[发明专利]在壁厚部件表面制备大深度仿生异质体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基仿生功能表面材料的制备方法，特别涉及一种在大型部件表面制备大深度仿生异质体，从而提高部件的耐磨性与抗疲劳性的方法。

背景技术

在生产和应用中有很多在恶劣环境里服役的部件，这些部件的体积大、工作承载表面厚度大，需要承受巨大循环载荷和严重磨损，如水泥磨辊、钢铁轧辊、轨道车辆制动盘等。磨损和疲劳裂纹是这些壁厚部件的主要失效形式，当这些部件表面的磨损量过大并出现超过尺寸与数量要求的裂纹时，不仅影响生产效能和产品质量，而且还需要花费大量时间和财力进行装卸和修复，严重时不得不提前报废，给生产企业造成极大损失。如水泥磨辊磨损导致系统部件形状改变，效率下降，引起辊压机振动，加剧部件的损坏，严重时甚至使辊压机和系统无法运行；铁路列车提速后因磨损和热裂严重，其制动盘的厂修期由原来的6-7年缩短为4年，一个厂修期国产制动盘报废50%；钢铁厂轧辊因表面疲劳磨损，其过钢量下降26%，废品率提高20%。因此，针对这些部件，寻求有效的耐磨、止裂与抗疲劳方法是工程领域亟待解决的技术难题。

生物经过亿万年的进化和演变，其体表已发展成能适应复杂外界环境的高效功能表面。特别是一些生物体表同时兼具非凡的耐磨和止裂功能。例如，陆上动物穿山甲、蜥蜴等在尖利的砂石中摩擦，身体却保持完好从不被损伤；空中动物蜻蜓、水中生物贝类等长期经受气流或海水的冲击，却又表现出很强的抗疲劳性；植物叶片长期暴露于外界自然并抵御风吹雨打，却还具有优异的止裂功能。进一步深入研究发现，生物体表的普遍特征是在其体表分布有特殊形状、尺度和成分的功能单元，被研究人员称为异质体，这些异质体与母体形成强韧结合、软硬结合、刚柔结合的结构，并通过桩钉效应、堤坝效应等机制使这些生物体表具有优异的耐磨与止裂功能。

在对常规部件表面进行功能仿生时，如热作模具、汽车制动毂等，借鉴生物的耐磨、止裂与抗疲劳原理，综合模拟生物体表形态、结构、材料的耦合效果，制备出的仿生异质体具有多种形态、组织细化、结构强化等特点，有效改善了这些部件的磨损和疲劳问题。但是，对于前述大体积、大壁厚部件，这些部件表面需承受远大于常规部件的磨损与疲劳载荷，且允许表面具有一定的许用磨损量以及疲劳裂纹数量或长度，超过许用量后才进行修复或报废。采用传统仿生异质体制备方法，如激光熔凝、激光熔覆、激光合金化、渗氮、喷丸、喷涂、机械或化学雕刻等方法，这些方法获得的异质体因为强度太低、尺度和深度太小、效率不高等问题，难以承受较大磨损与疲劳应力，或者仅在较小的使用周期内有效，不能达到大型部件长期持续使用的要求，故采用以上方法不能有效解决问题。针对这些问题，需要在这些部件表面制备出具有一定尺度和深度的仿生异质体，这些仿生异质体能在更长时间里服役直到部件失效，实现仿生异质体的功能在一定厚度和一定范围内持续有效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有制备方法获得的异质体因为强度太低、尺度和深度太小、效率不高等问题，难以承受较大磨损与疲劳应力，或者仅在较小的使用周期内有效，不能达到大型部件长期持续使用的要求，提供一种在壁厚部件表面制备大深度仿生异质体的方法。这些异质体不仅具有传统异质体耐磨与抗疲劳的功能特点，而且保证这些异质体在较大磨损深度、较长使用周期内持续有效。

本发明的目的是这样实现的：

一种在壁厚部件表面制备大深度仿生异质体的方法，在部件表面设计出仿生异质体的形态、结构和分布，仿生异质体为模拟生物多因素耦合的体表特征，具有圆形、条形或方形表面形态的圆柱体、长方体或沟槽形结构，异质体直径或宽度为3-20mm，间距为5-50mm；异质体嵌入部件的深度范围为3-30mm；异质体上表面与基体表面持平。

所述仿生异质体的制备包括：表面嵌入式雕刻或钻孔与异质材料堆焊合成制备，表面嵌入式雕刻或钻孔与异质材料高温浇铸自蔓沿合成制备，表面嵌入式雕刻或钻孔与异质材料镶铸合成制备，表面嵌入式雕刻或钻孔与逐次/连续激光熔覆合成制备。