梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應用的製作方法
2023-05-22 22:08:06
專利名稱：梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及梯度功能材料的應用，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用。
背景技術：
在工程領域中，很多重要零部件在不斷碰撞的重複運動，它們主要通過接觸表面的反覆碰撞來實現循環啟閉或運動和能量的傳遞，如發動機氣缸排氣閥、模具凹凸模、各類控制閥、泵等等。碰撞表面容易出現各種形式的損傷，嚴重時將導致零件失效，如開裂、鐓粗、凹陷、表面剝落等。工程中多碰零件的設計載荷一般都遠小於其材料的屈服極限，根據經典強度理論，此應力作用下是不可能發生宏觀塑性變形的，但研究發現，在低應力多碰載荷條件下，材料的靜屈服強度和極限強度會隨著碰撞速度增大和應力作用的時間縮短而提高，即使碰撞應力僅為材料屈服極限的1/5 1/2時，材料仍然會發生累積損傷，引起裂縫的產生和擴展。這些零件除本身價值昂貴外，其失效後由於檢修、停產而帶來的間接經濟損失往往更為巨大，所以尋求有效的方法來強化或修復零件的表面，從而提高其使用壽命，降低生產成本、提高系統的可靠性和安全性有著重要的意義。
目前，對承受較高的、反覆的衝擊載荷的關鍵零部件，一般採用以下幾種方式來提高其抗多碰塑變能力1、在整體上選用優質或合金元素含量較高的材料。2、對材料進行整體強化，如添加適當的熱處理技術。陳子文在《從衝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衝接觸疲勞壽命，而且適當提高回火溫度，把表面硬度控制在58飛OHRC時具有最高的多衝壽命。3、選擇合適的材料對其工作表面進行強化，如添加塗層。傳統製備強化塗層的方法有堆焊、熱噴塗、噴焊等，但它們的界面相對孔隙率較高，夾雜物等缺陷較多，很多塗層與基體結合不牢固，在多衝碰撞載荷下容易發生應力集中而引發宏觀損傷甚至剝落失效。現代先進塗層製備方法中，主要採用雷射束、 聚焦光束、電子束等高能束作為熱源與材料作用來製備塗層。
為了滿足航空飛機上對高溫結構件的諸多嚴格要求，日本科學家最早提出了梯度功能材料(Functional Gradient Materials,簡稱FGM)的概念，在結構中引入成分和微觀結構梯度，以便在構件的生產中更好更全面的利用已有材料，避免由於外加應力和(或)溫度變化而在分割不同材料的銳利界面上引起的應力和(或)應變集中。後來隨著材料科學的不斷發展，梯度功能材料的概念也得到了進一步完善。FGM就是以計算機輔助材料設計為基礎，採用先進的材料複合技術，使構成材料的要素(組成和結構等)沿厚度方向由一側向另一側呈連續變化，從而使材料的性質和功能也呈梯度變化的一種新型材料。相比於突變塗層，它有如下優勢
I、熱應力可減至最小；
2、對於給定的熱機械載荷，它可推遲塑性屈服和失效的發生；
3、抑制自由邊界和界面結合處的嚴重的應力集中和奇異性；
4、與突變的界面相比，可以通過在成分中引入連續的或逐級的梯度來提高不同固體(如金屬和陶瓷)之間的界面結合強度。
梯度功能材料的製備方法有很多種，而且各有優缺點。
I、物理氣相沉積法(PVD):通過各種物理方法使固相物質蒸發進而在基體表面成膜的製備方法，即是固體原料一氣相一膜的過程。此方法沉積溫度低，可作為最後工序處理成品件；但沉積速率低，不能連續控制成分分布。
2、化學氣相沉積法(CVD):通過賦予原料氣體不同的能量，在反應器中進行混合， 使其產生化學反應而生成固相的膜沉積在基體上。此方法易實現分散相濃度的連續變化， 可用多元系的原料氣體合成複雜的化合物；但需要高溫高壓，工件變形嚴重並存在危險性。
3、自曼延1 溫法(SHS):利用兩種反應劑在一定條件下發生1 放熱反應，廣生1 溫，使化學反應自動地持續下去，形成新的化合物。此方法過程簡單、反應迅速、產物純度高且能耗少；缺點是不同組分之間發熱量有差異、燒結程度不同且較難控制而影響材料的致山/又O
4、雷射熔覆法(LSC):將混合後的粉末通過噴嘴噴至基體表面，然後通過改變雷射功率、光斑尺寸和掃描速度加熱粉體，在基體表面形成熔池，並改變粉末成分，向熔池中不斷噴粉，以獲得梯度功能塗層。此方法可製備FGM薄膜，也可製備FGM體材，製備時間短，適用面廣；但需要的特殊設備都比較複雜昂貴。
5、等離子噴塗(PS):將粉末作噴塗材料，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，熔融的粒子被進一步加速，然後以極高的速度打在經過淨化和粗化處理的基材表面，產生強烈的塑性變形，相互擠嵌、填塞，形成扁平的層狀結構塗層。此方法的優點是沉積率高、無需燒結；但存在冶金結合和機械咬合。
6、粉末冶金法先將原料粉末按不同混合比均勻混合，然後將不同配比的粉末以梯度分布方式積層排列，再壓制燒結而成，因此也有人稱之為顆粒梯度排列法。常用的燒結方法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和反應燒結等。通過控制和調節原料粉的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。此方法具有設備簡單、易於操作和成本低等優點，但需要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制且製得的材料有一定的孔隙率。
以上是常見的梯度功能材料的製備方法，根據應用領域和生產要求的不同，可以選擇相應的製備方式，有時為了獲得更優異的性能也可以將兩種方法結合起來使用，各取優點。發明內容
劉磊在《塗層強化材料低應力多碰塑性累積研究與建模》中指出在同種條件下，具有Ni-2雷射熔覆塗層的lCrl8Ni9Ti試件在抗多碰塑性變形能力上優於lCrl8Ni9Ti試件。 針對此研究結果，我們設想，一層的突變塗層可以提高整體材料的抗多碰塑變能力，那麼多層梯度塗層是否比它的效果更好呢？
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種梯度功能材料新應用，用以提高材料抗多碰塑變能力。
低應力多碰載荷具有小能量多次衝擊性質，它的特性表現為應力在材料內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，具有不同於靜載荷下的尺寸效應和加載點的位置效應。研究表明對於黑色金屬，最初的幾千次碰撞中，試件的變形最明顯，隨著碰撞次數的增加，試件變形越來越小，最後趨於穩定。試件表層的變形量、應變率、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律製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。
通過各種梯度功能材料的製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複合組成。
所述的梯度功能材料組分和結構成連續或間斷梯度變化。
優選的，梯度功能材料為指數梯度分布時，提高材料抗多碰性能最優越。
本發明提供了一種製備上述指數梯度分布的梯度功能材料塗層的方法，包括以下步驟
在雷射器上進行熔覆製備，基體表面預置設定厚度的第一層粉末，多道搭接掃描並適時補給粉末；完成一層塗層製備後，將塗層表面磨平至需要厚度，清洗；在第一層塗層上預置設定厚度第二層粉末，……如此往復直至完成多層梯度塗層的製備。
利用現代先進的塗層技術製成的梯度功能材料在低應力多次碰撞條件下，累積變形量顯著低於同種條件下相應的一般塗層材料和單一材料，這對提高零部件的壽命、降低生產成本、提高系統的可靠性和安全性有重要的意義。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發明的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖I是突變塗層材料成分示意圖2是梯度塗層材料成分示意圖3是本發明實施例I的指數分布梯度塗層試件A各層Ni含量理論曲線圖4是本發明實施例I的指數分布梯度塗層試件A的硬度值分布圖5是本發明實施例I的試件A和試件B的累積變形量曲線圖6是本發明實施例I的試樣C和試樣D的累積變形量曲線圖。具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖I為突變塗層材料成分示意圖，圖2為梯度塗層材料成分示意圖，兩者在材料的分布上具有顯著的差別。
實施例I利用雷射熔覆法製備鎳基/0Crl8Ni9指數梯度塗層試件A和鎳基 /0Crl8Ni9突變塗層試件B
第I階段試件A和試件B塗層設計
設指數分布梯度塗層第一層和第五層Ni含量分別為10wt%和50wt%，每層高度 I. 5mm,設計指數方程y=aebx Cy-總層高；x_Ni含量).OJb
權利要求
1.梯度功能材料提高材料抗多碰塑變能力的應用。
2.一種提高材料抗多碰塑變能力的方法，其特徵在於在材料表面製成功能梯度材料塗層。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述的梯度功能材料塗層為兩種或兩種以上材料複合組成。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述的梯度功能材料塗層組分和結構成連續或間斷梯度變化。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述的梯度功能材料塗層為指數梯度分布。
6.一種製備權利要求5所述的指數梯度分布的梯度功能材料塗層的方法，其特徵在於，包括以下步驟 在雷射器上進行熔覆製備，基體表面預置設定厚度的第一層粉末，多道搭接掃描並適時補給粉末；完成一層塗層製備後，將塗層表面磨平至需要厚度，清洗；在第一層塗層上預置設定厚度第二層粉末，……如此往復直至完成多層梯度塗層的製備。
全文摘要
本發明提供了一種梯度功能材料新應用，用以提高材料抗多碰塑變能力，利用現代先進的塗層技術製成的梯度功能材料，尤其是利用雷射熔覆工藝製成的梯度塗層，在低應力多次碰撞條件下，累積變形量顯著低於同種條件下相應的一般塗層材料和單一材料，這對提高零部件的壽命、降低生產成本、提高系統的可靠性和安全性有重要的意義。
文檔編號B32B15/01GK102978607SQ2012105531
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者傅戈雁, 吳雲霞, 石世宏, 鬱佳莉, 吳炯傑 申請人:蘇州大學