一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法及缸套

1.本发明涉及船舶柴油机零部件领域，具体涉及一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法及缸套。


背景技术：

2.柴油机作为船舶动力系统的“心脏”，其工作效率直接影响船舶动力系统的能源转换效率，而缸套-活塞环系统作为柴油机能量转换和动力输出的重要部件，缸套-活塞环摩擦副摩擦性能的好坏决定着柴油机能源转换效率的优劣。研究显示，在柴油机总的能量损失分布中，由于摩擦磨损导致的能量损失占总能量损失的4%-15%，其中，缸套-活塞环摩擦损失占总摩擦损失的40%-55%。因此，利用合理的方式优化缸套-活塞环的综合工作性能对航运业的发展具有重大的意义。
3.功能梯度材料（functionally graded material，fgm）是一种先进的工程材料，具有空间渐变的组分、孔隙或微结构，能在严苛的工作环境下保持材料性能，避免零件失效。功能梯度材料是选用两种或两种以上性能不同的均质材料，通过逐步改变这两种（或多种）材料的成分或/和结构，使得材料性能随着材料的组成或/和结构的变化而改变，形成具有性能变化特征的功能梯度材料。郑州大学为提高铜合金表面的耐磨性能，通过激光熔覆技术在铜合金表面制备铁钴梯度涂层，发现该熔覆层在高温工况下具有优异的耐磨性能。石岩等利用激光熔覆技术在高压油泵凸轮轴表面制备了co50合金梯度耐磨层。经耐磨实验证实该技术制备的梯度耐磨层可使高压油泵凸轮轴的使用寿命延长约65％。中南大学利用激光熔覆技术在q235钢基体表面制备了梯度高熵合金涂层，通过x射线衍射、扫描电子显微镜、维氏硬度测试和摩擦磨损检测等方法，研究了sic质量分数梯度变化对高熵合金涂层组织及性能的影响规律。研究结果表明：合理设定梯度涂层可以避免每个亚层之间应力过于集中，可以形成耐磨性较好的熔覆梯度涂层。
4.以上发明在减摩、耐磨方面均有涉猎，但没有在缸套内表面制备具有一定纹理的功能梯度材料，以及检验其摩擦性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术对于缸套表面制备功能梯度材料研究不足的现状，本发明的目的在于提供一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，满足对缸套-活塞环系统摩擦性能的改善。
6.为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，包括以下步骤：s1、缸套内壁纹理设计：根据缸套用途、大小和材质，设计具有不同纹理分布的凹槽，并确定凹槽的宽度、深度以及凹槽在缸套内表面的占有率；s2、纹理加工：取原始缸套，按照步骤s1设计的凹槽纹理分布、凹槽的宽度、深度及
占有率，利用精密机械加工或者激光打标技术，加工得到具有一定纹理分布的凹槽；s3、激光熔覆：根据缸套的材质，选取熔覆材料；并根据凹槽的宽度和深度，确定熔覆光斑直径、熔覆速度、熔覆功率；在保护气条件下，向凹槽内激光熔覆熔覆材料，得到内表面具有功能梯度材料的缸套。
7.优选的，步骤s1中设计的凹槽为螺纹型凹槽，横截面为矩形，凹槽的宽度为缸套内圆表面周长的0.33％～1.34％；凹槽的深度为缸套厚度的0.67％～2.67％；凹槽沿缸套轴向规则分布，且在缸套内表面的占有率为1.96％～7.84％。
8.优选的，步骤s2中，对缸套表面进行纹理加工后，还包括使用汽油清洗加工过程中产生的杂物。
9.熔覆材料的选取应当为粉末或丝状材料，优选的，步骤s3中，熔覆材料为金属粉末、陶瓷粉末、聚合物粉末、金属丝、合金丝、高分子丝中的一种或多种。粉末材料在熔覆前进行真空烘干，丝状材料则进行除油清洁和烘干处理。
10.熔覆材料的选取应当注意该材料与缸套材料的热膨胀率匹配程度，及材料本身摩擦特性、硬度、力学性能等，以提升功能梯度材料层间的结合强度和材料整体强度。优选的，缸套的材质为合金铸铁，熔覆材料为具有不同镍含量的铁基熔覆粉末。
11.优选的，具有不同镍含量的铁基熔覆粉末中镍含量为4.2%-10.7%。
12.优选的，熔覆过程中的保护气可以为氩气、氦气或氮气。
13.熔覆过程中对经过凹槽加工处理的缸套内表面进行激光熔覆即新材料的沉积，优选的，熔池深度约为凹槽深度的1-2倍，且熔覆路径应按照凹槽纹理进行，光斑大小即激光束的直径应与凹槽宽度基本匹配，以确保熔覆层新材料均匀沉积且保持该种纹理排布在缸套内壁。同时激光束直径决定了激光束的能量密度，直接影响熔化深度和涂层的成分均匀性。激光束直径过大会导致能量分散不均匀，激光束直径过小会导致熔池难以形成，熔覆过程中的激光束直径可以为0.2mm-6mm，优选为5mm，熔覆基材的不同以及粉末的选择均可影响其大小。
14.熔覆过程中应当选取适宜的激光功率，这直接影响涂层的熔化深度和熔化宽度。功率过低，无法熔化材料，如果功率过高，则会产生过多的热输入和大量的气体等缺陷，影响制备的功能梯度材料的质量，本发明中对于金属材料的激光熔覆，熔覆功率可以为500w-3kw，优选为2.3kw-3.2kw。
15.熔覆过程中应当选取适宜的激光扫描速度，它直接影响熔化深度、熔化宽度以及梯度涂层的成分和组织结构。扫描速度过快会导致熔池无法充分熔化和混合，从而影响制备的梯度材料的成分均匀性和致密性，本发明中，激光扫描速度可以为1-50mm/s，优选为15mm/s。
16.优选的，本发明提供的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，还包括步骤s4：将缸套内壁熔覆区域突出的熔覆材料利用砂轮进行研磨去除，不同的熔覆材料选取不同的砂轮。
17.本发明还提供一种由上述设计方法制得的内表面具有功能梯度材料的缸套。
18.本发明的有益效果是：本发明根据增材制造和激光刻蚀或传统机加工技术各自的工艺特点，首次提出两种技术相结合，在保证优化纹理优异性能的前提下，实现复杂结构梯度材料按照纹理排布
沉积的制备，熔覆层同时能够与凹槽左右的基体材料形成冶金结合，制备的梯度材料力学性能优异。且该梯度材料的设计非常灵活，针对不同的使用环境以及性能要求可以选择根据不同的成分梯度和结构梯度在工件表面排布成不同的纹路，使材料各自的特点和优势共同存在，而且可以通过灵活的改变各组分材料的成分含量与分布，满足工件不同部位对材料使用性能的需求。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。
20.图1为本发明提供的一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法流程图；图2为本发明实施例缸套表面功能梯度材料的纹理排布示意图；图3为本发明实施例和对照例的摩擦系数对比图；图4为本发明实施例与对照例台架试验摩擦过程中接触电阻的对比图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
22.如图1所示，本发明实施例提供一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，包括以下步骤：s1、缸套内壁纹理设计：根据缸套用途、大小和材质，设计具有不同纹理分布的凹槽，并确定凹槽的宽度、深度以及凹槽在缸套内表面的占有率；s2、纹理加工：取原始缸套，按照步骤s1设计的凹槽纹理分布、凹槽的宽度、深度及占有率，利用精密机械加工或者激光打标技术，加工得到具有一定纹理分布的凹槽；s3、激光熔覆：根据缸套的材质，选取熔覆材料；并根据凹槽的宽度和深度，确定熔覆光斑大小、熔覆速度、熔覆功率；在保护气条件下，向凹槽内激光熔覆熔覆材料，得到内表面具有功能梯度材料的缸套；s4、将缸套内壁熔覆区域突出的熔覆材料利用砂轮进行研磨去除，不同的熔覆材料选取不同的砂轮；s5、利用台架试验机测试其摩擦磨损性能，结合接触电阻值表征摩擦副摩擦过程中润滑油膜的厚度和稳定程度，综合评定加工得到的内表面具有功能梯度材料的缸套的摩擦学性能。
23.下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
24.一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，包括以下步骤：（1）选用sz1115型号的柴油机缸套，其材质为耐磨合金铸铁，通过线切割得到80mm
×
120mm的缸套切片。
25.（2）用无水乙醇清洗缸套表面去除缸套表面的污渍，保证材料表面加工处理区域
充分洁净，然后使用大族激光ylp-d系列的激光打标机进行纹理凹槽的加工，纹理凹槽宽度为4mm，深度为1.5mm，表面占有率为4.2%，加工的纹理如图2所示，具有30
°
的织构，加工时打标机的工作参数如表1所示。
26.表1 激光打标机的工作参数（3）使用汽油清洗步骤（2）中加工得到的具有一定纹理分布的凹槽，去除凹槽内加工残留的杂质，然后使用锐科光纤激光器进行激光熔覆，采用同轴送粉的送粉方式，保护气体为氮气，熔覆路径和纹理凹槽的排布重合，熔覆选用三种镍含量不同的铁基熔覆粉末，三种粉末的主要成分和含量如表2所示，熔覆加工工艺参数如表3所示。
27.表2 三种镍含量不同的熔覆材料表3 熔覆加工工艺参数（4）将步骤（3）熔覆后的缸套内表面熔覆层突出部分用汉白玉砂轮研磨使其表面平整光滑，分别得到三种内表面具有不同功能梯度材料的缸套。
28.性能测试以未经处理的原始缸套切片作为对照例，将本发明实施例处理后的缸套切片和未经处理的原始缸套切片分别置于切片台架试验机上进行性能测试，结合试验采集的摩擦力分析摩擦系数，并利用接触电阻值表征摩擦副摩擦过程中润滑油膜的厚度和稳定程度，综合评定本发明制备的功能梯度材料的减摩作用，结果如图3~4所示。
29.图3为实施例和对照例的摩擦系数对比图。从图3可以看出，与未经处理的对照组相比，本发明制备了功能梯度材料的缸套的摩擦系数明显降低。这可能是由镍的特殊性质所致。镍具有高度的韧性和硬度，使得它可以有效地减少表面间的接触面积和粘附力，从而降低摩擦系数。且镍在摩擦与滑动接触中能表现出自润滑性，这种自润滑性主要是由于镍
表面生成了稳定的润滑膜，该润滑膜主要包括氧化镍、硫化镍以及在特定条件下生成的其他化合物，这些化合物在镍表面形成稳定的化学键，并于表面形成一层致密的膜层，减少了金属表面之间的直接接触，从而起到减少摩擦和磨损的作用。
30.从图4可以看出，本发明制备了功能梯度材料的缸套的接触电阻值普遍优于未经处理的对照组缸套，这是由于在功能梯度材料的加工过程中运用到激光刻蚀与激光熔覆，且该功能材料在缸套表面的排布是具有一定纹理的，这就使得摩擦副表面在受到载荷时，该30
°
排布的功能梯度材料所受到应力与缸套普通表面有所差异，且以该种纹理排布的功能材料能与缸套普通材料的交接处储存油液，增强动压油膜的形成能力，形成厚度适宜且较稳定的润滑油膜，从而使得油液在摩擦过程中释放，缓解摩擦，对摩擦副摩擦性能起到改善作用。
31.需要说明的是，图4中提供的接触电阻值为不同时间下测试得到的电阻的平均电阻值。牌号为350的熔覆材料接触电阻值最大，表明其形成了较厚且稳定的润滑油膜；而牌号为330的熔覆材料接触电阻值较小，这是因为在接触电阻测试过程的前30min出现了短暂的偏磨情况，进而导致其平均接触电阻略低于对照组，但在偏磨状况结束且形成较为稳定的润滑油膜后，其油膜厚度大于对照组的未处理缸套。
32.需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
33.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、缸套内壁纹理设计：根据缸套用途、大小和材质，设计具有不同纹理分布的凹槽，并确定凹槽的宽度、深度以及凹槽在缸套内表面的占有率；s2、纹理加工：取原始缸套，按照步骤s1设计的凹槽纹理分布、凹槽的宽度、深度及占有率，利用精密机械加工或者激光打标技术，加工得到具有一定纹理分布的凹槽；s3、激光熔覆：根据所述缸套的材质，选取熔覆材料；并根据凹槽的宽度和深度，确定熔覆光斑直径、熔覆速度、熔覆功率；在保护气条件下，向所述凹槽内激光熔覆所述熔覆材料，得到内表面具有功能梯度材料的缸套。2.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，步骤s1中，所述凹槽为螺纹型凹槽，横截面为矩形，所述凹槽的宽度为缸套内圆表面周长的0.33％～1.34％；凹槽的深度为缸套厚度的0.67％～2.67％；凹槽沿缸套轴向规则分布，且在缸套内表面的占有率为1.96％～7.84％。3.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，步骤s2中，对缸套表面进行纹理加工后，还包括利用汽油清洗加工过程中产生的杂物。4.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，步骤s3中，所述熔覆材料为金属粉末、陶瓷粉末、聚合物粉末、金属丝、合金丝、高分子丝中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，所述缸套的材质为合金铸铁，所述熔覆材料为具有不同镍含量的铁基熔覆粉末。6.根据权利要求5所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，所述具有不同镍含量的铁基熔覆粉末中镍含量为4.2%-10.7%。7.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，步骤s3中，所述熔覆光斑直径为0.2mm-6mm，熔覆速度为1-50mm/s，熔覆功率为500w-3.5kw。8.根据权利要求7所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，步骤s3中，所述熔覆光斑直径为5mm，熔覆速度为15mm/s，熔覆功率为2.3kw-3.2kw。9.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，其特征在于，还包括步骤s4：将缸套内壁熔覆区域突出的熔覆材料利用砂轮进行研磨去除。10.一种根据权利要求1~9任一项所述的设计方法制得的内表面具有功能梯度材料的缸套。

技术总结
本发明公开了一种基于激光熔覆的缸套表面功能梯度材料的设计方法，包括以下步骤：根据缸套用途、大小和材质，设计具有不同纹理分布的凹槽，并确定凹槽的宽度、深度以及凹槽在缸套内表面的占有率；取原始缸套，按照设计的凹槽纹理分布、凹槽的宽度、深度及占有率，利用精密机械加工或激光打标技术，加工得到具有一定纹理分布的凹槽；根据缸套的材质，选取熔覆材料；并根据凹槽的宽度和深度，确定熔覆光斑大小、熔覆速度、熔覆功率；在保护气条件下，向凹槽内激光熔覆所述熔覆材料，得到内表面具有功能梯度材料的缸套。本发明通过激光技术、机械加工技术和增材制造，在缸套内表面制备有纹理的功能梯度材料，改善了缸套内表面的摩擦性能。能。能。


技术研发人员：袁成清 刘永琪 饶响 郭智威
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/21