一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件的制作方法

本发明属于耐高温冲蚀零部件技术领域，具体涉及一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件。

背景技术：

磨损是造成材料损失和设备破坏的重要原因，在冶金、电力、矿山、建材和化工等工业领域，由于材料的磨损和腐蚀，每年都会造成巨额的浪费和损失。其中冲蚀磨损约占工业生产中磨损破坏总数的8％，特别是高温冲蚀磨损对材料和装备造成的破坏更为严重。在高温磨损条件下,硬度是决定耐磨性的主要因素。只要能较大幅度地提高零部件表面的硬度,就能显著的提高其耐磨性。但是，在一般情况下，耐热铸钢的硬度越高，其韧性与抗疲劳能力也越差，为了提高耐热部件的使用寿命，必须同时兼顾耐磨性与韧性才行。

目前生产中提高零部件高温冲蚀磨损性能的方法主要是采取设计开发新材料、制备耐磨涂层等方法，其中耐磨陶瓷是新材料的一个组成部分，由于它具有其他材料所没有的各种优良性能，耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀等物理特点，它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料。但是陶瓷材料的脆性较大，抵抗冲击的能力较差，在实际应用中影响了自身优异的耐磨性的发挥，也限制了陶瓷材料在工业生产中的应用，如何解决该问题已成为重要的研究方向。

目前生产中应用陶瓷材料提高零部件表面耐磨性能的具体工艺方法主要有如下几种：

1.金属表面陶瓷涂层技术

金属陶瓷复合涂层是由金属或合金与一种或几种陶瓷相混合后所组成的复合材料。采用适当的涂覆技术，制备出最佳的涂层材料，从而提高了材料的使用寿命和应用性能。(金属陶瓷复合涂层的技术与研究展望，刘佳，郭春丽，陶瓷[j]，2010.no.5)

存在的问题：首先，激光表面涂覆陶瓷工艺，由于陶瓷材料与金属基体存在热膨胀系数、弹性模量和导热系数等性能的较大差异，采用零部件表面整体涂覆工艺将在表面产生较大的热应力，在热应力与外界载荷的共同作用下易生成裂纹，由于涂覆层硬度较高，止裂能力差，裂纹在拉应力作用下极易扩展导致涂层与基体的剥离，影响材料表面的耐磨性；其次，激光表面涂覆陶瓷工艺属于零部件表面整体改性的工艺，制作成本较高，而且仍然无法根本解决零部件表面抗冲击能力差和抗疲劳能力弱的难题。

2.金属基陶瓷复合材料制备技术

其主要原理是用金属将耐热性好、硬度大，但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物等粘结在一起,通过延性相(金属)粒子在外力作用下产生的一定的塑性变形或晶界位移产生的蠕变吸收部分能量，缓解应力集中，从而达到增加韧性的目的。(金属基陶瓷复合材料制备技术研究进展与应用，付鹏，郝旭暖，高亚红，谷玉丹，陈焕铭，材料导报网刊[j]，2009.12第四卷第四期)

存在的问题：迄今为止，金属基陶瓷复合材料的加工工艺尚不够完善，还没有形成大规模批量生产，制约因素主要有加工难度高、加工时间长等，由于制造成本高、稳定性差等问题，阻碍其应用进程，特别是针对于大尺寸零部件而言，制造成本过高，并且仍然存在高硬度、高耐磨性与抗冲击韧性和抗疲劳性能的冲突。另外，金属基陶瓷复合材料的界面结构是以界面反应的形式相结合，受工艺方法及温度参数的控制影响较大，严重影响其性能的发挥；

自然界生物为了适应生存环境而进化出的各种特殊能力，以及实现这些能力的微观复合、宏观完美的结构，是人类产生各种技术思想和发明与创造的不竭源泉。利用自然界生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的依据，不断找到解决科技问题的答案方法。研究者发现，生物所呈现的各种适应环境的能力不仅仅体现在单一因素上，而是通过两个或两个以上不同部分的协同作用或不同因素的耦合作用实现的，这种耦合现象是生物的固有属性，在生物长期进化中，在生命活力不断呈现中，特别是在生物功能的种种超强展现中，始终是普遍存在并起着重要作用，是经过数十亿年的自然选择和进化结果，这种耦合现象为仿生学尤其是工程仿生学提供了新的研究理念和思维方式。

技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，该耦合仿生零部件能够克服以往采用铬镍系耐热零部件整体改性或表面处理工艺存在的加工成本高、表面韧性差、易疲劳、使用寿命低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件包括基体和制备于基体工作面的仿生工作层；所述的基体为铬镍系耐热钢；仿生工作层包括由镍基自熔性合金制成的仿生非对称结构的网格骨架和填充在网格骨架孔隙中并具有凸起结构的镍基金属陶瓷两部分；网格骨架孔隙包括沿着磨料冲蚀方向依次排布的圆柱形孔隙、菱柱形孔隙和正六棱柱形孔隙；圆柱形孔隙交错排列，排布面积为仿生工作层面积的1/3～1/2，且圆柱形孔隙的直径d变化范围为5～20mm；正六棱柱形孔隙交错排列，其内切圆直径为d，d＝2d；圆柱形孔隙与正六棱柱形孔隙之间的过渡区由菱柱形孔隙填充完成过渡，菱柱形孔隙的内角为60°、120°，且其长对角线方向垂直于冲蚀方向。

相邻圆柱形孔隙的间距为s1，s1的尺寸范围为2～3mm，相邻正六棱柱形孔隙的间距为s2,s2＝2s1，菱柱形孔隙与相邻的圆柱形孔隙之间的间距为s5，菱柱形孔隙与相邻的正六棱柱形孔隙之间的间距为s6，s5＝s6＝s1；所述圆柱形孔隙与相邻的正六棱柱形孔隙中心横向间距为s3，与相邻菱柱形孔隙中心横向间距为s4，s3＝s4＝(d+s1)/2。

所述菱柱形孔隙棱线处圆弧过渡，圆角半径为1～2mm。

所述正六棱柱形孔隙中有两个内侧面平行于冲蚀方向,正六棱柱形孔隙棱线处圆弧过渡，圆角半径为1～2mm。

所述网格骨架的高度h1为1～2mm，镍基金属陶瓷凸起结构的高度h2为2mm；其中圆柱形孔隙中的镍基金属陶瓷凸起结构为球形，菱柱形孔隙中的镍基金属陶瓷凸起结构为菱锥形，正六棱柱形孔隙中的镍基金属陶瓷凸起结构为正六棱台形。

所述菱锥形凸起结构及正六棱台形凸起结构的边缘与基体工作面呈圆角过渡，圆角半径等于凸起结构的凸起高度h2-h1。

所述网格骨架由镍基自熔性合金粉末通过激光3d打印方法制成，其化学成分按质量百分含量为：c：0.4～1.1，si：3.5～5.5，b：2.0～4.5，cr：14～26.5，fe：≤5.0，ni：余量；合金粉末粒度范围为-150～+320目。

所述镍基金属陶瓷为在镍基金属自熔性合金粉末中添加10wt％～30wt％的wc颗粒混合而成，其中镍基金属自熔性合金粉末的化学成分按质量百分含量为：c：0.4～1.1，si：3.5～5.5，b：2.0～4.5，cr：14～26.5，fe：≤5.0，ni：余量；镍基金属自熔性合金粉末粒度范围为-150～+320目；wc颗粒粒径为2～100μm。

本发明采用仿生学原理结合激光3d打印技术，模仿沙漠蜥蜴体背的非对称结构、非光滑表面的形态特征，采用材料、结构、形态等多种耦元相互耦合的方式在镍铬系耐热合金基体工作面利用激光3d打印技术制备仿生耐高温冲蚀磨损工作层，将具有优秀耐磨性、耐高温、耐腐蚀能力的镍基金属陶瓷材料填充到高温下具有高韧性、高耐蚀性的镍基自熔性合金激光3d打印成的仿生非对称结构网格骨架中，并具有一定凸起高度的结构特征，整体形成具有软硬相间、强韧结合的耐高温冲蚀磨损的仿生工作层，能够显著提高镍铬系耐热零部件在高温冲蚀磨损工况下的使用性能及使用寿命。

现有的工艺方法在制造耐高温冲蚀磨损零部件时主要采用激光表面涂覆陶瓷材料工艺或金属基陶瓷复合材料制备工艺，均属于零部件或表面整体改性工艺，具有耐磨表面韧性差、易疲劳、易脱落、寿命低、工艺过程复杂，加工精度低、质量难以控制等缺点。

针对现有工艺在提高铬镍系耐热零部件耐高温冲蚀磨损上的不足之处，本发明开发出一种适用于高温小尺寸磨料冲蚀工况，最高工作温度900℃左右的工作条件下长期使用的耐高温冲蚀磨损零部件。与现有技术相比较，本发明采用激光3d打印技术，适合制备复杂形貌的仿生耐磨表面，具备成型精度高、工艺简单、设计灵活性大等特点，能够显著提高耐热零部件的高温抗冲蚀磨损性能，同时能够兼顾硬度和韧性的性能要求，具有较好抗冲击能力和抗疲劳能力，提高了零部件的使用寿命，同时大幅降低生产成本等优点。

本发明突破了以往的制造工艺，利用激光3d打印技术结合仿生学原理，通过激光3d打印的方法将具有优秀耐磨性、耐高温、耐腐蚀能力的镍基金属陶瓷材料及高温下具有高韧性、高耐蚀性的镍基自熔性合金制成仿生耐磨工作层，并以一定规律分布在耐热钢基体上形成非对称结构、非光滑表面形态特征，解决了镍铬系耐热零部件在以往加工工艺上难以兼顾表面韧性和耐磨性的难题，有利于提高零部件对于复杂工况的适应性，延长使用寿命，提高生产效率，降低成本。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件的平面图。

图2为图1的a-a向剖视图。

图3为耦合仿生零部件上制备仿生非对称结构网格骨架的立体图。

图4为耦合仿生零部件的立体图。

图5a、图5b、图5c为图1的局部放大图。

具体实施方式

本发明的思路是采用仿生学原理，模仿沙漠蜥蜴体表的非对称结构及非光滑表面形态特征，采用材料、结构、形态等多种耦元相互耦合的方式在镍铬系耐热零部件表面采用激光3d打印的方式制造仿生耐高温冲蚀磨损工作层，充分发挥陶瓷材料优异的抗磨耐蚀性能的同时又能兼顾零部件表面的抗冲击能力及抗疲劳性能，使其具有优异的抗高温冲蚀磨损性能，提高使用寿命，降低成本。

本发明利用仿生学原理结合激光3d打印技术，开发出一种适用于高温冲蚀磨损工况下使用的铬镍系耐热零部件，同时又能兼顾韧性及抗疲劳性能，具有加工工艺简单、制造成本低、设计灵活性大、制造精度高等优点，能够显著提高铬镍系耐热零部件在高温复杂工况下的使用寿命，达到降低成本的目的。

如图1～4所示，本发明的耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件包括铬镍系耐热钢基体1和仿生工作层；所述仿生工作层包括由镍基自熔性合金制成的仿生非对称结构的网格骨架2和填充在网格骨架孔隙中并具有凸起结构的镍基金属陶瓷两部分；所述网格骨架2沿着磨料冲蚀方向依次排布圆柱形孔隙23、菱柱形孔隙22和正六棱柱形孔隙21；圆柱形孔隙21交错排列，排布面积为仿生工作层面积的1/3～1/2，且圆柱形孔隙21直径d变化范围为5～20mm；正六棱柱形孔隙23交错排列，其内切圆直径为d，d＝2d；圆柱形孔隙21与正六棱柱形孔隙23之间的过渡区由菱柱形孔隙22填充完成过渡，菱柱形孔隙22的内角为60°、120°，且其长对角线方向垂直于冲蚀方向。相邻圆柱形孔隙21的间距为s1，s1的尺寸范围为2～3mm，相邻正六棱柱形孔隙23的间距为s2,s2＝2s1，菱柱形孔隙22与相邻的圆柱形孔隙21之间的间距为s5，菱柱形孔隙22与相邻的正六棱柱形孔隙23之间的间距为s6，s5＝s6＝s1；所述圆柱形孔隙21与相邻的正六棱柱形孔隙23中心横向间距为s3，与相邻菱柱形孔隙22中心横向间距为s4，s3＝s4＝(d+s1)/2。所述菱柱形孔隙22棱线处圆弧过渡，圆角半径为1～2mm。所述正六棱柱形孔隙23中有两个侧面平行于冲蚀方向,正六棱柱形孔隙23棱线处圆弧过渡，圆角半径为1～2mm。所述网格骨架2的高度h2为1～2mm，填充在网格骨架孔隙中的镍基金属陶瓷凸起结构的高度h1为2mm；其中圆柱形孔隙21中的镍基金属陶瓷3凸起结构为球形，菱柱形孔隙22中的镍基金属陶瓷4凸起结构为菱锥形，正六棱柱形孔隙23中的镍基金属陶瓷5凸起结构为正六棱台形。所述菱锥形凸起结构及正六棱台形凸起结构的边缘与基体工作面呈圆角过渡，圆角半径等于凸起结构的高度h2-h1。

所述网格骨架2由镍基自熔性合金粉末通过激光3d打印方法制成，其化学成分按质量百分含量为：c：0.4～1.1，si：3.5～5.5，b：2.0～4.5，cr：14～26.5，fe：≤5.0，ni：余量；合金粉末粒度范围为-150～+320目。所述镍基金属陶瓷为在镍基金属自熔性合金粉末中添加10wt％～30wt％的wc颗粒混合而成，其中镍基金属自熔性合金粉末的化学成分按质量百分含量为：c：0.4～1.1，si：3.5～5.5，b：2.0～4.5，cr：14～26.5，fe：≤5.0，ni：余量；镍基金属自熔性合金粉末粒度范围为-150～+320目；wc颗粒粒径为2～100μm。

本发明耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件的制备过程分为如下步骤：

(一)、根据仿生学原理，在镍铬系耐热合金基体工作面设计出高温下具有高耐磨性、高耐蚀性、高韧性及高抗疲劳能力的仿生工作层，所述仿生工作层由仿生非对称结构的网格骨架2及填充在网格骨架孔隙中镍基金属陶瓷两部分组成。

(二)、根据仿生工作层的特征参数及位置信息，利用3d成形软件设计出仿生工作层整体形貌并进行三维建模，确认与镍铬系耐热合金基体工作面实现准确对接，然后进行仿生工作层模型的切片分层处理，获得扫描轨迹并将分层扫描路径文件导入3d打印机；

(三)、准备镍基自熔性合金粉末及镍基金属陶瓷粉末，装入填料箱；

(四)、将镍铬系耐热合金基体进行表面清理并放入打印机平台，调整位置后调入打印文件并设置打印参数，激光器选用co2激光器，输出功率500w～5000w，根据实际需要设置打印参数，采用同步吹送法将粉料由供粉器连续送入，同时输送保护气体(n2或ar)到激光辐照形成的熔池，激光3d打印成形；按照步骤二中设计方案在铬镍系耐热钢基体表面打印出仿生非对称结构的网格骨架2，并完成表面清理；更换打印材料，将镍基金属陶瓷粉末填入打印出的网格骨架孔隙中，打印完成后清理表面；

所述步骤二中，采用ug、pro/e、catia等软件进行3d建模，然后利用cura、easyprint3d等切片软件对仿生工作层进行切片处理，并将切片后的文件储存成.gcode格式，再通过3d打印机控制软件，把*.gcode文件发送给打印机；

所述步骤四中镍铬系耐热合金基体的表面处理，利用恒温加热的方法除油，而后研磨除锈，最后用压缩气体吹净，除掉基体熔覆部位的油污和锈蚀,使熔覆材料与基体更好的结合，防止产生裂纹、剥落等缺陷。

表1为实际使用效果；

表2网格骨架与镍基金属陶瓷化学成分；

表1实际使用效果

注：表1中，1-、2-、……9-为根据不同化学成分编排的试样编号。

表2网格骨架与镍基金属陶瓷化学成分

本发明的关键点在于：

其一，采用仿生学原理，模仿沙漠蜥蜴体表的形态特征，采用材料、结构、形态等多种耦元相互耦合的方式在镍铬系耐热钢基体工作面制备耐高温冲蚀磨损的仿生工作层，具有仿生非对称结构、非光滑表面特征，能够适应耐热零部件各部位由于冲蚀工况的变化对整体耐磨性的影响，如磨料尺寸、冲击载荷、冲蚀方向等因素的变化，能够极大程度地提高耐热零部件耐高温冲蚀磨损能力，同时具有软硬相间、强韧结合的性能特点，改善了耐热零部件抗冲击、抗疲劳的性能，有助于提高使用寿命，降低成本。

其二，采用激光3d打印的方式在镍铬系耐热钢基体工作面制备耐高温冲蚀磨损仿生工作层，极大程度的提高了仿生工作层的制造精度，而且为模仿生物体表复杂形貌制备仿生工作层提供了技术支持；采用激光3d打印技术将高温下具有高硬度、高耐磨性及高耐蚀性的镍基金属陶瓷材料嵌入具有高韧性、高耐蚀性的镍基自熔性合金粉末制成的仿生非对称结构的网格骨架中，能够实现耐磨材料与基体表面良好的冶金结合，通过软质基体及仿生非对称结构网格骨架良好的包覆作用能够极大程度提高仿生工作层耐冲击的性能，防止仿生工作层疲劳及剥落现象的发生，提高了耐热零部件的使用寿命。该方法具有工艺简单、生产效率高、设计灵活性大、制造精度高、使用寿命高、制造成本低等特点。

此外，在耐热零部件表面形成具有一定规则排列的非对称型凸起结构，所述非对称型凸起结构能够根据耐热零部件在实际生产中各部位实际磨损工况的不同，如沿着冲蚀磨损的方向磨料尺寸、冲击载荷、冲蚀方向等因素的变化，针对零部件各部位具体磨损工况设计出沿着磨料冲蚀磨损方向由密集型小尺寸球形凸起转变为大尺寸正六棱台形凸起结构的仿生非对称型凸起结构特征。密集型小尺寸球形凸起结构分布在耐热零部件的前端，首先接触磨料，能够充分发挥球形凸起结构较好的抗冲击能力，抵抗较大的冲击，同时小尺寸球形凸起结构密集型分布，借助于高韧性网格骨架及软质基体的包覆作用能够有效防止裂纹的扩展，提高抗疲劳的能力；大尺寸正六棱台形分布在耐热零部件的末端，磨料的冲击作用明显减小，通过交错排列的分布方式能够明显提高硬质镍基金属陶瓷材料的占用面积，能够显著提升耐热零部件整体的耐冲蚀磨损性能；非对称分布的凸起结构还可以改变冲蚀磨料与零部件表面的接触方式和运动状态，使磨料在零部件表面处于滚动状态并趋于最小能量状态，降低了磨料对软质基体的犁削作用，从而显著降低磨料对耐热零部件的磨损行为，在相邻凸起结构中间形成的凹槽可再次削弱磨料的速度和动能，从而减小磨料对棱纹的冲击，使零部件表面的磨损量显著降低。

本发明比较以往的加工工艺，采用了激光3d打印的方式制备仿生工作层，显著降低了仿生工作层制备过程中受热的影响，能够大幅降低加工表面受热应力作用而产生裂纹的倾向，有助于提高使用寿命，并且借助于激光3d打印较高的加工制造精度，有助于降低耐热零部件表面的应力集中情况，同时也降低了加工的难度，比较以往的制造方法，在仿生工作层的整体设计和加工制造等方面提供了更大的应用和发展空间。