梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應(yīng)用制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種梯度功能材料新應(yīng)用，用以提高材料抗多碰塑變能力，利用現(xiàn)代先進(jìn)的涂層技術(shù)制成的梯度功能材料，尤其是利用激光熔覆工藝制成的梯度涂層，在低應(yīng)力多次碰撞條件下，累積變形量顯著低于同種條件下相應(yīng)的一般涂層材料和單一材料，這對(duì)提高零部件的壽命、降低生產(chǎn)成本、提高系統(tǒng)的可靠性和安全性有重要的意義。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及梯度功能材料的應(yīng)用，尤其涉及梯度功能材料用以提高材料抗多碰塑變能力的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
在工程領(lǐng)域中，很多重要零部件在不斷碰撞的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，它們主要通過(guò)接觸表面的反復(fù)碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)啟閉或運(yùn)動(dòng)和能量的傳遞，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排氣閥、模具凹凸模、各類控制閥、泵等等。碰撞表面容易出現(xiàn)各種形式的損傷，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致零件失效，如開(kāi)裂、鐓粗、凹陷、表面剝落等。工程中多碰零件的設(shè)計(jì)載荷一般都遠(yuǎn)小于其材料的屈服極限，根據(jù)經(jīng)典強(qiáng)度理論，此應(yīng)力作用下是不可能發(fā)生宏觀塑性變形的，但研究發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)力多碰載荷條件下，材料的靜屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度會(huì)隨著碰撞速度增大和應(yīng)力作用的時(shí)間縮短而提高，即使碰撞應(yīng)力僅為材料屈服極限的1/5 1/2時(shí)，材料仍然會(huì)發(fā)生累積損傷，引起裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。這些零件除本身價(jià)值昂貴外，其失效后由于檢修、停產(chǎn)而帶來(lái)的間接經(jīng)濟(jì)損失往往更為巨大，所以尋求有效的方法來(lái)強(qiáng)化或修復(fù)零件的表面，從而提高其使用壽命，降低生產(chǎn)成本、提高系統(tǒng)的可靠性和安全性有著重要的意義。目前，對(duì)承受較高的、反復(fù)的沖擊載荷的關(guān)鍵零部件，一般采用以下幾種方式來(lái)提高其抗多碰塑變能力1、在整體上選用優(yōu)質(zhì)或合金元素含量較高的材料。2、對(duì)材料進(jìn)行整體強(qiáng)化，如添加適當(dāng)?shù)臒崽幚砑夹g(shù)。陳子文在《從沖擊疲勞角度論鋼的滲碳及熱處理工藝》 中提出滲碳件的二次淬火比一次淬火工藝有高的多沖接觸疲勞壽命，而且適當(dāng)提高回火溫度，把表面硬度控制在58飛OHRC時(shí)具有最高的多沖壽命。3、選擇合適的材料對(duì)其工作表面進(jìn)行強(qiáng)化，如添加涂層。傳統(tǒng)制備強(qiáng)化涂層的方法有堆焊、熱噴涂、噴焊等，但它們的界面相對(duì)孔隙率較高，夾雜物等缺陷較多，很多涂層與基體結(jié)合不牢固，在多沖碰撞載荷下容易發(fā)生應(yīng)力集中而引發(fā)宏觀損傷甚至剝落失效?，F(xiàn)代先進(jìn)涂層制備方法中，主要采用激光束、 聚焦光束、電子束等高能束作為熱源與材料作用來(lái)制備涂層。為了滿足航空飛機(jī)上對(duì)高溫結(jié)構(gòu)件的諸多嚴(yán)格要求，日本科學(xué)家最早提出了梯度功能材料(Functional Gradient Materials,簡(jiǎn)稱FGM)的概念，在結(jié)構(gòu)中引入成分和微觀結(jié)構(gòu)梯度，以便在構(gòu)件的生產(chǎn)中更好更全面的利用已有材料，避免由于外加應(yīng)力和(或)溫度變化而在分割不同材料的銳利界面上引起的應(yīng)力和(或)應(yīng)變集中。后來(lái)隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，梯度功能材料的概念也得到了進(jìn)一步完善。FGM就是以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素(組成和結(jié)構(gòu)等)沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能也呈梯度變化的一種新型材料。相比于突變涂層，它有如下優(yōu)勢(shì)I、熱應(yīng)力可減至最小；2、對(duì)于給定的熱機(jī)械載荷，它可推遲塑性屈服和失效的發(fā)生；3、抑制自由邊界和界面結(jié)合處的嚴(yán)重的應(yīng)力集中和奇異性；4、與突變的界面相比，可以通過(guò)在成分中引入連續(xù)的或逐級(jí)的梯度來(lái)提高不同固體(如金屬和陶瓷)之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。梯度功能材料的制備方法有很多種，而且各有優(yōu)缺點(diǎn)。I、物理氣相沉積法(PVD):通過(guò)各種物理方法使固相物質(zhì)蒸發(fā)進(jìn)而在基體表面成膜的制備方法，即是固體原料一氣相一膜的過(guò)程。此方法沉積溫度低，可作為最后工序處理成品件；但沉積速率低，不能連續(xù)控制成分分布。2、化學(xué)氣相沉積法(CVD):通過(guò)賦予原料氣體不同的能量，在反應(yīng)器中進(jìn)行混合， 使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而生成固相的膜沉積在基體上。此方法易實(shí)現(xiàn)分散相濃度的連續(xù)變化， 可用多元系的原料氣體合成復(fù)雜的化合物；但需要高溫高壓，工件變形嚴(yán)重并存在危險(xiǎn)性。3、自曼延1 溫法(SHS):利用兩種反應(yīng)劑在一定條件下發(fā)生1 放熱反應(yīng)，廣生1 溫，使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)地持續(xù)下去，形成新的化合物。此方法過(guò)程簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速、產(chǎn)物純度高且能耗少；缺點(diǎn)是不同組分之間發(fā)熱量有差異、燒結(jié)程度不同且較難控制而影響材料的致山/又O4、激光熔覆法(LSC):將混合后的粉末通過(guò)噴嘴噴至基體表面，然后通過(guò)改變激光功率、光斑尺寸和掃描速度加熱粉體，在基體表面形成熔池，并改變粉末成分，向熔池中不斷噴粉，以獲得梯度功能涂層。此方法可制備FGM薄膜，也可制備FGM體材，制備時(shí)間短，適用面廣；但需要的特殊設(shè)備都比較復(fù)雜昂貴。5、等離子噴涂(PS):將粉末作噴涂材料，以氣體作載體將粉末吹入等離子射流中， 依靠等離子弧將粉末熔化，熔融的粒子被進(jìn)一步加速，然后以極高的速度打在經(jīng)過(guò)凈化和粗化處理的基材表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，相互擠嵌、填塞，形成扁平的層狀結(jié)構(gòu)涂層。此方法的優(yōu)點(diǎn)是沉積率高、無(wú)需燒結(jié)；但存在冶金結(jié)合和機(jī)械咬合。6、粉末冶金法先將原料粉末按不同混合比均勻混合，然后將不同配比的粉末以梯度分布方式積層排列，再壓制燒結(jié)而成，因此也有人稱之為顆粒梯度排列法。常用的燒結(jié)方法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)等。通過(guò)控制和調(diào)節(jié)原料粉的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性，可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。此方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但需要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制且制得的材料有一定的孔隙率。以上是常見(jiàn)的梯度功能材料的制備方法，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和生產(chǎn)要求的不同，可以選擇相應(yīng)的制備方式，有時(shí)為了獲得更優(yōu)異的性能也可以將兩種方法結(jié)合起來(lái)使用，各取優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
劉磊在《涂層強(qiáng)化材料低應(yīng)力多碰塑性累積研究與建?！分兄赋鲈谕N條件下，具有Ni-2激光熔覆涂層的lCrl8Ni9Ti試件在抗多碰塑性變形能力上優(yōu)于lCrl8Ni9Ti試件。 針對(duì)此研究結(jié)果，我們?cè)O(shè)想，一層的突變涂層可以提高整體材料的抗多碰塑變能力，那么多層梯度涂層是否比它的效果更好呢？有鑒于此，本專利技術(shù)的目的在于提供一種梯度功能材料新應(yīng)用，用以提高材料抗多碰塑變能力。低應(yīng)力多碰載荷具有小能量多次沖擊性質(zhì)，它的特性表現(xiàn)為應(yīng)力在材料內(nèi)部以波的形式傳播和疊加，其作用隨傳播距離的增加而減小，具有不同于靜載荷下的尺寸效應(yīng)和加載點(diǎn)的位置效應(yīng)。研究表明對(duì)于黑色金屬，最初的幾千次碰撞中，試件的變形最明顯，隨著碰撞次數(shù)的增加，試件變形越來(lái)越小，最后趨于穩(wěn)定。試件表層的變形量、應(yīng)變率、硬度變化最大，隨著層深的增加，呈梯度性迅速衰減。由此可以看出材料表面及附近是多碰塑變的主要部位，因此利用試件變形規(guī)律制成的梯度功能材料可以有效的減小多碰條件下的塑性變形。通過(guò)各種梯度功能材料的制備方法在零部件表面形成梯度功能材料，所述的梯度功能材料為兩種或兩種以上材料復(fù)合組成。所述的梯度功能材料組分和結(jié)構(gòu)成連續(xù)或間斷梯度變化。優(yōu)選的，梯度功能材料為指數(shù)梯度分布時(shí)，提高材料抗多碰性能最優(yōu)越。本專利技術(shù)提供了一種制備上述指數(shù)梯度分布的梯度功能材料涂層的方法，包括以下步驟在激光器上進(jìn)行熔覆制備，基體表面預(yù)置設(shè)定厚度的第一層粉末，多道搭接掃描并適時(shí)補(bǔ)給粉末；完成一層涂層制備后，將涂層表面磨平至需要厚度，清洗；在第一層涂層上預(yù)置設(shè)定厚度第二層粉末，……如此往復(fù)直至完成多層梯度涂層的制備。利用現(xiàn)代先進(jìn)的涂層技術(shù)制成的梯度功能材料在低應(yīng)力多次碰撞條件下，累積變形量顯著低于同種條件下相應(yīng)的一般涂層材料和單一材料，這對(duì)提高零部件的壽命、降低生產(chǎn)成本、提高系統(tǒng)的可靠性和安全性有重要的意義。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本專利技術(shù)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的有關(guān)本專利技術(shù)的附圖僅僅是本本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應(yīng)用。

【技術(shù)特征摘要】
1.梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應(yīng)用。2.一種提高材料抗多碰塑變能力的方法，其特征在于在材料表面制成功能梯度材料涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的梯度功能材料涂層為兩種或兩種以上材料復(fù)合組成。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的梯度功能材料涂層組分和結(jié)構(gòu)成連續(xù)或間斷梯度變化。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：傅戈雁，吳云霞，石世宏，郁佳莉，吳炯杰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘇州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：