[发明专利]激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法

说明书

本发明公开材料表面改性领域中的一种激光复合诱导球墨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，在球墨铸铁构件表面覆以吸收层和约束层，用激光器对构件表面激光喷丸，在构件表面制备仿生形貌，用光纤激光器对构件表面进行激光辐照，激光辐照功率密度为20‑30W/mm²，扫描速度为2‑30mm/s，搭接率为20‑60%，构件中的球状石墨剥离，在构件表面形成原位自生石墨烯；一方面利用仿生形貌调节接触界面的表面粗糙度，并结合形变强化过程中的晶粒细化和位错增殖显著提高球墨铸铁表面的弹性模量和剪切强度，另一方面利用基体自生石墨烯优异的导热性能加快热传导和增强热辐射，降低接触界面的温度梯度，从而有效提高构件的抗热疲劳性能。

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，具体是对球墨铸铁构件尤其是球墨铸铁摩擦副构件的表面进行改性的方法，用以提高球墨铸铁摩擦副构件表面的摩擦磨损性能和服役寿命。

背景技术

球墨铸铁因具有良好的耐磨性、减震性和优良的切削加工性能及铸造性能,被广泛应用于机械尤其是车辆等领域的摩擦副构件,诸如凸轮轴、活塞环、气缸体/盖、制动盘等。根据球墨铸铁构件不同的工况条件(干摩擦、湿摩擦)，构件的接触界面需要提供或高或低的摩擦系数，并具有良好的抗磨损性能。并且，由于摩擦过程中机械应力的循环加载和摩擦生热，接触界面的温度通常高于铸铁基体且分布不均。因温度梯度而产生的热应力易引起构件表面热裂纹的萌生与扩展，进而导致热疲劳失效，缩短了摩擦副的服役寿命。因此，如何提高球墨铸铁摩擦副构件的摩擦磨损性能和服役寿命，一直是本领域的难题。

目前针对球墨铸铁摩擦副构件，除了在铸造工艺、铸态组织、外形设计和制造精度上进行优化设计以外，还通过表面改性技术提高其性能。表面改性技术包括有：1、通过混合等离子体轰击，使部分石墨转变为渗碳体，从而在零部件表面形成µm量级的强化层，用以提高耐磨性和使用寿命，但该方法在快速冷热交替过程中，易使材料表面产生微裂纹，且存在强化层制备范围难以精确定位等缺陷。2、采用激光熔覆技术或者离子体沉积工艺在表面制备涂层，但这种方法存在涂层非基体自生，结合强度低等问题。

随着表面织构技术的发展，在摩擦副表面塑造仿生形貌已成为一种改善机械零件摩擦学性能的有效手段。例如：中国专利公开号为CN1857844A的文献中公开的方案是：利用激光器输出单脉冲激光，经聚焦后照射到摩擦副零件表面，完成微观造型，从而达到降低磨损、延长疲劳寿命的效果。中国专利公开号为CN101590569A的文献中公开了一种激光复合制备表层仿生结构的方法和装置，先采用激光雕刻技术在摩擦副表面制备规则的微观几何形貌，再用激光冲击强化处理该形貌区域。但是这两篇文献中公开的方案都是基于激光的热效应使材料表面汽化、蒸发形成微坑或凹槽，易在工件表面形成残余拉应力，从而影响其耐磨性能，而且都没有解决摩擦副的散热问题。而事实上，诸如汽车发动机气缸、活塞、制动盘、电梯曳引轮等典型的球墨铸铁摩擦副构件，其接触界面在循环载荷的作用下摩擦温度都高达百度以上，如果只改善表面摩擦磨损性能而不能很好地解决散热问题，则不仅温度的变化将导致摩擦系数的失稳，由热应力引起的裂纹也将大幅影响构件的服役寿命。

发明内容

本发明的目的在于，针对球墨铸铁摩擦副构件通常需要兼顾摩擦磨损性能和散热性能这一问题，提供一种利用激光复合诱导球墨铸铁表面原位自生石墨烯的方法，通过激光诱导，在构件表面原位自生石墨烯，在解决构件表面散热问题的同时显著提高构件表面的摩擦磨损性能和服役寿命。

为实现上述目的，本发明一种激光复合诱导球墨铸铁表面原位自生石墨烯的方法采用的技术方案是依序按以下步骤：

A、在球墨铸铁构件表面覆以吸收层和约束层；

B、用激光器对构件表面激光喷丸，在构件表面制备仿生形貌；

C、用光纤激光器对构件表面进行激光辐照，激光辐照的功率密度为20-30W/mm²，扫描速度为2-30mm/s，搭接率为20-60%，保护气体为氩气；