激光制備仿生耦合耐磨損功能材料技術(shù)

1、一一、生物耦合現(xiàn)象及理論生物耦合現(xiàn)象及理論生物功能生物功能生物耦合生物耦合耦聯(lián)耦聯(lián)耦元：耦元： 表面形態(tài)因素表面形態(tài)因素 內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素 構(gòu)成材料因素等構(gòu)成材料因素等1.1.生物耦合概念生物耦合概念y=f(x) 圖圖1荷葉、水稻葉的減粘功能荷葉、水稻葉的減粘功能 圖圖2 潮間帶貝殼結(jié)構(gòu)與止裂功能潮間帶貝殼結(jié)構(gòu)與止裂功能 圖圖3 穿山甲鱗片的耐磨損功能穿山甲鱗片的耐磨損功能 圖圖4蜻蜓與蝴蝶翅膀的抗疲勞特征蜻蜓與蝴蝶翅膀的抗疲勞特征二、生物耦合提高耐磨損性能原理二、生物耦合提高耐磨損性能原理生物耦合原型生物耦合原型 下圖為幾種土壤動(dòng)物的體表非光滑形態(tài)特征，該下圖為幾種土壤動(dòng)物的體表非光

2、滑形態(tài)特征，該特征使得土壤動(dòng)物具有優(yōu)良的耐磨損性能特征使得土壤動(dòng)物具有優(yōu)良的耐磨損性能。蜣螂體表蜣螂體表 花葬甲鞘翅花葬甲鞘翅黑螞蟻頭部黑螞蟻頭部蜣螂頭部蜣螂頭部步甲胸節(jié)背板步甲胸節(jié)背板穿山甲鱗片穿山甲鱗片1.1.生物耦合耐磨損生物原型生物耦合耐磨損生物原型 土壤動(dòng)物體表土壤動(dòng)物體表葉片葉片翅膀翅膀珍珠層珍珠層相似特征相似特征 形態(tài)因素：形態(tài)因素：單元體形狀、大小、分布角度、分布間距單元體深度p下凹深度b凸起高度h火山口峰間距離s火山口峰谷高度t單元體寬度或直徑w/d凹坑直徑或凹槽寬度a/c釋義參數(shù) 仿生耦合表面試樣的制備仿生耦合表面試樣的制備 儀器型號(hào)儀器型號(hào)：JHM-1GY-300BJHM

3、-1GY-300B生產(chǎn)廠家生產(chǎn)廠家：武漢楚天激光設(shè)：武漢楚天激光設(shè) 備有限公司備有限公司激光波長激光波長：1.064m1.064m工作物質(zhì)工作物質(zhì)：Nd:YAGNd:YAG晶體晶體額定功率額定功率：300W300W四、四、激光仿生耦合制備技術(shù)激光仿生耦合制備技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用的實(shí)際應(yīng)用（一）仿生耦合制動(dòng)轂（一）仿生耦合制動(dòng)轂( (盤盤) )激光制備技術(shù)研究激光制備技術(shù)研究 仿生耦合表面制備裝置仿生耦合表面制備裝置 不同激光能量處理的耦合單元體剖面照片不同激光能量處理的耦合單元體剖面照片（a a）激光單脈沖能量為）激光單脈沖能量為4.84 J4.84 J（b b）激光單脈沖能量為）激光單脈沖能量為3

4、.52 J3.52 J（c c）激光單脈沖能量為）激光單脈沖能量為2.97 J2.97 J（d d）激光單脈沖能量為）激光單脈沖能量為1.95 J1.95 J 不論能量高低仿生耦合單不論能量高低仿生耦合單元體結(jié)構(gòu)都相同，由呈下半月元體結(jié)構(gòu)都相同，由呈下半月形分布的激光熔凝區(qū)和相變區(qū)形分布的激光熔凝區(qū)和相變區(qū)組成。隨激光能量的增加仿生組成。隨激光能量的增加仿生耦合單元體增大。從表面上看耦合單元體增大。從表面上看它們以一定的形狀（凸起、凹它們以一定的形狀（凸起、凹坑、火山口形）和一定規(guī)律坑、火山口形）和一定規(guī)律（排列間隔、方向）鑲嵌在表（排列間隔、方向）鑲嵌在表面上。沿剖面看它們以倒山形面上。沿剖

5、面看它們以倒山形或堤壩形鑲嵌在材料表層?；虻虊涡舞偳对诓牧媳韺印?激光熔凝區(qū)的組織激光熔凝區(qū)的組織SEMSEM照片照片激光處理前、后試樣的激光處理前、后試樣的XRDXRD曲線曲線相變區(qū)的組織相變區(qū)的組織SEMSEM照照片片 從XRD曲線可以看出，激光仿生處理后試樣的組織中增加了馬氏體和滲碳體，組織中出現(xiàn)了具有復(fù)雜相結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)相。 仿生耦合單元體嵌入表層仿生耦合單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)耐磨性的影響連結(jié)形式對(duì)耐磨性的影響 仿生仿生耦合耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)耐磨性的影響單元體直徑或?qū)挾葘?duì)耐磨性的影響仿生耦合單元體的凸起高度對(duì)耐磨性的影響仿生耦合單元體的凸起高度對(duì)耐磨性的影響2.1.1 2.1.1 耐

6、磨性耐磨性 仿生耦合單元體間距對(duì)耐磨性的影仿生耦合單元體間距對(duì)耐磨性的影響響 仿生耦合單元體排列方向與摩擦方向仿生耦合單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)耐磨性的影響的夾角變化對(duì)耐磨性的影響 仿生耦合單元體的硬度對(duì)耐磨性的影響仿生耦合單元體的硬度對(duì)耐磨性的影響 激光加工能量對(duì)耐磨性的影響激光加工能量對(duì)耐磨性的影響2.1.2 2.1.2 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)仿生耦合單元體單元體嵌入表層仿生耦合單元體單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響連結(jié)形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響 仿生耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體的高度對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體的高度對(duì)摩

7、擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體間距對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體間距對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體排列方向與摩擦仿生耦合單元體排列方向與摩擦方向方向的夾角變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響的夾角變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體的硬度對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體的硬度對(duì)摩擦系數(shù)的影響激光加工能量對(duì)摩擦系數(shù)的影響激光加工能量對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生耦合單元體嵌入表層仿生耦合單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)耐磨性的影響連結(jié)形式對(duì)耐磨性的影響 仿生耦合單元體直徑仿生耦合單元體直徑或?qū)挾葘?duì)耐磨性的影響或?qū)挾葘?duì)耐磨性的影響2.2.1 2.2.1 耐磨性耐磨性仿生單元體間距對(duì)耐磨性的影仿生單元體間距對(duì)耐磨性的影響響 仿生單元體排列方

8、向與摩擦方向仿生單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)耐磨性的影響的夾角變化對(duì)耐磨性的影響仿生單元體嵌入表層仿生單元體嵌入表層連結(jié)形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響連結(jié)形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響 仿生單元體直徑或?qū)挾葘?duì)摩仿生單元體直徑或?qū)挾葘?duì)摩擦系數(shù)的影響擦系數(shù)的影響2.2.2 2.2.2 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)仿生單元體間距對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生單元體間距對(duì)摩擦系數(shù)的影響仿生單元體排列方向與摩擦方向仿生單元體排列方向與摩擦方向的夾角變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響的夾角變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響2.3 2.3 磨損機(jī)理探討磨損機(jī)理探討（a a）凹坑狀單元體）凹坑狀單元體 （b b）條紋狀單元）條紋狀單元體體（c c）網(wǎng)格狀單元）網(wǎng)格狀單元

9、體體激光仿生耦合處理鑄鐵材料的磨損形貌照片激光仿生耦合處理鑄鐵材料的磨損形貌照片 沿著摩擦方向，材料母體部分磨損嚴(yán)重，磨痕清晰可見，具有明顯的粘著磨損特征，單元體部分僅有少量的磨損，無論是樁釘式試樣、堤壩式試樣還是網(wǎng)格式試樣都具有同樣的特征。說明仿生耦合單元體比材料母體具有優(yōu)異的耐磨性。 單元體處的組織致密，具有較高的硬度，相當(dāng)于在母體表面增加了許多強(qiáng)化的質(zhì)點(diǎn)，形成了高于母體的保護(hù)層，摩擦?xí)r這些質(zhì)點(diǎn)首先與配副接觸，起到抵抗磨損的作用，由于耐磨性好，其磨損少于母體，同時(shí)由于摩擦?xí)r相互接觸的面積也小，材料的磨損也少。兩者使耐磨性增加，因此非光滑表面試樣的耐磨性較光滑表面試樣大為提高。光滑表面材料摩

10、擦過程的示意圖光滑表面材料摩擦過程的示意圖激光仿生耦合處理鑄鐵材料與激光仿生耦合處理鑄鐵材料與配副材料接觸平面投影示意圖配副材料接觸平面投影示意圖仿生耦合鑄鐵材料摩擦過程示意圖仿生耦合鑄鐵材料摩擦過程示意圖ba仿生耦合鑄鐵材料摩擦增阻示意圖仿生耦合鑄鐵材料摩擦增阻示意圖 仿生耦合鑄鐵材料的常溫摩擦系數(shù)高于同種光滑表面材料，這是因?yàn)榉律詈翔T鐵材料凹凸不平的表面與摩擦副摩擦?xí)r，在壓力的作用下，一是仿生單元體凸起的部分壓入摩擦副，摩擦?xí)r凸起的單元體對(duì)摩擦副進(jìn)行犁削，增加了摩擦過程的運(yùn)動(dòng)阻力使摩擦系數(shù)增大，如圖（a）。二是仿生單元體凸起的部分和摩擦副凸起的部分相互咬合，增大摩擦?xí)r運(yùn)動(dòng)阻力，使常溫摩擦

11、系數(shù)增大，如圖（b）.未處理制動(dòng)轂仿生耦合制動(dòng)轂方案一. 垂直方案二. 傾斜未處理制動(dòng)盤仿生耦合制動(dòng)盤報(bào)廢的未處理制動(dòng)轂制動(dòng)轂內(nèi)表面裂紋仿生耦合處理制動(dòng)轂制動(dòng)轂內(nèi)表面形貌（二）激光水膜制備納米晶（二）激光水膜制備納米晶單元體材料耐磨性研究單元體材料耐磨性研究401. 實(shí)驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料選用灰鑄鐵（CGI）、滾珠軸承鋼（GCr15）和熱作模具鋼（H13）三種基材，材料化學(xué)成分及含量如下表所示。412.仿生單元體設(shè)計(jì)與制備 結(jié)合目前已經(jīng)取得的研究成果，以蜣螂波紋狀翅鞘為仿生單元體設(shè)計(jì)原 型，通過合理簡化，設(shè)計(jì)如下分布模型。圖1.1 試樣模型簡化圖42圖1.3 激光水膜熔凝設(shè)備及處理模型圖1.2 2

12、+2維激光仿生制備系統(tǒng)2.仿生單元體設(shè)計(jì)與制備 43（1）激光共焦掃描顯微鏡觀察（LM）（2）X射線衍射分析(XRD)（3）環(huán)境場發(fā)射掃描顯微鏡觀察(SEM)（4）高分辨透射電鏡(HRTEM)觀察及能譜分析（EDS） （1）顯微硬度測量 （2）摩擦系數(shù)計(jì)算（3）摩損量測量（4）磨損形貌觀察與分析圖1.4干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)原理圖3.單元體微觀組織表征方法4.常溫干滑動(dòng)摩擦磨損研究44 圖2.1 激光1mm水膜熔凝不同材質(zhì)單元體橫截面激光共焦照片：（a）灰鑄鐵 (b) GCr15軸承鋼 (c) H13熱作模具鋼1.水膜對(duì)不同材料單元體特征尺寸的影響45 圖2.3 不同材質(zhì)單元體激光水膜熔凝單元體熔

13、深對(duì)比：（a）灰鑄鐵, （b） GCr15, （c） H13鋼圖2.2 不同材質(zhì)單元體激光水膜熔凝單元體熔寬對(duì)比：（a）灰鑄鐵, （b） GCr15,（c） H13鋼1. 水膜對(duì)單元體特征尺寸的影響462.水膜厚度對(duì)灰鑄鐵單元體微觀組織的影響 圖2.4 激光不同加工介質(zhì)熔凝灰鑄鐵仿生單元體表面環(huán)境場發(fā)射掃描電鏡照片：（a）1 mm,(b) 2 mm, (c) 3 mm, (d)空氣472.水膜厚度對(duì)灰鑄鐵單元體微觀組織的影響 圖2.5 灰鑄鐵激光水膜熔凝XRD衍射圖譜483.水膜厚度對(duì)GCr15軸承鋼單元體微觀組織的影響 圖2.6激光水膜熔凝GCr15軸承鋼仿生單元體表面環(huán)境場發(fā)射掃描電鏡照片

14、（EFESEM）：（a）1 mm,(b) 2 mm, (c) 3 mm, (d)空氣493.水膜厚度對(duì)GCr15軸承鋼單元體微觀組織的影響 圖2.7 GCr15軸承鋼激光水膜熔凝XRD衍射圖譜504.水膜厚度對(duì)H13模具鋼單元體微觀組織的影響 圖2.8 激光水膜表面熔凝H13熱作模具鋼仿生單元體表面環(huán)境場發(fā)射掃描電鏡照片（EFESEM）：（a）1 mm,(b) 2 mm, (c) 3 mm, (d)空氣514.水膜厚度對(duì)H13模具鋼單元體微觀組織的影響 圖2.9 H13熱作模具鋼激光水膜熔凝XRD衍射圖譜52（1）TEM表征 圖2.10 3mm水膜激光熔凝單元體低倍HRTEM照片：（a）GCr

15、15軸承鋼（b）H13熱作模具鋼5.納米顆粒表征53 圖2.11 3mm水膜激光熔凝單元體高倍HRTEM照片：（a）GCr15軸承鋼（b）H13熱作模具鋼5.納米顆粒表征（1）TEM表征54 圖3.12 TEM照片及能譜曲線：（a）1mm 水膜激光熔凝GCr15鋼，（b）1mm 水膜激光熔凝H13鋼5.納米顆粒表征（2）能譜分析55圖4.1 在空氣及不同水膜厚度下激光熔凝灰鑄鐵硬度分布曲線圖4.2 空氣及不同水膜厚度下激光熔凝灰鑄鐵試樣磨損量對(duì)比（g）1. 激光水膜熔凝灰鑄鐵單元體摩擦磨損性能研究56圖4.3空氣及不同水膜厚度下激光熔凝對(duì)灰鑄鐵試樣摩擦系數(shù)的影響1. 激光水膜熔凝灰鑄鐵單元體摩擦磨損性能研究57 圖4.4 激光水膜熔凝處理灰鑄鐵仿生試樣磨損形貌1. 激光水膜熔凝灰鑄鐵單元體摩擦磨損性能研究58圖4.5 空氣及不同水膜厚度激光熔凝GCr15軸承鋼硬度分布曲線圖4.6不同加工介質(zhì)激光重熔GCr15軸承鋼試樣磨損量對(duì)比2.激光水膜熔凝GCr15軸承鋼單元體摩擦磨損性能研究59圖4.7 不同加工介質(zhì)激光重熔處理對(duì)GCr15軸承鋼試樣摩擦系數(shù)的影響圖4.8 GCr15鋼殘余奧氏體磨損后誘變?yōu)轳R氏體2.激光水膜熔凝GCr15軸承鋼單元體摩擦磨損性能研究60 圖4.9不同加工介質(zhì)激光重熔處理GCr15仿生試樣磨損形貌對(duì)比2.激光水膜熔凝GC