【摘要】：激光仿生技術(shù)發(fā)展的前景之一,是實現(xiàn)仿生產(chǎn)品在激光加工中參數(shù)與成型目標自動匹配的智能化,強化材料表面耐磨等性能。現(xiàn)有的激光仿生加工技術(shù),已在前期研究應(yīng)用中取得顯著成效。但是,由于模具鋼種類繁多,單元體因母材成分、狀態(tài)和激光加工參數(shù)不同而存在差異,往往需頻繁進行正交、優(yōu)化和評估試驗,以確定激光加工參數(shù)才可得到合適單元體從而有效改善材料耐磨等性能。上述過程效率低下,制約了仿生表面按需加工的目標,延緩了材料的激光開發(fā)進程。目前,激光仿生智能化加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是對加工參數(shù)的選擇,具體來說就是對于要求材料的單元體形態(tài)或者性能,可以自動匹配相應(yīng)的參數(shù)以供選擇。因此,找出材料-加工參數(shù)-成型目標特征參量之間的關(guān)系模型,改變以往復(fù)雜加工流程模式,并根據(jù)這些內(nèi)在關(guān)系及試驗數(shù)據(jù)開發(fā)出集單元體成型、成性結(jié)果預(yù)測、加工參數(shù)查詢及優(yōu)化選取于一體的模具鋼激光仿生加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)至關(guān)重要。根據(jù)不同模具鋼的不同使用條件,智能匹配要求單元體特征量所需的參數(shù),對加快材料激光開發(fā)進程、減少試驗過程、提高加工效率具有重要意義。本研究以不同化學(xué)成分含量的40Cr、B2、H13、H12、5CrNiMo補焊鋼以及不同母體組織的H13鋼作為實驗對象,通過激光熔凝加工在其表面形成帶有不同單元體的仿生耦合表面。首先,對比分析了不同成分下單元體間的尺寸、組織、晶粒尺寸、硬度差異,探究了母材化學(xué)成分含量對單元體特征參量的影響規(guī)律及作用機制。對五個能量密度下單元體面積、深寬比和硬度分別隨合金元素總含量與碳含量比值的變化規(guī)律進行擬合,并分別建立了數(shù)學(xué)模型,得到在一定參數(shù)范圍內(nèi)模具鋼成分含量與單元體特征參量之間的定量關(guān)系。其次,討論對比了不同組織狀態(tài)下單元體間的尺寸、組織、晶粒大小、硬度的差異,并進一步探索了模具鋼組織狀態(tài)對單元體特征參量的影響規(guī)律和作用機制,從而完善了模具鋼-加工參數(shù)-成型目標特征參量之間的關(guān)系模型。同時,通過對模具鋼的不同化學(xué)成分含量、組織對單元體特征參量影響的探討進一步分析了對仿生耦合表面耐磨性能的影響。最后,初步開發(fā)了不同模具鋼單元體特征參量與對應(yīng)參數(shù)協(xié)同匹配的激光加工數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),并設(shè)計制作了其數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序界面。結(jié)果顯示:(1)在相同能量密度下,隨著金碳比的增加,單元體的深度、面積、深寬比增加,而寬度減小;晶粒尺寸呈先減小后增大的趨勢,單元體硬度有先增大后變小趨勢,且都在金碳比為20.62左右時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。同時,經(jīng)能量密度為841.438 J/cm~2的激光處理后,不同成分鋼的硬度和抗磨損性被提高不同程度。硬度分別提高53.26%(40Cr)46.82%(B2)14.58%(H13)7.16%(H12)12.65%(5CrNiMo補焊鋼)。抗磨損性分別提高15.7%(40Cr)13.43%(B2)3.83%(H13)2.30%(H12)3.45%(5CrNiMo補焊鋼)。耐磨性提高程度隨單元體硬度提高而提高。(2)相同加工參數(shù)下,單元體的橫截面積和晶粒尺寸隨H13鋼基體組織奧氏體形核能力的增加而增大,硬度提高程度卻隨之降低。單元體硬度大小有:退火態(tài)淬火態(tài)460oC回火600oC回火。同時,不同組織H13鋼的硬度和抗磨損性也被提高不同程度。單元體硬度分別提高:165.57%(退火態(tài))7.22%(460oC回火)1.61%(600oC回火)0.35%(淬火態(tài));仿生耦合試樣抗磨損性分別提高39.10%(退火態(tài))5.13%(460oC回火)3.97%(600oC回火)5.21%(淬火態(tài))。單元體硬度以及尺寸的增大有利于仿生試樣耐磨損性改善程度的提升。
【圖文】：

毛蚶貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1.2 生物體表結(jié)構(gòu)示意圖：部表皮凸狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)點，，（b）寄居蟹、貝殼體表線性(c)蜻蜓翅膀的網(wǎng)狀非光滑結(jié)構(gòu). 1.2 Schematic diagram of organism surface struc
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG665;TG142

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本文編號：2636037