一种提高制动盘热疲劳性能的方法技术

本发明专利技术属于材料表面改性领域，涉及一种提高制动盘热疲劳性能的方法，特指一种通过激光熔覆和激光冲击复合处理协调强化提高制动盘表面涂层与基体的结合强度，改善制动盘热疲劳性能的方法。一方面激光冲击可以细化熔覆Fe基涂层晶粒，预制残余压应力，改善熔覆层与基体间的结合性能，另一方面高温下涂层组织会发生马氏体相变，耗散能量，提高制动盘的热疲劳性能。通过本发明专利技术的实施，能够有效提升制动盘的热疲劳性能，既能降低由制动盘热疲劳失效带来的经济损失，同时也能显著提高轨道车辆运行的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种提高制动盘热疲劳性能的方法
本专利技术属于材料表面改性领域，涉及一种提高制动盘热疲劳性能的方法，特指一种通过激光熔覆和激光冲击复合处理协调强化提高制动盘表面涂层与基体的结合强度，改善制动盘热疲劳性能的方法。
技术介绍
制动盘是轨道车辆安全运行和制动承载的最重要部件。当列车时速达到400km/h时，在制动距离<3700m的前提下，制动盘瞬时温度>800℃，需要承受剧烈的交变热应力和交变载荷的共同作用，长期服役会导致制动盘摩擦表面产生热疲劳损伤，造成列车制动失效，其潜在危险巨大。在全世界高铁数量的不断增长及其设计服役寿命的不断延长的背景下，如何满足制动盘具有优良的热疲劳性能以提高高铁运行的安全性和稳定性是亟需解决的问题。由于热疲劳损伤通常仅是出现在制动盘的表面，如果报废整个制动盘代价昂贵，同时拆装制动盘也容易损坏车轴，带来诸多不便。通过在制动盘表面制备一层高性能的耐热材料既可以提高制动盘的热疲劳性能，又可以大大节约成本。因此，越来越多的研究将焦点放在制动盘摩擦表面强化的问题上。近年来，能够为工业制造提供一个高效、自动化、清洁、无污染的生产环境及过程的激光熔覆方法在工业应用上崭露头角。与电火花加工、物理和化学气相沉积、堆焊、摩擦焊、喷涂等传统材料表面强化方法相比，具有材料几乎不受限制、修复区与基材呈冶金结合且稀释率低、修复区域形状不受限制、易实现自动化等独特优势。但是，受激光熔覆过程中热量传输和应力应变影响，在熔覆层与基材结合处极易形成晶粒粗大的柱状晶、脆性较大的金属间化合物和较大的残余应力，在热疲劳进程中极易成为裂纹源，甚至导致熔覆层脱落，严重影响其对制动盘热疲劳性能的改善作用。激光冲击是利用高能短脉冲激光在材料表面和预制在材料表面的吸收层间的相互作用，诱发超强冲击波使材料表层产生塑性变形和较深的残余压应力场。与传统渗碳(氮)、喷丸等工艺相比，激光冲击方法不需要介质回收、可控性高，对材料表面粗糙度影响小，对工作环境要求较低，且产生的残余压应力可达到普通喷丸效果的10倍以上，能够实现材料表面组织的纳米化。因此，如果能将激光冲击方法运用到激光熔覆表面强化制动盘的强化处理上，通过激光冲击调控制动盘摩擦表面微观组织使其细化甚至纳米化，并预留适当的残余应力场，达到同时改善熔覆层耐热性、强韧性以提高制动盘的热疲劳寿命的目的，将有效降低制动盘发生热疲劳损伤而失效的概率，提高轨道车辆运行的安全性。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种出采用激光冲击的方法对制动盘的激光熔覆层进行强化处理，以提高制动盘热疲劳性能的工艺方法。制动盘热疲劳失效主因就是热疲劳裂纹的形成，其过程先是在制动盘摩擦表面产生区域热斑，然后演变为网状分布的大多深度<0.2mm的龟裂纹，进一步发展为较深的径向裂纹。传统修复方法通常采取打磨、抛光的方法，导致制动盘越来越薄(属于“减加工”方式)。当厚度减少超过2mm时，则报废整个制动盘，而且每次修复拆装过程繁杂更容易损坏车轴，制动盘的维护代价过高。本专利提出采用激光冲击的方法对制动盘的激光熔覆层进行强化处理，通过激光冲击调控制动盘摩擦表面微观组织使其细化甚至纳米化，并预留适当的残余应力场，达到同时改善熔覆层耐热性、强韧性以提高制动盘的热疲劳寿命的目的，有效提高制动盘的热疲劳性能，提高轨道车辆运行的安全性。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种提高制动盘热疲劳性能的工艺方法，本专利技术首先对构件表面进行激光熔覆处理，再对其进行激光冲击处理，二者协调强化后极大地提高了构件的热疲劳性能，延长构件的使用寿命，拓展其应用领域。其具体步骤为：(1)采用机械打磨或酸洗的方法，对制动盘表面进行清理。(2)熔覆粉末的制备：Fe基粉末的化学成分按质量百分比计算，Mn为24～26％、Si为3.5～4.5％、Ni为4.5～5.5％、复合稀土为0.08～0.12％、C为0.08～0.12％、余量为Fe，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为45～55％、La为25～35％、Nd为10～15％、Pr为4～8％、Ti为5～8％、B为1～2％、余为Fe。按比例制得上述Fe基粉末后，在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温10～20min，以去除水分影响。其中，上述提及的Fe基粉末的优选成分为：化学成分按质量百分比计算，Mn为25％、Si为4％、Ni为5％、复合稀土为0.1％、C为0.1％、余量为Fe。(3)激光熔覆工艺：利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式对制动盘表面进行激光熔覆处理，清理后的制动盘应进行预热处理，温度250～300℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率：1600W；扫描速度：400mm/min；光斑直径3mm；搭接率：40％。送粉速度对熔覆层的厚度具有重要影响，为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层厚度(y，单位：um)和送粉速度(x，单位：g/min)的选择应根据如下模型计算：其中，熔覆层厚度y小于1200um；(4)退火处理。在1000～1100℃保温12h后，随炉冷却。(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使制动盘表面平整，粗糙度达到Ra0.5um。(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。制动盘表面粗糙度对制动盘热疲劳性能具有重要影响，为确保激光冲击后制动盘表面粗糙度(Z)小于Ra0.35um，激光能量(a)的选择应根据如下模型计算：其中，激光能量优选为5J。本专利技术的有益效果为：鉴于龟裂纹通常仅是出现在制动盘的表面，区别于传统的“减加工”方式，本专利技术采用激光熔覆+激光冲击，属于增材制造方式，一方面激光冲击可以细化熔覆Fe基涂层晶粒，预制残余压应力，改善熔覆层与基体间的结合性能，另一方面高温下涂层组织会发生马氏体相变，耗散能量，提高制动盘的热疲劳性能。通过本专利技术的实施，能够有效提升制动盘的热疲劳性能，既能降低由制动盘热疲劳失效带来的经济损失，同时也能显著提高轨道车辆运行的安全性。附图说明图1为本专利技术采用线切割的方式在制动盘复合强化表面上切取的热疲劳试样。具体实施方式本专利技术所述的一种提高制动盘热疲劳性能的工艺方法，按照下述步骤进行：(1)采用机械打磨或酸洗的方法，对制动盘表面进行清理。(2)熔覆粉末的制备：Fe基粉末的化学成分按质量百分比计算，Mn为24～26％、Si为3.5～4.5％、Ni为4.5～5.5％、复合稀土为0.08～0.12％、C为0.08～0.12％、余量为Fe，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为45～55％、La为25～35％、Nd为10～15％、Pr为4～8％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高制动盘热疲劳性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)采用机械打磨或酸洗的方法，对制动盘表面进行清理；/n(2)熔覆粉末的制备：/nFe基粉末的化学成分按质量百分比计算，Mn为24～26％、Si为3.5～4.5％、Ni为4.5～5.5％、复合稀土为0.08～0.12％、C为0.08～0.12％、余量为Fe，粉末粒度100～240目；/n按比例制得上述Fe基粉末后，在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温10～20min去除水分；/n(3)激光熔覆工艺：/n利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式对制动盘表面进行激光熔覆处理，清理后的制动盘应进行预热处理；/n熔覆层厚度y和送粉速度x的选择应根据如下模型计算：/n

【技术特征摘要】
1.一种提高制动盘热疲劳性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用机械打磨或酸洗的方法，对制动盘表面进行清理；
(2)熔覆粉末的制备：
Fe基粉末的化学成分按质量百分比计算，Mn为24～26％、Si为3.5～4.5％、Ni为4.5～5.5％、复合稀土为0.08～0.12％、C为0.08～0.12％、余量为Fe，粉末粒度100～240目；
按比例制得上述Fe基粉末后，在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温10～20min去除水分；
(3)激光熔覆工艺：
利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式对制动盘表面进行激光熔覆处理，清理后的制动盘应进行预热处理；
熔覆层厚度y和送粉速度x的选择应根据如下模型计算：



式中，y，熔覆层厚度，单位：um；
x，送粉速度，单位：g/min；
(4)退火处理；
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使制动盘表面平整；
(6)激光冲击工艺：
采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为铝箔，进行激光冲击；激光冲击后制动盘表面粗糙度Z和激光能量a的选择应根据如下模型计算：



式中，Z，激光冲击后制动盘表面粗糙度，单位：um；
a，激光能量，单位J。


2.如权利要求1所述的一种提高制动盘热疲劳性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的Fe基粉末的化学成分按质量百分比计算，Mn为25％、Si为4...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭顺，陈薇玫，李青松，陈泳元，薛文超，刘光磊，曹宇豪，刘海霞，周建忠，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32