（机械制造及其自动化专业论文）激光涂层在多冲碰撞载荷下的损伤失效行为.pdf

2 0 0 1 级研究生于连玉南华大学硕士学位论文 摘要 工程中广泛存在着多次冲击碰撞载荷下工作的零构件。在多冲这种动载应力波作 用下的零部件大都在多冲接触表面出现或引发各种缺陷并导致早期失效。本研究采 用激光熔覆技术在试样表面制备新型抗多冲涂层，以克服传统抗多冲表面技术的不 足，提高表面抗多冲性能，延长其寿命。 在自制的多冲碰撞试验机上对l c r l 8 n i 9 t i 、4 5 钢、4 0 c t 基体上激光熔覆钴基合 金、镍基合金涂层的试样进行了小能量冲击试验，利用自制内窥镜进行在线动态跟 踪宏观监测，利用t e m h 一6 0 0 2 、s e m s 一5 7 0 型电镜、o l y m p u sg x 5 1 f 金相显微镜等 仪器对激光熔覆涂层进行了微观检测，分析其多冲损伤失效的原因，并对其失效影 响因素进行了综合研究。 实验结果表明：在小能量多次冲击载荷下，激光熔覆试样损伤失效形式为涂层表 面磨损、涂层及基体热影响区裂纹和形变硬化。损伤失效行为及其影n 向因素中，表面 磨损主要以疲劳点蚀与剥落现象为丰，主要由表面冲击接触应力造成；残余拉应力与 主压缩应力共同造成涂层横断裂纹；多冲件自由侧面更容易出现涂层边缘的崩落现 象；在材料的选择中，镍基合金相对于钻基合金来说，具有良好的韧性，在小能量多 冲载荷下抗裂性更强；l c r l 8 n i 9 t i 、4 5 钢、4 0 0 r 基体材料相比较而言，4 5 钢、4 0 c t 在激光熔覆中易淬火，使多冲载荷下的基体热影响区容易出现裂纹，而i c r l 8 n i 9 t i 不具有淬火性、韧性更好；涂层部分覆盖的试样相对于全覆盖涂层来说易因应力集中 而容易引起结合面开裂造成熔覆试样损伤失效。 本研究为多冲接触表面采用激光强化工艺进行了有益尝试，其研究结果可作为激 光多冲涂层的设计制备及失效分析的参考，本研究同时为激光熔覆技术在更广阔的领 域得到应用作出了应有贡献。 关键词：激光熔覆涂层抗多冲性能损伤失效 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 d a m a g ea n d f a i l u r eb e h a v i o r so fl a s e rc l a d d i n g u n d e r r e p e a t e di m p a c t a b s t r a c t i ne n g i n e e r i n g ，t h e r earem a n yc o m p o n e n t sa n dp a r t sw o r k i n gu n d e rr e p e a t e d i m p a c t v a r i o u sd e f e c t sa p p e a ro nt h ec o n t a c t i n gs u r f a c eu n d e rs u c hr e p e a t e d i m p a c t ，w h i c he v e n t u a ll yl e a dt oe a r l yf a il u r e i n t h i ss t u d y ，l a s e rc l a d d i n g i su s e dt oi n c r e a s et h er e s i s t a n c eo ft h ec o n t a c t i n gs u r f a c et or e p e a t e di m p a c t a n dt or a i s ei t se n d u r a n c e ar e p e a t e di m p a c tm a c h i n ei sm a d et oc a r r yo u tl o we n e r g yr e p e a t e di m p a c t e x p e r i m e n t sf o rs p e c i m e n sw i t h1 0 r 1 8 n i 9 t i s t e e l4 5a n ds t e e l4 0c ra sm a t r i c e s a n dc o b a l ta l l o ya n dn i c k e la l l o ya sl a s e rc l a d d i n g am a g n i f i e ri su s e df o r o n 一1 i n em a c r o s c o p i ci n s p e c t i o n t e m h 6 0 0 2e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，s e m s 一5 7 0 e l e e t r o n i cm i c r o s c o p ea n do l y m p u sg x 5 1 fo p t i c a lm i c r o s c o p ea r eu s e df o r m i c r o s c o p i ci n s p e c t i o n so nt h el a s e rc l a d d i n g t h ec a u s e sf o rt h ef a il u r eo f t h el a s e rc l a d d i n gu n d e rr e p e a t e di m p a c tarea n a l y z e d t h ee f f e c t i n gf a c t o r s o nf a il u r eares t u d ie d t h er e s u l t s ：t h ef o r m so fd a m a g ea n df a i l u r eo ft h el a s e rc l a d d i n gu n d e r r e p e a t e di m p a c tares u r f a c e w e a r i n g ，c r a c k i n go i lt h el a s e rc l a d d i n ga n d t h e m a t r i x ，a n ds t r a i n h a r d e n i n g a m o n gt h ed a m a g ea n df a i l u r eb e h a v i o r sa n dt h e i r e f f e c t i n gf a c t o r s ，t h es u r f a c e w e a r i n garem a i m yd o te r o d e d ，w h i c ha r em a i n ly c a u s e db yt h ei m p a c ts t r e s so nt h eu o n t a c t i n gs u r f a c e ：c r o s s c r a c k i n go nt h e l a s e rc 1 a d d i n gi sc a u s e db yt h et e n s i l er e s i d u a ls t r e s sa n dt h ec o m p r e s s i v e p r i n c i p a ls t r e s s ：o nt h ef r e ee d g e s ，a v a l a n c h eo ft h el a s e rc 1 a d d i n gv e r g e i sm o r el i k e l yt oo c c u r w i t hr e s p e c tt ot h es e l e c t i n go f m a t e r i a l s n c k e l v 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 a l l o yh a sg r e a t e rt o u g h n e s st h a nc o b a l ta 1 1 0 y h e n c ei th a sg r e a t e rr e s i s t a n c e t oc r a c k i n gu n d e rr e p e a t e d i m p a c t a m o n gt h em a t r i c e s ，s t e e l4 5a n ds t e e l4 0 c ra r em o r eq u e n c h a b l e ，s oc r a c k i n go nt h eh e a t e f f e c t i n ga r e ai sm o r e1i k e l y t ooccuru n d e rr e p e a t e di m p a c t ：1 c r l 8 n i 9 t ii sm u c hl e s sq u e n c h a b l ea n dt o u g h e r ， d a m a g ea n df a i l u r earem o r e1 i k e l yt ooccurf o rp a r t l y c l a ds p e c i m e n st h a n f o rw h o ll y c l a do n e s ，b e c a u s e ，f o rt h ef o r m e r ，c r a c k i n go ft h ec o n n e c t i n g s u r f a c ei sm o r el i k e l yt ooccurd u et ot h es t r e s sc o n c e n t r a t io n t h i sr e s e a r c hh a sm a d es o m ee f f o r t sb e n e f i c i a lt ol a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u e i ns u r f a c es t r e n g t h e n i n g t h er e s u l t sc a np r o vi d er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fl a s e rc l a d d i n ga n df o rt h ea n a l y s i so fi t sf a i l u r e i ta l s o c o n t r i b u t e st ot h ea p p li c a ti o no fl a s e rc l a d d i n gt oo t h e rf i e l d s l i a n y uy u ( m a c h i n ep r o d u c ea n da u t o m a t i z a t i o n ) d i r e c t e db ys h i h o n gs h i ( p r o f e s s o r ) k e yw o r d s ：l a s e rc 1 a d d i n g ，f c s i s t a n c et or e p e a t e di m p a c t ，d a m a g ea n df a i l u r e v 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者：j 疋豇 日期： 训尹年霸2 j 目 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名嘲旦f 导师签名：石莎氖 日期：z 卯侔f 月三f 口 常用符号 p ：弹簧工作负荷 k 。：弹簧刚度 d ：弹簧中径 d ：弹簧直径 t ：节距 h 0 ：弹簧自由高度 v ，：应力波在涂层中的入射速度 v 一：应力波在涂层中的反射速度 ”r ：应力波在基体中的透射速度 a ，：涂层中的压缩应力 a 一：涂层中的拉伸应力 。，：传入基体的压缩应力 p o ：材料的密度 c o ：波速 f ：反射系数 丁：透射系数 4 ：涂层横截面积 一z ：基体接触面积 0 。：强度极限 o 。：屈服极限 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 i i 本文研究的目的和意义 第一章：综述 工程中许多机器零件和构件是在多次冲击载荷作用下工作的。典型的例子是风动 工具和锻造冷冲压设备中的运动件，如活塞，钎尾，钎杆，锤杆，锻冲模以及交通运 输、建筑、钻探、军事装备以及宇航等工业中零部件等，它们的失效和多次冲击裁荷 有密切联系，这些零部件承受单纯多次冲击或者以简谐载荷与冲击载荷的叠加为特点 “”载荷的作用，但是和其它类型的疲劳研究相比，材料在多次冲击载荷下的行为研究 还为数不多，这就给承受多冲击零件的选材和制定热处理工艺，以获得最佳多冲抗力 造成困难。因此，研究材料在多冲载荷下的行为具有重要的理论和实际意义，并受到 人们越来越多的重视现。机械设备中有许多零件其表面承受多冲碰撞载荷下工作的， 如石化、冶金及核电设备中的各类泵、阀门等，这些机件在反复冲击碰撞载荷作用下， 其表面容易出现各种形式如塌陷、毛边以及裂纹、麻坑等局部塑性变形嗣l 表面疲劳现 象的损伤，严重时将导致机件失效。除本身价值昂贵以外，其失效后由于检修、停产 而带来的间接经济损失则更为巨大。鉴于此，有关厂家不惜高的代价寻求有效的方法 以提高这类零件的表面强度。虽然激光加工日前还是一种成本较高的加工方式，但其 优异的性能使其越来越成为许多重要、关键零部件的强化方式，并已逐步被“大的企 业界所接受。所以，探讨失效发生的影响因素和控制方法，强化此类零部件的表面并 提高其使用寿命，开展对激光熔覆零件在冲击碰撞载荷下的失效和预防的研究，逐步 建立起新的覆层抗冲击碰撞载荷的理论，扩展激光熔覆等先进表面覆层强化技术的应 用领域，具有十分重要的意义。 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 1 2 多冲碰撞载荷及研究发展现状 1 2 1 多冲碰撞载荷及其特点 本文研究的多冲碰撞是碰撞应力小于材料的屈服强度，e l 运动方向垂直于多冲接 触表面的载荷，其运动形式呈现为反复接触碰撞一分离的特点。 工程中许多机器零件和构件是在多冲载荷作用下工作的。人们注意到在小能量多 次冲击载荷下服役的零件，除了疲劳断裂，更为普遍的失效部位是零件的表面。多冲 载荷明显的不同于其它载荷，其特点表现为1 多冲载衙的特性表现为应力在材料内 部以波的形式高速传播，对于有限尺寸的零件，这种波很快便可达到其表面，一部分 成为透射波，传出零件表面：一部分成为反射波，并在零件内产生叠加现象，形成很 复杂的应力，对于多冲载荷下零件的寿命产生很大的影响。2 冲击加载点位置效应。 冲击塑性波的近距离传播特点，导致冲击加载点附近易产生过量塑性变形而失效：或 因塑性变形主要集中在冲击加载点附近，使相同冲击能量下，随试样( 构件) 薄弱部位 靠近冲击接点( 加载点) ，构件冲击疲劳寿命大大降低“1 。3 冲击应力波在构件中的传播 迭加作用随其传播距离增加而减小，对冲击拉伸、弯曲的研究都证明：相同冲击能 量下，随试样工作部分( 截面尺寸最小处) 长度的增加，最大冲击应力减小，冲击寿命大 大延长。1 。材料在多冲载荷作用下，有明显不同于静疲劳的尺寸效应，缺口效应比静 疲劳大。4 材料在多冲载荷下要发生一些独特的组织秒肚能的变化，如弹性模量、弹 性滞后环、屈服强度、应变硬化指数以及b a u s c h i n g e r 效应等。在程度上甚至性质上 出现有别于一般静低周疲劳的变化，鉴于多冲载荷的上述特点，就使得树料在多冲载 荷下的行为和静疲劳行为存在差异，同时也导致研究这些行为的复杂性。 1 2 2 多冲研究的发展与现状 对多次冲击的研究迄今已有九十多年的历史。早在1 9 0 8 年，s t a n t o n 取ib a if s t o w 就曾用九种不同强度的碳钢进行多冲弯n 试验，他们较深入考察了化学成分对铁素体 2 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 珠光体钢冲击破断周次的影响。他们认为，进行只能引起极小塑性变形的小能量的多 次冲击试验，能解决材料在工作条件下对冲击断裂的抗力问题。国内外对多次冲击问 题的研究在上个世纪中叶比较活跃“。其中l a y l a n d 对1 5 种典型结构钢在多冲载荷 下的行为进行了考查，给出了每种材料的冲击能量a 和破断周次n 间的关系n n 线。但 是，长期以来，人们对多次冲击试验的评价存在着很大的分歧。有人认为“”，在冲击 能量很低时，多次冲击试验可用疲劳试验代替；在冲击能量很高时，可用一次冲击试 验代替，多冲试验并不能显示材料任何新的性能，没有什么实际意义。也有人认为“” 多次冲击的试验结果和无冲击疲劳( 以下称静疲劳) 以及一次摆锤冲击试验结果无关， 多冲试验是两者之间的桥梁。人们注意到在小能量多次冲击载荷下服役的零件，除了 疲劳断裂，更为普遍的损伤失效形式是零件表面的疲劳磨损。w e l l i n g 、e n g e l 等人从 1 9 6 9 年开始主要针对钢材进行了往复多冲磨损的研究，探讨了基于实验的冲击磨损理 论，给出了冲击载荷下的磨损量公式”。 国内对材料多次冲击的研究始于1 9 5 8 年。目前，对多次冲击的评价同样也存在 不同看法。文献 3 指出，多次冲击试验不同于一次摆锤冲击，因为丽者的破坏过程 不同，前者是多次冲击损伤积累所致的裂纹萌生和发展过程，而后者则是一次冲击载 荷下弹塑性变形和撕裂过程。同时，多次冲击试验也不同于疲劳，虽然在极小能量f 多次冲击和一般静疲劳差异甚小，但属于冲击疲劳过负荷能量范嗣的多次冲击则和静 疲劳不同，多次冲击是一个主要取决于强度和韧度问题，而不像静疲劳那样几乎是一 个纯强度的问题。也有人对上述观点持不同看法，文献 1 6 认为，小能量多冲实际上 是应变疲劳和高应力疲劳的混合物。 显然，多冲与一冲的本质不同足比较容易被人们所接受的，而多冲与静疲劳的异 同则是人们普遍关心两匝待澄清的问题。遗憾的是这个贩本应该由国内对此能做出应 有贡献的工作，却由于种种原凶，反而是国外( 主要是日本) 在这方面进行了大量的工 作“7 1 。由于采用了动态应力应变测定，断裂力学和电镜断l 分析的研究方法，从而 为深入了解多冲的实质，多冲与疲劳的著异提供了新的途径。 多次冲击与疲劳相比较有桐同之处，例蛔当把多冲试验结果用e n ，【l h 线表示时， 2 0 0 l 级研究生于连玉南华大学硕士学位论文 符合c o f f i n m a n s o n 规律。多冲与疲劳的破坏过程相同，电予显微镜断口分析表明： 它们有着相同的破坏机制，因此应该说，多次冲击属于疲劳范畴。多冲实质上相当于 冲击疲劳过负荷持久值的范围“”，多冲抗力反映了材料对冲击疲劳的过载抗力。 总的说来，自上个世纪六、七十年代以后，对小能量多次冲击的研究越来越少， 而对多冲碰撞失效的研究则更少。这与其广泛的工程应用背景是不相称的。表面工程 的发展，预示着抗多冲碰撞技术将有良好的前景。 1 3 多冲零构件表面强化技术与研究现状 在多次冲击载荷作用下工作的零构件，除了整体疲劳失效外，更为普遍的失效部 位是零件表面，因为磨损、断裂、塑性变形等损伤和失效多发生在冲击接触表面或从 冲击表面引发裂纹，导致零构件失效。根据多冲载荷的特性和在其环境下工作的零构 件失效的特点，一般要求承受多冲载荷的零构件要外刚内柔( 只有这样才能提高零构 件在多冲载荷下的工作寿命) 。为此人们对其表面进行强化处理进行了许多研究，并 大都通过以下两条途径： 1 表面改性。就是用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、 相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。表面改性技术主要有喷丸强化、表面热处 理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表而处理、高密度太阳能 表面处理和离子注入表面改性等。 2 施加表面涂层。即在零件表面施加各种覆盖层，主要采用各神涂层技术包括电 镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热浸涂、 搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分了束外延制膜、 离子束合成薄膜技术和激光熔覆等。 表面改性技术已有悠久历史。我国早在战国时代已进行钢的淬火，使钢的表丽获 得坚硬层。欧洲使用类似技术也有很长的历史。但是，表面技术的迅速发展是从1 9 世纪工业革命开始的，尤其是最近3 0 多年发展更为迅速。一方面人们在广泛使用和不 断试验的过程中积累了丰富的经验：另一方面自6 0 年代末形成的表面科学使表l 匪技 4 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 术进入了一个新的发展时期 2 zj 。 随着表面工程学科的兴起，人们很自然地想到采用涂层技术来提高零件的表面强 度，但大都是利用涂层的高硬度车u 高强度性能将该技术应用于磨损或冲击滑动磨损情 况“”。也有部分学者尝试采用表面强化涂层来抵抗多冲载荷”“。其中邵天敏等对 等离子喷涂涂层进行了冲击试验研究。并测试了在不同冲击能量下基体的冲击响应频 谱；李学敏对目前工程上使用较多的热喷涂薄膜进行了多次冲击试验，观察到冲击载 荷下热喷涂涂层的一些的塑性变形特点；王爱华等研究了铝合金表面激光熔覆f e a l 青铜过渡区的组织结构及其在小能量多冲作用下的行为，其过渡区裂纹形成于脆性相 c u m ：富集的区域，激光扫描速度对c u a l ：相的分布厚度影响显著，进而影响到过渡区 的抗小能量多冲行为；石世宏将激光熔覆技术应用于典型的多冲碰撞条件下服役的甲 胺泵进排液阀零件，结果表明其抗多冲能力和可靠性都有了明显提高。 1 4 多冲件表面的激光熔覆强化 激光熔覆亦称为激光包覆或激光熔敷，它是利用高能激光束将预置于或同步送入 金属材料表面的合金粉末熔化，并使基材微熔一薄层，同时实现涂层和基材的冶金结 合的工艺，该涂层具有与原合金粉末相同的优异性能( 耐磨、耐蚀、抗氧化等) ，从 而达到表面改性或修复的目的，即满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量 的贵重金属e 3 s o 它是一种新的表面改性技术，涉及到物理、冶金、材料科学等领域n 。 激光熔覆技术始于1 9 7 4 年，而* 起于8 0 年代，可以在低成本钢板上制成高性能表面， 代替大量高级合金提高材料的综合性能，降低能源消耗，适用于局部易磨损、冲击、 剥蚀、氧化及腐蚀等零部件 3 7 o 由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基体的热 影响较小，引起的变形也小，控制激光的输入能量，还可以将基体的稀释牢限制在极 低的程度( 一般为2 一8 ) ，从而保持了原有熔覆材料的优异性能。 激光熔覆可将高熔点的材料熔覆到低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通常 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 的冶金热力学条件限制，因此所用的激光熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、 铁基、钴基、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料。其中，合金材料和碳化物复合合金 材料的激光熔覆较为成熟，并已获得了应用。 作为一种先进的表面覆层技术，激光熔覆与各种传统的堆焊、热喷涂、喷焊等制 备覆层的技术相比，堆焊、热喷涂、喷焊等制备的涂层，由于热作用时间k = ，使热影 响区变形大( 如图1 1 所示) ，晶粒粗大，涂层稀释率大，组织疏松，各种缺陷、杂 质较多，致使涂层孔隙率大( 如图1 2 所示) 。在冲击载荷作用下，这些缺陷极易吸 收冲击能量，引起裂纹，造成涂层失效；与之比较，激光熔覆涂层组织更致密，孔隙 率更低，晶粒度更细小，同种材料的硬度和强韧性更高，涂层成分被稀释率更小；涂 层各种缺陷更少；基体微熔并与覆层实现可靠的冶金结合，基体受热影响极小( 如图 1 3 所示) ；可在软基和低熔点材料基体上熔覆高熔点的强硬覆层；可对传统工艺的 焊具不能或难以接近的加工面进行非接触柔性加工；不像电子束那样需在真空环境下 加工等。所以从理论上来讲，激光熔覆方法及其覆层的上述一系列特陛，是非常适用 于多冲碰撞载荷及其涂层的制备的。但对于包括激光熔覆在内的先进覆层强化的零构 件抗多冲性能的研究在国内外极少见报道“，现有相近的研究大都集中在覆层的耐磨 损或冲击滑动磨损研究上“”1 ，国内也有少数几篇关于激光熔覆与热喷涂薄膜层在多 冲载荷下的性能分析的报道13 1 。在应用上，激光熔覆耐磨耐蚀或耐高温涂层在国外 已在国防和工业部门有较多的应用，国内激光熔覆的厚涂层已开始走出实验室，在汽 轮机叶片、高参数阀门、汽车发动机零构件上有效实施，部分应用于生产并取得了很 好的效果。随着高能束设备的不断成熟配套和理论上、工艺技术上的不断进步，先进 涂层正在向更多的应用领域扩展。 6 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 图1 一l 结合区比较 图1 2 等离子焊层金棚组织( 2 5 0 ) 图1 3 融光熔覆层金相纰织( 2 5 0 ) 7 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 1 5 研究内容 1 激光涂层试样在多冲循环载荷下的动态响应 2 激光涂层在多冲碰撞下的损伤火效行为及分析 3 影响试样多冲损伤和失效的因素。 1 6 实验方案： 1 6 1 试件制备 1 试件基体材料采用普通碳钢、合金钢、耐酸不锈钢。激光熔覆层粉末选用c o 、 n i 基粉末，并考虑与基体材料的物理性能匹配。 2 激光熔覆在5 k w 大功率c o ：激光器上进行。熔覆厚度在l3 m m 之间分若干组。 熔覆后试件经中温回火消除内应力。 3 覆层表面经磨削，粗糙度达r a o 4 ，覆层硬度、组织达到设计值，与基体实现 可靠冶金结合，无残余应力，探伤无缺陷。 1 6 2 冲击试验 对表面碰撞失效进行全寿命跟踪观测。在线进行宏观观测，定时离线按需要进行 形貌、硬度、金相和微裂纹的检测。从显微到宏观的失效形式探讨试样，犬效机理与对 策。 1 冲头选择9 c r s i ，将试样固定在下方。受力条件模拟实际碰撞工况，为i i i i 轮一 弹簧方式。 2 冲击试验按同种或不同覆层材料、硬度、覆层厚度匹配进行试验。 3 失效临界状况为：当对冲表而出现扩展性裂纹、表层剥落，或点蚀到达定面 积。对其它损伤只做观察、纪录。 4 数据处理。根据试验数据，用m 1 、l a b 作拟合处理，找出合胖的激光熔覆： 艺 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 参数、材质匹配参数和尺寸对试件寿命的影响。 1 6 3 检测方法 1 用自制内窥镜在线动态跟踪检测涂层表面的损伤失效情况。 2 在设定的多冲碰撞次数下，离线测定试件的硬度、质量损失、塑性变形量，同 时在金相显微镜下观察试件的损伤失效形式。 3 试件下线后，将失效试样处理，用s e m s 5 7 0 扫描电镜和t e m h 一6 0 0 2 透射电 镜观察试样失效部位的组织和形貌。 1 6 4 理论分析 1 针对试栲的失效形式，分 厅涂层在冲击载荷下的动态响应，对其失损伤效进行 理论研究。 2 分析激光熔覆工艺参数、材料成分、形状参数对涂层寿命的影向。 1 7 主要的实验室和仪器设备 本课题主要在激光技术国家重点实验室、南华大学切削实验窒、金相实验室、数 控实验室、和精密测量实验室进行试验，在中南大学及湖南大学进行s e m 和t e m 检测。 主要的仪器设备有：t j i l l t 5 0 0 0 型大功率c o ，激光器，自制多冲碰撞试验机电火 花线切割机床( d k 7 7 2 5 ) ，o l y m p u sg x 5 1 f 型显微镜，h x d 1 0 0 0 b 型微氏显微硬度仪， t e m t t 一6 0 0 2 透射电镜，s e m s - 5 7 0 扫描电镜，j x 6 8 3 0 2 0 0 大型工具碌微镜，x q 一2 型 金相镶嵌机，x t l 一1 型体视显微镜，自制内窥镜，b s 2 0 1 s 型电了天”t ，t d s 3 0 0 0 系列 数字式荧光示波器，y e 5 8 5 2 型电荷放大器，c l y d 系列压电式力传感器。台式砂轮机 ( s 3 s t 一2 0 0 ) ，m - 2 型金相试样预磨机，p 一1 型抛光机，计算机。 q 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 1 8 本文的创新之处 首次对激光熔覆涂层在小能量多冲载荷下的性能与失效行为进行实验研究。 o 2 0 0 1 级研究生于连玉南华大学硕士学位论文 第二章：多冲疲劳试验机的研制 本文所研究的是多次冲击接触碰撞载荷，与冲击拉伸、冲击弯曲载荷机理不同， 故本文中冲击试验机与冲击拉伸、冲击弯曲、冲击磨损疲劳试验机不同。为了满足多 次冲击疲劳试验的需要，利用一台已有的曲柄压力机( 1 2 3 1 6 型) 改装成一台冲击疲劳 试验机，使之满足小能量多冲碰撞的需要。曲柄压力机的原始参数和改装工艺如下所 述。 2 1 双臂压力机的背景 曲柄压力机的主要参数 曲柄压力机的型号为j 2 3 1 6 ，其主要参数如下 公称压力：1 6 吨 发生公称压力时滑块离下死点距离：5 毫米 滑块行程( 固定行程) ：7 0 毫米 标准行程次数( 不少于) ：1 1 5 次分 滑块中心到机身距离( 喉深) ：1 6 0 毫米 工作台尺寸：4 5 0 x 3 0 0 毫米 电动机功率：1 5 千瓦 工作时的循环能量：4 5 0 焦耳转 2 2 设计方案的确定 曲柄压力机的最大承受力有1 6 吨力，考虑到压力机的工作原理，其是再蓄积飞轮 的能量后刁有这样大的压力的，这一压力机的工作循环次数是不少于11 5 次分，将 冲击频率设计到2 - 8 次秒，这样充分利用曲柄压力机的动力源，) t 且小会破坏压力 机的总体承载性能。压力机滑块行程( 固定行程) ：7 0 毫米，因此选弹簧时可以用足 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 够长的弹簧，且可以将弹簧的力控制部分布置在弹簧的压缩行程中。 再就是要考虑到做实验时的试件要求的模拟工况下的压力等条件。实验用的试件 做成圆环状，并在上端面用激光熔覆一层高强度的材料以提高试件的寿命，按试样设 计每次的冲击总能量约为4 8 焦耳，也就是弹簧的释放能量要有4 8 焦耳。有这个约束 条件的限制，就基本上确定了这一方案的设计总参数： ( 1 ) 弹簧的释放能量：4 8j ； ( 2 ) 工作频率：2 - 8 次秒。 通过上述分析，选择l ”】轮弹簧机构的设计方案，参见图2 一l 。在这方案中，将曲 柄压力机的抱闸卸去并在原位换上一皮带轮。将凸轮弹簧机构做成一部件，将其安装 在曲柄压力机的工作台上。这样一来，整个曲柄压力机就被改成了一冲击疲劳试验机 了。整个试验机的动力来源于曲柄压力机的电机，电机带动飞轮将动力传给曲轴并带 动大皮带轮工作，最后大皮带轮将动力通过皮带传给小带轮带动i j l i 轮轴工作。皮带轮 安装在压力机的曲轴上，由皮带轮带动附加装置上的i ”1 轮轴转动。再通过凸轮轴与杠 杆的作用，使弹簧压缩。利用弹簧的压缩能量释放，使冲头对试件实现冲击行为。冲 击力的大小可由调节螺栓调节弹簧来实现。本试验机设计可一次同时对四个工件做试 验，冲击频率为每秒2 8 次，利用光电传感器和计数器来完成冲次数的计数工作。曲 柄压力机经过技术改造，其简图如图2 2 所示。 圈2 一l 试验方案的设图2 2 冲击疲劳试验机简图 2 0 0 1 级研究生于连玉南华大学硕士学位论文 2 3 改装工艺 2 3 1 凸轮的设计 凸轮是主要零件。根据设计方案，凸轮的动作是通过杠杆传给弹簧的，在方案审 核的过程中，将杠杆的主动段( 与i n l 轮接触的一端) 和被动段的长度分别设计为9 0 m m 和l o o m m 。而弹簧的工作行程为2 0 m m ，则i 当轮的最大工作行程为1 8 m m 。当冲头撞击试 样时，杠杆的丰动端必须完全释放，如果不这样，冲击行为就会发生在杠杆的主动端 与凸轮之间，工件间就不能发生预定的冲击，这样，就不能实现真正的实验了，而且 会破坏整个的设计机构。因此，我们必须在保证凸轮的正常工作的前提下将以上所 可能发生的两点问题解决。 工作表面 由图2 3 - p 所示，凸轮的实际工作行程为1 8 m m ，f 【= i 在设计时，在i “j 轮上留有2 h n m 的行程，这样一来，弹簧就能够完全释放了，而且，杠杆的丰动端不会撞击l ”i 轮表面。 参见下表，是i i i i 轮的表面行程参数： 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 表2 1 凸轮表面形成参数 转角( 0 ) 0 4 55 05 56 57 07 58 08 5 向径 2 7 52 7 62 7 72 7 g2 7 9 32 8 02 832 87 转角( 0 ) 9 09 51 0 01 0 5l l o1 1 51 2 01 2 5 向径 2 9 22 9 83 0 53 1 23 2 13 3 03 4o3 5l 转角( 0 ) 1 3 01 3 51 4 01 4 51 5 01 5 51 6 01 6 5 向径 3 6 33 7 53 8 84 0 24 l | 64 3 14 4 54 6 o 转角( 0 ) 1 7 01 7 51 8 0 向径 4 7 54 9 04 9 0 上面表格中的数据是通过计算机绘图后由计算机自动生成的。在制作凸轮时，对 凸轮工作表面作淬火处理，以使其硬度达l i r c 4 04 8 ，l ! i 轮采用4 5 钢。 2 。3 2 弹簧的设计 根据设计的丰方案，弹簧机构是试验机设计的一丰要零件，选用什么样的弹簧关 系到实验的效果和效率。此试验机的工作状况是模拟工件在实际状况下的工作方式， 另外，由于试件是长时间地工作的，而试验周期不可能如实际工况一样，因此必需提 高试验的工作频率，并适当提高试验时的工作压力。结合以上的要求，则需选用弹性 系数较大且强度较高的弹簧。 根据设计试件的工作表面面积，可以计算出每次冲击的能量约为4 8 焦耳，也就 是弹簧的释放能量约为4 8 焦耳，这样可以估算出弹簧的总体参数，即每次释放时的 能量有4 8 j - ；另外考虑到实验时机器的工作频率，因此弹簧的压缩量不宜太大，设计 压缩量为2 0 m r a ( 模拟实际工况下的参数) 。 初定k 。= 2 0 n m m 联立1 2k ，( ：2 一 ，2 ) = 2 0 0 0 0 n m m 解得 ，= 4 0 r a m ：= 6 0 m m 取：p , - 1 0 0 0 n由：k ，= p ( 。+ 1 0 ) 4 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 得 p = 8 0 0 np f l 2 0 0 n 结果：弹簧最大压力 p f l 2 0 0 n 初定簧丝直径：d = 7 m md ，= 4 5 则c = o ：d = 6 4 3d o = 5 2 k = ( 4 c 一1 ) ( 4 c + 1 ) + o 6 1 5 c = 1 2 6 验算： d 1 6 ( r k c t ) “1 6 ( 1 1 5 0 1 2 6 6 4 3 4 8 0 ) “k 7 0 4 9 合适 n = g d4 s d2 3 k 。= 8 1 0 0 0 x7 4 8 x 4 5 3 x1 5 - 一- 1 8 蹰 总变形 。= 7 6 5 每圈变形大于7 6 5 1 8 = 4 2 5 。4 5 节矩t = d + 4 5 = 1 1 。5 h o = n t + 2 d = 1 8 x1 1 5 + 1 4 = 2 2 1 2 2 0 k = 1 6 联立 。= 7 2 5 与 = 5 2 5 n = 8 1 0 0 0 x7 4 8 4 5 3 x 1 6 = 1 7 圈 总变形 。= 7 2 5 每圈变形7 2 5 1 7 = 4 2 6 4 5 t = 4 5 + 7 = 1 1 5 h o = n t + 2 d t m l 7x11 5 + 1 0 5 - 2 0 6 m m 总结结果： n = 1 7 h o = 2 0 6 d = 5 2 d ：= 4 5 根据上面的数据，订做弹簧。 2 4 伺服冲击智能控制系统 对压力机的改装是要实现连续冲击。为了让试验机实现规定次数的冲击，同删出 为了实现在线观测的方便，采用i i b 7 2 光感计数器( 最大计数速度为1 0 0 0 0 秒，f i 效 1 5 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 测量距离是1 5 r a m ) 。其工作原理是：先设定计数器的停机次数，当计数器达到这个数 值时，与电磁铁在同一回路的计数器常开开关会突然关闭，此时电磁铁被接入2 2 0 v 的回路中，电磁铁工作，使控制舌块回缩，原压力机的控制机构复位，其控制离合器 的挡块工作，从而实现停机。t 1 8 7 2 光感计数器的主要参数： 供电电源：a c 2 2 0 v 1 0 触点寿命：l o 万次 外形尺寸：7 2 7 2 x 1 1 2 m m 2 5 实验数据的采集和标定 整机功耗：小于3 v a 触点容量：a c 2 2 0 v ：d c 2 4 v5 a 工作温度：0 4 c 为了定性的评价涂层的抗冲击性能，不仅要知道材料承受的冲击次数，而且冲击 力的大小也是一个不可缺少的物理量。这样，在相同的冲击力下，一方面可以比较材 料的抗冲击特性，另一方面，为进一步的力学计算和建立力学模型奠定基础。 采用c l - y d 系列压电式力传感器、y e 5 8 5 2 型电荷放大器、t d s 3 0 0 0 系 列多功能数字式荧光示波器及计算机来实现冲击力试验数据的采集( 如图2 4 所 示) 。设定冲头的冲程，当冲击疲劳试验机开始工作时，冲头冲击压电式传感器，传 感器产生相应的感应电荷，电荷流经电荷放大器时被成比例放大，放大的电荷传八示 波器，此时示波器就显示出相应的电流波形，通过屏幕拷贝存入电脑。利用示波器的 屏幕锁定功能，可以得到屏幕中波形最大的单波波形放大示意图，拷贝后转存到电脑。 经过多次调节弹簧压缩量，可以得到不同弹簧压缩量下的电流波形。根据传感器所产 生电荷的电压( 示波器上显示电压的最大值减去漂移值，得到换算电压) 与力的换算 关系，可以简单准确的通过波形测出碰撺时撞击力的大小。 2 6 数据的处理 为了方便后续冲击试验的顺利进行，需要测定弹簧不同压缩量所对应的冲击力。 先把弹簧设定的压缩量，用压力传感器测定其冲击力的大小。弹簧压缩量经过多次 6 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 的设定测量，冲击后我们得到这几个弹簧设定值所对应的冲击力值，结果见表2 2 所示。 电荷放大器 图2 4 冲击试验机的数据采集系统 表2 2 不周压缩罱的弹簧压缩力 弹簧雁犍m01 02 03 04 05 06 07 0 弹簧压力n 1 号弹簧 3 1 6 03 3 0 0m 加 3 6 0 03 8 0 03 9 4 0 2 号弹簧3 5 0 04 2 8 04 4 8 04 7 2 05 1 0 05 6 0 05 9 2 06 1 2 0 3 号弹簧 3 0 0 03 5 0 0 4 0 8 04 5 0 04 t 6 0斟0 05 6 0 06 1 2 0 4 号弹簧 2 5 0 02 8 4 03 0 0 03 3 2 0叫0 03 7 2 0 对所得数据运用m a t l a b 工具进行拟合处理，可以得到任何弹簧压缩量下的冲击 力值，极大地方便了后续实验的设计与实施。由于所有弹簧进行数据拟合过程都相同， 所以只列出对1 号弹簧程序m a t l a b 编程，如下所示： y = 3 1 6 03 3 0 0 3 4 0 0 3 6 0 0 3 8 0 03 9 4 0 ： x = o ：1 0 ：5 0 ： x l = o ：0 1 ：5 0 ： a ：p o l y f i t ( x ，y ，3 ) ； y l = a ( 1 ) x 1 3 + 3 ( 2 ) x 1 2 + 3 ( 3 ) x 1 + a ( 4 ) p o t ( x l ，y 1 b ，x ，y ，k ) 2 0 0 1 级研究生于连玉南华大学硕士学位论文 其中y 为测定的冲击力值，对应于x 的不同压缩量。 所拟合的图像如图2 5 所示，在任何一工位上进行冲击试验，只要给定试样所 需要的冲击应力，就可以通过测量其表面积而算得所需的冲击力值，对应的就可以找 出弹簧需要进行压缩的量，极大地方便了冲击试验的设计与进行。 ( a ) 1 号弹簧冲击力拟合 ( c ) 3 号弹簧冲击山拟合 l 棚i l |_ 十 j 嘤 、| 薰 ；呦 ， 享 磐i 箨 - 善萋 ，；r鼻 蓍毒 j j1 。醺 j 。? jp 。 蕾臻 嘶+ - ， 鳓j ： ：一 r j ，；： 片 十 。l 嵩” 船；蛐搿l一： j。1 1t _ l l 。t - 2 0 0 1 级研究生于连玉 南华大学硕士学位论文 第三章：激光熔覆涂层制备与组织性能 3 1 激光熔覆加工条件与方法 3 i i 实验材料 试样基体材料为工程中较多运用的1 c r l 8 n i 9 t i 、4 0 c r 和4 5 钢。激光熔覆的涂层 材料为钻基合金粉末、镍基粉末两种，粒度范围：一6 0 1 4 0 目，其成