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原文传递高速列车制动盘激光熔覆工艺及性能研究

论文题名：	高速列车制动盘激光熔覆工艺及性能研究
关键词：	高速列车;制动盘;激光熔覆;高温摩擦磨损;抗热疲劳性能
摘要：	高速列车制动盘是保证列车运行安全可靠性的重要制动部件之一，而在长期运行过程中，制动盘会受到摩擦磨损和热疲劳而失效。无论制动盘的磨损还是热疲劳，只在制动盘摩擦面的表层及近表层出现，由于激光熔覆涂层与基体呈冶金结合且基体热影响区窄、热变形小等特点，应用激光熔覆技术开发一种新的制动盘用金属基复合材料。提高制动盘的摩擦磨损和抗热疲劳性能，延长其使用寿命，进而提高制动部件的安全可靠性，降低运行维护成本。　　本论文通过从熔覆材料的选择、熔覆工艺参数的单因素变量试验和多因素正交试验确定了适用于高速列车制动盘基体的激光熔覆粉体材料及工艺参数与熔覆成形的规律关系。采用显微金相、显微硬度、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等分析了激光熔覆层的组织、硬度、元素分布、以及强化相等;通过拉伸试验、微型剪切试验、高温摩擦磨损试验评价熔覆层的力学性能、熔覆层与基体的结合强度、以及高温磨损性能;最后应用惯性制动试验，综合评价熔覆层的制动性能、熔覆层与闸片之间的匹配性能及磨损机制。　　(1)应用激光熔覆技术在制动盘基体材料上制备Co基和Ni基熔覆涂层，采用国产牌号的Ni45、Ni60、Co06、Ni40四种粉体，选出熔覆层中无气孔和裂纹Ni40和Co06粉体，并采用两种粉体同时进行熔覆工艺参数的单因素变量试验和多因素正交试验，获得了各工艺参数对熔覆成形的影响规律，并依此做为指导确定了制动盘熔覆的较优工艺参数。　　(2)Ni40和Co06熔覆层的组织从熔覆层的近熔合线、底部、中部、到顶部的组织依次为平面晶、柱状晶/胞状晶、树枝晶和等轴晶。Ni40和Co06熔覆单层的硬度都在370HV0.5左右。而热影响区的硬度由于激光淬火作用而高于基体和熔覆层，并且随着激光功率的增大，热影响区的硬度增大，熔覆层的硬度减小。　　(3)Co06的熔覆层的微型剪切强度为771MPa在所有微区中最大，而Ni40熔覆层的剪切强度为551MPa，在所有微区中最小。Co06和Ni40熔覆层断口分别为枝晶断裂和准解理断裂。Ni40熔覆熔合区剪切断裂位置沿着熔覆层与基体的界面处，而Co06熔覆并未在界面处断裂，说明Ni40熔覆层界面处的结合强度较低。相对于基体，Co06熔覆层的抗拉强度是基体的1.87倍。　　(4)在高温摩擦磨损试验中，Co06熔覆层的耐磨损性能最好、Ni40熔覆层次之、基体材料最差。三种材料在600℃条件下都会发生氧化和黏着磨损，但是相对于基体铸钢材料，Ni40和Co06熔覆层在高温下表现出了很好的抗氧化性能，表层的致密Cr2O3氧化膜在高温下具有极高的稳定性。起到保护基体被氧化的作用，稳定的氧化膜减少了摩擦盘颗粒的剥落，防止摩擦面变得粗糙和严重磨粒磨损的出现。　　(5)基体材料和熔覆层的惯性缩比制动试验中，Ni40熔覆层在制动过程中力矩稳定系数最低，摩擦系数波动范围最大，超出了标准规定的范围。Co06熔覆层的力矩稳定系数最高。在120km/h和200km/h的制动初速度下，温度达峰值之前的平均升温速率分别为25.14℃/s和51.67℃/s，可见200km/h的初速度下的升温速率是120km/h的2.06倍。进行200km/h初速度制动时，Ni40熔覆摩擦盘的最高温度达到326℃，在三种材料的摩擦盘中峰值温度最高。摩擦盘表面温度在制动初期为多条带分布，中期为面状均匀分布，后期为面状偏内侧分布。惯性制动试验中基体摩擦盘表面发生了严重的犁沟磨损和氧化磨损，Ni40熔覆摩擦盘没有出现明显的犁沟和氧化磨损，但是黏着磨损非常严重，Co06熔覆摩擦盘的表面相对最为平整光滑，制动初速度为200km/h时，Co06熔覆摩擦盘上的闸块磨损量最小，基体和Ni40上的闸块磨损量是Co06熔覆摩擦盘的1.19倍和1.53倍。体现出Co06熔覆层与摩擦副闸块之间在摩擦磨损过程中良好的匹配性。
作者：	马元明
专业：	材料工程
导师：	陈辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文