[发明专利]一种阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化方法与设备

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工领域。

背景技术

阀门是气体、液体、粉末材料输送系统中的控制元件，具有导流、截流、节流调节、防止倒流、分流或溢流卸压等功能。阀门一般应具有密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能。目前，我国阀门企业约6000余家，其中年产值超过500万元的有900家。国内上市的阀门公司3家，即中核科技、洪城股份、广东明珠。去年，中核科技主营业务收入3.7亿元，而洪城股份和广东明珠主营业务收入均低于中核科技。这些企业在产品质量上与国外同类企业尚有较大差距。我国阀门行业每年有100多亿元的市场被国外阀门企业占领，而其中主要份额又在于核阀等高参数阀门。到2020年我国将开工51座百万千瓦级核电机组，到2020年末中国核电装机容量将达到4000万千瓦(2020年末核电运行规模4000万千瓦，尚有1800万千瓦结转下个五年计划)。也就是说，从2007年起中国每年将至少批准建设二个百万千瓦级核电机组。即今后13年中，中国每年都要建设一座像“大亚湾”一样的核电站。其中需要核阀约100万台，总额超过200个亿。再加上海外市场，开发前景将十分广阔。如前所述，阀门密封面是阀门的关键部位，是阀门最重要的工作面，提高阀门密封面的耐磨性、耐蚀性、耐高温等综合性能直接延长阀门的使用寿命，避免发生过早失效，从而挽回生产中不必要的损失，将会大大推动工业和国民经济的发展，具有显著的经济效益和社会意义。

    陶瓷熔注技术目前已经被认为是制备金属基复合材料层最为理想的方法之一，是激光或等离子弧局部熔化金属基体，同时将陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被冻结，实现了基体上层颗粒增强，提高金属表面耐磨性和硬度，显示了激光熔注技术在金属基体表面制备颗粒增强复合材料层的优势。

自然界中生物体表经过千百万年的进化，形成了非常独特的结构，生物体表是由凹坑、凸包、波纹、花纹、条状、网络或鳞片等几何结构组成的非光滑表面，生物体表单元体大小从几十微米到几十毫米，生物的非光滑体表具有减粘、降阻、耐磨的作用，在运动过程中具有很好的耐磨性。将生物表面耐磨、抗开裂原型应用在阀门密封面强化领域，具有良好发展前景。

发明内容

根据本发明的一个方面：提供一种阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化设备，所述设备由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、高能束发生器和三自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、高能束发生器和三自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度陶瓷熔注强化层工艺模块、阀门密封面仿生结构体设计模块和阀门密封面仿生强化数控加工模块；所述多尺度陶瓷熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控单元，所述数据库中每一条数据记录包括材料的牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、熔注陶瓷速度、离焦量、陶瓷材料、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数、陶瓷弥散形态，化学成分、组织结构、显微硬度、摩擦、磨损和热疲劳；所述仿生结构体视觉监控单元主要接受视觉硬件系统图像信号，处理陶瓷熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制陶瓷熔注工艺参数和五轴数控工作台联动状态；所述阀门密封面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对阀门密封表面不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小阀门密封表面强化应力应变角度，设计仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体；仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计；仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计；所述阀门密封面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的阀门密封面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动三自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好阀门密封面表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中；