[发明专利]一种提高制动盘热疲劳性能的方法

说明书

本发明属于材料表面改性领域，涉及一种提高制动盘热疲劳性能的方法，特指一种通过激光熔覆和激光冲击复合处理协调强化提高制动盘表面涂层与基体的结合强度，改善制动盘热疲劳性能的方法。一方面激光冲击可以细化熔覆Fe基涂层晶粒，预制残余压应力，改善熔覆层与基体间的结合性能，另一方面高温下涂层组织会发生马氏体相变，耗散能量，提高制动盘的热疲劳性能。通过本发明的实施，能够有效提升制动盘的热疲劳性能，既能降低由制动盘热疲劳失效带来的经济损失，同时也能显著提高轨道车辆运行的安全性。

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，涉及一种提高制动盘热疲劳性能的方法，特指一种通过 激光熔覆和激光冲击复合处理协调强化提高制动盘表面涂层与基体的结合强度，改善制动盘 热疲劳性能的方法。

背景技术

制动盘是轨道车辆安全运行和制动承载的最重要部件。当列车时速达到400km/h时，在 制动距离3700m的前提下，制动盘瞬时温度800℃，需要承受剧烈的交变热应力和交变 载荷的共同作用，长期服役会导致制动盘摩擦表面产生热疲劳损伤，造成列车制动失效，其 潜在危险巨大。在全世界高铁数量的不断增长及其设计服役寿命的不断延长的背景下，如何 满足制动盘具有优良的热疲劳性能以提高高铁运行的安全性和稳定性是亟需解决的问题。

由于热疲劳损伤通常仅是出现在制动盘的表面，如果报废整个制动盘代价昂贵，同时拆 装制动盘也容易损坏车轴，带来诸多不便。通过在制动盘表面制备一层高性能的耐热材料既 可以提高制动盘的热疲劳性能，又可以大大节约成本。因此，越来越多的研究将焦点放在制 动盘摩擦表面强化的问题上。近年来，能够为工业制造提供一个高效、自动化、清洁、无污 染的生产环境及过程的激光熔覆方法在工业应用上崭露头角。与电火花加工、物理和化学气 相沉积、堆焊、摩擦焊、喷涂等传统材料表面强化方法相比，具有材料几乎不受限制、修复 区与基材呈冶金结合且稀释率低、修复区域形状不受限制、易实现自动化等独特优势。但是， 受激光熔覆过程中热量传输和应力应变影响，在熔覆层与基材结合处极易形成晶粒粗大的柱 状晶、脆性较大的金属间化合物和较大的残余应力，在热疲劳进程中极易成为裂纹源，甚至 导致熔覆层脱落，严重影响其对制动盘热疲劳性能的改善作用。

激光冲击是利用高能短脉冲激光在材料表面和预制在材料表面的吸收层间的相互作用， 诱发超强冲击波使材料表层产生塑性变形和较深的残余压应力场。与传统渗碳(氮)、喷丸等 工艺相比，激光冲击方法不需要介质回收、可控性高，对材料表面粗糙度影响小，对工作环 境要求较低，且产生的残余压应力可达到普通喷丸效果的10倍以上，能够实现材料表面组织 的纳米化。因此，如果能将激光冲击方法运用到激光熔覆表面强化制动盘的强化处理上，通 过激光冲击调控制动盘摩擦表面微观组织使其细化甚至纳米化，并预留适当的残余应力场， 达到同时改善熔覆层耐热性、强韧性以提高制动盘的热疲劳寿命的目的，将有效降低制动盘 发生热疲劳损伤而失效的概率，提高轨道车辆运行的安全性。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种出采用激光冲击的方法对制动盘的激光熔 覆层进行强化处理，以提高制动盘热疲劳性能的工艺方法。

制动盘热疲劳失效主因就是热疲劳裂纹的形成，其过程先是在制动盘摩擦表面产生区域 热斑，然后演变为网状分布的大多深度0.2mm的龟裂纹，进一步发展为较深的径向裂纹。 传统修复方法通常采取打磨、抛光的方法，导致制动盘越来越薄(属于“减加工”方式)。当 厚度减少超过2mm时，则报废整个制动盘，而且每次修复拆装过程繁杂更容易损坏车轴，制 动盘的维护代价过高。本专利提出采用激光冲击的方法对制动盘的激光熔覆层进行强化处理， 通过激光冲击调控制动盘摩擦表面微观组织使其细化甚至纳米化，并预留适当的残余应力场， 达到同时改善熔覆层耐热性、强韧性以提高制动盘的热疲劳寿命的目的，有效提高制动盘的 热疲劳性能，提高轨道车辆运行的安全性。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。