激光制备仿生耦合耐磨损功能材料技术

激光制备仿生耦合耐磨损材料技术一、生物耦合现象及理论在物理学中，两个或两个以上的不同体系或运动形式之间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象被称之为“耦合”。在生物体中两个或两个以上的不同体系通过相互作用联合起来从而具备某种特殊功能的自然现象被称为“生物耦合”。生物功能生物耦合耦联耦元：表面形态因素内部结构因素构成材料因素等1.生物耦合概念y=f(x)2.生物原型的耦合现象

图1荷叶、水稻叶的减粘功能

图2潮间带贝壳结构与止裂功能

图3穿山甲鳞片的耐磨损功能

图4蜻蜓与蝴蝶翅膀的抗疲劳特征二、生物耦合提高耐磨损性能原理相似性科学指出：可以利用生物某些结构与功能及信息作用特性的原理，来构造技术系统，并使技术系统特性与生物系统中的特性发生相似性。生物耦合原型

下图为几种土壤动物的体表非光滑形态特征，该特征使得土壤动物具有优良的耐磨损性能。蜣螂体表

花葬甲鞘翅黑蚂蚁头部蜣螂头部步甲胸节背板穿山甲鳞片1.生物耦合耐磨损生物原型——土壤动物体表4.仿生耦合模型设计叶片翅膀珍珠层相似特征软硬相交替的结构硬质单元可以有不同分布形态硬质单元的相对高硬度源自其与软质单元的组织或材料差别形态、结构、材料耦合使它们具有优异的耐磨性能

设计的仿生耦合耐磨损、抗热疲劳模型，是在软质母材上分布呈一定形态的硬质单元，并且这种硬质单元具有不同于软质母材的显微组织或组成材料，进而两者构成一种软硬相交替的结构。

三、仿生耦合表面形态、结构

设计与制备仿生耦合表面非光滑形态设计(一)

圆形单元体分布设计圆形单元分布形态(a)对齐分布(b)交错分布1.圆形单元体分布形态因素：单元体形状、大小、分布角度、分布间距(a)(b)倾斜角示意图(a)条纹和(b)网格单元体分布形态仿生耦合表面非光滑形态设计(二)2.条纹和网格单元体分布设计横断面结构设计单元体与母体的连接形式单元体深度p下凹深度b凸起高度h火山口峰间距离s火山口峰谷高度t单元体宽度或直径w/d凹坑直径或凹槽宽度a/c释义参数参数释义

（a）凸起（b）下凹（c）火山口状单元体（a）桩钉型（b）堤坝型（c）网格型连接仿生耦合表面试样的制备

仿生非光滑表面试样加工示意图

仪器型号：JHM-1GY-300B生产厂家：武汉楚天激光设备有限公司激光波长：1.064µm工作物质：Nd:YAG晶体额定功率：300W四、激光仿生耦合制备技术的实际应用（一）仿生耦合制动毂(盘)激光制备技术研究制动鼓仿生耦合表面处理过程与设备

仿生耦合表面制备装置1、仿生耦合单元体组织结构与激光加工参数的影响仿生耦合单元体结构

不同激光能量处理的耦合单元体剖面照片（a）激光单脉冲能量为4.84J（b）激光单脉冲能量为3.52J（c）激光单脉冲能量为2.97J（d）激光单脉冲能量为1.95J

不论能量高低仿生耦合单元体结构都相同，由呈下半月形分布的激光熔凝区和相变区组成。随激光能量的增加仿生耦合单元体增大。从表面上看它们以一定的形状（凸起、凹坑、火山口形）和一定规律（排列间隔、方向）镶嵌在表面上。沿剖面看它们以倒山形或堤坝形镶嵌在材料表层。

仿生耦合单元体显微组织

激光熔凝区的组织SEM照片

激光处理前、后试样的XRD曲线

相变区的组织SEM照片

从XRD曲线可以看出，激光仿生处理后试样的组织中增加了马氏体和渗碳体，组织中出现了具有复杂相结构的亚稳相。

SEM照片和XRD分析结果表明：熔凝区为变态莱氏体型组织，相变区的组织为马氏体+残余奥氏体+未熔石墨。2、仿生耦合制动毂材料

摩擦磨损性能研究2.1仿生耦合制动毂材料的常温摩擦磨损性能

仿生耦合单元体嵌入表层连结形式对耐磨性的影响

仿生耦合单元体直径或宽度对耐磨性的影响

仿生耦合单元体的凸起高度对耐磨性的影响2.1.1耐磨性

仿生耦合单元体间距对耐磨性的影响

仿生耦合单元体排列方向与摩擦方向的夹角变化对耐磨性的影响

仿生耦合单元体的硬度对耐磨性的影响

激光加工能量对耐磨性的影响2.1.2摩擦系数

仿生耦合单元体单元体嵌入表层连结形式对摩擦系数的影响

仿生耦合单元体直径或宽度对摩擦系数的影响

仿生耦合单元体的高度对摩擦系数的影响

仿生耦合单元体间距对摩擦系数的影响

仿生耦合单元体排列方向与摩擦方向的夹角变化对摩擦系数的影响

仿生耦合单元体的硬度对摩擦系数的影响

激光加工能量对摩擦系数的影响

仿生耦合单元体嵌入表层连结形式对耐磨性的影响

仿生耦合单元体直径或宽度对耐磨性的影响2.2仿生耦合制动毂材料的高温摩擦磨损性能

2.2.1耐磨性

仿生单元体间距对耐磨性的影响

仿生单元体排列方向与摩擦方向的夹角变化对耐磨性的影响

仿生单元体嵌入表层连结形式对摩擦系数的影响

仿生单元体直径或宽度对摩擦系数的影响2.2.2摩擦系数

仿生单元体间距对摩擦系数的影响

仿生单元体排列方向与摩擦方向的夹角变化对摩擦系数的影响2.3磨损机理探讨（a）凹坑状单元体（b）条纹状单元体（c）网格状单元体

激光仿生耦合处理铸铁材料的磨损形貌照片

沿着摩擦方向，材料母体部分磨损严重，磨痕清晰可见，具有明显的粘着磨损特征，单元体部分仅有少量的磨损，无论是桩钉式试样、堤坝式试样还是网格式试样都具有同样的特征。说明仿生耦合单元体比材料母体具有优异的耐磨性。单元体处的组织致密，具有较高的硬度，相当于在母体表面增加了许多强化的质点，形成了高于母体的保护层，摩擦时这些质点首先与配副接触，起到抵抗磨损的作用，由于耐磨性好，其磨损少于母体，同时由于摩擦时相互接触的面积也小，材料的磨损也少。两者使耐磨性增加，因此非光滑表面试样的耐磨性较光滑表面试样大为提高。

光滑表面材料摩擦过程的示意图

激光仿生耦合处理铸铁材料与配副材料接触平面投影示意图

仿生耦合铸铁材料摩擦过程示意图ba

仿生耦合铸铁材料摩擦增阻示意图

仿生耦合铸铁材料的常温摩擦系数高于同种光滑表面材料，这是因为仿生耦合铸铁材料凹凸不平的表面与摩擦副摩擦时，在压力的作用下，一是仿生单元体凸起的部分压入摩擦副，摩擦时凸起的单元体对摩擦副进行犁削，增加了摩擦过程的运动阻力使摩擦系数增大，如图（a）。二是仿生单元体凸起的部分和摩擦副凸起的部分相互咬合，增大摩擦时运动阻力，使常温摩擦系数增大，如图（b）.3、激光仿生耦合制动毂产品应用情况试验选用的制动鼓由一汽集团铸造有限公司第二铸造分公司生产，材料为HT200。未处理制动毂仿生耦合制动毂电流(A)脉宽(ms)频率(Hz)离焦量(mm)扫描速度(mm/s)1301010+5.51试验选用的制动鼓由山东浩信集团生产，材料为HT200。方案一.垂直方案二.倾斜试验选用的制动盘由山东浩信集团生产，材料为QT500-10未处理制动盘仿生耦合制动盘斯太尔卡车载重80吨.一级公路运行3.5万公里后，未处理制动毂到达报废期。报废的未处理制动毂制动毂内表面裂纹车辆运行7万公里后，仿生耦合制动鼓仍可继续使用。仿生耦合处理制动毂制动毂内表面形貌（二）激光水膜制备纳米晶单元体材料耐磨性研究401.实验材料

试验材料选用灰铸铁（CGI）、滚珠轴承钢（GCr15）和热作模具钢（H13）三种基材，材料化学成分及含量如下表所示。412.仿生单元体设计与制备

结合目前已经取得的研究成果，以蜣螂波纹状翅鞘为仿生单元体设计原型，通过合理简化，设计如下分布模型。图1.1试样模型简化图42图1.3激光水膜熔凝设备及处理模型图1.22+2维激光仿生制备系统2.仿生单元体设计与制备43（1）激光共焦扫描显微镜观察（LM）（2）X射线衍射分析(XRD)（3）环境场发射扫描显微镜观察(SEM)（4）高分辨透射电镜(HRTEM)观察及能谱分析（EDS）

（1）显微硬度测量（2）摩擦系数计算（3）摩损量测量（4）磨损形貌观察与分析图1.4干滑动摩擦磨损试验原理图3.单元体微观组织表征方法4.常温干滑动摩擦磨损研究44

图2.1激光1mm水膜熔凝不同材质单元体横截面激光共焦照片：（a）灰铸铁(b)GCr15轴承钢(c)H13热作模具钢1.水膜对不同材料单元体特征尺寸的影响45

图2.3不同材质单元体激光水膜熔凝单元体熔深对比：（a）灰铸铁,（b）GCr15,（c）H13钢图2.2不同材质单元体激光水膜熔凝单元体熔宽对比：（a）灰铸铁,（b）GCr15,（c）H13钢1.水膜对单元体特征尺寸的影响462.水膜厚度对灰铸铁单元体微观组织的影响

图2.4激光不同加工介质熔凝灰铸铁仿生单元体表面环境场发射扫描电镜照片：（a）1mm,(b)2mm,(c)3mm,(d)空气472.水膜厚度对灰铸铁单元体微观组织的影响

图2.5灰铸铁激光水膜熔凝XRD衍射图谱483.水膜厚度对GCr15轴承钢单元体微观组织的影响

图2.6激光水膜熔凝GCr15轴承钢仿生单元体表面环境场发射扫描电镜照片（EFESEM）：（a）1mm,(b)2mm,(c)3mm,(d)空气49二.激光水膜熔凝微观组织表征与探讨3.水膜厚度对GCr15轴承钢单元体微观组织的影响

图2.7GCr15轴承钢激光水膜熔凝XRD衍射图谱504.水膜厚度对H13模具钢单元体微观组织的影响

图2.8激光水膜表面熔凝H13热作模具钢仿生单元体表面环境场发射扫描电镜照片（EFESEM）：（a）1mm,(b)2mm,(c)3mm,(d)空气514.水膜厚度对H13模具钢单元体微观组织的影响

图2.9H13热作模具钢激光水膜熔凝XRD衍射图谱52（1）TEM表征

图2.103mm水膜激光熔凝单元体低倍HRTEM照片：（a）GCr15轴承钢（b）H13热作模具钢5.纳米颗粒表征53

图2.113mm水膜激光熔凝单元体高倍HRTEM照片：（a）GCr15轴承钢（b）H13热作模具钢5.纳米颗粒表征（1）TEM表征54

图3.12TEM照片及能谱曲线：（a）1mm水膜激光熔凝GCr15钢，（b）1mm水膜激光熔凝H13钢5.纳米颗粒表征（2）能谱分析55图4.1在空气及不同水膜厚度下激光熔凝灰铸铁硬度分布曲线图4.2空气及不同水膜厚度下激光熔凝灰铸铁试样磨损量对比（g）1.激光水膜熔凝灰铸铁单元体摩擦磨损性能研究56图4.3空气及不同水膜厚度下激光熔凝对灰铸铁试样摩擦系数的影响1.激光水膜熔凝灰铸铁单元体摩擦磨损性能研究57

图4.4激光水膜熔凝处理灰铸铁仿生试样磨损形貌1.激光水膜熔凝灰铸铁单元体摩擦磨损性能研究58图4.5空气及不同水膜厚度激光熔凝GCr15轴承钢硬度分布曲线图4.6不同加工介质激光重熔GCr15轴承钢试样磨损量对比2.激光水膜熔凝GCr15轴承钢单元体摩擦磨损性能研究59图4.7不同加工介质激光重熔处理对GCr15轴承钢试样摩擦系数的影响图4.8GCr15钢残余奥氏体磨损后诱变为马氏体2.激光水膜熔凝GCr15轴承钢单元体摩擦磨损性能研究60

图4.9不同加工介质激光重熔处理GCr15仿生试样磨损形貌对比2.激光水膜熔凝GCr15轴承钢单元体摩擦磨损性能研究61

图4.10H13热作模具钢不同加工介质激光熔凝硬度分布曲线图4.11不同加工介质激光重熔H13热作模具钢试样磨损量对比3.激光水膜熔凝H13模