CN109182888A - 耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件及其仿生表面制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件及其仿生表面制备方法，该零部件表面采用焊接方法制备大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起；大尺寸仿生柱状凸起分布规律采用45°交错排列的分布方式，且大尺寸仿生柱状凸起在横向、纵向上中心间距相等，其中心间距为其直径的1.5‑2倍；大尺寸仿生柱状凸起与小尺寸仿生柱状凸起存在一定的高度差，且小尺寸仿生柱状凸起均匀分布在相邻四个大尺寸仿生柱状凸起的间隙当中。本发明大幅提高了材料表面的抗高温磨损性能，同时在改善韧性和抗疲劳性能上实现了可控优化，显著改善了耐热部件在各种工况下的适应能力和使用寿命，同时有助于降低成本。
Description
技术领域：
本发明属于耐高温冲蚀磨损零部件制造技术领域，涉及一种具有仿生耐高温冲蚀磨损工作层的耐热零部件。
背景技术：
冲蚀磨损是工程材料破坏的主要磨损形式之一，约占工业生产中磨损破坏总数的8％，在生产实际中，冲蚀磨损很大程度地促使了设备的失效和材料的破坏，每年由于冲蚀磨损所造成的能源和材料的消耗与浪费是无比巨大的，特别是高温冲蚀磨损对材料和装备造成的破坏更为严重，而且随着科学技术的发展,要求钢铁材料零部件能够在高温的环境下服役的情况会越来越多,并且服役条件对耐磨性的要求也越来越高,这样就对零部件的制造加工提出了更高的要求。
耐热钢在高温下具有良好的力学性能和抗氧化能力，因此常被用于制造各种高温环境下使用的机械零部件，其中铬镍型耐热钢在高温条件下具有良好的蠕变性能和优良的抗氧化能力，如40Cr25Ni20，30Cr20Ni10，30Cr26Ni5等，其室温和高温机械性能良好、加工工艺和焊接工艺简单易行，因而被广泛应用1000℃左右的工作环境中，但其受硬度低、耐磨性差等性能缺点的制约，往往不能直接应用于高温耐磨零部件的制造。由于磨损基本发生于材料或零部件的表面，因此采用先进的技术方案提高耐热钢表面抗高温磨损性能无疑具有较高的经济性和可行性。
目前提高耐热钢零部件高温冲蚀磨损性能主要采用多元合金化提高耐热钢抗高温冲蚀磨损性能及在零部件表面制备抗冲蚀磨损涂层等方法：
第一、采用多元合金化提高耐热钢抗高温冲蚀磨损性能(毕继鑫.抗磨耐热钢组织和性能的研究[D].山东：山东科技大学，2008:1-6.)。该方法通过设计并优化耐热钢合金成分，提高耐热钢在高温工况下的硬度、耐磨性及抗氧化能力，进而提高材料在高温工况下的使用寿命。
其缺点是：在零部件实际使用过程中要求材料具有良好的综合性能，需要兼顾材料的强度、耐磨性和韧性等性能指标，但同种材料的强度、硬度和塑性、韧性是相互矛盾的，很难兼顾，因此制约了材料综合性能的改善；
采用多元合金化的方法对耐热钢进行整体改性，由于合金元素的价格昂贵，要提高材料的性能和使用寿命需要加入大量的合金元素，提高了产品的成本，限制了零部件性能的开发；在零部件使用的过程中，大部分失效是由于材料表面失效引起的，而采用整体改性的方法来改善材料整体的性能，在一定程度上造成了浪费；另外，在材料冶炼铸造的过程中，容易受到外界不可控因素的影响，对材料性能的提高造成很大影响。
第二、采用在零件表面制备抗高温冲蚀磨损涂层的办法(孟凡刚，王勇，董立先，韩涛，曾立波.电弧喷涂药芯丝材涂层的组织和高温冲蚀性能[J].中国石油大学学报，2009(33)2：122-126.该方法在基材表面采用电弧喷涂技术制备颗粒增强金属基复合材料防磨涂层，通过涂层对材料表面进行防护，提高材料表面抗高温冲蚀磨损性能。
其缺点是：涂层与金属基体之间的结合力大部分属于附着力，易受多种因素影响，如基体表面粗糙度、基体与镀层表面能等，镀层容易出现结合力不均匀甚至不合格，造成耐磨表面容易脱落、腐蚀等问题；在抗高温冲蚀方面，要求涂层具有较好的综合性能，即高硬度与高韧性，但两者很难兼顾，往往造成镀层硬度高，但脆性大，容易脱落，使用寿命下降；为了提高涂层与基体的结合状态和结合力，基体往往需要进行严格的处理，增加了工艺的复杂性，提高了成本。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，该零部件表面耐高温冲蚀性能好、具有较好抗冲击能力和抗疲劳能力，使用寿命长，生产成本低。
为了解决上述技术问题，本发明的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件表面制备有大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起；大尺寸仿生柱状凸起直径为小尺寸仿生柱状凸起直径的2-3倍，其直径变化范围为15-40mm；大尺寸仿生柱状凸起高度为5-10mm，与小尺寸仿生柱状凸起高度差为3-6mm；两种仿生柱状凸起嵌入基体深度随直径尺寸的增加而增加，嵌入深度为5-10mm；大尺寸仿生柱状凸起分布规律采用45°交错排列的分布方式；大尺寸仿生柱状凸起在横向、纵向上中心间距相等，其中心间距为其直径的1.5-2倍；小尺寸仿生柱状凸起均匀分布在相邻四个大尺寸仿生柱状凸起的间隙当中。
磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起直径比例关系为1.2-1.5倍，磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起高度比例关系为4-6倍。
所述耦合仿生零部件基体为铬镍耐热钢。
所述大尺寸仿生柱状凸起为Nb质量百分比3％-8％的高铬合金铸铁，小尺寸仿生柱状凸起为Nb质量百分比0.3％-0.5％的高铬合金铸铁。
所述大尺寸仿生柱状凸起的成分按质量百分比为：C：3.0％-3.5％，Mn：1.5％-2％，Si：0.5％-1.0％，Cr：20％-30％，Ni：0.5％-1.2％，Mo：0.8％-1.2％，V：0.8％-1.2％，Nb：3％-8％，Ti：0.1％-0.5％，Cu：0.8％-1.2％，Fe：余量。
所述小尺寸仿生柱状凸起的成分按质量百分比为：C：2.5％-3.5％，Mn：0.5％-1.5％，Si：0.5％-1.0％，Cr：20％-25％，Ni：0.3％-0.6％，Mo：0.5％-0.8％，V：0.3％-0.5％，Nb：0.3％-0.5％，Cu：0.6％-1.0％，Fe：余量。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件仿生表面的制备方法，该方法包括下述步骤：
(一)根据磨料平均直径与大尺寸仿生凸起直径比例关系和磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起高度比例关系确定大尺寸仿生柱状凸起的尺寸；磨料平均直径为大尺寸仿生柱状凸起直径的1.2-1.5倍，磨料平均直径为大尺寸仿生柱状凸起高度的4-6倍；大尺寸仿生柱状凸起直径为15-40mm，高度为5-10mm，嵌入深度为5-10mm；
(三)根据设定的大尺寸仿生柱状凸起与小尺寸仿生柱状凸起尺寸关系确定小尺寸仿生柱状凸起的尺寸；大尺寸仿生柱状凸起直径为小尺寸仿生柱状凸起直径的2-3倍，两者的高度差为3-6mm；嵌入深度为5-10mm；
(四)在部件表面采用机械加工的方式加工出大、小两种直径的圆孔，分别对应于大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起；圆孔直径小于对应仿生柱状凸起直径2-6mm；圆孔深度小于对应仿生柱状凸起嵌入深度1-3mm；
(三)采用TIG或CO2焊接方法制备大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起，将大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起对应选择的焊材分别填入预先加工好的大、小直径圆孔中，焊接电流为120-300A，电压为10-30V；大尺寸仿生柱状凸起堆焊层数为3-5层，小尺寸仿生柱状凸起堆焊层数为2-4层；层间温度≤200℃；
(四)焊后对部件进行去应力退火处理，并完成表面进行清理和打磨；最后对部件表面进行预处理，清理表面油污和杂质。
在部件表面制备大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起时，考虑实际焊接过程中焊接稀释率对仿生柱状凸起力学性能的影响，为保证仿生柱状凸起的高韧性和高耐磨性，应尽量减少焊接稀释率的影响，将焊接稀释率控制在10％-30％，主要通过选择热量集中的焊接方法如TIG、CO2等，采用直流反接可以有效降低稀释率，并采用多层焊接替代单层焊接的工艺方法，焊接工艺参数应选择小电流、低电压焊接，在保证焊材与母材良好熔合的前提下防止过度稀释；钻孔时实际钻孔直径应小于对应仿生柱状凸起直径2-6mm，防止焊后由于圆孔尺寸增大影响圆孔分布间距，并且该差值随圆孔直径尺寸的增加而增加。这主要是因为圆孔直径尺寸越大，受热影响越大，熔化的母材量越多。钻孔深度随圆孔直径尺寸的增加而增加，实际钻孔深度范围为3-8mm。
有益效果:
传统的多元合金化使零部件整体改性工艺以及采用表面工程技术进行强化或防护工艺，很难兼顾零部件硬度、韧性与抗疲劳能力。本发明借鉴了仿生学原理，模拟了沙漠蜥蜴、蝎子及海洋贝类等生物体表的多因素耦合特征，按部件形状及实际工况要求在耐热部件表面设计出由两种形态、结构、材料的仿生柱状凸起组合形成的仿生功能表面，仿生柱状凸起采用了异种材质搭配、不同特征参数搭配的方法在部件表面制造出具有不同特征的柱形仿生凸起，其中大尺寸仿生柱状凸起采用韧性较高的材质制备，并且凸出高度相对较高，而小尺寸仿生柱状凸起参用采用韧性相对较低的材质制备，并且与大尺寸仿生柱状凸起存在一定的高度差，均匀分布在大尺寸仿生柱状凸起形成的间隙当中，显著增加了零部件表面硬质材料的覆盖面积，整体上形成了软硬搭配，强韧结合、整体抗疲劳且能适应复杂工况的功能表面，大幅提高了材料表面的抗高温磨损性能，同时在改善韧性和抗疲劳性能上实现了可控优化，显著改善了耐热部件在各种工况下的适应能力和使用寿命，同时有助于降低成本。
本发明主要解决了以往铬镍系耐热零部件制造工艺上难以兼顾高硬度、抗冲击、抗疲劳等性能要求，以及在实际生产中难以适应高温冲蚀复杂工况，如冲击载荷的变化、磨料尺寸的变化等问题导致的韧性差、易疲劳、使用寿命低等难题。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件局部立体图。
具体实施方式
针对现有技术在提高耐热零部件耐高温冲蚀磨损上的不足之处，如成本高、工艺复杂、难以兼顾韧性及高温下零部件的硬度及耐磨性要求、耐磨层结合力差、容易脱落、使用寿命低等缺点，本发明开发出一种适用于高温大尺寸磨料冲蚀工况(最高工作温度在1000℃左右，磨料平均直径20-60mm)，能够显著提高铬镍耐热钢零部件表面耐高温冲蚀性能、又具有较好抗冲击能力和抗疲劳能力的仿生耐高温冲蚀磨损的零部件，提高了耐热零部件的使用寿命，降低了生产成本。
如图1所示，本发明的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件表面制备有两种具有不同直径、不同凸起高度的仿生柱状凸起。其中大尺寸仿生柱状凸起直径D为小尺寸仿生柱状凸起直径d的2-3倍，其直径D变化范围为15-40mm；大尺寸仿生柱状凸起高度H为5-10mm，与小尺寸仿生柱状凸起高度h的差为3-6mm；两种仿生柱状凸起嵌入基体深度Hd随直径尺寸的增加而增加，嵌入深度Hd为5-10mm；大尺寸仿生柱状凸起分布规律采用45°交错排列的分布方式；大尺寸仿生柱状凸起在横向上的中心间距a与纵向上的中心间距b相等，其中心间距为其直径的1.5-2倍；小尺寸仿生柱状凸起均匀分布在相邻四个大尺寸仿生柱状凸起的间隙当中。
所述大尺寸仿生柱状凸起所用材料为高温下具有高韧性、高耐磨性的高铬合金铸铁，当耐热零部件表面受到较大冲击作用时，大尺寸仿生柱状凸起具有较高抗冲击、抗高温磨损的能力，能够有效地吸收磨料的冲击能量，降低磨料对小尺寸仿生柱状凸起和基体的损伤，其选材范围为含Nb量较高的高铬合金铸铁，其成分按质量百分比为：C：3.0％-3.5％，Mn：1.5％-2％，Si：0.5％-1.0％，Cr：20％-30％，Ni：0.5％-1.2％，Mo：0.8％-1.2％，V：0.8％-1.2％，Nb：3％-8％，Ti：0.1％-0.5％，Cu：0.8％-1.2％，Fe：余量；小尺寸仿生柱状凸起与大尺寸仿生柱状凸起在耐热钢表面形成高低搭配，在三维方向上增加了对磨料的支撑作用，能够分担磨料对大尺寸仿生柱状凸起的冲击，并且提高了耐磨材料在耐热零部件表面的占用面积，降低了磨料对基体的二次冲蚀作用，提高了整体零部件表面的抗高温磨损性能。其选材范围为含少量Nb的高铬铸铁合金，其成分按质量百分比为：C：2.5％-3.5％，Mn：0.5％-1.5％，Si：0.5％-1.0％，Cr：20％-25％，Ni：0.3％-0.6％，Mo：0.5％-0.8％，V：0.3％-0.5％，Nb：0.3％-0.5％，Cu：0.6％-1.0％，Fe：余量。
上述耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件及其仿生表面制备方法，包括下述步骤：
(一)参考耐热零部件实际工况条件，在耐热零部件表面设计仿生耐高温沖蚀磨损工作层，包括仿生柱状凸起的直径尺寸搭配、凸起高低搭配、材质搭配、分布规律等具体内容，其中磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起直径比例关系为1.2-1.5倍，磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起高度比例关系为4-6倍；
(二)依照设计方案，在部件表面采用机械加工的方式加工出两种直径不同并具有一定深度的圆孔，考虑实际焊接过程中焊接稀释率对仿生柱状凸起力学性能的影响，为保证仿生柱状凸起的高韧性和高耐磨性，应尽量减少焊接稀释率的影响，将焊接稀释率控制在10％-30％。主要通过选择热量集中的焊接方法如TIG、CO2等，采用直流反接有效降低稀释率。同时采用多层焊接替代单层焊接的工艺方法，选择小电流、低电压焊接，以保证焊材与母材良好熔合的前提下防止过度稀释。钻孔时实际钻孔直径整体应小于设计的仿生柱状凸起直径2-6mm，该差值随圆孔直径尺寸的增加而增加，这主要是因为圆孔直径尺寸越大，受热影响越大，熔化的母材量越多，防止焊后由于圆孔尺寸增大影响圆孔分布间距。钻孔深度随圆孔直径尺寸的增加而增加，实际钻孔深度范围为3-8mm，加工完成后对表面进行预处理，清理表面油污和杂质。
(三)采用TIG或CO2等焊接方法按预先设计方案将大、小尺寸仿生柱状凸起对应选择的焊材填入预先加工好的圆孔中，根据仿生柱状凸起整体高度选择堆焊层数，层间温度≤200℃。焊接过程中在保证熔合良好的前提下应尽量较少焊接电流，电流为150-300A，电压为10-30V，焊接参数由焊丝规格具体选择，焊后对加工好的耐热零部件进行表面进行清理和打磨。
表1为实际使用效果；
表2填充材料化学成分
表1
表2填充材料化学成分
本发明所具备的优点主要通过以下技术手段得以实现：
本发明利用仿生学原理，在耐热部件表面设计出由两种形态、结构、材料的仿生凸起组合形成的仿生功能表面，仿生柱状凸起在零部件表面形成具有不同特征的柱形凸起，凸起结构是由高温下具有较高硬度的高铬合金铸铁在耐热钢表面堆焊形成，与耐热钢基体形成软硬相间、强韧结合的作用效果。仿生柱状凸起在尺寸设计上具有大小相间、高低搭配的特征，通过制备大尺寸的大尺寸仿生柱状凸起能够增加与固体颗粒及软质基体的接触面积，起到较大的缓冲作用，同时由于大尺寸的大尺寸仿生柱状凸起优先与磨料接触，故采用具有较高韧性的高铬铸铁合金以提高其自身的抗冲击能力；小尺寸的小尺寸仿生柱状凸起采用耐磨性较好但韧性相对较低的材质制备，能够节约制造成本，同时小尺寸的小尺寸仿生柱状凸起分布在小尺寸的大尺寸仿生柱状凸起的间隙当中，显著提高了硬质材料在零部件表面整体的占用面积，并且能够起到抗二次冲蚀磨损的作用，增加了零部件表面耐高温冲蚀的能力。大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起在设计上存在一定的高度差异，其目的在于一方面大尺寸仿生柱状凸起能够优先与固体颗粒接触，充分发挥其较高的抗冲击能力和抗磨损性能，对小尺寸仿生柱状凸起和基体起到一定的保护作用；其次，小尺寸仿生柱状凸起在三维方向上能够与大尺寸仿生柱状凸起形成配合，增加了固体粒子在三维方向上的支撑点，共同分担固体颗粒的冲击，减缓其对耐热零部件表面的冲击破坏作用，同时采用大、小两种仿生柱状凸起在高度上高低搭配分布的方式，能够改变磨料运动状态，将磨料的运动状态由滑动状态转化为滚动状态，减缓了磨料的冲蚀动能，有效降低了磨料对于软质基体的冲蚀磨损作用；另外，硬质凸起的密集分布状态能够极大程度的抑制裂纹在零部件表面的扩展，提高了零部件的抗疲劳性能。
Claims (6)
1.一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，其特征在于该零部件表面制备有大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起；大尺寸仿生柱状凸起直径为小尺寸仿生柱状凸起直径的2-3倍，其直径变化范围为15-40mm；大尺寸仿生柱状凸起高度为5-10mm，与小尺寸仿生柱状凸起高度差为3-6mm；两种仿生柱状凸起嵌入基体深度随直径尺寸的增加而增加，嵌入深度为5-10mm；大尺寸仿生柱状凸起分布规律采用45°交错排列的分布方式；大尺寸仿生柱状凸起在横向、纵向上中心间距相等，其中心间距为其直径的1.5-2倍；小尺寸仿生柱状凸起均匀分布在相邻四个大尺寸仿生柱状凸起的间隙当中。
2.根据权利要求1所述的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，其特征在于磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起直径比例关系为1.2-1.5倍，磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起高度比例关系为4-6倍。
3.根据权利要求1所述的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，其特征在于所述耦合仿生零部件基体为铬镍耐热钢。
4.根据权利要求1所述的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，其特征在于所述大尺寸仿生柱状凸起为Nb质量百分比3％-8％的高铬合金铸铁，小尺寸仿生柱状凸起为Nb质量百分比0.3％-0.5％的高铬合金铸铁。
5.根据权利要求4所述的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，其特征在于所述大尺寸仿生柱状凸起的成分按质量百分比为：C：3.0％-3.5％，Mn：1.5％-2％，Si：0.5％-1.0％，Cr：20％-30％，Ni：0.5％-1.2％，Mo：0.8％-1.2％，V：0.8％-1.2％，Nb：3％-8％，Ti：0.1％-0.5％，Cu：0.8％-1.2％，Fe：余量；所述小尺寸仿生柱状凸起的成分按质量百分比为：C：2.5％-3.5％，Mn：0.5％-1.5％，Si：0.5％-1.0％，Cr：20％-25％，Ni：0.3％-0.6％，Mo：0.5％-0.8％，V：0.3％-0.5％，Nb：0.3％-0.5％，Cu：0.6％-1.0％，Fe：余量。
6.一种如权利要求1所述的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件仿生表面制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(一)根据磨料平均直径与大尺寸仿生凸起直径比例关系和磨料平均直径与大尺寸仿生柱状凸起高度比例关系确定大尺寸仿生柱状凸起的尺寸；磨料平均直径为大尺寸仿生柱状凸起直径的1.2-1.5倍，磨料平均直径为大尺寸仿生柱状凸起高度的4-6倍；大尺寸仿生柱状凸起直径为15-40mm，高度为5-10mm，嵌入深度为5-10mm；
(三)根据设定的大尺寸仿生柱状凸起与小尺寸仿生柱状凸起尺寸关系确定小尺寸仿生柱状凸起的尺寸；大尺寸仿生柱状凸起直径为小尺寸仿生柱状凸起直径的2-3倍，两者的高度差为3-6mm；嵌入深度为5-10mm；
(四)在部件表面采用机械加工的方式加工出大、小两种直径的圆孔，分别对应于大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起；圆孔直径小于对应仿生柱状凸起直径2-6mm；圆孔深度小于对应仿生柱状凸起嵌入深度1-3mm；
(五)采用TIG或CO2焊接方法制备大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起，将大尺寸仿生柱状凸起和小尺寸仿生柱状凸起对应选择的焊材分别填入预先加工好的大、小直径圆孔中，焊接电流为120-300A，电压为10-30V；大尺寸仿生柱状凸起堆焊层数为3-5层，小尺寸仿生柱状凸起堆焊层数为2-4层；层间温度≤200℃；
(四)焊后对部件进行去应力退火处理，并完成表面清理和打磨；最后对部件表面进行预处理，清理表面油污和杂质。
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