一种梯度功能材料及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度功能材料的设计方法，包括如下步骤：确定基体材料和硬质合金中的合金成分；按照不同比例，将基体材料和硬质合金进行组合，得到不同的合金体系；将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数；将所述模拟参数与设定参数进行比对，得到模拟参数落在设定参数范围内的合金体系，即为梯度功能材料。本发明专利技术的梯度功能材料的设计方法，可以通过计算方法，设计和筛选出从基体材料到硬质合金层成分、组织性能的梯度过渡材料，克服传统材料设计时需要通过大量的成分配比和长周期的熔炼

【技术实现步骤摘要】
一种梯度功能材料及其设计方法


[0001]本专利技术属于梯度功能材料
，具体涉及一种阀门密封面的梯度功能材料的设计方法以及根据该设计方法得到的适用于阀门密封面的梯度功能材料，可适用于阀门密封面的制造、修复和再制造。

技术介绍

[0002]功能梯度材料(Functionally graded materials，简称FGM)是将两种或多种具有不同性能的原材料，通过采用先进的复合技术控制构成材料的组成和机构等要素沿着一定的方向呈连续梯度变化，从而得到性质和功能也呈梯度变化的新型非均质复合材料。随着科技的发展，FGM的研究相对成熟，已将其推广应用于电子元件、光学器件、汽车、生物医学等技术的材料领域；同时材料的组合种类也由最初的金属/陶瓷扩展到金属、合金、非金属等多种材料相互组合。
[0003]在堆焊中，当堆焊层与基体材料理化与力学性能存在较大差别时，采用过渡材料堆焊的方法，即在基体上先堆焊一层梯度材料过渡层，然后在过渡层上堆焊硬面材料。过渡层材料既不同于基体金属，也不同于硬面金属，一般采用焊接性和其熔敷金属塑性较好的金属。虽然过渡层堆焊具有一定的减少硬度突变和降低残余应力的作用，但并不能消除硬度“台阶”，只是将一级台阶分成了二级或多级“台阶”，应力下降幅度也有限。而梯度材料堆焊，它能实现硬度、性能的梯度过渡，基本能消除硬度“台阶”，有效降低残余应力。若将之应用于阀门密封面堆焊上，有望成为解决阀门密封面焊接缺陷的一条有效途径。
[0004]传统的梯度功能材料的设计和实验方法费时费力，时间周期长、成本高、效果差。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种适用于阀门密封面的梯度功能材料的设计方法。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0007]一种适用于阀门密封面的梯度功能材料的设计方法，包括如下步骤：
[0008]确定基体材料和硬质合金中的合金成分；
[0009]按照不同比例，将基体材料和硬质合金进行组合，得到不同的合金体系；
[0010]将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数；
[0011]将所述模拟参数与设定参数进行比对，得到模拟参数落在设定参数范围内的合金体系，即为梯度功能材料；
[0012]若没有符合条件的合金体系，则重新调整基体材料和硬质合金的组合比例，迭代进行上述计算，直到获得模拟参数落在设定参数范围内的合金体系。具体在阀门密封面中，则为组织(脆性相)和线膨胀系数、硬度符合要求的梯度功能材料。
[0013]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述模拟参数和设定参数包括合金体系对应的
熔敷金属的相组成、密度、线膨胀系数、热导率、杨氏模量、比热容、硬度中的一种或几种。
[0014]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述相组成的设定参数为熔敷金属结晶后相组成中的脆性相质量占比小于10％。当熔敷金属中脆性相比例大于10％时，增加或减少混合体中影响脆性相合金的含量，迭代进行材料性能模拟计算，直到脆性相比例小于10％。
[0015]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述脆性相包括各类碳化物，如M2(C,N)、M6C、M7C3和M23C6等。
[0016]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述线膨胀系数的设定参数为熔敷金属的线膨胀系数介于基体材料与硬质合金对应的线膨胀系数之间。
[0017]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述硬度的设定参数为熔敷金属的硬度值介于基体材料与硬质合金对应的硬度之间。
[0018]根据本专利技术的一些优选实施方面，在进行模拟参数的模拟和比对时，按照相组成、线膨胀系数和硬度顺序的依次进行，需相组成、线膨胀系数和硬度均满足条件，才是合适的合金体系；任何一项不满足，则该合金体系不合适。如相组成的大于脆性相比例大于10％时，则该合金体系不合适，无需进行线膨胀系数和硬度的比对。
[0019]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述基体材料为低合金钢、高合金钢或不锈钢。
[0020]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述硬质合金为钴基Stellite合金或无钴合金(含铁基合金和镍基合金)。
[0021]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述材料性能模拟计算软件为JMatPro软件。
[0022]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述基体材料和硬质合金之间具有多个由符合要求的梯度功能材料对应形成的多层熔敷金属层。当存在多层熔敷金属层时，按组合比例，从基材到硬质合金层，梯度材料中基材比例减少，至最后一层时不含基材，只有硬质合金。
[0023]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述组合为将合金体系中的基体材料质量占比由0％逐渐升至100％，硬质合金的质量占比由100％逐渐降低至0％。
[0024]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述模拟计算时，以不同熔敷方法的熔合比和不同熔敷方法的合金烧损比例作为计算边界条件。
[0025]优选地，计算不同冷却速度下的组织、硬度和线膨胀系数，为梯度材料的熔敷提供工艺控制参量。实际计算时，首先根据组织、性能确定成分，确定方法是不同材料混合+熔合比+烧损；再根据确定的成分计算性能。成分、性能确定后，考虑冷却速度。冷却速度可以通过调整工艺实现。即：冷却速度虽然是很重要的边界条件，但工程中容易实现。
[0026]本专利技术还提供了一种根据上述的设计方法设计得到的适用于阀门密封面的梯度功能材料。
[0027]由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本专利技术的有益之处在于：本专利技术的适用于阀门密封面的梯度功能材料的设计方法，可以通过计算方法，设计和筛选出从基体材料到硬质合金层成分、组织性能的梯度过渡材料，克服传统材料设计时需要通过大量的成分配比和长周期的熔炼
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轧制
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机加工流程完成材料筛选和评估，大大节约人力、资金、时间；同时也大大拓宽了梯度材料设计和使用范围。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为本专利技术优选实施例中不同合金体系的相组成；
[0030]图2为本专利技术优选实施例中不同合金体系的T
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Linear Expansion(温度
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线膨胀系数)图；
[0031]图3为本专利技术优选实施例中不同合金体系的温度
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硬度图。
具体实施方式
[0032]为了使本
的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度功能材料的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：确定基体材料和硬质合金中的合金成分；按照不同比例，将基体材料和硬质合金进行组合，得到不同的合金体系；将组合得到的合金体系中的合金成分输入材料性能模拟计算软件，模拟得到不同合金体系对应的模拟参数；将所述模拟参数与设定参数进行比对，得到模拟参数落在设定参数范围内的合金体系，即为梯度功能材料。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述模拟参数和设定参数包括合金体系对应的熔敷金属的相组成、密度、线膨胀系数、热导率、杨氏模量、比热容、硬度中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述相组成的设定参数为熔敷金属结晶后相组成中的脆性相比例小于10％。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述脆性相包括各类碳化物。5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述线膨胀系数的设定参数为熔敷金属的线膨胀系数介于基体材料与硬质合金熔敷金属对应的线膨胀系数之间。6.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述硬度的设定参数为熔敷金属的硬...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠兵，孙志强，梁振新，杨佳，朱平，吕一仕，尚建路，姚祥宏，
申请(专利权)人：苏州热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：