激光制備仿生耦合耐磨損功能材料技術(shù)

激光制備仿生耦合耐磨損材料技術(shù)一、生物耦合現(xiàn)象及理論在物理學(xué)中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同體系或運(yùn)動(dòng)形式之間通過(guò)相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來(lái)的現(xiàn)象被稱(chēng)之為“耦合”。在生物體中兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同體系通過(guò)相互作用聯(lián)合起來(lái)從而具備某種特殊功能的自然現(xiàn)象被稱(chēng)為“生物耦合”。生物功能生物耦合耦聯(lián)耦元：表面形態(tài)因素內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素構(gòu)成材料因素等1.生物耦合概念y=f(x)2.生物原型的耦合現(xiàn)象

圖1荷葉、水稻葉的減粘功能

圖2潮間帶貝殼結(jié)構(gòu)與止裂功能

圖3穿山甲鱗片的耐磨損功能

圖4蜻蜓與蝴蝶翅膀的抗疲勞特征二、生物耦合提高耐磨損性能原理相似性科學(xué)指出：可以利用生物某些結(jié)構(gòu)與功能及信息作用特性的原理，來(lái)構(gòu)造技術(shù)系統(tǒng)，并使技術(shù)系統(tǒng)特性與生物系統(tǒng)中的特性發(fā)生相似性。生物耦合原型

下圖為幾種土壤動(dòng)物的體表非光滑形態(tài)特征，該特征使得土壤動(dòng)物具有優(yōu)良的耐磨損性能。蜣螂體表

花葬甲鞘翅黑螞蟻頭部蜣螂頭部步甲胸節(jié)背板穿山甲鱗片1.生物耦合耐磨損生物原型——土壤動(dòng)物體表4.仿生耦合模型設(shè)計(jì)葉片翅膀珍珠層相似特征軟硬相交替的結(jié)構(gòu)硬質(zhì)單元可以有不同分布形態(tài)硬質(zhì)單元的相對(duì)高硬度源自其與軟質(zhì)單元的組織或材料差別形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料耦合使它們具有優(yōu)異的耐磨性能

設(shè)計(jì)的仿生耦合耐磨損、抗熱疲勞模型，是在軟質(zhì)母材上分布呈一定形態(tài)的硬質(zhì)單元，并且這種硬質(zhì)單元具有不同于軟質(zhì)母材的顯微組織或組成材料，進(jìn)而兩者構(gòu)成一種軟硬相交替的結(jié)構(gòu)。

三、仿生耦合表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)與制備仿生耦合表面非光滑形態(tài)設(shè)計(jì)(一)

圓形單元體分布設(shè)計(jì)圓形單元分布形態(tài)(a)對(duì)齊分布(b)交錯(cuò)分布1.圓形單元體分布形態(tài)因素：?jiǎn)卧w形狀、大小、分布角度、分布間距(a)(b)傾斜角示意圖(a)條紋和(b)網(wǎng)格單元體分布形態(tài)仿生耦合表面非光滑形態(tài)設(shè)計(jì)(二)2.條紋和網(wǎng)格單元體分布設(shè)計(jì)橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元體與母體的連接形式單元體深度p下凹深度b凸起高度h火山口峰間距離s火山口峰谷高度t單元體寬度或直徑w/d凹坑直徑或凹槽寬度a/c釋義參數(shù)參數(shù)釋義

（a）凸起（b）下凹（c）火山口狀單元體（a）樁釘型（b）堤壩型（c）網(wǎng)格型連接仿生耦合表面試樣的制備

仿生非光滑表面試樣加工示意圖

儀器型號(hào)：JHM-1GY-300B生產(chǎn)廠家：武漢楚天激光設(shè)備有限公司激光波長(zhǎng)：1.064μm工作物質(zhì)：Nd:YAG晶體額定功率：300W四、激光仿生耦合制備技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用（一）仿生耦合制動(dòng)轂(盤(pán))激光制備技術(shù)研究制動(dòng)鼓仿生耦合表面處理過(guò)程與設(shè)備

仿生耦合表面制備裝置1、仿生耦合單元體組織結(jié)構(gòu)與激光加工參數(shù)的影響仿生耦合單元體結(jié)構(gòu)

不同激光能量處理的耦合單元體剖面照片（a）激光單脈沖能量為4.84J（b）激光單脈沖能量為3.52J（c）激光單脈沖能量為2.97J（d）激光單脈沖能量為1.95J

不論能量高低仿生耦合單元體結(jié)構(gòu)都相同，由呈下半月形分布的激光熔凝區(qū)和相變區(qū)組成。隨激光能量的增加仿生耦合單元體增大。從表面上看它們以一定的形狀（凸起、凹坑、火山口形）和一定規(guī)律（排列間隔、方向）鑲嵌在表面上。沿剖面看它們以倒山形或堤壩形鑲嵌在材料表層。

仿生耦合單元體顯微組織

激光熔凝區(qū)的組織SEM照片

激光處理前、后試樣的XRD曲線

相變區(qū)的組織SEM照片

從XRD曲線可以看出，激光仿生處理后試樣的組織中增加了馬氏體和滲碳體，組織中出現(xiàn)了具有復(fù)雜相結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)相。

SEM照片和XRD分析結(jié)果表明：熔凝區(qū)為變態(tài)萊氏體型組織，相變區(qū)的組織為馬氏體+殘余奧氏體+未熔石墨。2、仿生耦合制動(dòng)轂材料

摩擦磨損性能研究2.1仿生耦合制動(dòng)轂材料的常溫摩擦磨損性能

仿生耦合單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)耐磨性的影響

仿生耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)耐磨性的影響

仿生耦合單元體的凸起高度對(duì)耐磨性的影響2.1.1耐磨性

仿生耦合單元體間距對(duì)耐磨性的影響

仿生耦合單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)耐磨性的影響

仿生耦合單元體的硬度對(duì)耐磨性的影響

激光加工能量對(duì)耐磨性的影響2.1.2摩擦系數(shù)

仿生耦合單元體單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生耦合單元體的高度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生耦合單元體間距對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生耦合單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生耦合單元體的硬度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

激光加工能量對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生耦合單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)耐磨性的影響

仿生耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)耐磨性的影響2.2仿生耦合制動(dòng)轂材料的高溫摩擦磨損性能

2.2.1耐磨性

仿生單元體間距對(duì)耐磨性的影響

仿生單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)耐磨性的影響

仿生單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生單元體直徑或?qū)挾葘?duì)摩擦系數(shù)的影響2.2.2摩擦系數(shù)

仿生單元體間距對(duì)摩擦系數(shù)的影響

仿生單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響2.3磨損機(jī)理探討（a）凹坑狀單元體（b）條紋狀單元體（c）網(wǎng)格狀單元體

激光仿生耦合處理鑄鐵材料的磨損形貌照片

沿著摩擦方向，材料母體部分磨損嚴(yán)重，磨痕清晰可見(jiàn)，具有明顯的粘著磨損特征，單元體部分僅有少量的磨損，無(wú)論是樁釘式試樣、堤壩式試樣還是網(wǎng)格式試樣都具有同樣的特征。說(shuō)明仿生耦合單元體比材料母體具有優(yōu)異的耐磨性。單元體處的組織致密，具有較高的硬度，相當(dāng)于在母體表面增加了許多強(qiáng)化的質(zhì)點(diǎn)，形成了高于母體的保護(hù)層，摩擦?xí)r這些質(zhì)點(diǎn)首先與配副接觸，起到抵抗磨損的作用，由于耐磨性好，其磨損少于母體，同時(shí)由于摩擦?xí)r相互接觸的面積也小，材料的磨損也少。兩者使耐磨性增加，因此非光滑表面試樣的耐磨性較光滑表面試樣大為提高。

光滑表面材料摩擦過(guò)程的示意圖

激光仿生耦合處理鑄鐵材料與配副材料接觸平面投影示意圖

仿生耦合鑄鐵材料摩擦過(guò)程示意圖ba

仿生耦合鑄鐵材料摩擦增阻示意圖

仿生耦合鑄鐵材料的常溫摩擦系數(shù)高于同種光滑表面材料，這是因?yàn)榉律詈翔T鐵材料凹凸不平的表面與摩擦副摩擦?xí)r，在壓力的作用下，一是仿生單元體凸起的部分壓入摩擦副，摩擦?xí)r凸起的單元體對(duì)摩擦副進(jìn)行犁削，增加了摩擦過(guò)程的運(yùn)動(dòng)阻力使摩擦系數(shù)增大，如圖（a）。二是仿生單元體凸起的部分和摩擦副凸起的部分相互咬合，增大摩擦?xí)r運(yùn)動(dòng)阻力，使常溫摩擦系數(shù)增大，如圖（b）.3、激光仿生耦合制動(dòng)轂產(chǎn)品應(yīng)用情況試驗(yàn)選用的制動(dòng)鼓由一汽集團(tuán)鑄造有限公司第二鑄造分公司生產(chǎn)，材料為HT200。未處理制動(dòng)轂仿生耦合制動(dòng)轂電流(A)脈寬(ms)頻率(Hz)離焦量(mm)掃描速度(mm/s)1301010+5.51試驗(yàn)選用的制動(dòng)鼓由山東浩信集團(tuán)生產(chǎn)，材料為HT200。方案一.垂直方案二.傾斜試驗(yàn)選用的制動(dòng)盤(pán)由山東浩信集團(tuán)生產(chǎn)，材料為QT500-10未處理制動(dòng)盤(pán)仿生耦合制動(dòng)盤(pán)斯太爾卡車(chē)載重80噸.一級(jí)公路運(yùn)行3.5萬(wàn)公里后，未處理制動(dòng)轂到達(dá)報(bào)廢期。報(bào)廢的未處理制動(dòng)轂制動(dòng)轂內(nèi)表面裂紋車(chē)輛運(yùn)行7萬(wàn)公里后，仿生耦合制動(dòng)鼓仍可繼續(xù)使用。仿生耦合處理制動(dòng)轂制動(dòng)轂內(nèi)表面形貌（二）激光水膜制備納米晶單元體材料耐磨性研究401.實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用灰鑄鐵（CGI）、滾珠軸承鋼（GCr15）和熱作模具鋼（H13）三種基材，材料化學(xué)成分及含量如下表所示。412.仿生單元體設(shè)計(jì)與制備

結(jié)合目前已經(jīng)取得的研究成果，以蜣螂波紋狀翅鞘為仿生單元體設(shè)計(jì)原型，通過(guò)合理簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)如下分布模型。圖1.1試樣模型簡(jiǎn)化圖42圖1.3激光水膜熔凝設(shè)備及處理模型圖1.22+2維激光仿生制備系統(tǒng)2.仿生單元體設(shè)計(jì)與制備43（1）激光共焦掃描顯微鏡觀察（LM）（2）X射線衍射分析(XRD)（3）環(huán)境場(chǎng)發(fā)射掃描顯微鏡觀察(SEM)（4）高分辨透射電鏡(HRTEM)觀察及能譜分析（EDS）

（1）顯微硬度測(cè)量（2）摩擦系數(shù)計(jì)算（3）摩損量測(cè)量（4）磨損形貌觀察與分析圖1.4干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)原理圖3.單元體微觀組織表征方法4.常溫干滑動(dòng)摩擦磨損研究44

圖2.1激光1mm水膜熔凝不同材質(zhì)單元體橫截面激光共焦照片：（a）灰鑄鐵(b)GCr15軸承鋼(c)H13熱作模具鋼1.水膜對(duì)不同材料單元體特征尺寸的影響45

圖2.3不同材質(zhì)單元體激光水膜熔凝單元體熔深對(duì)比：（a）灰鑄鐵,（b）GCr15,（c）H13鋼圖2.2不同材質(zhì)單元體激光水膜熔凝單元體熔寬對(duì)比：（a）灰鑄鐵,（b）GCr15,（c）H13鋼1.水膜對(duì)單元體特征尺寸的影響462.水膜厚度對(duì)灰鑄鐵單元體微觀組織的影響

圖2.4激光不同加工介質(zhì)熔凝灰鑄鐵仿生單元體表面環(huán)境場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片：（a）1mm,(b)2mm,(c)3mm,(d)空氣472.水膜厚度對(duì)灰鑄鐵單元體微觀組織的影響

圖2.5灰鑄鐵激光水膜熔凝XRD衍射圖譜483.水膜厚度對(duì)GCr15軸承鋼單元體微觀組織的影響

圖2.6激光水膜熔凝GCr15軸承鋼仿生單元體表面環(huán)境場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片（EFESEM）：（a）1mm,(b)2mm,(c)3mm,(d)空氣49二.激光水膜熔凝微觀組織表征與探討3.水膜厚度對(duì)GCr15軸承鋼單元體微觀組織的影響

圖2.7GCr15軸承鋼激光水膜熔凝XRD衍射圖譜504.水膜厚度對(duì)H13模具鋼單元體微觀組織的影響

圖2.8激光水膜表面熔凝H13熱作模具鋼仿生單元體表面環(huán)境場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片（EFESEM）：（a）1mm,(b)2mm,(c)3mm,(d)空氣514.水膜厚度對(duì)H13模具鋼單元體微觀組織的影響

圖2.9H13熱作模具鋼激光水膜熔凝XRD衍射圖譜52（1）TEM表征

圖2.103mm水膜激光熔凝單元體低倍HRTEM照片：（a）GCr15軸承鋼（b）H13熱作模具鋼5.納米顆粒表征53

圖2.113mm水膜激光熔凝單元體高倍HRTEM照片：（a）GCr15軸承鋼（b）H13熱作模具鋼5.納米顆粒表征（1）TEM表征54

圖3.12TEM照片及能譜曲線：（a）1mm水膜激光熔凝GCr15鋼，（b）1mm水膜激光熔凝H13鋼5.納米顆粒表征（2）能譜分析55圖4.1在空氣及不同水膜厚度下激光熔凝灰鑄鐵硬度分布曲線圖4.2空氣及不同水膜厚度下激光熔凝灰鑄鐵試樣磨損量對(duì)比（g）1.激光水膜熔凝灰鑄鐵單元體摩擦磨損性能研究56圖4.3空氣及不同水膜厚度下激光熔凝對(duì)灰鑄鐵試樣摩擦系數(shù)的影響1.激光水膜熔凝灰鑄鐵單元體摩擦磨損性能研究57

圖4.4激光水膜熔凝處理灰鑄鐵仿生試樣磨損形貌1.激光水膜熔凝灰鑄鐵單元體摩擦磨損性能研究58圖4.5空氣及不同水膜厚度激光熔凝GCr15軸承鋼硬度分布曲線圖4.6不同加工介質(zhì)激光重熔GCr15軸承鋼試樣磨損量對(duì)比2.激光水膜熔凝GCr15軸承鋼單元體摩擦磨損性能研究59圖4.7不同加工介質(zhì)激光重熔處理對(duì)GCr15軸承鋼試樣摩擦系數(shù)的影響圖4.8GCr15鋼殘余奧氏體磨損后誘變?yōu)轳R氏體2.激光水膜熔凝GCr15軸承鋼單元體摩擦磨損性能研究60

圖4.9不同加工介質(zhì)激光重熔處理GCr15仿生試樣磨損形貌對(duì)比2.激光水膜熔凝GCr15軸承鋼單元體摩擦磨損性能研究61

圖4.10H13熱作模具鋼不同加工介質(zhì)激光熔凝硬度分布曲線圖4.11不同加工介質(zhì)激光重熔H13熱作模具鋼試樣磨損量對(duì)比3.激光水膜熔凝H13模