一种阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化方法与设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化方法与设备，采用高能束陶瓷熔注方法，针对阀门密封表面几何区域特征，从仿生角度出发，研究耐磨损、抗疲劳生物原型；从减小阀门密封表面强化应力应变角度，将生物原型抗磨损、耐疲劳的结构通过激光熔注“复制”在阀门密封表面，提高阀门密封表面的耐磨性与热疲劳性，延长阀门使用寿命，为阀门密封表面强化提供了一种新的方法。
【专利说明】一种阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化方法与设备
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料加工领域。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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；
同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感陶瓷熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述高能束发生器是激光或等离子弧发生器；所述陶瓷精密送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC,送粉速度I~200 mg/s,颗粒尺寸为IOnm~1.0mm,在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%~50%，熔注层厚度0.01~2. Omm ;所述三自由度数控机械工作台”的阀门由卡盘夹在床身上面，在工作中，由电机带动旋转；导轨立柱由螺栓固定在床身上面，Z向进给机构可沿着导轨立柱上下运动，电机带动Y向进给机构里面丝杠转动，完成Y向进给移动，高能束发生器可由螺钉固定在Y向进给机构左端，同轴视觉安装在高能束发生器上，陶瓷精密送粉器由螺钉固定在电机的后面，可提供陶瓷粉末，同轴视觉、陶瓷精密送粉器和高能束发生器一起随着电机的左右移动可伸入阀门内部进行工作。在阀门密封功能表面，利用高能束陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。仿生强化是按阀门密封表面仿生强化模型，在阀门密封表面熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，弧形仿生单元体宽度Wl为O. I~5. Omm,弧形仿 生单元体深度L2为O. I~3. Omm,弧形仿生单元体曲度Θ为30~180度，圆形仿生单元体间距W2为O. 2~10.0mm,圆形仿生单元体深度LI为O. I~3. Omm,圆形仿生单兀体直径d为O. I~10.0mm。
[0006]从仿生角度，提出阀门密封表面陶瓷熔注耦合仿生强化，将生物原型抗磨损、耐疲劳的结构通过高能束陶瓷熔注“复制”在阀门密封表面，提高阀门密封表面的耐磨性，延长阀门使用寿命，为阀门密封表面强化提供了一种新的方法。提出一种高能束陶瓷熔注阀门密封表面强化新工艺，由于熔注层和基体的化学成分呈平缓梯度过渡，两者之间无明显的界面，有利于解决激光或等离子弧熔覆由于熔覆层与基体之间化学成分存在较大梯度而导致的熔覆层易开裂的问题。由于高能束陶瓷熔注过程中熔凝速度快，可以获得一些在平衡态所无法得到的组织和物相，与激光或等离子弧熔覆比较，有利于阀门密封表面耐磨抗裂仿生结构层制备，因此将陶瓷熔注技术和仿生技术相结合，用于阀门密封表面仿生强化，具有良好发展前景。【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1阀门密封表面仿生强化设备控制结构框图 图2阀门密封表面仿生强化设备主视结构示意图
其中:1电机2床身3卡盘4阀门5同轴视觉6陶瓷精密送粉器7 Y向进给机构8导轨立柱9电机10 Z向进给机构11电机12高能束发生器图3阀门密封表面耦合仿生结构体示意图
其中:Wl弧形仿生单元体宽度 L2弧形仿生单元体深度W2圆形仿生单元体间距LI圆形仿生单元体深度d圆形仿生单元体直径Θ弧形仿生单元体曲度。
【具体实施方式】
[0008]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，然后导入该不教系统中；
同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感陶瓷熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述高能束发生器是激光或等离子弧发生器；所述陶瓷精密送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC,送粉速度I~200 mg/s,颗粒尺寸为IOnm~1.0mm,在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%~50%，熔注层厚度0.01~2.0mm ;所述三自由度数控机械工作台”的阀门由卡盘夹在床身上面，在工作中，由电机带动旋转；导轨立柱由螺栓固定在床身上面，Z向进给机构可沿着导轨立柱上下运动，电机带动Y向进给机构里面丝杠转动，完成Y向进给移动，高能束发生器可由螺钉固定在Y向进给机构左端，同轴视觉安装在高能束发生器上，陶瓷精密送粉器由螺钉固定在电机的后面，可提供陶瓷粉末，同轴视觉、陶瓷精密送粉器和高能束发生器一起随着电机的左右移动可伸入阀门内部进行工作。在阀门密封功能表面，利用高能束陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。仿生强化是按阀门密封表面仿生强化模型，在阀门密封表面熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，弧形仿生单元体宽度Wl为O. I~5. Omm,弧形仿生单元体深度L2为O. I~3. Omm,弧形仿生单元体曲度Θ为30~180度，圆形仿生单元体间距W2为O. 2~10.0mm,圆形仿生单元体深度LI为O. I~
3.Omm,圆形仿生单兀体直径d为O. I~10.0mm。
[0009]阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化方法步骤如下：
I.将具有待加工阀门夹持B向转动机构的夹具上，闭合电源，启动三自由度数控工作台、高能束发生器电源、视觉采集系统和陶瓷精密送粉器。
[0010]2.通过三自由度数控工作台调整高能束焦点、陶瓷熔注与阀门密封功能表面相对位置。
[0011]3.启动“多尺度陶瓷熔注强化层工艺模块”，输入信息，确定高能束陶瓷熔注优化工艺参数；启动“阀门密封面仿生结构体设计模块”，针对阀门密封表面不同特征，设计仿生结构体。
[0012]4.启动“阀门密封面仿生强化数控加工模块”，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。
[0013]5.启动“加工开始”，将高能束陶瓷熔注优化工艺参数传递到高能束发生器，输出高能束，将数控加工程序传递到数控工作台，数控平台按照加工程序控制伺服电机驱动工作台运动。
[0014]6.加工过程 中，(XD视觉监控陶瓷熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，对高能束加工参数和工作台运动轨迹做局部微调，保证阀门密封功能表面仿生强化结构体加工质量。
[0015]阀门密封面陶瓷熔注仿生强化
选择具有耐磨抗裂功能如贝壳等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，根据阀门密封表面形态、材料、结构特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，进行阀门密封表面仿生单元体和结构体设计，利用高能束陶瓷熔注加工出具有仿生结构密封表面的核阀门。阀门材料为16Mn，WC粉末由熔池中后部注入，平均尺寸为80 μ m，采用负离焦2. Omm，激光束加工斑点尺寸为4. Omm，激光功率密度480 W/mm2，扫描速度1.0 m/min，送粉速度110mg/s，熔注层中陶瓷(WC)的体积分数为35%，陶瓷以均匀梯度弥散形态。在阀门密封表面加工成一定仿生纹理网格，如图3 (a)所示，该网格仿生结构体是由弧形单元体和圆形单元体按一定规律耦合而成，其深度方向截面如图3 (b)所示，单元体中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中弧形仿生单元体宽度Wl为2. Omm，弧形仿生单元体深度L2为1.0mm,圆形仿生单元体间距W2为8. Omm,圆形仿生单元体深度LI为I. 8mm,圆形仿生单元体直径d为3. Omm,弧形仿生单元体曲度Θ为150度。阀门密封表面激光熔注仿生强化后，提高阀门使用寿命I. 5 倍。
【权利要求】
1.一种阀门密封表面陶瓷熔注仿生强化设备，其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于: 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； 同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感陶瓷熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元； 所述高能束发生器是激光或等离子弧发生器； 所述陶瓷精密送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括Tic、WC和SiC，送粉速度I~200 mg/s,颗粒尺寸为IOnm~1.0mm,在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%~50%,熔注层厚度0.01~2.0mm ； 所述“三自由度数控机械工作台”的阀门由卡盘夹在床身上面，在工作中，由电机带动旋转；导轨立柱由螺栓固定在床身上面，Z向进给机构可沿着导轨立柱上下运动，电机带动Y向进给机构里面丝杠转动，完成Y向进给移动，高能束发生器可由螺钉固定在Y向进给机构左端，同轴视觉安装在高能束发生器上，陶瓷精密送粉器由螺钉固定在电机的后面，可提供陶瓷粉末，同轴视觉、陶瓷精密送粉器和高能束发生器一起随着电机的左右移动可伸入阀门内部进行工作。
3.一种利用权利要求1或2所述的设备进行阀门密封功能表面陶瓷熔注仿生强化方法，其特征在于:在阀门密封功能表面，利用高能束陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于:仿生强化是按阀门密封表面仿生强化模型，在阀门密封表面熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，弧形仿生单元体宽度Wl为O. I~.5. Omm，弧形仿生单兀体深度L2为O. I~3. Omm，弧形仿生单兀体曲度Θ为30~180度，圆形仿生单兀体间距W2为O. 2~10.0mm,圆形仿生单兀体深度LI为O. I~3. Omm,圆形仿生单元体直径d为O. I~10.0mm。
【文档编号】B23K26/34GK103710700SQ201310437999
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】刘立君 申请人:浙江大学宁波理工学院