渗Mo或渗N处理，用于抗腐蚀环境。
5.如权利要求4所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，其特征在于，所述渗Mo处理为：在等离子热处理设备中进行双辉等离子处理的温度为900～950°C，气压为30～40Pa，处理时间为1.5～2h，极间距为15～20mm，源极电压为-600～-750V，阴极电压为-400～-550V。
6.如权利要求4所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，其特征在于，所述渗N处理为：在离子渗氮机中处理温度为550～600°C，处理时间为5～6h，N2和H2的比为1:1。
7.如权利要求2所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，包括以下步骤：
(1)按摩尔比52.5:39.5:8选取Ti、Ni、Si单质粉末，所述粉末粒径约30μm，纯度99.7％，球化率99％，将所述三种元素的单质粉末均匀混合，混合粉末松装密度3.3g/cm3；
(2)利用三维CAD建模软件建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统；
(3)设定基于选区激光熔化的3D打印工艺参数：铺粉层厚30μm，激光功率300W，光斑直径80μm，扫描速度1600mm/s，扫描间距60μm；
(4)向成型腔通入氩气保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印；
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2Pa的热处理室进行热处理，温度950℃，保温时间12h，抛光齿轮至7级精度，完成TiNi/Ti5Si3复合材料齿轮的制造。
8.如权利要求2所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，包括以下步骤：
(1)按摩尔比46:38:16选取Ti、Ni、B单质粉末，所述粉末粒径约60μm，纯度99.8％，球化率99％，将所述三种元素的单质粉末均匀混合，混合粉末松装密度2.4g/cm3；
(2)利用三维CAD建模软件建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统；
(3)设定基于选区激光熔化技术的3D打印工艺参数：铺粉层厚40μm，激光功率150W，光斑直径80μm，扫描速度700mm/s，扫描间距50μm；
(4)向成型腔通入氩气保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印；
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2Pa的热处理室进行热处理，温度1000°C，保温时间10h，抛光齿轮至7级精度，完成TiNi/TiB2复合材料齿轮的制造。
9.如权利要求2所述的一种具有自适应功能的耐磨齿轮的制造方法，包括以下步骤：
(1)选取Ti、Ni、C比为50:30:20的TiNi/TiC复合材料粉末，所述粉末粒径约50μm，纯度99.8％，球化率99％，将所述三种元素的单质粉末均匀混合，混合粉末松装密度2.6g/cm3；
(2)利用三维CAD建模软件建立齿轮三维模型，再对模型进行切片处理，生成二维的切片模型，导入3D打印成型装置的计算机控制系统；
(3)设定基于选区激光熔化技术的3D打印工艺参数：铺粉层厚60μm，激光功率100W，光斑直径80μm，扫描速度200mm/s，扫描间距80μm；
(4)向成型腔通入氩气保护，根据设定的3D打印工艺参数，控制自动铺粉装置在成型腔中的基板上进行均匀铺粉，控制激光对粉层进行选区熔化，一层结构固化成型后成型腔中工作台下降一定高度，继续进行铺粉，激光熔化，以完成下一层的打印，如此循环完成整个齿轮的打印；
(5)将打印成型的齿轮送入真空度为10-2Pa的热处理室进行热处理，温度900°C，保温时间20h，将热处理后的部分齿轮在等离子热处理设备中进行渗Mo处理，处理温度为950℃，气压为35Pa，处理时间为1.8h，极间距为20mm，源极电压为-700V，阴极电压为-450V，抛光齿轮至7级精度，完成TiNi/TiC复合材料齿轮的制造。
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