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原文传递球墨铸铁制动盘热疲劳裂纹的激光仿生修复研究

论文题名：	球墨铸铁制动盘热疲劳裂纹的激光仿生修复研究
关键词：	列车制动盘;球墨铸铁;热疲劳裂纹;激光仿生修复
摘要：	球墨铸铁因具有良好的耐磨性、导热性和铸造性能而被广泛应用于列车制动盘的制造。制动盘是列车制动系统的重要组成部件，车辆制动时，制动盘与摩擦衬块之间发生剧烈摩擦，列车的动能被转化为热能，制动盘温度升高，待制动结束后又恢复常温状态。因此在制动盘服役期间，其温度会不可避免地发生升高-降低的交替变化，从而使其长期受到循环热应力的作用，最终在表面产生热疲劳裂纹而导致失效。热疲劳开裂是制动盘失效的主要形式之一，为了保证行车安全不得不对失效制动盘进行更换，由此以来不仅增加了车辆的运维成本，还造成大量的资源浪费。因此，对失效制动盘进行再制造，修复其表面的热疲劳裂纹，延长其使用寿命具有重要意义。　　然而由于球墨铸铁中存在着较多的石墨，在对裂纹进行重熔弥合后会产生严重的“白口化”现象，此外还极易形成脆硬相和微裂纹，给裂纹的修复造成了极大的困难。传统的修复方法通常是预热后采用焊接工艺对热疲劳裂纹进行修复，尽管可以在一定程度上将热疲劳裂纹愈合，但是依然存在一些不容忽视的问题，例如，修复工艺繁琐、修复成本高、过程复杂、修复周期较长、焊缝热影响区存在残余热应力等等。因此，目前要解决的问题便是探索一种可以有效修复热疲劳裂纹的方法。在自然界中，一些生物组织表现出了良好的止裂抗疲劳功能，例如贝壳、植物叶片及蜻蜓翅膀等。研究发现，这些具有优异抗疲劳性能的结构都具有类似的特征，即软质相（母体）与硬质单元交替组合，从而形成“软-硬”相间的耦合结构。通过对该耦合结构进行简化，并利用激光技术进行仿制，可以达到修复热疲劳裂纹，提高材料抗热疲劳性能的目的。在此启发下，本文提出制动盘热疲劳裂纹修复的新思路，即利用激光技术制备出作为硬质相的仿生止裂单元体对裂纹进行间断修复。　　本文利用激光熔凝修复技术制备仿生止裂单元体对热疲劳裂纹进行修复，并通过设计正交试验对修复参数进行优化。对在不同激光能量密度下所制备的单元体的尺寸、组织以及各仿生修复试样的抗热疲劳性能所呈现出的规律性进行探究，并对单元体止裂抗疲劳机理进行探讨。此外，本文采用激光增材修复技术制备了仿生止裂复合结构单元体对大尺寸热疲劳开裂区域进行修复，并对比分析了不同合金粉末（Fe30A与Co50）对复合结构单元体组织、硬度以及仿生修复试样抗热疲劳性能的影响。结果表明：仿生止裂单元体晶粒高度细化，组织致密，强度、硬度及塑性均高于基体，能够有效的将热疲劳裂纹进行愈合并阻止其发生进一步扩展，大大延长了仿生修复试样的疲劳寿命。当激光能量密度为213.3J/mm2时，仿生熔凝单元体具有最大的有效深度可以将裂纹完全弥合，此时其平均显微硬度最高，为749H??0.2，相应仿生修复试样的抗拉强度也达到最大。在相同热循环次数下，裂纹的宽度增量最小，并且裂纹的扩展速率降低了77.56%，具有最好的抗热疲劳性能。仿生止裂复合结构单元体LC1（熔覆粉末为Fe30A）与LC2（熔覆粉末为Co50）的熔覆层中组织均呈现致密的树枝晶状，并且还有硼化物、碳化物的存在，LC2单元体对裂纹进行修复后表现出更好的抗热疲劳性能，其裂纹宽度与长度增量分别是同等条件下LC1单元体修复试样中裂纹宽度增量的90.5%与78.9%。此外，单元体间距对仿生修复试样的抗热疲劳性能也有一定影响：在相同的热循环次数下，裂纹的宽度增量及扩展速率随着单元体间距的增大均呈现逐渐增大的趋势。仿生修复试样的抗热疲劳机理可总结为以下几点：（1）单元体的闭锁效应。具有较高的强度与韧性的单元体能够在成型的过程中将裂纹弥合，由热疲劳裂纹引起的应力集中效应得以消除，此外还能有效阻止裂纹继续发生扩展。（2）应力状态改善机制。热疲劳裂纹扩展的动力源自材料在冷热循环环境中受到由循环热应变引起的循环热应力。单元体对裂纹的间断修复可以降低材料受热膨胀时所受到的约束，从而使热应力得以松弛，改善了修复区域的应力状态。
作者：	马思远
专业：	仿生工程材料
导师：	周宏;张凤山
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文