提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構的製作方法

2023-08-10 21:50:46

專利名稱：提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構的製作方法
技術領域：
提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構技術領域[0001]本實用新型涉及一種表面仿生結構，特別涉及一種提高機械運動部件表面抗衝蝕 性能的耦合仿生結構。
背景技術：
[0002]衝蝕磨損是指含有粒子的流體流過材料表面時，流體對材料造成的磨損。衝蝕磨 損在風機、水泵、渦輪葉片、螺旋槳等方面廣泛存在，特定環境下是這些機械磨損的主要原 因。[0003]國內外工程技術人員主要是從材料學的角度出發，來提高材料表面抗衝蝕性能。 現已採用的主要技術途徑有[0004]1、新材料，通過材料合金化和不同性質的材料複合開發新抗衝蝕材料，如具有形 狀記憶性能的T1-Ni合金和纖維增強C-PPS複合材料；[0005]2、材料改性技術，通過熱處理技術和改變成型及加工工藝等改變材料的顯微組織 和應力狀況，從而達到提高材料抗衝蝕性能的目的；[0006]3、表面強化技術，通過表面塗覆、表面改性或者多種表面技術複合處理，改變材料 表面的化學成分、顯微組織和應力狀況，達到抗衝蝕效果。[0007]這些技術都是通過改變材料整體或者表面性能來提高抗衝蝕性能。運用新材料提 高耐衝蝕性,技術難度較大,工程周期長,成本高；通過熱處理等改性方法提高耐衝蝕性,受 材料本身機械性能限制，效果有限；表面強化技術，塗層結合強度有限，容易脫落，製造工藝 複雜，成本高。發明內容[0008]本實用新型的目的是提供一種提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結 構。本實用新型結合現有材料學和材料表面工程技術，從仿生學角度出發，設計出可以通過 凹槽和凸包的尺寸和分布、硬質層和柔性層的硬度、厚度等多種因素的可控變化，降低材料 在衝蝕過程中的衝蝕率，提高其抗衝蝕性能。[0009]本實用新型基於沙漠蠍子背部特徵，來設計部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結 構。[0010]本實用新型由內層和外層構成，外層為硬質材料層，內層柔性材料層，外層材料硬 度高於內層材料，內層和外層緊密結合在一起，外層具有平行的溝槽表面形態，所述溝槽的 脊上規則地分布有凸包。[0011]所述外層和內層的厚度比為廣2。[0012]本實用新型的有益效果[0013]本實用新型不改變材料性質，只在其表面設置仿生優化的抗衝蝕形態，並且通過 異種材料的複合，顯著提高其抗衝蝕性能。本實用新型不改變材料原有理化特性，這種方法 尤其適合於某些特定機械，如飛機發動機渦輪葉片，醫療器械的水泵等，這些機械對材料化學性質要求嚴格，通過改變材料理化特性以及表面塗層方法難以達到使用要求。依據表面形態及分布不同，硬質材料及柔性材料的厚度比不同，衝蝕條件不同，和光滑的表面相比， 施加溝槽及凸包表面形態、增加柔性層的樣件的衝蝕磨損率提高了 6. 09Γ32. 8%。本實用新型提供的耦合仿生抗衝蝕模型，在直升機葉片、壓縮機葉片的導緣、氣流輸運物料的管路及其彎頭和工況為氣體攜帶粉粒的渦輪葉片等關鍵部件上應用，提高其抗衝蝕性能，增加設備的使用壽命。


[0014]圖1為本實用新型具有V形槽仿生抗衝蝕結構示意圖；[0015]圖2為圖1中脊的局部俯視圖；[0016]圖3為圖1中脊的局部剖面示意圖；[0017]圖4為本實用新型具有凹形槽仿生抗衝蝕結構示意圖；[0018]圖5為圖4中脊的局部俯視圖；[0019]圖6為圖4中脊的局部剖面示意圖；[0020]圖7為本實用新型具有U形槽仿生抗衝蝕模型示意圖；圖8為圖7中脊的局部俯視圖；[0022]圖9為圖7中脊的局部剖面示意圖。
具體實施方式
[0023]請參閱圖1、圖2和圖3所不，為本實用新型的第一實施例，其是由內層B和外層A構成，外層A為硬質材料層，內層B柔性材料層，外層A材料硬度高於內層B材料，內層B和外層A緊密結合在一起，外層A具有平行的溝槽I表面形態，所述溝槽I的脊2上規則地分布有凸包3 ;[0024]在本實施例中，所述外層A硬質材料選用ABS，內層B柔性材料選用矽膠，所述外層A和內層B的厚度比為a:b=2，內層B矽膠的厚度為2. 3mm。外層A表面的溝槽I呈現V 形槽形態，且槽平行分布，各個脊的寬度相同。樣件尺寸為50X50X5mm3，V形槽邊長d為 4mm,橫截面為等邊三角形，即槽深度e=3. 464mm, V形槽之間的脊c的寬度為4mm ;凸包3平行分布於脊上，凸包3半徑R為10 μ m,兩個凸包3中心間的距離L為30 μ m，凸包3到脊2 邊緣的距離H為15 μ m。採用噴射式衝蝕磨損試驗裝置測試其耐衝蝕性能。衝蝕條件為 攻角30° ;壓縮機壓強O. 5MPa ;磨料選用石英砂，粒徑110目；衝蝕時間60s。[0025]請參閱圖4、圖5和圖6所示，為本實用新型的第二實施例，其是由內層B和外層A 構成，外層A為硬質材料層，內層B柔性材料層，外層A材料硬度高於內層B材料，內層B和外層A緊密結合在一起，外層A具有平行的溝槽I表面形態，所述溝槽I的脊2上規則地分布有凸包3 ;[0026]在本實施例中，所述外層A硬質材料選用ABS，內層B柔性材料選用矽膠，所述外層 A和內層B的厚度比為a:b=1.5;[0027]內層B矽膠的厚度b為2. 3mm,外層A表面的溝槽I呈現凹形槽形態，且槽平行分布，各個脊2的寬度相同。樣件尺寸為50X50X5mm3,凹槽邊長d為2mm,橫截面為正方形， 即槽深度e=d=2mm ;凹槽之間的脊2的寬度c為2mm。凸包3平行分布於脊2上，凸包3半徑R為10 μ m,兩個凸包3中心間的距離L為30 μ m,凸包3到脊2邊緣的距離H為15 μ m。 外層A材料ABS與內層B矽膠之間採用瞬間強力粘合劑膠結。衝蝕測試方法與第一實施例相同。衝蝕條件為攻角30° ;壓縮機壓強O. 7MPa ;磨料選用石英砂，粒徑30目；衝蝕時間 60s。[0028]請參閱圖7、圖8和圖9所不，為本實用新型的第二實施例，其是由內層B和外層A 構成，外層A為硬質材料層，內層B柔性材料層，外層A材料硬度高於內層B材料，內層B和外層A緊密結合在一起，外層A具有平行的溝槽I表面形態，所述溝槽I的脊2上規則地分布有凸包3 ;[0029]在本實施例中，所述外層A硬質材料選用ABS，內層B柔性材料選用矽膠，所述外層A和內層B的厚度比為a:b=l，內層B矽膠的厚度b為2. 3mm。外層A表面的溝槽I呈現 U形槽形態，且槽平行分布，各個脊2的寬度相同。樣件尺寸為50 X 50 X 5mm 3, U形槽寬度d 為3mm,深度e為3mm,底部為半圓形,半徑r為1. 5mm。U形槽之間的脊2的寬度c為3mm。 凸包3的交叉分布，半徑R為10 μ m。同一排凸包3之間的距離L為30 μ m，凸包3到脊2 邊緣的距離H為15μπι。外層A的材料ABS與內層B的矽膠之間採用瞬間強力粘合劑膠結。 衝蝕測試方法與第一實施例相同。衝蝕條件為攻角60° ;壓縮機壓強O. 6MPa ;磨料選用石英砂，粒徑70目；衝蝕時間60s。
權利要求1.一種提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構，其特徵在於其是由內層 (B)和外層(A)構成，外層(A)為硬質材料層，內層(B)柔性材料層，外層(A)材料硬度高於內層(B)材料，內層(B)和外層(A)緊密結合在一起，外層(A)具有平行的溝槽(I)表面形態，所述溝槽(I)的脊(2)上分布有凸包(3)。
2.根據權利要求1所述的一種提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構，其特徵在於所述外層(A)和內層(B)的厚度比為廣2。
3.根據權利要求1所述的一種提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構，其特徵在於所述溝槽(I)SV形槽或凹形槽或u形槽。
4.根據權利要求1所述的一種提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構，其特徵在於所述外層(A)材料選用ABS，內層(B)材料選用矽膠。
專利摘要本實用新型公開了一種提高機械運動部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構，本實用新型是基於沙漠蠍子背部特徵，來設計部件表面抗衝蝕性能的耦合仿生結構；本實用新型由內層和外層構成，外層為硬質材料層，內層柔性材料層，外層材料硬度高於內層材料，內層和外層緊密結合在一起，外層具有平行的溝槽表面形態，所述溝槽的脊上規則地分布有凸包；所述外層和內層的厚度比為1～2；本實用新型與光滑的表面相比，衝蝕磨損率提高了6.0%～32.8%。
文檔編號B32B3/30GK202826554SQ201220545280
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者韓志武, 尹維, 張俊秋, 劉慶平, 江佳廉, 戈超, 任露泉 申請人:吉林大學