GBT 43853-2024 激光修复层高温摩擦磨损性能试验 球-盘法标准立项发展报告

激光修复层高温摩擦磨损性能试验球-盘法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodforHigh-TemperatureFrictionandWearPerformanceofLaserRepairLayer—Ball-on-DiscMethod摘要激光修复技术作为一种先进的再制造工程手段，在航空航天、能源动力、石油化工及重型装备等领域得到了广泛应用，其服役可靠性很大程度上取决于修复层在高温环境下的摩擦磨损性能。然而，长期以来国内外缺乏统一的激光修复层高温摩擦磨损性能试验方法标准，导致各研究机构和生产企业采用不同的试验条件和评价指标，测试结果可比性差，严重制约了激光修复技术的工程应用和行业规范化发展。本文系统阐述了GB/T43853-2024《激光修复层高温摩擦磨损性能试验球-盘法》国家标准的立项背景、编制原则、主要技术内容及其应用价值。该标准基于球-盘式摩擦磨损试验原理，对试验设备与条件、试样制备与要求、试验程序、数据处理以及试验报告等方面进行了全面规范，明确了高温环境下激光修复层摩擦系数和磨损率的统一测定方法。本标准的发布实施填补了我国在该领域标准体系的空白，为激光修复层的质量评价、工艺优化和服役性能预测提供了科学依据和技术支撑，对促进再制造产业健康发展具有重要的战略意义。关键词：激光修复层；高温摩擦磨损；球-盘法；国家标准；再制造；试验方法；标准化Keywords:Laserrepairlayer;High-temperaturefrictionandwear;Ball-on-discmethod;Nationalstandard;Remanufacturing;Testmethod;Standardization1引言1.1研究背景激光修复技术（LaserRepairTechnology）是以高能量密度激光束为热源，通过熔覆、合金化或熔注等方式对受损零部件表面进行修复和强化的先进制造技术。与传统的电弧焊修、热喷涂等修复手段相比，激光修复具有热输入量小、热影响区窄、稀释率低、冶金结合强度高、修复层组织致密且与基体呈冶金结合等显著优势，已成为高端装备零部件再制造的核心技术手段之一[1]。随着激光修复技术在航空发动机涡轮叶片、轧辊、模具、重型齿轮、石油钻采工具等关键零部件的推广应用，修复层在高温服役工况下的摩擦学性能日益受到重视。据统计，Machineryfailurecausedbyfrictionandwearaccountsforapproximately60%-80%oftotalequipmentfailures，而在高温环境下运行的零部件，其磨损问题尤为突出。激光修复层在实际服役过程中往往承受高温、交变载荷及摩擦耦合的复杂作用，其高温摩擦磨损性能直接决定了修复零部件的使用寿命和可靠性。然而，由于缺乏统一的试验方法标准，不同研究机构和企业采用的试验设备、试样尺寸、对磨副形式、加载方式、温度控制及数据处理方法各不相同。例如，在摩擦副构型上，有采用销-盘式的，有采用球-盘式的，还有采用环-块式的；在试验温度选择上，有的选取室温至200°C，有的则设置到800°C以上；在结果表征上，有的以磨损体积损失为指标，有的以磨损深度或磨损质量损失为指标。这些差异导致了大量试验数据不可比、不可复现、不可互换，严重影响了研究成果的学术价值和工程指导意义，也制约了激光修复技术的标准化、产业化进程[2]。1.2国内外标准现状在国际标准层面，ISO20808:2016《Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Determinationoffrictionandwearcharacteristicsofmonolithicceramicsbyball-on-discmethod》规定了块体陶瓷材料球-盘摩擦磨损试验方法，但其适用范围限定于先进陶瓷材料，并未涉及激光修复层或金属基复合材料。ASTMG99-17《StandardTestMethodforWearTestingwithaPin-on-DiskApparatus》和ASTMG133-05(2016)《StandardTestMethodforLinearlyReciprocatingBall-on-FlatSlidingWear》虽为通用的销-盘及往复式球-平面摩擦磨损试验提供了方法框架，但其主要针对室温条件下的材料筛选评价，对于高温环境下的试验装置要求、温度控制精度及修复层特有的试样制备规范均未作相应规定。在国内标准层面，GB/T12444-2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》和GB/T3960-2016《塑料滑动摩擦磨损试验方法》分别针对金属材料和塑料的特定磨损形式进行了规定，但均不专门面向激光修复层材料。SH/T0721-2002《润滑脂防腐蚀性试验法》等石油化工行业标准则主要关注润滑介质本身的性能评价。综上可见，无论是国际标准还是国内现有标准，均缺乏专门针对激光修复层高温摩擦磨损性能试验的通用方法标准，这一标准空白亟需填补[3]。1.3立项目的与意义本标准的制定旨在建立统一的激光修复层高温摩擦磨损性能试验方法，规范试验条件和评价指标，解决当前行业内试验数据可比性差的突出问题。其重要意义体现在以下几个方面：促进行业规范化发展：通过统一试验方法，使不同研究机构和企业获得的试验数据具有可比性和互认性，推动激光修复技术的规范化应用。支撑质量控制体系：为激光修复层产品质量检验提供标准化的检测手段，助力企业建立完善的质量控制体系。推动技术交流与合作：统一的方法标准为学术交流和成果共享提供共同的技术语言，促进该领域科技成果的快速转化[4]。填补标准体系空白：完善我国再制造领域标准体系，为后续相关标准的制定提供参考和基础。2编制原则与依据2.1编制原则本标准的编制遵循以下四项基本原则：（1）科学性原则标准的技术内容以摩擦学基础理论和大量实验验证为依据，确保试验方法的科学性、合理性和可重复性。在确定关键技术参数（如试验温度范围、载荷范围、滑动速度等）时，充分参考了国内外相关研究成果和工程实际需求。（2）适用性原则标准充分考虑了激光修复层的材料特性和服役工况特点，在试样制备、试验条件设置等方面体现了针对性和适用性。同时兼顾不同行业用户的多样化需求，在参数选择上给予适当的灵活性[5]。（3）协调性原则标准的编制注重与现有国家标准、行业标准的协调一致。凡已有通用标准可以引用的内容，尽量引用而不重复规定，确保标准体系的整体协调性。（4）可操作性原则标准在技术内容表达上力求清晰明确、便于理解和执行，对试验步骤、数据处理等做出了具体可操作的规定，便于各级检测机构和生产企业准确实施。2.2编制依据本标准依据《中华人民共和国标准化法》及其实施条例的有关规定，按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的要求进行编制。在技术内容确定过程中，主要参考了以下文件和资料：-ISO20808:2016《精细陶瓷球-盘法测定块体陶瓷摩擦磨损特性》-ASTMG99-17《使用销-盘装置进行磨损试验的标准试验方法》-ASTMG133-05(2016)《线性往复球-平面滑动磨损的标准试验方法》-GB/T12444-2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》-GB/T10622-1989《金属材料滚动接触疲劳试验方法》-国内外有关激光修复层摩擦磨损性能研究的重要学术论文和技术报告3主要技术内容说明3.1适用范围本标准规定了采用球-盘法测定激光修复层高温摩擦磨损性能试验的术语和定义、试验原理、试验设备、试样制备、试验条件、试验程序、结果计算及试验报告等内容。标准适用于采用激光熔覆、激光合金化等激光修复技术制备的金属及金属基复合材料修复层，在高温环境下（室温至1000°C）与球形对磨副构成摩擦副时的摩擦系数和磨损率测定。激光修复层的基体材料包括碳钢、合金钢、不锈钢、钛合金、镍基合金等金属材料。其他用途的激光增材制造层可参照本标准执行。3.2术语和定义标准对以下关键术语进行了规范定义：-激光修复层（Laserrepairlayer）：以激光为热源，通过熔覆、合金化等方法在受损或待强化零部件表面制备的具有特定功能的冶金结合覆层。-球-盘摩擦副（Ball-on-discfrictionpair）：由固定或旋转的盘形试样与静止或随动加载的球形对磨副构成的滑动摩擦副[6]。-摩擦系数（Coefficientoffriction）：两物体接触表面间摩擦力与法向载荷之比，以μ表示。-磨损率（Wearrate）：单位滑动距离和单位法向载荷下的磨损体积损失，单位为mm³/(N·m)。-高温磨损（High-temperaturewear）：在高于室温的环境温度条件下发生的滑动磨损过程。3.3试验原理本标准采用的球-盘试验原理为：将制备好的激光修复层盘形试样安装于试验机的试样座上，通过对磨球（通常为Si₃N₄、Al₂O₃或GCr15等材质的球形对磨件）以设定的法向载荷压紧在修复层表面。试验过程中，盘形试样以设定的转速旋转或往复运动，使修复层表面与对磨球之间产生滑动摩擦。通过测量摩擦力和法向载荷，实时计算摩擦系数；通过测量磨损区域的几何尺寸或质量损失，计算比磨损率。高温试验时，通过加热装置将试样及周围环境加热至设定温度，待温度稳定后开始施加负载并进行摩擦磨损试验[7]。3.4试验设备标准对试验设备提出了明确的技术要求：（1）摩擦磨损试验机试验机应具备稳定的加载系统，载荷范围应满足5N至200N的要求，加载精度不低于±1%；驱动系统应能提供稳定的旋转或往复运动，转速范围一般为0.1～2000r/min，转速波动不超过设定值的±2%；摩擦力测量系统分辨率不低于0.01N。（2）高温加热系统加热系统应能将试样加热至不低于1000°C，温度控制精度为±5°C，温度场均匀性在试样工作区域应控制在±10°C以内。加热方式可采用电阻加热、感应加热或辐射加热等，但须确保测试区域温度均匀且稳定[8]。（3）气氛控制系统当试验需要在特定气氛（如惰性气氛、氧化气氛）中进行时，试验机应配备气氛控制装置，能够维持设定的气氛条件。气氛流量应保持稳定，确保试验过程中气氛的均匀性。3.5试样制备与要求试样制备是保证试验结果准确性和可重复性的关键环节。标准对试样制备作了如下规定：（1）盘形试样基体材料应具有足够的刚性，推荐的盘形试样尺寸为直径30～60mm、厚度5～10mm。修复层应在基体表面制备，制备工艺应与实际工程应用保持一致或经协商确定。修复层厚度应不小于1mm，表面经磨削和抛光处理，表面粗糙度Ra值应不大于0.4μm[9]。（2）对磨球对磨球直径通常为3～10mm，推荐采用6mm。对磨球材质可根据实际工况选择，常用材料包括Si₃N₄陶瓷球、Al₂O₃陶瓷球、GCr15轴承钢球等。对磨球表面粗糙度Ra值应不大于0.05μm，硬度应不低于修复层硬度，或可根据实际工况协商确定。（3）试样清洗试验前，试样应使用合适的溶剂（如丙酮、无水乙醇）进行超声波清洗，去除表面的油污和杂质，然后干燥。清洗后的试样在放置和装夹过程中应避免手指直接接触试验表面。3.6试验条件标准对试验条件给出了推荐范围，同时允许根据实际工况进行协商调整：-温度范围：室温至1000°C，优先推荐试验温度梯度为200°C、400°C、600°C、800°C；-法向载荷：5N～100N，优先推荐载荷级别为10N、20N、50N；-滑动速度：0.01～0.5m/s，优先推荐滑动速度为0.1m/s；-滑动距离或时间：总滑动距离应不小于1000m，或试验时间不少于60min；-气氛条件：环境空气、干燥惰性气体或其他气氛条件。3.7试验程序试验程序主要包括以下步骤：（1）升温阶段：将安装好的试样加热至设定温度，升温速率不超过20°C/min，保温时间不少于15min以确保温度均匀。（2）预磨阶段：在正式试验前，建议在较低载荷下进行短时间的预磨试验，以使修复层表面达到稳定的接触状态。（3）正式试验：设定试验载荷、转速和试验时间，开始正式摩擦磨损试验。试验过程中实时记录摩擦力、摩擦系数、温度及试验环境参数。（4）数据记录：试验系统应能实时采集摩擦系数数据，采样频率不低于10Hz。记录稳态摩擦系数的平均值和变化曲线。（5）试验后处理：试验结束后，自然冷却至室温，小心取出试样，对磨损区域进行观察测量。3.8结果计算与评定（1）摩擦系数摩擦系数μ=F/N，其中F为稳态摩擦力（N），N为法向载荷（N）。取试验稳态阶段的平均摩擦系数为试验结果。（2）磨损率磨损率通过测量磨损体积计算得出：K=V/(F·s)，其中V为磨损体积（mm³），s为总滑动距离（m）。磨损体积可通过三维形貌仪测量磨损截面轮廓和磨损深度计算获得，也可通过称重法测量质量损失后根据密度换算。（3）结果处理每组试验条件应重复进行不少于3次试验，取平均值作为最终试验结果，同时报告各次试验数据的相对偏差。4主要参与单位本标准由全国金属材料机械试验标准化技术委员会组织制定，主要起草单位为：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司（简称"机科国创"）。该公司隶属于机械科学研究总院集团，是国家级高新技术企业和国家重点专精特新"小巨人"企业，长期从事激光增材制造与再制造技术研究及装备开发。公司建有"先进制造技术国家重点实验室"激光加工分实验室和"工信部产业技术基础公共服务平台"，在激光熔覆修复工艺、修复层组织性能评价、摩擦磨损测试技术等方面积累了丰富的理论研究和工程实践经验。该公司先后承担了国家重点研发计划项目"激光再制造关键技术及装备"等多项国家级科研课题，主导或参与制修订了多项国家和行业标准，是国内激光修复技术领域具有重要影响力的科研机构[10]。公司拥有一支由材料科学、机械工程、激光技术等多学科背景人员组成的研究团队，建有集激光熔覆系统、高温摩擦磨损试验平台、微观分析表征设备于一体的综合性实验体系。在本标准的研制过程中，该单位牵头组织了多项关键技术参数的验证试验工作，建立了包含多种典型激光修复材料和工艺参数的高温摩擦磨损性能数据库，为标准中关键技术指标的科学确定提供了重要的实验依据。此外，参与本标准制定的单位还包括西安交通大学、哈尔滨工业大学、中国矿业大学（北京）、沈阳大陆激光技术有限公司、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院等单位，涵盖了产、学、研、用各个领域，确保了标准的广泛代表性和适用性。5结论与展望GB/T43853-2024《激光修复层高温摩擦磨损性能试验球-盘法》是我国在激光修复技术领域制定的第一项关于高温摩擦磨损性能试验方法的国家标准。本标准的发布实施填补了国内外该领域标准体系的空白，具有里程碑式的意义。标准统一了激光修复层高温摩擦磨损性能的试验方法和评价指标体系，使不同研究机构和企业获得的试验数据具备了可比性和互认性。这将有效促进激光修复技术的学术交流与成果共享，推动适用领域的质量控制和工程应用，为激光修复技术在航空航天、能源装备、重型机械等高要求领域的可靠应用提供了技术基础。展望未来，随着激光修复技术的不断发展和应用领域的持续拓展，本标准体系还有进一步完善的空间。一方面，可考虑制定针对不同材料体系和典型工况的分标准或技术规范，提供更具针对性的试验方法指导；另一方面，随着高温摩擦学在线检测技术和原位表征技术的发展，未来的标准可逐步引入实时磨损监测和微观机制分析的内容，使试验方法向更高层次发展。此外，积极推动本标准的国际对接与互