一種閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化方法與設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化方法與設備，采用高能束陶瓷熔注方法，針對閥門密封表面幾何區(qū)域特征，從仿生角度出發(fā)，研究耐磨損、抗疲勞生物原型；從減小閥門密封表面強化應力應變角度，將生物原型抗磨損、耐疲勞的結構通過激光熔注“復制”在閥門密封表面，提高閥門密封表面的耐磨性與熱疲勞性，延長閥門使用壽命，為閥門密封表面強化提供了一種新的方法。
【專利說明】一種閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化方法與設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料加工領域。
【背景技術】
[0002]閥門是氣體、液體、粉末材料輸送系統(tǒng)中的控制元件，具有導流、截流、節(jié)流調節(jié)、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能。閥門一般應具有密封性能、強度性能、調節(jié)性能、動作性能和流通性能。目前，我國閥門企業(yè)約6000余家，其中年產(chǎn)值超過500萬元的有900家。國內上市的閥門公司3家，即中核科技、洪城股份、廣東明珠。去年，中核科技主營業(yè)務收入
3.7億元，而洪城股份和廣東明珠主營業(yè)務收入均低于中核科技。這些企業(yè)在產(chǎn)品質量上與國外同類企業(yè)尚有較大差距。我國閥門行業(yè)每年有100多億元的市場被國外閥門企業(yè)占領，而其中主要份額又在于核閥等高參數(shù)閥門。到2020年我國將開工51座百萬千瓦級核電機組，到2020年末中國核電裝機容量將達到4000萬千瓦(2020年末核電運行規(guī)模4000萬千瓦，尚有1800萬千瓦結轉下個五年計劃)。也就是說，從2007年起中國每年將至少批準建設二個百萬千瓦級核電機組。即今后13年中，中國每年都要建設一座像“大亞灣”一樣的核電站。其中需要核閥約100萬臺，總額超過200個億。再加上海外市場，開發(fā)前景將十分廣闊。如前所述，閥門密封面是閥門的關鍵部位，是閥門最重要的工作面，提高閥門密封面的耐磨性、耐蝕性、耐高溫等綜合性能直接延長閥門的使用壽命，避免發(fā)生過早失效，從而挽回生產(chǎn)中不必要的損失，將會大大推動工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會意義。
[0003]陶瓷熔注技術目前已經(jīng)被認為是制備金屬基復合材料層最為理想的方法之一，是激光或等離子弧局部 熔化金屬基體，同時將陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被凍結，實現(xiàn)了基體上層顆粒增強，提高金屬表面耐磨性和硬度，顯示了激光熔注技術在金屬基體表面制備顆粒增強復合材料層的優(yōu)勢。
[0004]自然界中生物體表經(jīng)過千百萬年的進化，形成了非常獨特的結構，生物體表是由凹坑、凸包、波紋、花紋、條狀、網(wǎng)絡或鱗片等幾何結構組成的非光滑表面，生物體表單元體大小從幾十微米到幾十毫米，生物的非光滑體表具有減粘、降阻、耐磨的作用，在運動過程中具有很好的耐磨性。將生物表面耐磨、抗開裂原型應用在閥門密封面強化領域，具有良好發(fā)展前景。

【發(fā)明內容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面:提供一種閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化設備，所述設備由控制單元、仿生結構體視覺監(jiān)控系統(tǒng)、陶瓷精密送粉器、高能束發(fā)生器和三自由度數(shù)控工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監(jiān)控系統(tǒng)、陶瓷精密送粉器、高能束發(fā)生器和三自由度數(shù)控機械工作臺的通訊接口系統(tǒng)相連?？刂茊卧ㄒ慌_工業(yè)控制計算機，該計算機具有多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊、閥門密封面仿生結構體設計模塊和閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊；所述多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊包括加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和仿生結構體視覺監(jiān)控單元，所述數(shù)據(jù)庫中每一條數(shù)據(jù)記錄包括材料的牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、熔注陶瓷速度、離焦量、陶瓷材料、陶瓷顆粒尺寸、陶瓷體積分數(shù)、陶瓷彌散形態(tài)，化學成分、組織結構、顯微硬度、摩擦、磨損和熱疲勞；所述仿生結構體視覺監(jiān)控單元主要接受視覺硬件系統(tǒng)圖像信號，處理陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形狀態(tài)，從而控制陶瓷熔注工藝參數(shù)和五軸數(shù)控工作臺聯(lián)動狀態(tài)；所述閥門密封面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統(tǒng)結構和功能特征進行模擬和參數(shù)優(yōu)化，建立相應生物模型，針對閥門密封表面不同特征，通過計算機數(shù)值模擬和特征參數(shù)優(yōu)化，從減小閥門密封表面強化應力應變角度，設計仿生單元體和不同單元體按一定規(guī)律偶聯(lián)構成仿生結構體；仿生單元體設計包括仿生單元體的形態(tài)、幾何尺寸、化學成分、組織形態(tài)、陶瓷顆粒尺寸、陶瓷體積分數(shù)和陶瓷彌散形態(tài)設計；仿生結構體設計包括各仿生單元體耦合形式和偶聯(lián)結構形態(tài)設計；所述閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊能夠根據(jù)設計好的閥門密封面仿生結構體自動形成數(shù)控加工程序，驅動三自由度數(shù)控機械工作臺；也能夠在其它計算機設計好閥門密封面表面仿生結構體，生成數(shù)控加工程序，然后導入該示教系統(tǒng)中；
同軸視覺傳感采集系統(tǒng)與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監(jiān)控單元；所述高能束發(fā)生器是激光或等離子弧發(fā)生器；所述陶瓷精密送粉器采用后側熔注陶瓷顆粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC,送粉速度I~200 mg/s,顆粒尺寸為IOnm~1.0mm,在仿生單元體中陶瓷的體積分數(shù)為10%~50%，熔注層厚度0.01~2. Omm ;所述三自由度數(shù)控機械工作臺”的閥門由卡盤夾在床身上面，在工作中，由電機帶動旋轉；導軌立柱由螺栓固定在床身上面，Z向進給機構可沿著導軌立柱上下運動，電機帶動Y向進給機構里面絲杠轉動，完成Y向進給移動，高能束發(fā)生器可由螺釘固定在Y向進給機構左端，同軸視覺安裝在高能束發(fā)生器上，陶瓷精密送粉器由螺釘固定在電機的后面，可提供陶瓷粉末，同軸視覺、陶瓷精密送粉器和高能束發(fā)生器一起隨著電機的左右移動可伸入閥門內部進行工作。在閥門密封功能表面，利用高能束陶瓷熔注加工的方法，對表面進行填加化學元素和仿生強化。仿生強化是按閥門密封表面仿生強化模型，在閥門密封表面熔注陶瓷顆粒而成仿生結構體，弧形仿生單元體寬度Wl為O. I~5. Omm,弧形仿 生單元體深度L2為O. I~3. Omm,弧形仿生單元體曲度Θ為30~180度，圓形仿生單元體間距W2為O. 2~10.0mm,圓形仿生單元體深度LI為O. I~3. Omm,圓形仿生單兀體直徑d為O. I~10.0mm。
[0006]從仿生角度，提出閥門密封表面陶瓷熔注耦合仿生強化，將生物原型抗磨損、耐疲勞的結構通過高能束陶瓷熔注“復制”在閥門密封表面，提高閥門密封表面的耐磨性，延長閥門使用壽命，為閥門密封表面強化提供了一種新的方法。提出一種高能束陶瓷熔注閥門密封表面強化新工藝，由于熔注層和基體的化學成分呈平緩梯度過渡，兩者之間無明顯的界面，有利于解決激光或等離子弧熔覆由于熔覆層與基體之間化學成分存在較大梯度而導致的熔覆層易開裂的問題。由于高能束陶瓷熔注過程中熔凝速度快，可以獲得一些在平衡態(tài)所無法得到的組織和物相，與激光或等離子弧熔覆比較，有利于閥門密封表面耐磨抗裂仿生結構層制備，因此將陶瓷熔注技術和仿生技術相結合，用于閥門密封表面仿生強化，具有良好發(fā)展前景?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0007]圖1閥門密封表面仿生強化設備控制結構框圖 圖2閥門密封表面仿生強化設備主視結構示意圖
其中:1電機2床身3卡盤4閥門5同軸視覺6陶瓷精密送粉器7 Y向進給機構8導軌立柱9電機10 Z向進給機構11電機12高能束發(fā)生器圖3閥門密封表面耦合仿生結構體示意圖
其中:Wl弧形仿生單元體寬度 L2弧形仿生單元體深度W2圓形仿生單元體間距LI圓形仿生單元體深度d圓形仿生單元體直徑Θ弧形仿生單元體曲度。
【具體實施方式】
[0008]閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化設備，所述設備由控制單元、仿生結構體視覺監(jiān)控系統(tǒng)、陶瓷精密送粉器、高能束發(fā)生器和三自由度數(shù)控工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監(jiān)控系統(tǒng)、陶瓷精密送粉器、高能束發(fā)生器和三自由度數(shù)控機械工作臺的通訊接口系統(tǒng)相連?？刂茊卧ㄒ慌_工業(yè)控制計算機，該計算機具有多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊、閥門密封面仿生結構體設計模塊和閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊；所述多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊包括加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和仿生結構體視覺監(jiān)控單元，所述數(shù)據(jù)庫中每一條數(shù)據(jù)記錄包括材料的牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、熔注陶瓷速度、離焦量、陶瓷材料、陶瓷顆粒尺寸、陶瓷體積分數(shù)、陶瓷彌散形態(tài)，化學成分、組織結構、顯微硬度、摩擦、磨損和熱疲勞；所述仿生結構體視覺監(jiān)控單元主要接受視覺硬件系統(tǒng)圖像信號，處理陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形狀態(tài)，從而控制陶瓷熔注工藝參數(shù)和五軸數(shù)控工作臺聯(lián)動狀態(tài)；所述閥門密封面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統(tǒng)結構和功能特征進行模擬和參數(shù)優(yōu)化，建立相應生物模型，針對閥門密封表面不同特征，通過計算機數(shù)值模擬和特征參數(shù)優(yōu)化，從減小閥門密封表面強化應力應變角度，設計仿生單元體和不同單元體按一定規(guī)律偶聯(lián)構成仿生結構體； 仿生單元體設計包括仿生單元體的形態(tài)、幾何尺寸、化學成分、組織形態(tài)、陶瓷顆粒尺寸、陶瓷體積分數(shù)和陶瓷彌散形態(tài)設計；仿生結構體設計包括各仿生單元體耦合形式和偶聯(lián)結構形態(tài)設計；所述閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊能夠根據(jù)設計好的閥門密封面仿生結構體自動形成數(shù)控加工程序，驅動三自由度數(shù)控機械工作臺；也能夠在其它計算機設計好閥門密封面表面仿生結構體，生成數(shù)控加工程序，然后導入該不教系統(tǒng)中；
同軸視覺傳感采集系統(tǒng)與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監(jiān)控單元；所述高能束發(fā)生器是激光或等離子弧發(fā)生器；所述陶瓷精密送粉器采用后側熔注陶瓷顆粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC,送粉速度I~200 mg/s,顆粒尺寸為IOnm~1.0mm,在仿生單元體中陶瓷的體積分數(shù)為10%~50%，熔注層厚度0.01~2.0mm ;所述三自由度數(shù)控機械工作臺”的閥門由卡盤夾在床身上面，在工作中，由電機帶動旋轉；導軌立柱由螺栓固定在床身上面，Z向進給機構可沿著導軌立柱上下運動，電機帶動Y向進給機構里面絲杠轉動，完成Y向進給移動，高能束發(fā)生器可由螺釘固定在Y向進給機構左端，同軸視覺安裝在高能束發(fā)生器上，陶瓷精密送粉器由螺釘固定在電機的后面，可提供陶瓷粉末，同軸視覺、陶瓷精密送粉器和高能束發(fā)生器一起隨著電機的左右移動可伸入閥門內部進行工作。在閥門密封功能表面，利用高能束陶瓷熔注加工的方法，對表面進行填加化學元素和仿生強化。仿生強化是按閥門密封表面仿生強化模型，在閥門密封表面熔注陶瓷顆粒而成仿生結構體，弧形仿生單元體寬度Wl為O. I~5. Omm,弧形仿生單元體深度L2為O. I~3. Omm,弧形仿生單元體曲度Θ為30~180度，圓形仿生單元體間距W2為O. 2~10.0mm,圓形仿生單元體深度LI為O. I~
3.Omm,圓形仿生單兀體直徑d為O. I~10.0mm。
[0009]閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化方法步驟如下：
I.將具有待加工閥門夾持B向轉動機構的夾具上，閉合電源，啟動三自由度數(shù)控工作臺、高能束發(fā)生器電源、視覺采集系統(tǒng)和陶瓷精密送粉器。
[0010]2.通過三自由度數(shù)控工作臺調整高能束焦點、陶瓷熔注與閥門密封功能表面相對位置。
[0011]3.啟動“多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊”，輸入信息，確定高能束陶瓷熔注優(yōu)化工藝參數(shù)；啟動“閥門密封面仿生結構體設計模塊”，針對閥門密封表面不同特征，設計仿生結構體。
[0012]4.啟動“閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊”，根據(jù)設計好的閥門密封面仿生結構體自動形成數(shù)控加工程序。
[0013]5.啟動“加工開始”，將高能束陶瓷熔注優(yōu)化工藝參數(shù)傳遞到高能束發(fā)生器，輸出高能束，將數(shù)控加工程序傳遞到數(shù)控工作臺，數(shù)控平臺按照加工程序控制伺服電機驅動工作臺運動。
[0014]6.加工過程 中，(XD視覺監(jiān)控陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形特征，對高能束加工參數(shù)和工作臺運動軌跡做局部微調，保證閥門密封功能表面仿生強化結構體加工質量。
[0015]閥門密封面陶瓷熔注仿生強化
選擇具有耐磨抗裂功能如貝殼等為生物原型，運用相似理論建立相應的生物模型，根據(jù)閥門密封表面形態(tài)、材料、結構特征，通過計算機數(shù)值模擬和特征參數(shù)優(yōu)化，進行閥門密封表面仿生單元體和結構體設計，利用高能束陶瓷熔注加工出具有仿生結構密封表面的核閥門。閥門材料為16Mn，WC粉末由熔池中后部注入，平均尺寸為80 μ m，采用負離焦2. Omm，激光束加工斑點尺寸為4. Omm，激光功率密度480 W/mm2，掃描速度1.0 m/min，送粉速度110mg/s，熔注層中陶瓷(WC)的體積分數(shù)為35%，陶瓷以均勻梯度彌散形態(tài)。在閥門密封表面加工成一定仿生紋理網(wǎng)格，如圖3 (a)所示，該網(wǎng)格仿生結構體是由弧形單元體和圓形單元體按一定規(guī)律耦合而成，其深度方向截面如圖3 (b)所示，單元體中彌散熔注了碳化物陶瓷顆粒。其中弧形仿生單元體寬度Wl為2. Omm，弧形仿生單元體深度L2為1.0mm,圓形仿生單元體間距W2為8. Omm,圓形仿生單元體深度LI為I. 8mm,圓形仿生單元體直徑d為3. Omm,弧形仿生單元體曲度Θ為150度。閥門密封表面激光熔注仿生強化后，提高閥門使用壽命I. 5 倍。
【權利要求】
1.一種閥門密封表面陶瓷熔注仿生強化設備，其特征在于:所述設備由控制單元、仿生結構體視覺監(jiān)控系統(tǒng)、陶瓷精密送粉器、高能束發(fā)生器和三自由度數(shù)控工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監(jiān)控系統(tǒng)、陶瓷精密送粉器、高能束發(fā)生器和三自由度數(shù)控機械工作臺的通訊接口系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于: 控制單元包括一臺工業(yè)控制計算機，該計算機具有多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊、閥門密封面仿生結構體設計模塊和閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊； 所述多尺度陶瓷熔注強化層工藝模塊包括加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和仿生結構體視覺監(jiān)控單元，所述數(shù)據(jù)庫中每一條數(shù)據(jù)記錄包括材料的牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、熔注陶瓷速度、離焦量、陶瓷材料、陶瓷顆粒尺寸、陶瓷體積分數(shù)、陶瓷彌散形態(tài)，化學成分、組織結構、顯微硬度、摩擦、磨損和熱疲勞；所述仿生結構體視覺監(jiān)控單元主要接受視覺硬件系統(tǒng)圖像信號，處理陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形狀態(tài)，從而控制陶瓷熔注工藝參數(shù)和五軸數(shù)控工作臺聯(lián)動狀態(tài)； 所述閥門密封面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統(tǒng)結構和功能特征進行模擬和參數(shù)優(yōu)化，建立相應生物模型，針對閥門密封表面不同特征，通過計算機數(shù)值模擬和特征參數(shù)優(yōu)化，從減小閥門密封表面強化應力應變角度，設計仿生單元體和不同單元體按一定規(guī)律偶聯(lián)構成仿生結構體；仿生單元體設計包括仿生單元體的形態(tài)、幾何尺寸、化學成分、組織形態(tài)、陶瓷顆粒尺寸、陶瓷體積分數(shù)和陶瓷彌散形態(tài)設計；仿生結構體設計包括各仿生單元體耦合形式和偶聯(lián)結構形態(tài)設計； 所述閥門密封面仿生強化數(shù)控加工模塊能夠根據(jù)設計好的閥門密封面仿生結構體自動形成數(shù)控加工程序，驅動三自由度數(shù)控機械工作臺；也能夠在其它計算機設計好閥門密封面表面仿生結構體，生成數(shù)控加工程序，然后導入該示教系統(tǒng)中； 同軸視覺傳感采集系統(tǒng)與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感陶瓷熔注熔化狀態(tài)和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監(jiān)控單元； 所述高能束發(fā)生器是激光或等離子弧發(fā)生器； 所述陶瓷精密送粉器采用后側熔注陶瓷顆粒，陶瓷包括Tic、WC和SiC，送粉速度I~200 mg/s,顆粒尺寸為IOnm~1.0mm,在仿生單元體中陶瓷的體積分數(shù)為10%~50%,熔注層厚度0.01~2.0mm ； 所述“三自由度數(shù)控機械工作臺”的閥門由卡盤夾在床身上面，在工作中，由電機帶動旋轉；導軌立柱由螺栓固定在床身上面，Z向進給機構可沿著導軌立柱上下運動，電機帶動Y向進給機構里面絲杠轉動，完成Y向進給移動，高能束發(fā)生器可由螺釘固定在Y向進給機構左端，同軸視覺安裝在高能束發(fā)生器上，陶瓷精密送粉器由螺釘固定在電機的后面，可提供陶瓷粉末，同軸視覺、陶瓷精密送粉器和高能束發(fā)生器一起隨著電機的左右移動可伸入閥門內部進行工作。
3.一種利用權利要求1或2所述的設備進行閥門密封功能表面陶瓷熔注仿生強化方法，其特征在于:在閥門密封功能表面，利用高能束陶瓷熔注加工的方法，對表面進行填加化學元素和仿生強化。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于:仿生強化是按閥門密封表面仿生強化模型，在閥門密封表面熔注陶瓷顆粒而成仿生結構體，弧形仿生單元體寬度Wl為O. I~.5. Omm，弧形仿生單兀體深度L2為O. I~3. Omm，弧形仿生單兀體曲度Θ為30~180度，圓形仿生單兀體間距W2為O. 2~10.0mm,圓形仿生單兀體深度LI為O. I~3. Omm,圓形仿生單元體直徑d為O. I~10.0mm。
【文檔編號】B23K26/34GK103710700SQ201310437999
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月23日
【發(fā)明者】劉立君 申請人:浙江大學寧波理工學院