金属粉末模块隔离熔铸法的制作方法

以前的航空轴承用钢，都是一种材料熔铸形成的均匀的合金组织。其结构特点就是寿命短，主要原因就是金属晶粒组织结构无法抵抗膨胀收缩的力，从而形成工作疲劳。本发明是改善轴承内部金属结构，使轴承在传动中的受力，都有相应的晶粒组织和晶粒界面去改变力在传动中的方向和大小，从而对力的运动产生影响，使力在运动中得到有意识的引导和牵引，或者改变力的方向，使晶粒结构减少和消失疲劳，从而达到延长发动机轴承金属内部结构寿命的方法。

我们从仿生学的角度去思考，水果树木都有他们自己的原子设计和安排。树皮是保温的也是保护水分上升的通道，所以树皮多粗糙，中间的树心，则多光滑，密度大，层层叠叠的，一层一层的生长，层与层之间形成抗冲击抗扭力的作用，能起抗大风的作用。所以面对航空轴承的高温高压，和膨胀收缩的短时间差形成的结构应力，在轴承内部金属结构设计上，当重新以力学传递结构，原子热变形膨胀收缩力学等为研究点，重新设计轴承内部金属晶粒结构。是本发明的最初的想法。

粉末模块的主要技术，就是根据工作中工件的受力方向，来分布它的横向和纵向的组织结构。加大相邻组织的成分比例，可以使相互之间的晶粒界面有所区别，这样的设计，可以消化外来之力对自己的疲劳过程。

按照物理力学原理，当一个强大的力压在金属表面，其金属内部的每一个原子都会受到力的传递，如果改变内部金属晶粒结构，那么原来传递之力的大小和方向就会产生变化。如果我们在金属内部按照力的方向重新设计可以减震的内部晶粒结构，比如加大和减小相邻模块之间的晶粒结构，是传递的力在这样的交界点和面上产生变化，来改变力的方向和大小。也使力从一个区域到达另一个区域需要跨越很多不同的结构，那么，每一个区域都会分解力的能量，改变力的方向，这样，抗疲劳的金属晶粒组织结构就实现了。这是本发明金属模块熔铸隔离法的基本思路。

我们将轴承套圈，用六种不同成分比例的合金粉末来制作，共分隔成180个区域。那么在力的传递中，力将通过这180个区域。每个区域的晶粒界面都有区别，这样力臂就缩短了，对力的抗疲劳就加大了。当航空轴承温度高达1500度以上时，轴承的运转全部靠它的内部结构来维持，内部结构设计越好，其抗疲劳的时间就越久。我们以前使用的轴承都是一次性熔铸的，其内部结构都是均匀的，面对力的时候，如同一个长线受到力的攻击，很容易疲劳，是整体抗力差。如同一根筷子，很容易被折断。而本发明的金属结构，也是筷子，不过只有几毫米长，对力的感受是受压，而不会被折断。所以金属内部结构决定了，它的寿命等于它的晶粒组织设计。

所以模块熔铸法的设计思路，模块的大小，面积和形状将充分影响力在金属中的传递，影响金属内部结构强度，和影响抗疲劳特性以及其他更加广泛的钢材特殊要求性能。

粉末模块的粉末材料可以是一种合金，也可以根据成分的百分比来分开相邻模块的成分，总之，要求获得不同的内部晶粒组织，使交界面或者线之间，形成对力的不同的接受反应和传递力的改变，是本发明主要思想之一。

粉末模块隔离熔铸法的特征之一是，层间交叠法熔铸，就是根据每一层的金属设计要求在每一层铺设不同成分或者比例的金属粉末，完成每一层后，加压形成光滑表面，再铺设下一层粉末。最后随石膏磨具一起整体熔铸的方法。见说明书附图1，图1中a-1是图中轴承圆柱形滚珠的基材的粉末模块组合结构。图中数字符号①和数字符号②表示相近的合金粉末材料，绕圆柱进行粉末模块结构设计。最后统一进行熔铸的方法。

金属粉末模块隔离熔铸法的特征之二是，纵横交错熔铸法，就是每一层都有很多不同成分和比例的粉末模块布局设计，而下一层也是这样的分布，形成上下左右纵横都是新的粉末模块的布局结构。见说明书附图1，图1中a-2部分，是一块方形结构的粉末胚料结构图，上下纵横分布合金粉末模块252个，组合一起熔铸形成新的符合结构的钢料，图中数字符号③，④表示不同金属粉末。

金属粉末模块熔铸法的特征之三，钢片骨架粉末熔铸法，就是将钢片或熔铸好的龙骨，将他们放置在金属粉末中，这些钢片刚好把金属粉末有比例的分开，最后压紧粉末，在石膏模具内进行熔铸的方法。见说明书附图1，图1中的a-3，是轴承滚珠的粉末熔铸，图中数字符号⑤表示一次熔铸后的滚珠钢架结构，骨架是很薄的片状，图中数字符号⑥表示已经装满金属粉末材料压紧后的效果，最后一起装入石膏模具进行熔铸的方法。

说明书附图2是本发明轴承套圈的粉末模块设计图片，图2中数字符号①虚线表示需要加工的加工线位置。图中数字符号②表示承受滚珠滚压的第一层金属合金布局设计。是由多种有区别的不一样的合金粉末重复组合设计。图中数字符号③表示8层不同合金组织的结构。使第一层的传力在下面的合金层得到左右方向的化解布局，同时增加抗力和回弹之力的减震作用。

金属粉末模块隔离熔铸法的特征之四，是用石膏或者陶瓷片隔离相邻的粉末模块，高温熔铸后提升石膏片，使两个成分不同的铁水融合后产生新的结构组织的方案。

我们再次分析航空轴承的工作环境，是突然的加温，突然的冷却；轴承处于瞬间膨胀，又瞬间收缩的环境里。如果轴承整体是一种材料，在这样的整体的快速膨胀收缩中就很容易形成晶粒疲劳。我们再看看普通的焊缝金属结构，见说明书附图3，图3是焊缝和基材的结构图。在焊缝边缘有一个熔合区，图中虚线内的范围。也是金属晶粒界面区，在机械性能弯曲和冲击过程中，这个面的性能都是最好的。为什么呢？因为这里有两种材料交汇，是数字符号①焊材金属，和数字符号②母材金属交汇熔合，形成的数字符号③熔合区金属用虚线表示。其中熔合区金属的晶粒界面区，是质量最好的焊缝金属内部结构。是一种可以改变晶粒结构变化的新方案，也是一种金属晶粒抗疲劳的首选方案。

为了在航空轴承材料中应用这样的熔合区晶粒界面，我们需要在两块粉末模块的中间用石膏板做挡板，见说明书附图4，图4是两种粉末材料，在石膏挡板隔离提升的作用下熔铸的方法。如图中的a一1。图中数字符号⑤表示一种型号的模块粉末，④表示另一种型号的模块粉末，③表示石膏挡板。①表示主体石膏下模具。②表示石膏上模具盖，符号③是和符号②连接在一起的。图中箭头符号表示上盖在熔铸后提升的方向。当两种粉末在高温中熔化后，提升中间的石膏挡板②.③.以获得在熔铸中我们需要的两种材料相熔而形成的新的晶粒界面区，见图4中a一2中的虚线部份，这是我们在钢材结构设计中的重点。

石膏挡板的作用，是获得两种材料交汇的新的晶粒界面区，使钢材内部结构更加适合在高温环境中抗疲劳的作用。没有这块挡板的熔铸，金属的熔合区晶粒界面与粉末基材的晶粒结构变化不大，不利于在高低温突出的膨胀收缩中使结构抗疲痨。

如说明书图5，是轴承套圈的粉末模块的隔离熔铸，图中1表示主体石膏下模具，用来熔铸所有的金属粉末。④.⑤表示成份有所不同的金属模块粉末，②表示石膏上模具，③表示和石膏上模具连成一体的分隔隔离石膏板。当所有的金属粉末熔化后，开始提升石膏上模具②，让两种不同的相邻的粉末铁水熔合在一起。形成新的晶粒界面区。这也是本发明的重点之一。在轴承粉末模块熔铸中.我们使用了很多挡板来使轴承内部晶粒结构富有变化，获得更多的轴承内部晶粒组织的新的晶粒结构。使整个轴承圈的内部结构，每经过几毫米就有新的新结构晶粒出现，使所有的外部来的力都在这样的晶粒结构影响中，改变力的方向和大小，来达到抗疲劳的目的。使环境温度瞬间产生的高低温差，所产生的收缩和膨胀之力，都在这样的晶粒结构中，得到力的方向的改变。使受力的晶粒组织，只有很短很小的一部份，把力传给其它很短很小的不同的晶粒组织，从而使金属晶粒抗力在结构上得到强化，来达到高温中的抗疲劳。

粉末隔离熔铸法可以得到单个整体不同结构的轴承套圈新材料。这样的材料，有一块强有一块相对的弱，在快速膨胀收缩的工作环境中，可以改变力的方向，同时增强了自身结构抗疲劳的作用。

至此，粉末模块隔离熔铸法得以实现，它可以改变金属内部局部的合金需求，实现对金属内部结构的再设计，增加金属晶粒界面在金属中的抗力作用，而同时满足金属对工作环境的高温温度，膨胀收缩等特性，达到了金属最好的质量调控方案，是一种新的熔铸方法。