專利名稱：：一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及在機械零部件的急冷急熱工況條件下的抗熱疲勞技術的設計與制造加工技術，涉及一種提高零件熱疲勞壽命的方法。
背景技術：
：對于急冷急熱或反復摩擦條件下服役的部件(如轎車的制動盤、卡車制動轂、列車制動盤、玻璃模具、鍛造模具、壓鑄模具、塑料模具、軋制各種型材的軋輥等)，其表面因反復加熱膨脹、冷卻收縮，而產(chǎn)生疲勞裂紋造成部件失效。以卡車制動轂為例當各種工程車輛制動時，絕大摩擦功轉(zhuǎn)化為熱能被制動零件吸收，導致其工作表面溫度迅速升高(持續(xù)制動時最高溫度可達600-70(TC)，隨后因金屬導熱工作表面又被快速冷卻。頻繁制動使制動轂經(jīng)常受反復加熱和冷卻，溫度梯度的變化將引起材料自由膨脹、收縮受到約束而形成循環(huán)應力或應變，最終在制動表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋。我國汽車用鑄鐵件的生產(chǎn)發(fā)展很快，其中制動轂是經(jīng)常更換的易損件，需求量很大。我國每年因疲勞產(chǎn)生部件失效造成的浪費價值幾百億元，能源和動力費高達幾十億，額外生產(chǎn)、維修和更換部件的人工費用不計其數(shù)。另一方面，隨著公路建設的日新月異，重載汽車開始向高速、重載方向發(fā)展，車輛的制動力矩增大、單次制動時間增長，使得制動轂熱疲勞失效更加頻繁、嚴重，現(xiàn)有制動轂的使用壽命已遠遠不能滿足要求。我國每年因制動轂失效引發(fā)的重大交通事故上千起，給人民生命、財產(chǎn)造成了巨大的傷害，給國家?guī)韲乐氐慕?jīng)濟損失。此外，汽車制動轂屬于勞動密集型產(chǎn)品，在國外生產(chǎn)成本大多高于國內(nèi)。目前，我國生產(chǎn)的制動轂主要出口到美國、日本和歐洲各國。有數(shù)據(jù)表明，美國汽車制動轂配套市場年需求量4000萬件以上，配件市場則多達6000萬件至7000萬件；歐洲汽車制動轂對美國出口額已達3000萬美元以上，但是只占美國市場份額的5%左右。這是由于國產(chǎn)制動轂抗熱疲勞性能較差，使用壽命低，缺乏市場競爭力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決在急冷急熱或反復摩擦工況下，機械部件表層抗疲勞特性以及表層耐磨性的問題，依據(jù)仿生原理提出一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法。本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)—種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法，采用以下步驟a)在工件表面結(jié)共填充槽或填充坑填充槽的幾何形狀寬度0.5-5mm，深度0.5-3mm;填充坑的幾何形狀直徑0.5-5mm，深度0.5-3mm;填充槽或填充坑在按與機械部件軸線呈0-90°呈網(wǎng)格狀或平行條狀排列分布，分布間距為0.5-3mm;b)按部件的使用性能要求選擇預置合金材料預置合金材料的種類包括Fe30A、Ni45和Co50的自熔合金粉末，或WC、SiC、TiC陶瓷粉末，或包括高鉻鑄鐵、高速鋼的特定合金粉末；c)對預置合金材料激光熔敷在加工好的工件填充槽或填充坑內(nèi)預置準備熔凝的合金粉末，將工件放在工作臺上，工作臺按照預定的程序進行運動，在工作臺運動開始時，用激光對工件填充槽或填充坑內(nèi)的合金材料進行熔敷加工成單元體，熔敷過程采用一次或多次進行，每次熔敷金屬厚度為0.1-0.6mm，完成熔敷后的部件表面的單元體略高于母體，完成仿生耦合單元體的制作；所述的填充槽或填充坑按網(wǎng)格狀分布為填充槽或填充坑單一分布，或填充槽與填充坑交叉混和分布。所述的填充槽或填充坑按平行條狀排列分布為填充槽或填充坑按平行條狀排列分布，填充槽與填充坑按等數(shù)或不等數(shù)交替排列分布。所述的填充槽或填充坑的幾何尺寸為同一尺寸分布或不同尺寸分布，分布間距:0.5-3tal。本發(fā)明的技術效果是提出一種更為合理、行之有效的提高機械部件抗熱疲勞性能的方法，其突破傳統(tǒng)從整體或整個表面進行處理改善的方法，并具有加工工藝簡單、性能可靠、加工成本低等優(yōu)點。本發(fā)明采用激光熔凝技術制備的仿生耦合單元體其組織不同于母體，相當于陶瓷復合材料或高合金金屬材料，其機械性能、硬度等大大高于母體材料，如同在工件表層增加了堅固的樁釘或加強筋，單元體的高硬度使其磨損時明顯少于工件材料，形成了保護工件的耐磨層，使工件的耐磨性能大幅度增強。同時，單元體高強度特性，在試樣表層產(chǎn)生了"樁釘"和"堤壩"效應，可有效切斷裂紋的擴展路徑，裂紋擴展至仿生耦合單元體將受到阻滯，隨后發(fā)生不同程度的分叉或偏轉(zhuǎn)，這些現(xiàn)象導致熱疲勞裂紋擴展驅(qū)動力減小，擴展速率降低，明顯改善其抗熱疲勞性能，仿生耦合試樣的抗熱疲勞裂紋擴展能力得到增強。具體實施例方式改善材料及其制件的抗熱疲勞性能一直是研究的熱點，但是，由于這類部件工作環(huán)境的惡劣性輔以熱疲勞問題的復雜性，結(jié)果是往往部件的使用壽命提高不大且成本大為提高。生物經(jīng)過億萬年的進化，不僅能夠適應自然，而且其進化程度接近完善，他們一些奇妙的功能遠遠超過人類自身先前的設計，并逐漸成為解決疑難工程問題的答案。通過觀察自然界具有優(yōu)異抗疲勞的生物(如貝殼、樹葉、蜻蜓翅膀等)發(fā)現(xiàn)他們都有非常相似的特征l.它們都具有軟硬相交替的結(jié)構(gòu)；2.該結(jié)構(gòu)中硬質(zhì)單元自身可以有不同的分布形態(tài)；3.硬質(zhì)單元的相對高硬度均來自其與軟質(zhì)單元的組成材料或組織結(jié)構(gòu)差別。這種形態(tài)、結(jié)構(gòu)和組成材料的有機耦合使得生物具有優(yōu)異的力學性能和止裂抗疲勞功能。由此本發(fā)明提出了采用激光熔覆技術，在部件表面加工形成類似生物體的特殊結(jié)構(gòu)，改善部件的止裂抗疲勞功能的方法。具體做法是首先采用機械加工的方法在部件的表面，加工出類似生物體筋、脈分布的溝槽或凹坑，將合金粉末填充進去并夯實，用激光直接照射讓其和基材一起熔化后迅速凝固在表面，獲得模仿生物體表軟硬相間的仿生耦合區(qū)域，熔凝填充到槽(坑)內(nèi)不同種類的合金或陶瓷粉末形成的仿生耦合單元體，具有比基材更好的強度和耐磨性，這種方法改變了部件表層為單一化學成分及組織的狀態(tài)，變?yōu)檐浻蚕嚅g的結(jié)構(gòu)，可以使原來是單一化學成分及組織的強度和耐磨性大為提高，從而改善部件的抗疲勞功能同時也提高耐磨性。這種方法同原來的激光熔凝相比其熔凝的深度可以任意控制，而原來的深度最大只能達到0.8mm，另一方面原來的熔凝僅是讓原材料熔化凝固成分沒有改變，熔凝區(qū)域的性能改變有限，而此種方法可以熔凝不同種類的合金或陶瓷粉末熔凝區(qū)域的性能大幅度提高且可調(diào)，和原來的激光熔覆相比熔覆的陶瓷粉末比例可調(diào)，熔覆的陶瓷粉末不像原來只存在于表面，它可均勻存在于整個熔凝區(qū)域，使熔凝區(qū)域的性能在部件的服役期內(nèi)均衡，避免原來表面熔覆陶瓷出現(xiàn)的存在陶瓷層時性能好，陶瓷層消失時性能下降的現(xiàn)象，多次熔敷可獲得理想熔敷金屬厚度，實現(xiàn)部件服役壽命的人為控制。本發(fā)明可采用通用激光加工設備對機械部件表面預制填充槽或填充坑進行熔敷，激光參數(shù)可視工件的尺寸大小和填充槽或填充坑的大小以及填充的合金粉末的性能選擇。下面結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及其實施方式具體的實施例參閱下表，表1是以軌道列車專用制動盤為對象的實施例，表2是以解放卡車專用制動轂為對象的實施例。實施例l.以軌道列車專用制動盤為對象:0025]<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實施例2.以解放卡車專用制動轂為對象<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法，其特征在于采用以下具體步驟a)在工件表面結(jié)共填充槽或填充坑填充槽的幾何形狀寬度0.5-5mm，深度0.5-3mm；填充坑的幾何形狀直徑0.5-5mm，深度0.5-3mm；填充槽或填充坑在按與機械部件軸線呈0-90°呈網(wǎng)格狀或平行條狀排列分布，分布間距為0.5-3mm；b)按部件的使用性能要求選擇預置合金粉末預置合金材料的種類包括Fe30A、Ni45和Co50的自熔合金粉末，或WC、SiC、TiC陶瓷粉末，或包括高鉻鑄鐵、高速鋼的特定合金粉末；c)對預置合金材料激光熔敷在加工好的工件填充槽或填充坑內(nèi)預置準備熔凝的合金粉末，將工件放在工作臺上，工作臺按照預定的程序進行運動，在工作臺運動開始時，用激光對工件填充槽或填充坑內(nèi)的合金粉末進行熔敷加工成單元體，熔敷過程采用一次或多次進行，每次熔敷金屬厚度為0.1-0.6mm，完成熔敷后的部件表面的單元體略高于母體，完成仿生耦合單元體的制作；2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法，其特征在于，所述的填充槽或填充坑按網(wǎng)格狀分布為填充槽或填充坑單一分布，或填充槽與填充坑交叉混和分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法，其特征在于，所述的填充槽或填充坑按平行條狀排列分布為填充槽或填充坑按平行條狀排列分布，填充槽與填充坑按等數(shù)或不等數(shù)交替排列分布。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法，其特征在于，所述的填充槽或填充坑的幾何尺寸為同一尺寸分布或不同尺寸分布，分布間距`0.5—3mm。全文摘要本發(fā)明涉及在熱疲勞和磨粒磨損工況條件下使用的疲勞磨損機械部件的制造加工技術，具體說，涉及一種激光局部熔凝仿生耦合處理機械部件方法，采用的技術方案是該方法在機械部件受摩擦面一定厚度的區(qū)域上，模仿生物體的耦合結(jié)構(gòu)，利用激光熔凝填充到槽內(nèi)或坑內(nèi)不同種類的合金和陶瓷粉末加工制作成仿生耦合單元體。由仿生耦合單元體和工件表面組成仿生物表面的仿生耦合區(qū)域，即在試樣表面根據(jù)生物體的結(jié)構(gòu)，加工出凹坑或溝槽將拌有粘結(jié)劑的不同種類的合金和陶瓷粉末填充到槽內(nèi)，緊實風干后進行激光熔凝仿生耦合處理。采用該方法可有效解決在急冷急熱或反復摩擦工況下，機械部件表層抗疲勞特性以及表層耐磨性的問題。文檔編號C23C24/10GK101792906SQ201010143888公開日2010年8月4日申請日期2010年4月12日優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日發(fā)明者任露泉,周倜,周宏,張志輝,張舟,張鵬申請人:吉林大學