一种提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法技术

本发明专利技术提供了一种提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法，属于高速重载极端工况条件下使用的金属材料强韧化和金属材料表面改性技术领域。本申请在织构化的奥氏体不锈钢表面以不同比例的NiTi合金靶材作为源极，利用表面等离子合金化法在奥氏体不锈钢表面沉积制备合金涂层，等离子表面合金化是利用氩等离子体的溅射轰击作用在工件极表面形成具有一定厚度的合金涂层，既能保证涂层和工件极之间的良好结合，又能保证所制备的涂层具备高的硬度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法


[0001]本专利技术属于金属材料表面改性领域，尤其涉及在高速重载工况下面向火箭橇滑块兼具减摩抗磨性的方法。

技术介绍

[0002]火箭橇动态试验过程是典型的高速重载荷试验，其滑块部件作为关键的承载支撑和引导运动零部件，是火箭橇与滑轨衔接的重要桥梁，保障着火箭橇系统安全平稳的运行。火箭橇滑块材料0Cr18Ni9Ti是一种奥氏体不锈钢，表面硬度低、耐磨性差，严重威胁火箭橇系统的长寿命安全服役。因此，对改进滑块的摩擦磨损性能、兼顾耐磨性和减摩性以及提高其服役性能显得尤为必要。
[0003]面向火箭橇滑块的高精度测量技术已经取得了较大的发展(中国专利CN109142213B)，且中国专利CN204253613U中提出了一种可及时更换磨损部件的新型低阻滑块，但仍无法从根源上解决滑块的磨损问题。通过防护涂层(中国专利CN112646454A)虽能实现降低滑块热烧蚀进而减缓磨损，但涂层剥落引起的磨粒磨损难以避免。通过恰当的表面形貌设计(中国专利CN114676611A)，即形成表面织构则可以捕获磨屑，从而降低磨损损伤。但依据流体动力学理论设计的表面织构不符合火箭橇滑块的工况环境，有必要针对这一情况设计适用于火箭橇滑块服役工况的表面织构。
[0004]然而，鉴于火箭橇动态试验存在经济和时间成本高，试验样本量少、试验考核难，实验室内无法完全复刻等问题，无法凭借实测试验分析揭示滑块磨损问题，也无法揭示表面织构对滑块磨损行为的影响。国内虽有通过计算机模拟滑块磨损过程的先例(中国专利CN112580144A)，但仅通过二维模型或只考虑局部碰撞变形的模拟仿真，。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在合理、高效地解决火箭橇滑块磨损问题，提供一种面向火箭橇滑块兼具减摩抗磨性的方法。本专利技术提供的方法得到的连续型沟槽表面织构使得滑块的整体变形更小、磨损更为均匀且有效地避免了磨粒磨损。本专利技术在织构化表面得到的合金涂层显著提高了奥氏体不锈钢的表面硬度。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一步，根据实际火箭橇滑块/滑轨摩擦副建立三维磨损对称模型，采用Archard磨损模型并赋予滑块双线性等向强化本构模型；
[0008]第二步，设计平行于运动方向的连续型沟槽表面织构；
[0009]第三步，根据火箭橇滑轨系统的实际运行工况对模型设置边界条件；
[0010]第四步，基于有限元法并考虑有限元网格的畸变，通过Solidwork软件完成模型导入，借助ANSYS软件完成对称面等边界条件的约束、材料定义、分析计算并分析结果；
[0011]第五步，将ANSYS软件得到的结果在实物0Cr18Ni9Ti表面上利用激光打标机进行沟槽型织构设计；
[0012]第六步，将织构化的0Cr18Ni9Ti进行预处理，得到预处理0Cr18Ni9Ti；
[0013]第七步，将预处理0Cr18N9Ti和不同比例的NiTi合金靶材分别进行等离子清洗，得到清洗0Cr18N9Ti和清洗靶材；
[0014]第八步，所述清洗靶材利用等离子表面合金化法沉积到所述清洗0Cr18N9Ti表面上，在所述0Cr18N9Ti表面形成合金涂层，实现提高0Cr18N9Ti表面性能的目的；所述不同比例的NiTi合金靶材中Ni和Ti的摩尔比分别为1：1～1：4。
[0015]具体的，在第一步中，鉴于火箭橇滑块磨损主要发生在滑块与滑轨轨面相互作用的区域，滑块沿运动方向具有对称性，以及Archard磨损模型是经典的且广泛使用的，进而建立三维磨损对称模型。
[0016]进一步的，滑块实际接触区域的几何尺寸为284
×
94
×
21mm，根据出现显著热波动区域的厚度仅为6mm，按尺寸等比例缩小则建立滑块模型尺寸为81
×
13.5
×
6mm。
[0017]具体的，在第二步中，当沟槽方向与滑动方向一致时在很大程度上会避免接触面应力集中现象的发生，且平行于摩擦滑动方向的沟槽型织构能够及时去除磨损磨料，表现出极佳的减摩效果，因而设计沟槽型织构化滑块。
[0018]进一步地，以滑块对称模型宽度(13.5mm)的50等份以及100等份分别作为沟槽型织构的宽度和深度，以占滑块接触面面积20％～35％为织构密度。
[0019]在滑块表面设置V型槽，宽度为0.270mm、深度为0.135mm，相邻V型槽的间距为0.495mm、0.648mm、0.878mm。
[0020]具体的，在第三步中，将火箭橇滑轨系统中滑块上方所有部件等效为均匀块体，认为载荷是均匀分布在滑块上且始终垂直于运动方向。
[0021]进一步的，实际中火箭橇滑轨与地面之间是固定接触的，故约束滑轨底部所有方向的自由度。
[0022]进一步地，实际中滑轨具有极高的平顺性以及数千米的长度，几乎不会发生沿运行方向的变形，故约束滑轨前后两端沿着运动方向的平动自由度。
[0023]具体的，在第四步中，有限元法理论将几何模型离散为一些列连续的由节点相连接的网格，而滑块磨损涉及重新定位节点以模拟材料的损失，节点变化又必然引起网格畸变，故而考虑几何网格更新策略。
[0024]磨损问题的模拟采用经典的Archard磨损模型进行计算，基本公式为
[0025][0026]式中，dh/dt——单位时间内的磨损深度变化；P——接触压力；υ——滑动速度；H——接触对中较软材料的硬度；K——无量纲磨损系数。
[0027]进一步的，ANSYS软件基于所设计的模型，添加滑块0Cr18Ni9Ti不锈钢以及滑轨U71Mn钢的材料属性以及定义相应的边界条件，最后基于有限元法理论计算模拟，观察不同织构密度条件下滑块接触面的磨损量、应力以及接触压力的变化。
[0028]进一步的，根据分析模拟结果，汇总分析沟槽型织构的减摩效果，验证沟槽型织构有益于提高火箭橇滑块的减摩抗磨性。
[0029]具体的，在第五步中，将ANSYS软件得到的结果在实物0Cr18Ni9Ti表面上利用激光打标机进行沟槽型织构设计，得到织构化的0Cr18Ni9Ti；
[0030]进一步的，第六步所述预处理方式依次为对靶材与织构化的0Cr18N9Ti进行去除油污、打磨与超声清洗；所述去除油污的溶液为混合有金属清洗剂的水溶液；所述打磨为使用碳化硅水砂纸进行打磨；所述超声清洗选择无水乙醇。
[0031]进一步的，第七步所述等离子清洗的参数独立地包括：所述NiTi合金靶材的下方到所述预处理0Cr18N9Ti的表面的距离为15～20mm，工作气压为氩气，所述氩气的流量为18～30sccm，工作气压为35
±
2Pa，清洗时间为0.5～1h。
[0032]具体的，第七步中等离子清洗在等离子表面合金化装置中进行，所述预处理0Cr18N9Ti置于所述等离子表面合金化装置的样品台上，所述NiTi合金靶材通过夹具固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，根据实际火箭橇滑块/滑轨摩擦副建立三维磨损对称模型，采用Archard磨损模型并赋予滑块双线性等向强化本构模型；第二步，设计平行于运动方向的连续型沟槽表面织构；第三步，根据火箭橇滑轨系统的实际运行工况对模型设置边界条件；第四步，基于有限元法并考虑有限元网格的畸变，通过Solidwork软件完成模型导入，借助ANSYS软件完成对称面等边界条件的约束、材料定义、分析计算并分析结果；第五步，将ANSYS软件得到的结果在实物0Cr18Ni9Ti表面上利用激光打标机进行沟槽型织构设计；第六步，将织构化的0Cr18Ni9Ti进行预处理，得到预处理0Cr18Ni9Ti；第七步，将预处理0Cr18N9Ti和不同比例的NiTi合金靶材分别进行等离子清洗，得到清洗0Cr18N9Ti和清洗靶材；第八步，所述清洗靶材利用等离子表面合金化法沉积到所述清洗0Cr18N9Ti表面上，在所述0Cr18N9Ti表面形成合金涂层，实现提高0Cr18N9Ti表面性能的目的；所述不同比例的NiTi合金靶材中Ni和Ti的摩尔比分别为1：1~1：4。2.根据权利要求1所述的提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法，其特征在于：在第一步中，火箭橇滑块磨损主要发生在滑块与滑轨轨面相互作用的区域，滑块沿运动方向具有对称性，滑块实际接触区域的几何尺寸为284
×
94
×
21 mm，根据出现显著热波动区域的厚度仅为6 mm，按尺寸等比例缩小则建立滑块模型尺寸为81
×
13.5
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6 mm。3.根据权利要求1所述的提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法，其特征在于：在第二步中，沟槽型织构化滑块设置为：以滑块对称模型宽度13.5 mm的50等份以及100等份分别作为沟槽型织构的宽度和深度，以占滑块接触面面积20%~35%为织构密度。4.根据权利要求1所述的提高奥氏体不锈钢火箭橇滑块表面性能的方法，其特征在于：在第三步中，将火箭橇滑轨系统中滑块上方所有部件等效为均匀块体，认为载荷是均匀分布在滑块上且始终垂直于运动方向。5.根据权利要求1所述的提高奥氏体不锈钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：林乃明，吴玉程，王玮华，严凯，李小凯，袁烁，王振霞，
申请(专利权)人：航宇救生装备有限公司，
类型：发明
国别省市：