【摘要】：我國軌道交通正在向高速、快捷化方向發(fā)展,隨之對列車制動盤性能提出了更高的要求,而制動盤材料是影響其制動性能的一個重要因素。傳統(tǒng)的灰鑄鐵材料制動盤在制動過程中,會產(chǎn)生嚴重的摩擦磨損和熱疲勞破壞,影響制動盤的制動性能和使用壽命�；诣T鐵材料已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代軌道列車的發(fā)展需求,因此,從抗熱疲勞性能和耐磨性能兩個方面對其進行改性研究具有重要意義。本文依托激光熔覆技術(shù),采用預置合金粉末的方法,在灰鑄鐵基體表面上進行激光熔覆制備研究。長期生存在海灘的貝類生物,它們經(jīng)過大自然億萬年的進化,使其對所處的環(huán)境具有極強的適應能力。從仿生學角度對其體表進行觀察,研究其具有優(yōu)異耐磨性能和抗疲勞性能體表的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和材料,為灰鑄鐵制動盤材料的表面改性研究提供了思路。本文基于仿生學理論,以貝類生物的條紋形態(tài)為仿生試樣的設計模型,結(jié)合制動盤的特殊形狀,進行仿生表面設計,利用正交設計方法優(yōu)化激光工藝參數(shù),并研究激光參數(shù)對熔覆層寬度和高度的影響,利用激光熔覆技術(shù)制備出形態(tài)、結(jié)構(gòu)和材料耦合的仿生試樣。利用顯微硬度計、掃描電子顯微鏡SEM以及XRD等儀器對單元體的成分、硬度分布、組織形貌和物相進行分析。同時,做仿生試樣和未處理灰鑄鐵試樣的熱疲勞性能和摩擦磨損性能對比試驗,分析研究仿生試樣和未處理試樣的硬度、組織形貌、磨損量和磨損形貌,論文得出以下主要結(jié)論:(1)脈寬是激光加工參數(shù)中對熔覆層寬度和高度影響最大的因素,正交設計得出的優(yōu)化參數(shù)組合為電流180A、脈寬10ms、頻率10Hz、離焦量8mm。(2)激光熔覆制備的單元體有致密組織結(jié)構(gòu),與基體形成冶金結(jié)合,熔覆質(zhì)量滿足預定要求。經(jīng)測試表明,單元體的硬度是灰鑄鐵基體的2倍。(3)熱疲勞試驗結(jié)果表明,熱疲勞使試樣的硬度降低,與未處理灰鑄鐵試樣相比,仿生試樣硬度下降的幅度較小。(4)熱疲勞試驗結(jié)果表明,熱疲勞使材料的組織粗化,產(chǎn)生裂紋,與未處理灰鑄鐵試樣相比,仿生試樣的裂紋數(shù)量增長速度慢,并且其表面最大裂紋長度較小,說明仿生激光熔覆制備提高了材料的抗熱疲勞性能。(5)摩擦磨損試驗結(jié)果表明,未處理試樣的磨損量是仿生試樣的1.4倍,同時,仿生試樣的磨損形貌明顯優(yōu)于未處理試樣,這說明仿生激光熔覆制備大大提高了材料的耐磨性能。(6)論文的研究成果為后續(xù)仿生激光熔覆灰鑄鐵制動盤的制備及實際應用提供了一定的參考。
[Abstract]:China's rail transit is developing towards the direction of high speed and quickness, and the brake disc material is an important factor that affects the braking performance of the train, which has a higher requirement for the performance of the train brake disc. In the process of braking, the traditional gray cast iron brake disc will cause serious friction, wear and thermal fatigue damage, which will affect the braking performance and service life of the brake disc. Gray cast iron has been difficult to meet the development needs of modern rail trains. Therefore, it is of great significance to study the modification of gray cast iron from two aspects: thermal fatigue resistance and wear resistance. In this paper, the laser cladding on the surface of gray cast iron was carried out by using the method of pre-placed alloy powder based on laser cladding technology. Long-lived shellfish living on the beach, after hundreds of millions of years of evolution of nature, they have a strong adaptability to the environment. From the view of bionics, the morphology, structure and materials of the body surface with excellent wear resistance and fatigue resistance were studied, which provided a thought for the surface modification of gray cast iron brake disc material. In this paper, the bionic surface design is carried out based on bionic theory, the fringe shape of shellfish is taken as the design model of biomimetic specimen, and the laser parameters are optimized by orthogonal design method, and the special shape of brake disk is combined with the bionic surface design. The influence of laser parameters on the width and height of cladding layer was studied. The bionic samples of morphology, structure and material coupling were prepared by laser cladding technique. The composition, hardness distribution, microstructure and phase of the unit were analyzed by microhardness tester, scanning electron microscope (SEM) and scanning electron microscope (XRD). At the same time, the thermal fatigue properties and friction and wear properties of biomimetic samples and untreated gray cast iron samples were compared, and the hardness, microstructure, wear amount and wear morphology of biomimetic samples and untreated samples were analyzed and studied. The main conclusions are as follows: (1) the pulse width is the most important factor in laser processing parameters. The optimized parameters are current 180A, pulse width 10ms, frequency 10Hz, and the optimum parameters obtained by orthogonal design are current 180A, pulse width 10ms, frequency 10Hz, and the optimum parameters are current 180A, pulse width 10ms, frequency 10Hz. The defocusing amount of 8 mm. (2) the unit prepared by laser cladding has dense microstructure and metallurgical bonding with the matrix. The cladding quality meets the predetermined requirements. The test results show that the hardness of the unit is twice as high as that of the gray cast iron matrix. (3) the results of thermal fatigue test show that the hardness of the sample is reduced by thermal fatigue, compared with the untreated gray cast iron sample. The hardness of biomimetic specimens decreases slightly. (4) the results of thermal fatigue test show that thermal fatigue results in the coarsening of the microstructure and the formation of cracks. Compared with the untreated gray cast iron samples, the number of cracks in the biomimetic specimens increases slowly. Moreover, the maximum crack length on the surface is small, which indicates that the thermal fatigue resistance of the materials is improved by bionic laser cladding. (5) the friction and wear test results show that the wear amount of untreated samples is 1.4 times that of biomimetic samples, and at the same time, the thermal fatigue resistance of the materials is improved by bionic laser cladding. The wear morphology of biomimetic specimen is obviously better than that of untreated sample. This shows that the preparation of biomimetic laser cladding greatly improves the wear resistance of the material. (6) the research results of this paper provide a certain reference for the preparation and practical application of the subsequent bionic laser cladding gray cast iron brake disc.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG174.4

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