2021年“中国机械工程学会会员日”活动 ——极端制造领域优秀科技成果故事宣传【高质高效激光表面改性技术及其工业应用】
来源:本站原创 浏览次数: 发表日期:2021-06-25

为弘扬新时代科学家精神,展示科技工作者风采,中国机械工程学会极端制造分会于2021年“中国机械工程学会会员日”活动期间,开展极端制造相关优秀科技成果故事宣传学习活动,以促进领域内的交流与合作。

本期优秀成果简介

“高质高效激光表面改性技术及其工业应用”成果,从2010年开始到2018年,经过9年时间的研究积累,于2019年获得浙江省技术发明奖一等奖。主要完成单位:浙江工业大学,杭州汽轮机股份有限公司,杭州博华激光技术有限公司。主要研究人员包括姚建华、王梁、张群莉、董刚、李波、叶钟。

为解决现有高端装备核心部件表面改性技术的行业共性问题,姚建华团队提出了激光与恒稳电-磁场及超音速动能场复合的激光表面改性新原理,并开发了相应的专用装备及工艺。首次实现了以金刚石作为增强颗粒的超高耐磨金属基复合材料的高效率微锻态激光沉积,获得形性可控且100%致密的激光熔覆层,突破了单一激光能场制造下的材料、效率的限制以及质量调控的极限。该成果已发表SCI/EI论文41篇,出版专著2部,获国家标准1项,浙江省技术发明奖一等奖1项,中国专利优秀奖1项,浙江省专利金奖1项,授权专利27项,其中美国发明专利1项、中国发明专利22项。由中国机械工程学会组织的鉴定会认为:“项目创新性强,整体技术达到国际先进水平,其中熔覆沉积层形性调控技术达到国际领先水平”。

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背景介绍

高端装备制造业是国家和浙江省战略新兴产业,制约其发展的根本因素是关键部件的制造水平。据统计,80%以上的工业关键部件的失效源于表面磨损、腐蚀或氧化等。高质高效表面改性成为关键部件制造的“卡脖子”难题。激光表面改性被公认为是最具潜力的新一代表面制造技术之一。然而,该技术目前存在冶金缺陷控制难、效率低、强化层深度及材料范围有限等共性问题,难以满足高端装备关键部件表面改性的质量和效率要求,限制了该技术的应用。

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模具的激光表面改性

研发历程

以超音速激光沉积技术开发为例介绍其研发历程。利用金刚石、Ni60等硬质颗粒制备的涂层具有超高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、高抗磨损性能,可以作为零件耐磨保护层,在石油钻井、矿山机械等方面具有非常广泛的应用。然而利用激光熔覆技术来制备金刚石/Ni60涂层,会存在涂层极易开裂,金刚石在涂层中发生石墨化现象,无法保留完整金刚石颗粒等问题,涂层的耐磨性也没有得到很大的提高。面对该类涂层制备的难题,姚建华教授结合自己在英国剑桥大学访问的经历,创新性提出利用超音速激光沉积技术来制备金刚石/Ni60这种超高硬度涂层。他分析认为冷喷涂能很好的保留原始粉末的特性,虽然冷喷涂难以或无法沉积金刚石和Ni60等硬度较高的材料,然而激光耦合同步加热,可以提高硬质材料的软化程度,提高其塑性变形能力,降低材料的临界沉积速度,增强其结合力,打破冷喷涂沉积材料的限制,可以实现高硬材料的有效沉积。

在姚老师的建议下,团队成员进行了超音速激光沉积金刚石/Ni60材料的多次试验,然而试验结果并不如预期所想。在超音速激光沉积技术制备过程中,金刚石和Ni60颗粒高速冲击在基板上,只留下了坑坑洼洼的冲蚀坑,根本无法沉积在基材表面。面对接连的失败与打击,科研团队士气萎靡。姚老师了解到情况后,立即与团队成员召开讨论会议,从头开始对新技术展开了全面、细致的基础研究,包括粉末撞击模型、成形机理、结合机制等,并对实验过程按块划分进行了细致的梳理分析,针对产生问题的原因及解决方案进行深入讨论。姚老师带着团队重新开始实验,亲自调整激光器光路,记录分析实验结果,不断验证实验方案,反复优化实验参数,一个问题一个问题的解决,一项难题一项难题的攻克。经过大半年的不懈努力,终于成功实现了超高硬度的金刚石/Ni60复合涂层的制备,涂层硬度达1124HV,具有非常优异的耐磨损性能。

在之后的总结会上,姚老师指出,科研工作者在思维上要活起来,动起来,不要害怕出现问题,善于发现问题是为科学研究寻找出发点,如何解决问题就是科学研究的创新点。如果科研工作全是按部就班,波澜不惊,那只是死水一潭,只有在波澜壮阔,惊涛骇浪中方能得见真理海洋的浩渺;而在心理上要沉下来,静下来,戒骄戒躁,勿焦勿馁,不要妄自菲薄,轻生动摇之心。攻坚克难,不是说说就能出来的,是要真真切切,踏踏实实做出来的。攻坚克难,不仅是解决科研难题,也是对我们自身心性的磨练。姚老师希望大家可以好好总结经验,相互勉励,相互促进,继续做有用的科研。

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超音速激光沉积金刚石-Ni60复合材料

科技成果的意义及影响

该技术解决了现有高端装备核心部件表面改性技术的“卡脖子”难题,大量应用于能源动力、石油化工等行业的转子、叶片、高端阀门等工业核心部件制造,大面积替代了电镀、化学热处理及热喷涂等传统表面技术,累计处理零部件55万余件,服务于百余项重大工程,近三年累计新增销售额12.02亿元,新增税收1.59亿元,新增利润4.25亿元,另获间接经济效益8.54亿元,开启了激光复合制造的热点研究,推动并引领了我国激光表面技术的发展,为制造业的技术转型升级、保障高端装备的安全可靠性、实现国产化制造做出了重大贡献。

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大型转子轴的激光现场再制造

研发团队简介

团队负责人:姚建华教授,浙江省特级专家,现任浙江工业大学机械工程学院院长、激光先进制造研究院院长,高端激光制造装备省部共建协同创新中心(国家2011计划)主任,激光绿色制造技术创新引智基地(国家111计划)负责人,高端装备激光再制造浙江省工程研究中心主任,浙江省激光绿色制造技术国际科技合作基地负责人。兼任中国机械工程学会特种加工分会副理事长,中国机械工程学会极端制造分会委员会常务委员,中国机械工程学会热处理分会常务委员,中国光学工程学会理事,中国光学学会激光加工专业委员会常务委员等职。入选国家百千万人才工程、浙江省首批万人计划杰出人才、浙江省151人才工程第一层次,获得“国家有突出贡献中青年专家”、“周志宏科技成就奖”、“浙江省有突出贡献中青年专家”、“浙江省高校优秀教师”、“浙江省高校创先争优优秀共产党员”等荣誉,享受政府特殊津贴。长期致力于激光智能制造、激光表面改性、激光增材制造与再制造技术的基础与应用研究。先后主持国家重点研发计划项目、国家基金重点项目等项目120余项。在国内外期刊上发表学术论文400余篇,出版专著4部,授权发明专利60余项。作为第一完成人,获得国家科技进步二等奖1项,浙江省科技一等奖2项、二等奖1项、三等奖1项,中国机械工业科技一等奖2项、二等奖1项,中国专利优秀奖、浙江省首届专利金奖各1项,浙江省研究生教育学会教育成果一等奖1项。研究成果已大量应用于航空航天、动力装备、石化装备以及工模具等高端装备领域核心部件的制造中,为装备制造业的技术升级做出了重要贡献。

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团队现有教职工30余人,其中教授9人,此外还有英国皇家工程院院士、乌克兰国家工程院院士、国家百千万人才、国家有突出贡献中青年专家、国家友谊奖获得者和享受国务院特殊津贴人员、浙江省特级专家、浙江省万人计划杰出人才、浙江省有突出贡献中青年专家、浙江省高校优秀教师、浙江省151人才、浙江省高层次拔尖人才和西湖友谊奖获得者等国家级、省级高层次人才,在读硕博研究生100余人。

团队聚焦“中国制造2025”、“数字经济”等主题,围绕激光表面改性、激光智能制造、增材制造与再制造、激光微纳制造等先进制造技术的基础前沿、关键工艺与成套装备等开展研究,开发面向工业应用的激光先进制造技术,致力于传统制造技术的改造和先进制造技术的前沿发展,实现自主创新。主要研究方向包括激光制造与增材制造理论及专用合金材料、激光制造与增材制造控形控性关键工艺、智能化激光制造与增材制造装备。目前团队在研国家重点研发计划项目2项、国家基金重点项目与两化融合基金各1项、国家基金面上与青年基金共6项,以及其它省级重点科研项目等多项。

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