CN116741317A - 一种梯度功能材料及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度功能材料的设计方法，包括如下步骤：确定基体材料和硬质合金中的合金成分；按照不同比例，将基体材料和硬质合金进行组合，得到不同的合金体系；将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数；将所述模拟参数与设定参数进行比对，得到模拟参数落在设定参数范围内的合金体系，即为梯度功能材料。本发明的梯度功能材料的设计方法，可以通过计算方法，设计和筛选出从基体材料到硬质合金层成分、组织性能的梯度过渡材料，克服传统材料设计时需要通过大量的成分配比和长周期的熔炼‑轧制‑机加工流程完成材料筛选和评估；同时也大大拓宽了梯度材料设计和使用范围。
Description
技术领域
本发明属于梯度功能材料技术领域，具体涉及一种阀门密封面的梯度功能材料的设计方法以及根据该设计方法得到的适用于阀门密封面的梯度功能材料，可适用于阀门密封面的制造、修复和再制造。
背景技术
功能梯度材料(Functionally graded materials，简称FGM)是将两种或多种具有不同性能的原材料，通过采用先进的复合技术控制构成材料的组成和机构等要素沿着一定的方向呈连续梯度变化，从而得到性质和功能也呈梯度变化的新型非均质复合材料。随着科技的发展，FGM的研究相对成熟，已将其推广应用于电子元件、光学器件、汽车、生物医学等技术的材料领域；同时材料的组合种类也由最初的金属/陶瓷扩展到金属、合金、非金属等多种材料相互组合。
在堆焊中，当堆焊层与基体材料理化与力学性能存在较大差别时，采用过渡材料堆焊的方法，即在基体上先堆焊一层梯度材料过渡层，然后在过渡层上堆焊硬面材料。过渡层材料既不同于基体金属，也不同于硬面金属，一般采用焊接性和其熔敷金属塑性较好的金属。虽然过渡层堆焊具有一定的减少硬度突变和降低残余应力的作用，但并不能消除硬度“台阶”，只是将一级台阶分成了二级或多级“台阶”，应力下降幅度也有限。而梯度材料堆焊，它能实现硬度、性能的梯度过渡，基本能消除硬度“台阶”，有效降低残余应力。若将之应用于阀门密封面堆焊上，有望成为解决阀门密封面焊接缺陷的一条有效途径。
传统的梯度功能材料的设计和实验方法费时费力，时间周期长、成本高、效果差。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于阀门密封面的梯度功能材料的设计方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种适用于阀门密封面的梯度功能材料的设计方法，包括如下步骤：
确定基体材料和硬质合金中的合金成分；
按照不同比例，将基体材料和硬质合金进行组合，得到不同的合金体系；
将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数；
将所述模拟参数与设定参数进行比对，得到模拟参数落在设定参数范围内的合金体系，即为梯度功能材料；
若没有符合条件的合金体系，则重新调整基体材料和硬质合金的组合比例，迭代进行上述计算，直到获得模拟参数落在设定参数范围内的合金体系。具体在阀门密封面中，则为组织(脆性相)和线膨胀系数、硬度符合要求的梯度功能材料。
根据本发明的一些优选实施方面，所述模拟参数和设定参数包括合金体系对应的熔敷金属的相组成、密度、线膨胀系数、热导率、杨氏模量、比热容、硬度中的一种或几种。
根据本发明的一些优选实施方面，所述相组成的设定参数为熔敷金属结晶后相组成中的脆性相质量占比小于10％。当熔敷金属中脆性相比例大于10％时，增加或减少混合体中影响脆性相合金的含量，迭代进行材料性能模拟计算，直到脆性相比例小于10％。
根据本发明的一些优选实施方面，所述脆性相包括各类碳化物，如M2(C,N)、M6C、M7C3和M23C6等。
根据本发明的一些优选实施方面，所述线膨胀系数的设定参数为熔敷金属的线膨胀系数介于基体材料与硬质合金对应的线膨胀系数之间。
根据本发明的一些优选实施方面，所述硬度的设定参数为熔敷金属的硬度值介于基体材料与硬质合金对应的硬度之间。
根据本发明的一些优选实施方面，在进行模拟参数的模拟和比对时，按照相组成、线膨胀系数和硬度顺序的依次进行，需相组成、线膨胀系数和硬度均满足条件，才是合适的合金体系；任何一项不满足，则该合金体系不合适。如相组成的大于脆性相比例大于10％时，则该合金体系不合适，无需进行线膨胀系数和硬度的比对。
根据本发明的一些优选实施方面，所述基体材料为低合金钢、高合金钢或不锈钢。
根据本发明的一些优选实施方面，所述硬质合金为钴基Stellite合金或无钴合金(含铁基合金和镍基合金)。
根据本发明的一些优选实施方面，所述材料性能模拟计算软件为JMatPro软件。
根据本发明的一些优选实施方面，所述基体材料和硬质合金之间具有多个由符合要求的梯度功能材料对应形成的多层熔敷金属层。当存在多层熔敷金属层时，按组合比例，从基材到硬质合金层，梯度材料中基材比例减少，至最后一层时不含基材，只有硬质合金。
根据本发明的一些优选实施方面，所述组合为将合金体系中的基体材料质量占比由0％逐渐升至100％，硬质合金的质量占比由100％逐渐降低至0％。
根据本发明的一些优选实施方面，所述模拟计算时，以不同熔敷方法的熔合比和不同熔敷方法的合金烧损比例作为计算边界条件。
优选地，计算不同冷却速度下的组织、硬度和线膨胀系数，为梯度材料的熔敷提供工艺控制参量。实际计算时，首先根据组织、性能确定成分，确定方法是不同材料混合+熔合比+烧损；再根据确定的成分计算性能。成分、性能确定后，考虑冷却速度。冷却速度可以通过调整工艺实现。即：冷却速度虽然是很重要的边界条件，但工程中容易实现。
本发明还提供了一种根据上述的设计方法设计得到的适用于阀门密封面的梯度功能材料。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的适用于阀门密封面的梯度功能材料的设计方法，可以通过计算方法，设计和筛选出从基体材料到硬质合金层成分、组织性能的梯度过渡材料，克服传统材料设计时需要通过大量的成分配比和长周期的熔炼-轧制-机加工流程完成材料筛选和评估，大大节约人力、资金、时间；同时也大大拓宽了梯度材料设计和使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中不同合金体系的相组成；
图2为本发明优选实施例中不同合金体系的T-Linear Expansion(温度-线膨胀系数)图；
图3为本发明优选实施例中不同合金体系的温度-硬度图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种阀门密封面梯度功能材料的设计方法，根据此设计方法得到的材料，可以使阀门密封面从基体材料到硬质合金密封面组织和硬度的梯度过渡。首先采用材料性能模拟计算软件，以不同比例的基体材料和硬质合金混合，以不同熔敷方法时合金元素烧损率、不同熔敷方法的熔合比、不同冷却速度下的非平衡结晶等为边界条件，计算获得所生成的组织及熔敷金属硬度值、线膨胀系数值。当生成的组织中脆性相比例大于10％时，增加或减少混合材料中影响脆性相合金元素的量，并迭代计算使梯度功能材料中的脆性相小于10％，硬度和线膨胀系数介于基体材料与硬质合金熔敷金属之间。采取本设计方法可实现基体材料到硬质合金熔敷层组织上从塑性到硬脆性的平滑过渡，硬度上从低到高的平滑过渡，同时使部件运行中的热应力大为降低(线膨胀系数差异减少后，热应力即可降低)。克服传统基体到硬质合金熔敷层组织和性能的陡变特征，延长阀门密封面的使用寿命。
实施案例
以下以阀座材料ASTM A182 F304不锈钢堆焊阀门密封面用铁基合金Norem02的需求，设计满足阀座材料ASTM A182 F304不锈钢与阀门密封面用铁基合金Norem02良好的焊接相容性的梯度材料合金体系为例，梯度材料熔敷金属的塑性高于Norem02熔敷金属，硬度和线膨胀系数介于F304与Norem02熔敷金属之间。塑性对应的是脆性相，脆性相越少，则材料的塑性越好。
采用本发明的设阀门密封面的梯度功能材料的设计方法，具体实施步骤如下：
步骤(1)：确定基体材料和硬质合金中的合金成分
为了计算执行，本实施例中预设定F304不锈钢与Norem02合金的成分如表1所示。
表1F304不锈钢与Norem02合金成分表
步骤(2)：将基体材料和硬质合金按照不同比例进行组合，得到不同的合金体系
具体的，本实施例中按照如下比例将基体材料和硬质合金进行组合：100％Norem02、10％304-90％Norem02、20％304-80％Norem02、30％304-70％Norem02、40％304-60％Norem02、50％304-50％Norem02、60％304-40％Norem02、70％304-30％Norem02、80％304-20％Norem02、90％304-10％Norem02、100％304不锈钢。
步骤(3)：模拟计算
将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数。
利用JMatPro软件，计算不同成分比例304-Norem02材料的相组成，并对该材料的性能进行模拟，得出线膨胀系数图以及硬度图，分别如图1-3所示。模拟计算时，以不同熔敷方法时合金元素烧损率、不同熔敷方法的熔合比、不同冷却速度下的非平衡结晶等为边界条件，计算获得所生成的组织及熔敷金属硬度值、线膨胀系数值。
图1的相组成结果说明，不同比例304-Norem02混合，得到的相不同，具体表现在铁素体、奥氏体比例不同，碳化物各类、数量不同。
图2的温度-线膨胀系数图的结果说明，梯度材料中基材含量越高，线膨胀系数越接近基材；梯度材料中硬质合金含量越高，则线膨胀系数更与硬质合金接近。
图3的温度-硬度图的结果说明，硬质合金含量越高，梯度材料硬度越高。
根据设计结果，选择脆性相小于配制梯度功能材料粉末，采用激光熔敷工艺制备密封面，并检验密封面组织、硬度与残余应力结果表明，梯度层硬度介于基体材料与硬质合金熔敷金属之间，残余应力较完全硬质合金熔敷层显著降低。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种阀门密封面梯度功能材料的设计方法，在材料组织、性能模拟计算的基础上，制备相应的材料，节省单纯依赖实验时时间周期长、费用高的缺点，解决阀门密封面与基体材料性能差异大导致的阀门密封面可靠性不足的技术问题。本发明的阀门密封面梯度功能材料的设计方法，采用材料性能模拟计算软件，以不同比例的基体材料和硬质合金混合体为基础，增加或减少影响混合体脆性相的合金元素含量，得到一种组织、硬度从基体到硬质合金熔敷层的梯度功能材料。
本发明通过材料性能模拟计算软件，在精确设计特定性能梯度功能材料的基础上，加以实验验证和修正，能够快速获得理想梯度功能材料。根据此设计方法计算梯度材料的组织、硬度与线膨胀系数，也可以计算该梯度材料相关的其他特征性能参量，以实现对任意指定结构梯度材料的设计与制备。由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有以下优点：传统材料设计时需要通过大量的成分配比和长周期的熔炼-轧制-机加工流程完成材料筛选和评估，本发明通过计算方法，设计和筛选出从基体材料到硬质合金层成分、组织性能的梯度过渡材料，克服，大大节约人力、资金的时间，同时也大大拓宽了梯度材料设计和使用范围。
(1)抑制焊接缺陷：阀门密封面堆焊层成分、显微组织与堆焊的焊接裂纹、脆性剥离存在直接关系，堆焊层高C、高Si、高Cr含量和柱状晶组织、脆硬层界面，是导致焊接热裂纹、冷裂纹、气孔和脆性开裂的冶金因素。由于梯度功能材料并不需要特别考虑耐磨性，因此成分设计时可以适当降低导致焊接缺陷和脆性相的元素。为此，针对梯度过渡材料，通过对其成分、显微组织的分析，以发现梯度过渡熔敷金属元素分布、显微组织的变化规律，探索堆焊组织的调控措施，从而发现堆焊层焊接缺陷和脆性剥离的冶金抑制机制。
(2)降低热应力：阀门密封面焊层理化性能与基体材料的差异，导致堆焊层在焊接和服役过程中均存在较大残余应力，这是导致堆焊层焊接缺陷、脆性开裂的力学因素。所设计的梯度材料，其熔敷金属塑性高于硬面层，线膨胀系数介于基体材料和硬面层熔敷金属之间，有利于降低线膨胀系数差异，进而降低堆焊层残余应力。
(3)不显著降低密封面性能：梯度材料对硬面材料的稀释作用，不同于直接硬面合金堆焊时母材对硬面合金的稀释，因此，梯度过渡材料将对堆焊层表面硬度与截面硬度均将产生影响，也即对堆焊层耐磨性产生影响；但并不会显著降低密封面耐磨性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种梯度功能材料的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定基体材料和硬质合金中的合金成分；
按照不同比例，将基体材料和硬质合金进行组合，得到不同的合金体系；
将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数；
将所述模拟参数与设定参数进行比对，得到模拟参数落在设定参数范围内的合金体系，即为梯度功能材料。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述模拟参数和设定参数包括合金体系对应的熔敷金属的相组成、密度、线膨胀系数、热导率、杨氏模量、比热容、硬度中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述相组成的设定参数为熔敷金属结晶后相组成中的脆性相比例小于10％。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述脆性相包括各类碳化物。
5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述线膨胀系数的设定参数为熔敷金属的线膨胀系数介于基体材料与硬质合金熔敷金属对应的线膨胀系数之间。
6.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述硬度的设定参数为熔敷金属的硬度值介于基体材料与硬质合金熔敷金属对应的硬度之间。
7.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在进行模拟参数的模拟和比对时，按照相组成、线膨胀系数和硬度顺序的依次进行。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基体材料为低合金钢、高合金钢或不锈钢。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述硬质合金为钴基Stellite合金或无钴合金。
10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基体材料和硬质合金之间具有多个由符合要求的梯度功能材料对应形成的多层熔敷金属层。
11.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述组合为将合金体系中的基体材料质量占比由0％逐渐升至100％，硬质合金的质量占比由100％逐渐降低至0％。
12.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述模拟计算时，以不同熔敷方法的熔合比和不同熔敷方法的合金烧损比例作为计算边界条件。
13.一种梯度功能材料，其特征在于，所述梯度功能材料为根据权利要求1-12任意一项所述的设计方法设计得到。
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