铁基合金功能表面耦合仿生激光制造工艺规律与关键技术研究

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1、__________________________________________________________________________________铁基合金功能表面耦合仿生激光制造工艺规律与关键技术研究_____________________________________________________________________________________ResearchonTechnologicalLawandKeyTechnologyofBionicCouplingLaserManufactu

2、ringforIronBasedAlloyFunctionalSurface_____________________________________________________________________________________作者姓名：张宝玉专业名称：农业机械化工程研究方向：农业机械动力系统研究指导教师：任露泉教授学位类别：工学博士培养单位：生物与农业工程学院论文答辩日期：2015年6月2日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位余群教授中国农业大学主席：杨建东教授吉

3、林工商学院任文涛教授沈阳农业大学委员：任露泉教授吉林大学周宏教授吉林大学丛茜教授吉林大学杨建东教授吉林工商学院韩志武教授吉林大学刘喜明教授中国科学院长春光学刘喜明教授中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密机械与物理研究所摘要论文题目：铁基合金功能表面耦合仿生激光制造工艺规律与关键技术研究专业名称：农业机械化工程指导教师：任露泉教授，张志辉教授摘要仿生制造作为融合传统制造与生命（物）、信息、材料科学的交叉学科，是机械领域备受关注并亟待发展的制造理论方法和技术。其未来发展方向之一，是实现仿生产品在生产制造中的流程化、自动化和智

4、能化。迄今为止，一些仿生产品，如仿生制动毂（盘）、仿生机床导轨、仿生模具、仿生齿轮等，其增效、耐用技术研究已取得较大突破，急需与现代先进制造技术融合，从而加快仿生制造的产业化进程。激光加工作为仿生制造手段之一，能很好地实现机械零部件表面仿生功能单元成型和成性制造的目标。通过激光与材料的相互作用，使材料产生局部相变、熔凝、气化等等，进而在金属表面制备具有一定形貌、结构、力学等多因素耦合特征的单元体（简称耦合体）。由于激光工艺参数及其组合的多样性，使得仿生耦合体成型与成性结果也呈现多样性特征，从而使仿生制造的控制面临较大难题。针对

5、耦合体的几何形态、物理结构、力学性能等仿生要素进行选择性制造，可形成一套面向典型机械零部件构建仿生耦合功能表面的自动化技术，从而拓宽激光仿生制造的方法，拓展激光技术的应用范围，为提升仿生制造水平和制造效率提供新的支撑。实现仿生产品激光制造的技术关键是对工艺参数的选择。在利用激光进行仿生制造的过程中，往往需频繁进行基础、优化和评价试验，不仅增加了制造成本，而且延缓了新产品开发的进程。针对若干仿生产品基础材料，建立激光工艺参数与仿生耦合体多因素特征制造的回归模型，开展仿生功能表面激光成型和成性的控制研究，进一步开发集工艺参数查询、

6、成型与成性结果预测、多目标优化功能的数据库系统，具有重要的研究意义和经济、社会综合效益。本论文基于模具、制动毂（盘）、机床导轨等仿生产品常用的45钢、H13钢和灰铸铁母体材料，对激光制造仿生功能表面的形态特征、结构特征及力学特征进行了数字化描述，并结合激光加工工艺过程，归纳提取了影响这些因素特征的显著工艺参数。利用试验设计和统计分析方法，系统地建立了桩钉型、堤坝型仿生耦合体形态、结构、I吉林大学博士学位论文硬度以及仿生整体表面拉伸强度与脉冲能量、平均峰值功率、脉宽、离焦量、扫描速度等激光工艺参数和耦合体分布参数的回归模型；通过

7、统计检验和试验检验方法，验证了上述模型的可靠性。基于建立的模型及其数据分析，揭示了各工艺参数及其交互作用对仿生耦合体/功能表面特征的影响规律。研究表明，对仿生耦合体结构特征有显著影响的激光参数为：平均峰值功率、脉宽和离焦量。增大平均峰值功率和（或）降低离焦量可加速等温面的传播速度，而增大脉宽可延长等温面向母体传播的时间，从而有利于大结构深度仿生耦合体的制取。桩钉型仿生耦合体形貌特征是工艺参数、熔池表面张力、金属相变以及气化压力协同作用的结果。母体材料内活性元素S含量超过一定值后，在一定温度范围内，可改变表面张力温度系数的正负，

8、从而使耦合体呈现多样性的形貌特征。当功率密度较小时，成型耦合体可获得中间凸起而周围下凹的表面形貌，而增大功率密度或脉宽，可使耦合体形貌呈现为中间下凹而两侧凸起。平均峰值功率、脉宽和扫描速度对耦合体平均硬度均有显著影响，且随着工艺参数取值范围不同，耦合体平均硬度的变化趋势有所不