[實用新型]提高機械運動部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結構

有效

• 申請號: 201220545280.0
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN202826554U
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 韓志武;尹維;張俊秋;劉慶平;江佳廉;戈超;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B32B3/30
• 分類號: B32B3/30;B32B9/04;B32B27/00
• 代理公司: 長春市四環專利事務所 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本實用新型涉及一種表面仿生結構，特別涉及一種提高機械運動部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結構。

背景技術

沖蝕磨損是指含有粒子的流體流過材料表面時，流體對材料造成的磨損。沖蝕磨損在風機、水泵、渦輪葉片、螺旋槳等方面廣泛存在，特定環境下是這些機械磨損的主要原因。

國內外工程技術人員主要是從材料學的角度出發，來提高材料表面抗沖蝕性能。現已采用的主要技術途徑有：

1、新材料，通過材料合金化和不同性質的材料復合開發新抗沖蝕材料，如具有形狀記憶性能的Ti-Ni合金和纖維增強C-PPS復合材料；

2、材料改性技術，通過熱處理技術和改變成型及加工工藝等改變材料的顯微組織和應力狀況，從而達到提高材料抗沖蝕性能的目的；

3、表面強化技術，通過表面涂覆、表面改性或者多種表面技術復合處理，改變材料表面的化學成分、顯微組織和應力狀況，達到抗沖蝕效果。

這些技術都是通過改變材料整體或者表面性能來提高抗沖蝕性能。運用新材料提高耐沖蝕性，技術難度較大，工程周期長，成本高；通過熱處理等改性方法提高耐沖蝕性，受材料本身機械性能限制，效果有限；表面強化技術，涂層結合強度有限，容易脫落，制造工藝復雜，成本高。

發明內容

本實用新型的目的是提供一種提高機械運動部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結構。本實用新型結合現有材料學和材料表面工程技術，從仿生學角度出發，設計出可以通過凹槽和凸包的尺寸和分布、硬質層和柔性層的硬度、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。

本實用新型基于沙漠蝎子背部特征，來設計部件表面抗沖蝕性能的耦合仿生結構。

本實用新型由內層和外層構成，外層為硬質材料層，內層柔性材料層，外層材料硬度高于內層材料，內層和外層緊密結合在一起，外層具有平行的溝槽表面形態，所述溝槽的脊上規則地分布有凸包。

所述外層和內層的厚度比為1~2。

本實用新型的有益效果：

本實用新型不改變材料性質，只在其表面設置仿生優化的抗沖蝕形態，并且通過異種材料的復合，顯著提高其抗沖蝕性能。本實用新型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械，如飛機發動機渦輪葉片，醫療器械的水泵等，這些機械對材料化學性質要求嚴格，通過改變材料理化特性以及表面涂層方法難以達到使用要求。依據表面形態及分布不同，硬質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、增加柔性層的樣件的沖蝕磨損率提高了6.0%~32.8%。本實用新型提供的耦合仿生抗沖蝕模型，在直升機葉片、壓縮機葉片的導緣、氣流輸運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鍵部件上應用，提高其抗沖蝕性能，增加設備的使用壽命。

附圖說明

圖1為本實用新型具有V形槽仿生抗沖蝕結構示意圖；

圖2為圖1中脊的局部俯視圖；

圖3為圖1中脊的局部剖面示意圖；

圖4為本實用新型具有凹形槽仿生抗沖蝕結構示意圖；

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為本實用新型具有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。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2和圖3所示，為本實用新型的第一實施例，其是由內層B和外層A構成，外層A為硬質材料層，內層B柔性材料層，外層A材料硬度高于內層B材料，內層B和外層A緊密結合在一起，外層A具有平行的溝槽1表面形態，所述溝槽1的脊2上規則地分布有凸包3；

在本實施例中，所述外層A硬質材料選用ABS，內層B柔性材料選用硅膠，所述外層A和內層B的厚度比為a:b=2，內層B硅膠的厚度為2.3mm。外層A表面的溝槽1呈現V形槽形態，且槽平行分布，各個脊的寬度相同。樣件尺寸為50×50×5mm³，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10μm，兩個凸包3中心間的距離L為30μm，凸包3到脊2邊緣的距離H為15μm。采用噴射式沖蝕磨損試驗裝置測試其耐沖蝕性能。沖蝕條件為：攻角30°；壓縮機壓強0.5MPa；磨料選用石英砂，粒徑110目；沖蝕時間60s。