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激光仿生耦合处理热作模具的热疲劳性能研究

张志辉  
【摘要】: 本文以45#、3Cr2W8V和H13钢为研究对象,模仿海洋贝壳、植物叶片和蜻蜓翅膀等天然生物体表的非光滑形态与结构,利用激光技术在材料的表面设计并制备了仿生非光滑单元体,让单元体和材料表面按生物耦合的规律组合,形成类似天然生物体表的非光滑表面,进而实现改善热作模具钢热疲劳性能的目的。考察了单元体特征尺度随激光参数的变化规律,分析了热疲劳前后处理试样的组织结构和力学性能,研究了非光滑单元体及其大小、分布和强度对材料热疲劳性能的影响,讨论了相关机制。 研究发现,激光制备的单元体组织较母体材料明显改变,晶粒高度细化,位错密度增加,强度大为提高。这些单元体的形成相当于在材料表层增加了许多强韧支撑体,使仿生耦合处理非光滑表面材料具有优良的强韧性组合,力学性能特别是热疲劳性能大大改善,同未处理试样相比在经历几千次热疲劳循环后仍保持在较高的水平。 分布于仿生耦合处理表面的单元体不仅能提高热疲劳裂纹萌生抗力,而且有效抵御了热疲劳裂纹的扩展,显著延长了仿生耦合处理非光滑表面材料的热疲劳寿命。不同大小、强度和分布的单元体对热疲劳性能有不同影响,在本文研究范围内,单元体呈网格型分布仿生耦合处理表面的抗热疲劳性能最佳,尺寸较大、强度较高的单元体对热疲劳裂纹萌生和扩展的阻滞效果更为显著,而单元体的高密度(小间距)分布仿生耦合处理表面其热疲劳抗力更高。其中,不同仿生耦合处理试样较光滑参考样热疲劳裂纹萌生寿命提高25%-400%;热疲劳裂纹扩展速度下降7.5%-82.6%;裂纹总数量减少19.7%-81.3%。 对适用于实际模具激光仿生耦合处理的表面形态参数和激光加工参数进行了试验优化,优化后参数直接应用于现场试验研究。结果表明,激光仿生耦合处理模具的热疲劳抗力较未处理模具明显提高。可见该研究不仅具有较高的科学价值和学术价值,而且应用前景广阔,经济效益显著。


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