CN110205530A - 一种高速重载列车用铝基钛面制动盘及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速重载列车用铝基钛面制动盘及其成型方法。所述铝基钛面制动盘包括制动盘基体，所述制动盘基体为铝合金制动盘基体，所述铝合金制动盘基体上复合有一层耐磨层，所述耐磨层为钛合金材料，所述铝合金制动盘基体与耐磨层之间还设有过渡层，所述耐磨层和过渡层采用喷射成形3D打印技术与所述铝合金制动盘基体冶金结合；所述耐磨层厚度为4~10mm，所述过渡层的厚度为1~4mm。本发明在轻质高强、散热性好的铝合金基体上打印陶瓷颗粒增强钛合金制动面，可以有效提高制动盘的耐磨性和耐高温性能，制备出高综合性能的高速重载列车用铝基钛面制动盘。

Description

一种高速重载列车用铝基钛面制动盘及其成型方法
技术领域
本发明涉及轨道交通运输技术领域，更具体地，涉及一种高速重载列车用铝基钛面制动盘及其成型方法。
背景技术
制动盘是高速列车刹车系统的重要组成部分，是高速列车安全行驶的重要保障。近年来，随着我国轨道交通的迅猛发展，高速列车逐步向高速、重载、轻质等方向发展，这对高速列车制动系统性能提出了更高的要求。在高速制动的过程中，巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度，引起极高的热应力；制动盘在制动过程中承受高速旋转时的离心力及闸片的压力，因此要求其具有足够的强度；同时要求具有高而稳定的摩擦系数，且好的耐磨性；要求其在激热激冷的下具有抗热裂纹性能；为减轻车辆簧下重量，制动盘材料需具有较低的密度。
目前铁路车辆上使用的制动盘材料仍主要为铸铁和锻钢。但铸铁的耐热裂性能较差，在高温下会产生大的龟裂现象，因此在高速列车上不采用铸铁制动盘。锻钢的强度虽较铸铁高，耐热裂性能较铸铁好，不易产生热龟裂，高速列车上多采用锻钢。但锻钢制动盘高速制动时表面温度不均匀分布，主要是由于摩擦力分布和速度分布不均匀，导致各点的磨损量不同。目前使用的铸铁和锻钢制动盘重量较大，限制了列车速度的进一步提升，且导致列车运行能耗增加。因此，研制新型制动盘材料以改善制动盘性能、减轻列车重量、提高列车速度成为主要趋势。
近年来研发的铝基复合材料能够有效减轻列车重量，而且铝基复合材料的导热性好，能实现盘体快速散热，但其使用温度低，最高使用温度只有300℃，超过这一温度表面将出现剧烈磨损，因此，将铝基复合材料直接应用于高速重载列车制动盘仍然无法达到使用需求。
发明内容
针对现有技术中高速重载列车制动盘存在的不足，本发明的目的在于提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，解决现有的铝基制动盘耐磨损、耐高温性能差的问题，制备出高综合性能的铝基钛面制动盘。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，包括制动盘基体，所述制动盘基体为铝合金制动盘基体，所述铝合金制动盘基体上复合有一层耐磨层，所述耐磨层为钛合金材料，所述铝合金制动盘基体与耐磨层之间还设有过渡层，所述耐磨层和过渡层采用喷射成形3D打印技术与所述铝合金制动盘基体冶金结合；所述耐磨层厚度为4～10mm，所述过渡层的厚度为1～4mm。
本发明在轻质高强、散热性好的铝合金基体上喷射成形3D打印陶瓷颗粒增强钛合金制动面，可以有效提高制动盘的耐磨性和耐高温性能，制备出高综合性能的高速重载列车用铝基钛面制动盘。
进一步地，所述耐磨层厚度为6mm。
进一步地，所述过渡层的厚度为2mm。
进一步地，所述过渡层由以下质量百分比的合金成分制成：Ti：1～10％，Cu：1～8％，Mn：0.1～1％，V：0.5～2.0％，余量为Al，上述所有合金成分之和为100％。
本发明提供的过渡层材料强度高，韧性好，用该合金材料制备的铝合金基体和耐磨层之间的过渡层，是承担基体和耐磨层的结合纽带，承重效果好，能克服两者热膨胀系数不同的缺陷，牢固连接铝合金基体和耐磨层。即使在高温条件下，耐磨层也能与铝合金基体结合，不易脱落，能有效保障列车行驶安全。
本发明同时提供所述过渡层的优选制备方法，步骤如下：将Al加热升温熔化至液态，在750℃～850℃范围内按比例依次加入含Ti、Cu、Mn、V的中间合金，不断搅拌形成成分均匀的液体金属，静置15～20min；向上述液体金属中通入纯度为99.9％的无水高纯氮气除渣，时间为40～60min，将打渣剂加到液体金属表面，静置15～25min后扒渣，得到合金熔体；采用铝合金喷射成形设备直接在制动盘铝基体上进行喷射成形3D打印，制备出高速重载列车制动盘过渡层，喷射成形过程中氮气的压力为1.0～2.0Mpa，氮气的温度为-25～-15℃，所述合金熔体的喷射温度为800～850℃，冷却速度约为103～105K/s；喷射距离为200～300mm。
进一步地，所述耐磨层用钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：1～8％，V：1～6％，陶瓷颗粒：1～8％，Ti余量，上述所有组分之和为100％。
更进一步地，所述陶瓷颗粒为WC、SiC或Al2O3中的任一种，所述陶瓷颗粒的粒度为50～150目。
为了保证钛合金耐磨性的同时提高耐高温性能，本发明在钛基体中加入Al、V元素，科学地设计其成分含量，其中，Al元素是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果，并配合加入V元素，V能够在钛合金中形成VAl11高熔点化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，V还有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。
为了进一步提高耐磨层钛合金的强度和耐磨性，本发明在钛合金中加入适量WC、Al2O3等陶瓷颗粒，由于陶瓷颗粒既具韧性、高导热性和良好的热稳定性等优点，又具高抗压强度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性，本发明通过合理设计陶瓷颗粒含量，得到所需的强度和耐磨性。
本发明同时提供所述耐磨层用钛合金材料的优选制备方法，步骤如下：将除陶瓷颗粒以外的原料加入气氛保护熔炼炉中，通入保护气体后升温至1700～1900℃，熔炼处理40～70min，然后精炼处理30～40min，采用可添加陶瓷颗粒的喷射成形设备，将钛合金液和陶瓷颗粒直接在制动盘过渡层上进行喷射成形3D打印，得到陶瓷颗粒增强钛合金耐磨层。
进一步优选地，所述保护气体为无水氮气、无水氩气。
进一步地，所述喷射成形过程中氮气或氩气的压力为2～3Mpa，氮气或氩气的温度为-20～-10℃，所述合金熔体的喷射温度为2000～2100℃，冷却速度约为103～105K/s，喷射距离为300～500mm。
本发明还提供所述高速重载列车用铝基钛面制动盘的优选成型方法，包括以下步骤：
S1.铝合金制动盘基体成型：以2024铝合金为原材料在熔炼炉中进行熔炼，除渣后静置10～20分钟，采用铝合金喷射成形设备对合金熔体进行喷射成形，喷射成形过程中氮气的压力为1.5～2.5Mpa，氮气的温度为-20～-10℃，所述合金熔体的喷射温度为720～750℃，冷却速度约为103～105K/s，喷射距离为300～500mm，即得；
S2.过渡层成型：对铝合金制动盘基体表面清洗、去油、打毛处理，然后将过渡层材料通过喷射成形3D打印技术喷射到铝合金制动盘基体上形成过渡层；
S3.耐磨层成型：将上述钛合金制动面层材料通过喷射成形3D打印技术喷射到过渡层上形成耐磨层。
进一步优选地，所述2024铝合金的合金成分为：Cu 4％，Mg 1.8％，Mn 0.5％，Zr0.1％，Ti 0.1％，Al余量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用2024高强铝合金为原材料制备制动盘基体，得到的制动盘基体具有轻质高强、散热性好的特点；本发明通过3D打印技术在制动盘基体上打印陶瓷颗粒增强钛合金制动面，有效提高制动盘的耐磨性和耐高温性能，制备出高综合性能的高速重载列车用铝基钛面制动盘；在制动盘基体和钛合金制动面之间还设置有过渡缓冲层，克服前两者因热膨胀系数不同带来的不良影响，牢固连接铝合金基体和钛合金制动面，有效保障列车行驶安全。
本发明采用喷射成形3D打印技术，将过渡层材料和陶瓷增强钛合金材料先后打印在铝基制动盘平面上，得到的过渡层和耐磨层组织致密、均匀；且该方法设备投入小，生产效率高，机加工量少、生产成本低、易实现大规模工业化生产。
附图说明
图1为高速重载列车用铝基钛面制动盘，其中1为铝合金制动盘基体，2为过渡层，3为耐磨层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，包括制动盘基体1，本发明的制动盘基体为铝合金制动盘基体，铝合金制动盘基体上还复合有一层耐磨层3，本实施例中耐磨层3的厚度可以为4～10mm，本实施例优选为6mm；本实施例的耐磨层3为钛合金材料，在本实施例中，钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：6％，V：4％，陶瓷颗粒：5％，Ti余量，上述所有合金成分之和为100％；陶瓷颗粒优选为WC，其粒度为80目。上述钛合金材料的制备方法如下：将除陶瓷颗粒以外的原料加入气氛保护熔炼炉中，通入无水氩气作为保护气体后升温至1800℃，依次进行熔炼和精炼处理，熔炼时间为50min，精炼时间为32min；采用可添加陶瓷颗粒的喷射成形设备，对钛合金液和陶瓷颗粒直接在制动盘过渡层上进行喷射成形3D打印，得到陶瓷颗粒增强钛合金耐磨层，即得；在上述喷射成形过程中氮气或氩气的压力为2Mpa，氮气或氩气的温度为-15℃，合金熔体的喷射温度为2000℃，冷却速度约为103K/s，喷射距离为300mm。
本实施例提供的铝基钛面制动盘还包括过渡层2，过渡层2设置于制动盘基体1与耐磨层3之间，过渡层的厚度可以为1～4mm，本实施例中优选为2mm。在本实施例中，过渡层由以下质量百分比的合金成分制成：Ti：3％，Cu：2％，Mn：0.3％，V：1％，余量为Al，上述所有合金成分之和为100％。上述过渡层材料的优选制备方法如下：将Al加热升温熔化至液态，在850℃范围内按比例依次加入含Ti、Cu、Mn、V的中间合金，不断搅拌形成成分均匀的液体金属，静置15～20min；向上述液体金属中通入纯度为99.9％的无水高纯氮气除渣，时间为60min，将打渣剂加到液体金属表面，静置15～25min后扒渣，得到合金熔体；采用铝合金喷射成形设备直接在制动盘铝基体上进行喷射成形3D打印，制备出高速重载列车制动盘用过渡层，喷射成形过程中氮气的压力为2.0Mpa，氮气的温度为-25～-15℃，所述合金熔体的喷射温度为720℃，冷却速度约为105K/s；喷射距离为200mm。
本发明实施例中耐磨层3和过渡层2均采用喷射成形3D打印技术与制动盘基体1冶金结合，具体的成型方法包括以下步骤：
S1.铝合金制动盘基体成型：以2024铝合金为原材料在熔炼炉中进行熔炼，除渣后静置10分钟，采用铝合金喷射成形设备对合金熔体进行喷射成形，喷射成形过程中氮气的压力为2.5Mpa，氮气的温度为-20～-10℃，所述合金熔体的喷射温度为750℃，冷却速度约为103～105K/s，喷射距离为400mm，即得；其中，2024铝合金的合金成分为：Cu 4％，Mg1.8％，Mn 0.5％，Zr 0.1％，Ti 0.1％，Al余量；
S2.过渡层成型：对铝合金制动盘基体表面清洗、去油、打毛处理，然后将过渡层材料通过喷射成形3D打印技术喷射到铝合金制动盘基体上，形成过渡层；
S3.耐磨层成型：将上述钛合金制动面层材料通过喷射成形3D打印技术喷射到过渡层上，形成耐磨层。
实施例2
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述耐磨层3用钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：2％，V：5％，陶瓷颗粒：3％，Ti余量，上述所有合金成分之和为100％；陶瓷颗粒优选为SiC，其粒度为50目。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例3
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述耐磨层3用钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：5％，V：3％，陶瓷颗粒：1％，Ti余量，上述所有合金成分之和为100％；陶瓷颗粒优选为Al2O3，其粒度为150目。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例4
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述耐磨层3用钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：8％，V：6％，陶瓷颗粒：6％，Ti余量，上述所有合金成分之和为100％；陶瓷颗粒优选为WC，其粒度为100目。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例5
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述耐磨层3用钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：7％，V：2％，陶瓷颗粒：8％，Ti余量，上述所有合金成分之和为100％；陶瓷颗粒优选为WC，其粒度为120目。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例6
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述过渡层材料由以下质量百分比的合金成分组成：Ti：8％，Cu：5％，Mn：1％，V：0.8％，Al余量，上述所有合金成分之和为100％。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例7
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述过渡层材料由以下质量百分比的合金成分组成：Ti：1％，Cu：8％，Mn：0.1％，V：2％，Al余量，上述所有合金成分之和为100％。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例8
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述过渡层材料由以下质量百分比的合金成分组成：Ti：5％，Cu：4％，Mn：0.5％，V：1.2％，Al余量，上述所有合金成分之和为100％。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例9
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述过渡层材料由以下质量百分比的合金成分组成：Ti：2％，Cu：4％，Mn：0.8％，V：1.5％，Al余量，上述所有合金成分之和为100％。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
实施例10
本实施例提供一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，其结构与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，所述过渡层材料由以下质量百分比的合金成分组成：Ti：10％，Cu：5％，Mn：0.2％，V：0.5％，Al余量，上述所有合金成分之和为100％。
上述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法参照实施例1的步骤。
对本发明获得的铝合金制动盘基体的力学性能进行检测，可以发现，本发明的铝合金制动盘基体室温拉伸强度不低于400MPa，屈服强度不低于370MPa，伸长率不低于5％，密度为2.72g/cm3左右。可见，本发明以2024铝合金为原材料制备得到的制动盘基体具有质量轻、强度高的特点。
对实施例1～10制备得到的铝基钛面制动盘钛合金制动面的各项室温力学性能进行检测，包括拉伸强度、屈服强度、伸长率和密度等，具体检测结果见表1。
表1
从上表可以发现，本发明的高速重载列车用铝基钛面制动盘钛合金制动面的室温拉伸拉伸强度不低于700MPa，屈服强度不低于650MPa，伸长率不低于5％，密度大约为4.5g/cm3，其工作温度最高可达550。℃可见，加入钛合金材料可以有效提高制动盘的耐磨性和耐高温性能，制备出高综合性能的高速重载列车用铝基钛面制动盘。
对本发明制备的高速重载列车用铝基钛面制动盘的使用寿命、制动距离和制动时间等性能进行性能测试，上述性能均在车速为350km/h下进行测试，具体结果如下：使用寿命最高可达331000次，制动距离不超过1200m，制动时间低于60s。
从以上测试结果可知，本发明采用2024高强铸造合金为原材料制备制动盘基体，通过喷射成形3D打印技术在制动盘基体上先后打印出过渡层和钛合金耐磨层，有效提高制动盘的耐磨性和耐高温性能，制备出的高速重载列车用铝基钛面制动盘使用寿命长，制动效果好，能满足高速重载列车的行驶需要。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速重载列车用铝基钛面制动盘，包括制动盘基体，其特征在于，所述制动盘基体为铝合金制动盘基体，所述铝合金制动盘基体上复合有一层耐磨层，所述耐磨层为钛合金材料，所述铝合金制动盘基体与耐磨层之间还设有过渡层，所述耐磨层和过渡层采用喷射成形3D打印技术与所述铝合金制动盘基体冶金结合；所述耐磨层厚度为4~10mm，所述过渡层的厚度为1~4mm。
2.根据权利要求1所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述耐磨层厚度为6mm。
3.根据权利要求1所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述过渡层的厚度为2mm。
4.根据权利要求1所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述过渡层由以下质量百分比的合金成分制成：Ti：1~10%，Cu：1~8%，Mn：0.1~1%，V：0.5~2.0%，余量为Al，上述所有合金成分之和为100%。
5.根据权利要求4所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述过渡层的制备方法如下：将Al加热升温熔化至液态，在750℃~850℃范围内按比例依次加入含Ti、Cu、Mn、V的中间合金，不断搅拌形成成分均匀的液体金属，静置15~20min；向上述液体金属中通入纯度为99.9%的无水高纯氮气除渣，时间为40~60min，将打渣剂加到液体金属表面，静置15~25min后扒渣，得到合金熔体；采用铝合金喷射成形设备直接在制动盘铝基体上进行喷射成形3D打印，制备出高速重载列车制动盘过渡层，喷射成形过程中氮气的压力为1.0~2.0Mpa，氮气的温度为-25~-15℃，所述合金熔体的喷射温度为800~850℃，冷却速度约为103~10 5K/s；喷射距离为200~300mm。
6.根据权利要求1所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述耐磨层用钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：1~8%，V：1~6%，陶瓷颗粒：1~8%，Ti余量，上述所有组分之和为100%。
7.根据权利要求6所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述陶瓷颗粒为WC、SiC或Al2O3中的任一种，所述陶瓷颗粒的粒度为50~150目。
8.根据权利要求6所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述耐磨层用钛合金材料的制备方法如下：将除陶瓷颗粒以外的原料加入气氛保护熔炼炉中，通入保护气体后升温至1700~1900℃，熔炼处理40~70min，然后精炼处理30~40min，采用可添加陶瓷颗粒的喷射成形设备，将钛合金液和陶瓷颗粒直接在制动盘过渡层上进行喷射成形3D打印，得到陶瓷颗粒增强钛合金耐磨层；优选地，所述保护气体为无水氮气、无水氩气。
9.根据权利要求8所述高速重载列车用铝基钛面制动盘，其特征在于，所述喷射成形过程中氮气或氩气的压力为2~3Mpa，氮气或氩气的温度为-20~-10℃，所述合金熔体的喷射温度为2000~2100℃，冷却速度约为103~105K/s，喷射距离为300~500mm。
10.根据权利要求1~9任一项所述高速重载列车用铝基钛面制动盘的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.铝合金制动盘基体成型：以2024铝合金为原材料在熔炼炉中进行熔炼，除渣后静置10~20分钟，采用铝合金喷射成形设备对合金熔体进行喷射成形，喷射成形过程中氮气的压力为1.5~2.5Mpa，氮气的温度为-20~-10℃，所述合金熔体的喷射温度为720~750℃，冷却速度约为103~105K/s，喷射距离为300~500mm，即得；
S2.过渡层成型：对铝合金制动盘基体表面清洗、去油、打毛处理，然后将过渡层材料通过喷射成形3D打印技术喷射到铝合金制动盘基体上形成过渡层；
S3.耐磨层成型：将上述钛合金制动面层材料通过喷射成形3D打印技术喷射到过渡层上形成耐磨层。
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