專利名稱：提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面仿生結(jié)構(gòu)，特別涉及一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
沖蝕磨損是指含有粒子的流體流過材料表面時(shí)，流體對(duì)材料造成的磨損。沖蝕磨損在風(fēng)機(jī)、水泵、渦輪葉片、螺旋槳等方面廣泛存在，特定環(huán)境下是這些機(jī)械磨損的主要原因。國內(nèi)外工程技術(shù)人員主要是從材料學(xué)的角度出發(fā)，來提高材料表面抗沖蝕性能?，F(xiàn)已采用的主要技術(shù)途徑有
I、新材料，通過材料合金化和不同性質(zhì)的材料復(fù)合開發(fā)新抗沖蝕材料，如具有形狀記憶性能的Ti-Ni合金和纖維增強(qiáng)C-PPS復(fù)合材料；2、材料改性技術(shù)，通過熱處理技術(shù)和改變成型及加工工藝等改變材料的顯微組織和應(yīng)力狀況，從而達(dá)到提高材料抗沖蝕性能的目的；3、表面強(qiáng)化技術(shù)，通過表面涂覆、表面改性或者多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變材料表面的化學(xué)成分、顯微組織和應(yīng)力狀況，達(dá)到抗沖蝕效果。這些技術(shù)都是通過改變材料整體或者表面性能來提高抗沖蝕性能。運(yùn)用新材料提高耐沖蝕性,技術(shù)難度較大,工程周期長,成本高；通過熱處理等改性方法提高耐沖蝕性,受材料本身機(jī)械性能限制，效果有限；表面強(qiáng)化技術(shù)，涂層結(jié)合強(qiáng)度有限，容易脫落，制造工藝復(fù)雜，成本高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有材料學(xué)和材料表面工程技術(shù)，從仿生學(xué)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出可以通過凹槽和凸包的尺寸和分布、硬質(zhì)層和柔性層的硬度、厚度等多種因素的可控變化，降低材料在沖蝕過程中的沖蝕率，提高其抗沖蝕性能。本發(fā)明基于沙漠蝎子背部特征，來設(shè)計(jì)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由內(nèi)層和外層構(gòu)成，外層為硬質(zhì)材料層，內(nèi)層柔性材料層，外層材料硬度高于內(nèi)層材料，內(nèi)層和外層緊密結(jié)合在一起，外層具有平行的溝槽表面形態(tài)，所述溝槽的脊上規(guī)則地分布有凸包。所述外層和內(nèi)層的厚度比為廣2。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明不改變材料性質(zhì)，只在其表面設(shè)置仿生優(yōu)化的抗沖蝕形態(tài)，并且通過異種材料的復(fù)合，顯著提高其抗沖蝕性能。本發(fā)明不改變材料原有理化特性，這種方法尤其適合于某些特定機(jī)械，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，醫(yī)療器械的水泵等，這些機(jī)械對(duì)材料化學(xué)性質(zhì)要求嚴(yán)格，通過改變材料理化特性以及表面涂層方法難以達(dá)到使用要求。依據(jù)表面形態(tài)及分布不同，硬質(zhì)材料及柔性材料的厚度比不同，沖蝕條件不同，和光滑的表面相比，施加溝槽及凸包表面形態(tài)、增加柔性層的樣件的沖蝕磨損率提高了 6. 09Γ32. 8%。本發(fā)明提供的耦合仿生抗沖蝕模型，在直升機(jī)葉片、壓縮機(jī)葉片的導(dǎo)緣、氣流輸運(yùn)物料的管路及其彎頭和工況為氣體攜帶粉粒的渦輪葉片等關(guān)鍵部件上應(yīng)用，提高其抗沖蝕性能，增加設(shè)備的使用壽命。
圖I為本發(fā)明具有V形槽仿生抗沖蝕結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I中脊的局部俯視圖；圖3為圖I中脊的局部剖面示意圖；圖4為本發(fā)明具有凹形槽仿生抗沖蝕結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4中脊的局部俯視圖；圖6為圖4中脊的局部剖面示意圖；圖7為本發(fā)明具有U形槽仿生抗沖蝕模型示意圖；圖8為圖7中脊的局部俯視圖；圖9為圖7中脊的局部剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I、圖2和圖3所示，為本發(fā)明的第一實(shí)施例，其是由內(nèi)層B和外層A構(gòu)成，外層A為硬質(zhì)材料層，內(nèi)層B柔性材料層，外層A材料硬度高于內(nèi)層B材料，內(nèi)層B和外層A緊密結(jié)合在一起，外層A具有平行的溝槽I表面形態(tài)，所述溝槽I的脊2上規(guī)則地分布有凸包3 ;在本實(shí)施例中，所述外層A硬質(zhì)材料選用ABS，內(nèi)層B柔性材料選用硅膠，所述外層A和內(nèi)層B的厚度比為a:b=2，內(nèi)層B硅膠的厚度為2. 3mm。外層A表面的溝槽I呈現(xiàn)V形槽形態(tài)，且槽平行分布，各個(gè)脊的寬度相同。樣件尺寸為50X50X5mm3，V形槽邊長d為4mm,橫截面為等邊三角形，即槽深度e=3. 464mm, V形槽之間的脊c的寬度為4mm ;凸包3平行分布于脊上，凸包3半徑R為10 μ m,兩個(gè)凸包3中心間的距離L為30 μ m，凸包3到脊2邊緣的距離H為15 μ m。采用噴射式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置測試其耐沖蝕性能。沖蝕條件為攻角30° ;壓縮機(jī)壓強(qiáng)O. 5MPa ;磨料選用石英砂，粒徑110目；沖蝕時(shí)間60s。請(qǐng)參閱圖4、圖5和圖6所示，為本發(fā)明的第二實(shí)施例，其是由內(nèi)層B和外層A構(gòu)成，外層A為硬質(zhì)材料層，內(nèi)層B柔性材料層，外層A材料硬度高于內(nèi)層B材料，內(nèi)層B和外層A緊密結(jié)合在一起，外層A具有平行的溝槽I表面形態(tài)，所述溝槽I的脊2上規(guī)則地分布有凸包3 ;在本實(shí)施例中，所述外層A硬質(zhì)材料選用ABS，內(nèi)層B柔性材料選用硅膠，所述外層A和內(nèi)層B的厚度比為a:b=1.5;內(nèi)層B硅膠的厚度b為2. 3mm,外層A表面的溝槽I呈現(xiàn)凹形槽形態(tài)，且槽平行分布，各個(gè)脊2的寬度相同。樣件尺寸為50X50X5mm3,凹槽邊長d為2mm,橫截面為正方形，即槽深度e=d=2mm ;凹槽之間的脊2的寬度c為2mm。凸包3平行分布于脊2上，凸包3半徑R為10 μ m,兩個(gè)凸包3中心間的距離L為30 μ m,凸包3到脊2邊緣的距離H為15 μ m。外層A材料ABS與內(nèi)層B硅膠之間采用瞬間強(qiáng)力粘合劑膠結(jié)。沖蝕測試方法與第一實(shí)施例相同。沖蝕條件為攻角30° ;壓縮機(jī)壓強(qiáng)O. 7MPa ;磨料選用石英砂，粒徑30目；沖蝕時(shí)間60s。請(qǐng)參閱圖7、圖8和圖9所不，為本發(fā)明的第二實(shí)施例，其是由內(nèi)層B和外層A構(gòu)成，外層A為硬質(zhì)材料層，內(nèi)層B柔性材料層，外層A材料硬度高于內(nèi)層B材料，內(nèi)層B和外層A緊密結(jié)合在一起，外層A具有平行的溝槽I表面形態(tài)，所述溝槽I的脊2上規(guī)則地分布有凸包3 ;在本實(shí)施例中，所述外層A硬質(zhì)材料選用ABS，內(nèi)層B柔性材料選用硅膠，所述外層A和內(nèi)層B的厚度比為a:b=l，內(nèi)層B硅膠的厚度b為2. 3mm。外層A表面的溝槽I呈現(xiàn)U形槽形態(tài)，且槽平行分布，各個(gè)脊2的寬度相同。樣件尺寸為50 X 50 X 5mm3, U形槽寬度d為3mm,深度e為3mm,底部為半圓形,半徑r為I. 5mm。U形槽之間的脊2的寬度c為3mm。凸包3的交叉分布，半徑R為10 μ m。同一排凸包3之間的距離L為30 μ m，凸包3到脊2邊緣的距離H為15μπι。外層A的材料ABS與內(nèi)層B的硅膠之間采用瞬間強(qiáng)力粘合劑膠結(jié)。
沖蝕測試方法與第一實(shí)施例相同。沖蝕條件為攻角60° ;壓縮機(jī)壓強(qiáng)O. 6MPa ;磨料選用石英砂，粒徑70目；沖蝕時(shí)間60s。
權(quán)利要求
1.一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)，其特征在于其是由內(nèi)層(B)和外層(A)構(gòu)成，外層(A)為硬質(zhì)材料層，內(nèi)層(B)柔性材料層，外層(A)材料硬度高于內(nèi)層(B)材料，內(nèi)層(B)和外層(A)緊密結(jié)合在一起，外層(A)具有平行的溝槽(I)表面形態(tài)，所述溝槽(I)的脊(2)上分布有凸包(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外層(A)和內(nèi)層(B)的厚度比為廣2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)，其特征在于所述溝槽(I)SV形槽或凹形槽或u形槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外層(A)材料選用ABS，內(nèi)層(B)材料選用硅膠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)，本發(fā)明是基于沙漠蝎子背部特征，來設(shè)計(jì)部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結(jié)構(gòu)；本發(fā)明由內(nèi)層和外層構(gòu)成，外層為硬質(zhì)材料層，內(nèi)層柔性材料層，外層材料硬度高于內(nèi)層材料，內(nèi)層和外層緊密結(jié)合在一起，外層具有平行的溝槽表面形態(tài)，所述溝槽的脊上規(guī)則地分布有凸包；所述外層和內(nèi)層的厚度比為1~2；本發(fā)明與光滑的表面相比，沖蝕磨損率提高了6.0%~32.8%。
文檔編號(hào)B32B3/30GK102886923SQ2012104074
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者韓志武, 尹維, 張俊秋, 劉慶平, 江佳廉, 戈超, 任露泉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)