成分、组织对模具钢激光仿生熔凝处理的响应及数据库系统开发

发布时间：2020-04-22 02:38

【摘要】：激光仿生技术发展的前景之一,是实现仿生产品在激光加工中参数与成型目标自动匹配的智能化,强化材料表面耐磨等性能。现有的激光仿生加工技术,已在前期研究应用中取得显著成效。但是,由于模具钢种类繁多,单元体因母材成分、状态和激光加工参数不同而存在差异,往往需频繁进行正交、优化和评估试验,以确定激光加工参数才可得到合适单元体从而有效改善材料耐磨等性能。上述过程效率低下,制约了仿生表面按需加工的目标,延缓了材料的激光开发进程。目前,激光仿生智能化加工技术发展的关键是对加工参数的选择,具体来说就是对于要求材料的单元体形态或者性能,可以自动匹配相应的参数以供选择。因此,找出材料-加工参数-成型目标特征参量之间的关系模型,改变以往复杂加工流程模式,并根据这些内在关系及试验数据开发出集单元体成型、成性结果预测、加工参数查询及优化选取于一体的模具钢激光仿生加工数据库系统至关重要。根据不同模具钢的不同使用条件,智能匹配要求单元体特征量所需的参数,对加快材料激光开发进程、减少试验过程、提高加工效率具有重要意义。本研究以不同化学成分含量的40Cr、B2、H13、H12、5CrNiMo补焊钢以及不同母体组织的H13钢作为实验对象,通过激光熔凝加工在其表面形成带有不同单元体的仿生耦合表面。首先,对比分析了不同成分下单元体间的尺寸、组织、晶粒尺寸、硬度差异,探究了母材化学成分含量对单元体特征参量的影响规律及作用机制。对五个能量密度下单元体面积、深宽比和硬度分别随合金元素总含量与碳含量比值的变化规律进行拟合,并分别建立了数学模型,得到在一定参数范围内模具钢成分含量与单元体特征参量之间的定量关系。其次,讨论对比了不同组织状态下单元体间的尺寸、组织、晶粒大小、硬度的差异,并进一步探索了模具钢组织状态对单元体特征参量的影响规律和作用机制,从而完善了模具钢-加工参数-成型目标特征参量之间的关系模型。同时,通过对模具钢的不同化学成分含量、组织对单元体特征参量影响的探讨进一步分析了对仿生耦合表面耐磨性能的影响。最后,初步开发了不同模具钢单元体特征参量与对应参数协同匹配的激光加工数据库系统,并设计制作了其数据库应用程序界面。结果显示:(1)在相同能量密度下,随着金碳比的增加,单元体的深度、面积、深宽比增加,而宽度减小;晶粒尺寸呈先减小后增大的趋势,单元体硬度有先增大后变小趋势,且都在金碳比为20.62左右时出现转折。同时,经能量密度为841.438 J/cm~2的激光处理后,不同成分钢的硬度和抗磨损性被提高不同程度。硬度分别提高53.26%(40Cr)46.82%(B2)14.58%(H13)7.16%(H12)12.65%(5CrNiMo补焊钢)。抗磨损性分别提高15.7%(40Cr)13.43%(B2)3.83%(H13)2.30%(H12)3.45%(5CrNiMo补焊钢)。耐磨性提高程度随单元体硬度提高而提高。(2)相同加工参数下,单元体的横截面积和晶粒尺寸随H13钢基体组织奥氏体形核能力的增加而增大,硬度提高程度却随之降低。单元体硬度大小有:退火态淬火态460oC回火600oC回火。同时,不同组织H13钢的硬度和抗磨损性也被提高不同程度。单元体硬度分别提高:165.57%(退火态)7.22%(460oC回火)1.61%(600oC回火)0.35%(淬火态);仿生耦合试样抗磨损性分别提高39.10%(退火态)5.13%(460oC回火)3.97%(600oC回火)5.21%(淬火态)。单元体硬度以及尺寸的增大有利于仿生试样耐磨损性改善程度的提升。
【图文】：

毛蚶,结构示意图

毛蚶贝壳珍珠层的结构示意图

蜻蜓,生物体表,硬质点,非光滑

图 1.2 生物体表结构示意图：部表皮凸状结构硬质点，，（b）寄居蟹、贝壳体表线性(c)蜻蜓翅膀的网状非光滑结构. 1.2 Schematic diagram of organism surface struc
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG665;TG142

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