激光熔凝非光滑表面仿生强化工艺及性能研究

摘要

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。　　磨损试验结果表明经激光非光滑表面仿生处理的试样耐磨性能均优于未处理的样品。在点面接触的磨损体系中，点状非光滑表面的耐磨性最优，其次为网格状，条状低于点状和网格状。在面面接触的磨损体系中，网格状非光滑表面的耐磨性最优,其次为网格状，条状低于点状和网格状。激光非光滑表面仿生处理在试样表面形成了规律分布的“软”（基体）“硬”（单元体）相间的结构，高硬度仿生单元体在磨损过程中能起到支撑对磨副和承受磨损的作用，从而减缓了基体的磨损。　　45钢表面经不同形貌仿生处理后其抗拉强度有所提高，其抗拉强度与仿生单元体形貌以及其相互作用的角度有一定的关系，90°网格仿生形貌的试样抗拉强度提高最明显，比基体试样提高了7.3%；条状仿生形貌试样次之，比基体试样提高5.8%；30°网格仿生形貌试样抗拉强度提高3.9%。其强化效应主要来源于仿生单元体组织细化和材料表面软硬相间结构的形成。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2表面改性技术研究现状

1.2.1传统表面改性技术

1.2.2 激光表面改性技术

1.3 非光滑表面仿生的研究现状

1.3.1非光滑表面仿生原理及应用

1.3.2 激光非光滑表面仿生研究现状

1.4 本文研究的内容

1.5 技术路线

2 试验方法

2.1非光滑表面仿生设计思路

2.2试验材料

2.3 激光非光滑仿生试样的制备

2.3.1 激光仿生加工系统

2.3.2 激光熔凝仿生试样制备

2.4研究方法

2.4.1激光熔凝参数优化及加工

2.4.2微观组织形貌表征

2.4.3 仿生单元体截面形貌分析

2.4.4显微硬度测试

2.4.5耐磨损性能测试

2.4.6 拉伸性能测试

3 激光熔凝参数优化

3.1激光熔凝参数优化

3.1.1激光熔凝参数的选择

3.1.2激光加工参数优化试验

3.2 激光熔凝仿生单元体组织及硬度分析

3.2.1仿生单元体显微组织

3.2.2 仿生单元体显微硬度

3.3本章小结

4激光非光滑仿生表面的耐磨损性能

4.1 激光非光滑仿生表面点接触磨损性能

4.1.1 点状非光滑试样表面的磨损性能

4.1.2条状非光滑试样表面的磨损性能

4.1.3网格状非光滑试样表面的磨损性能

4.1.4 不同仿生形貌对试样表面耐磨损性能的影响

4.2 激光非光滑仿生表面面接触磨损性能

4.2.1 磨损试样制备

4.2.2 面面接触磨损过程分析

4.2.3 面面接触磨损质量

4.2.4 面面接触磨损磨痕形貌

4.3 激光表面非光滑仿生的耐磨机理

4.4本章小结

5 激光表面仿生处理的拉伸性能

5.1 激光表面仿生形貌对拉伸性能的影响

5.2 激光表面仿生试样断口形貌分析

5.3 激光表面仿生的强化机制

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果