激光熔凝非光滑表面仿生强化工艺及性能研究
发布时间：2021-07-05 22:17
磨损、断裂是金属零部件的主要失效方式,这些失效的源头往往来自于零部件的表面,因此强化零部件表面对提高零部件的使用寿命具有重要的意义。蜣螂、贝壳、犰狳等生物因长期生活在砂粒或土壤中使得该类生物逐渐进化出具有良好耐磨性的体表。因此本文以45钢为试验材料,以上述生物体表作为仿生模本,设计并制备出点状、条状和网格状的非光滑仿生表面,研究非光滑仿生表面试样的耐磨损性能和力学性能。试验采用正交试验和单因素试验方法研究了电流、脉宽、频率以及扫描速度对仿生单元体熔深的影响。结果表明,激光熔凝参数对熔深大小的影响依次为电流、脉宽、频率和扫描速度;其中,激光电流对仿生单元体熔深有较大影响,激光脉宽对仿生单元体轮廓有较大影响。优化的工艺参数为:电流180A、脉宽8ms、频率6Hz、扫描速度120mm/min。45钢经优化的激光熔凝工艺处理后,由表及里分为熔凝区、相变区和热影响区。熔凝区为细小的针状和板条状马氏体组成,硬度750HV0.2。相变区为大量马氏体组成,其晶粒尺寸是熔凝区的3-5倍,平均显微硬度约为520HV0.2,激光熔凝处理显著增加试样表面的硬度。磨损...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光表面改性技术示意图
重庆理工大学硕士学位论文料达到奥氏体化温度以上并迅速冷却，促使材料发生固态相变进而形成极细小的马氏体组织，后者要使材料表面快速熔化并快速冷却，以获得细密的非平衡凝固组织[41-42]。两种表面改性技术都具有细化晶粒组织、工件变形小、加工柔性好等特点。激光合金化与激光熔覆均需要在基材表面添加一定的合金元素，以达到提高基材表面的性能。激光表面合金化是指利用激光热源将一种或多种合金元素熔入基体，经快速加热、冷却、凝固、形成与基体呈冶金结合的合金层[43]。激光熔覆是指在基材表面添加特定功能的合金粉末使熔覆材料与基体表层一起熔凝，最终在基材表面制备出与基体呈冶金结合且具有优异性能的新型表层[40]。两者不同之处在于，激光合金化使基材熔化较多并具有较大的稀释率。
针对鲨鱼、鲸等大型水生动物体表的形态具有减阻的特性，美国、中国和澳亚分别对该类生物体表形态进行了研究。对鲨鱼体表形态的研究表明，其皮肤表现出许多规则的盾鳞，这种盾鳞嵌在皮肤内的骨质基板上并部分露出皮肤表面。鳞片相互独立存在且具有顺流向排列的 V 形沟槽，如图 1.3（a）所示。Walsh 等研究发现，盾鳞片上的 V 型微沟槽具有降低鲨鱼皮肤表面与水的摩擦阻力，起高游动速度的效果。根据 Walsh 等人的研究成果，1978 年美国航空航天局专门鱼皮肤非光滑表面进行了深入研究并设计出了与鲨鱼体表形态相类似的凹状形滑表面，首次把这种非光滑表运用到飞机机身表面，起到降低阻力效果[70-71]。随欧洲空中客车公司对空客 A320 机身表面的 70%进行相类似非光滑表面处理，达节油 1%-2%的效果[72]。西北工业大学在国产飞机的机身表面进行了类似试验，结果表明，机身的阻力减少 5%-8%[73]。随着先进制造技术的发展，这种非光滑的制备逐渐趋于高效化和产业化。北京航空航天大学采用生物复制成形技术有效备出了仿鲨鱼皮肤形态的表面。该技术极大地提高了非光滑表面的生产效率，且验测试该表面具有良好的减阻效果，最大减阻率可达 8.3%[74]。(a) (b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料热处理工艺与技术分析[J]. 李立尧. 工业设计. 2017(08)
[2]激光熔覆TiB2颗粒增强镍基合金复合涂层的微观组织与摩擦学性能研究[J]. 徐婷,李华兵,洪翔,张中威,林炎炎. 兵工学报. 2016(08)
[3]激光冲击对AISI304不锈钢拉伸性能和摩擦磨损性能的影响[J]. 钟金杉,鲁金忠,罗开玉,齐晗,王志龙,韩彬,刘娟. 中国激光. 2013(05)
[4]镍铝材料状态对火焰喷涂层组织结构和性能的影响[J]. 李文兴,雷阿利. 铸造技术. 2012(05)
[5]不同光束移动速度下的激光淬火有限元分析[J]. 汪舟,姜传海,Volker Schulze,陈艳华,嵇宁. 材料科学与工艺. 2011(04)
[6]激光相变硬化在模具表面处理中的应用现状[J]. 吴华春,李名尧. 热加工工艺. 2011(02)
[7]球墨铸铁QT600-3激光相变硬化数值模拟研究[J]. 郭怡晖,刘继常,卢远志,刘金水,颜丙功. 强激光与粒子束. 2010(08)
[8]用于发动机活塞环表面涂层的CrN薄膜[J]. 陈涛,王泽松,周霖,邓建伟,田灿鑫,何俊,刘传胜,付德君. 中国表面工程. 2010(03)
[9]TiN/Ti复合膜与多层膜对Ti811合金高温摩擦性能及微动疲劳抗力的影响[J]. 张晓化,刘道新,王小锋,唐宾. 摩擦学学报. 2009(04)
[10]钛合金激光表面改性技术研究现状[J]. 王东生,田宗军,沈理达,刘志东,黄因慧. 激光与光电子学进展. 2008(06)
博士论文
[1]钛合金激光合金化表面改性技术研究[D]. 刘正道.华东理工大学 2014
[2]热喷涂热障涂层的界面化合物组成控制及其高温失效机理研究[D]. 韩玉君.天津大学 2013
[3]仿生非光滑耦合模具表面粘附性能研究[D]. 单宏宇.吉林大学 2009
硕士论文
[1]铝合金表面激光熔覆NiAl复合涂层组织性能研究[D]. 雷临苹.重庆理工大学 2018
[2]氮碳复合化学热处理表面硬化层的时效工艺及强化机理研究[D]. 熊志高.江苏大学 2017
[3]热喷涂技术应用与发展调研分析[D]. 李君.吉林大学 2015
[4]铝合金表面激光熔覆AlFeMnSi系多主元合金涂层的组织与性能研究[D]. 旷云峰.重庆理工大学 2015
[5]电弧喷涂药芯焊丝及涂层性能研究[D]. 黄林兵.华中科技大学 2011
本文编号：3266926
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光表面改性技术示意图
重庆理工大学硕士学位论文料达到奥氏体化温度以上并迅速冷却，促使材料发生固态相变进而形成极细小的马氏体组织，后者要使材料表面快速熔化并快速冷却，以获得细密的非平衡凝固组织[41-42]。两种表面改性技术都具有细化晶粒组织、工件变形小、加工柔性好等特点。激光合金化与激光熔覆均需要在基材表面添加一定的合金元素，以达到提高基材表面的性能。激光表面合金化是指利用激光热源将一种或多种合金元素熔入基体，经快速加热、冷却、凝固、形成与基体呈冶金结合的合金层[43]。激光熔覆是指在基材表面添加特定功能的合金粉末使熔覆材料与基体表层一起熔凝，最终在基材表面制备出与基体呈冶金结合且具有优异性能的新型表层[40]。两者不同之处在于，激光合金化使基材熔化较多并具有较大的稀释率。
针对鲨鱼、鲸等大型水生动物体表的形态具有减阻的特性，美国、中国和澳亚分别对该类生物体表形态进行了研究。对鲨鱼体表形态的研究表明，其皮肤表现出许多规则的盾鳞，这种盾鳞嵌在皮肤内的骨质基板上并部分露出皮肤表面。鳞片相互独立存在且具有顺流向排列的 V 形沟槽，如图 1.3（a）所示。Walsh 等研究发现，盾鳞片上的 V 型微沟槽具有降低鲨鱼皮肤表面与水的摩擦阻力，起高游动速度的效果。根据 Walsh 等人的研究成果，1978 年美国航空航天局专门鱼皮肤非光滑表面进行了深入研究并设计出了与鲨鱼体表形态相类似的凹状形滑表面，首次把这种非光滑表运用到飞机机身表面，起到降低阻力效果[70-71]。随欧洲空中客车公司对空客 A320 机身表面的 70%进行相类似非光滑表面处理，达节油 1%-2%的效果[72]。西北工业大学在国产飞机的机身表面进行了类似试验，结果表明，机身的阻力减少 5%-8%[73]。随着先进制造技术的发展，这种非光滑的制备逐渐趋于高效化和产业化。北京航空航天大学采用生物复制成形技术有效备出了仿鲨鱼皮肤形态的表面。该技术极大地提高了非光滑表面的生产效率，且验测试该表面具有良好的减阻效果，最大减阻率可达 8.3%[74]。(a) (b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料热处理工艺与技术分析[J]. 李立尧. 工业设计. 2017(08)
[2]激光熔覆TiB2颗粒增强镍基合金复合涂层的微观组织与摩擦学性能研究[J]. 徐婷,李华兵,洪翔,张中威,林炎炎. 兵工学报. 2016(08)
[3]激光冲击对AISI304不锈钢拉伸性能和摩擦磨损性能的影响[J]. 钟金杉,鲁金忠,罗开玉,齐晗,王志龙,韩彬,刘娟. 中国激光. 2013(05)
[4]镍铝材料状态对火焰喷涂层组织结构和性能的影响[J]. 李文兴,雷阿利. 铸造技术. 2012(05)
[5]不同光束移动速度下的激光淬火有限元分析[J]. 汪舟,姜传海,Volker Schulze,陈艳华,嵇宁. 材料科学与工艺. 2011(04)
[6]激光相变硬化在模具表面处理中的应用现状[J]. 吴华春,李名尧. 热加工工艺. 2011(02)
[7]球墨铸铁QT600-3激光相变硬化数值模拟研究[J]. 郭怡晖,刘继常,卢远志,刘金水,颜丙功. 强激光与粒子束. 2010(08)
[8]用于发动机活塞环表面涂层的CrN薄膜[J]. 陈涛,王泽松,周霖,邓建伟,田灿鑫,何俊,刘传胜,付德君. 中国表面工程. 2010(03)
[9]TiN/Ti复合膜与多层膜对Ti811合金高温摩擦性能及微动疲劳抗力的影响[J]. 张晓化,刘道新,王小锋,唐宾. 摩擦学学报. 2009(04)
[10]钛合金激光表面改性技术研究现状[J]. 王东生,田宗军,沈理达,刘志东,黄因慧. 激光与光电子学进展. 2008(06)
博士论文
[1]钛合金激光合金化表面改性技术研究[D]. 刘正道.华东理工大学 2014
[2]热喷涂热障涂层的界面化合物组成控制及其高温失效机理研究[D]. 韩玉君.天津大学 2013
[3]仿生非光滑耦合模具表面粘附性能研究[D]. 单宏宇.吉林大学 2009
硕士论文
[1]铝合金表面激光熔覆NiAl复合涂层组织性能研究[D]. 雷临苹.重庆理工大学 2018
[2]氮碳复合化学热处理表面硬化层的时效工艺及强化机理研究[D]. 熊志高.江苏大学 2017
[3]热喷涂技术应用与发展调研分析[D]. 李君.吉林大学 2015
[4]铝合金表面激光熔覆AlFeMnSi系多主元合金涂层的组织与性能研究[D]. 旷云峰.重庆理工大学 2015
[5]电弧喷涂药芯焊丝及涂层性能研究[D]. 黄林兵.华中科技大学 2011
本文编号：3266926
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