國(guó)內(nèi)出現(xiàn)將金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用于高鐵制動(dòng)閘片的探索

lydiazhang   2017-03-02 09:11:04

時(shí)速300多公里的高速列車,讓它跑起來(lái)相對(duì)容易,讓它停下來(lái)難!其中主要難點(diǎn)之一是在列車制動(dòng)瞬間,60多噸重的每節(jié)列車的巨大慣性,產(chǎn)生的巨大動(dòng)能將因摩擦轉(zhuǎn)變成熱,制動(dòng)閘片(俗稱剎車片)要承受八九百攝氏度的高溫還得保證性能不下降,即使在雨雪沙塵惡劣環(huán)境狀態(tài)下也能正常工作而不能傷害制動(dòng)盤。


此前,國(guó)際上只有德國(guó)、法國(guó)和日本等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠生產(chǎn)高速列車制動(dòng)閘片,其中德國(guó)克諾爾公司曾壟斷全球80%以上高鐵剎車片的市場(chǎng)。

近幾年,國(guó)內(nèi)高鐵剎車片的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)逐步獲得突破,打破了國(guó)際公司壟斷的局面,其中包括天宜上佳、貴州新安航空機(jī)械、博深工具、北京瑞斯福等。


隨著金屬3D打印技術(shù)與應(yīng)用面的深度結(jié)合,國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了將金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用于制動(dòng)閘片的探索。


制動(dòng)閘片是高速列車組制動(dòng)裝置中的關(guān)鍵材料,利用閘片材料與配對(duì)制動(dòng)盤材料的摩擦力使高速列車組的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能或其他形式的能量,散發(fā)到空氣中。閘片根據(jù)材料的不同可分為合成閘片、復(fù)合材料閘片以及粉末冶金閘片等。早期高速列車使用的合成閘片由于其機(jī)械強(qiáng)度較低、沖擊韌性較差,磨損量較大,閘片在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)微裂紋,而且這種閘片材料對(duì)水比較敏感,列車在雨季和潮濕地區(qū)運(yùn)行時(shí),會(huì)因?yàn)殚l片潮濕導(dǎo)致材料摩擦力減小,使其制動(dòng)性能降低。


復(fù)合材料閘片一般采用碳/碳復(fù)合材料,這種復(fù)合材料材是以碳為基體的碳纖維增強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)材料,其增強(qiáng)組分一般為短切碳纖維。這種復(fù)合材料目前大部分只應(yīng)用于航空航天等重要領(lǐng)域。現(xiàn)有高速列車用閘片材料還是粉末冶金閘片為主。


粉末冶金閘片的制備工藝采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法,將原料粉末混合均勻后壓制成型,然后將壓坯固定在鋼背上一起隨爐燒結(jié),最終得到耐磨層與鋼背結(jié)合的閘片整體,將閘片整體與燕尾板焊接為一體安裝到支架上,即可與制動(dòng)盤組成剎車副?,F(xiàn)有技術(shù)采用粉末冶金方法制備閘片在燒結(jié)過(guò)程中,由于閘片內(nèi)各組分的收縮系數(shù)不同,容易產(chǎn)生孔隙、夾粗等缺陷,導(dǎo)致閘片的致密度較低,從而影響其最終的力學(xué)性能和摩擦性能。


而且,由于是將閘片壓坯和鋼背一同燒結(jié),燒結(jié)過(guò)程中閘片壓坯本身的收縮與鋼背的收縮不一致,使兩者的結(jié)合強(qiáng)度較低,在使用過(guò)程中容易造成閘片脫落的情況。另外,燒結(jié)過(guò)程中高溫會(huì)使鋼背內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化,影響鋼背的機(jī)械性能,進(jìn)而影響整個(gè)制動(dòng)閘片以及剎車副的制動(dòng)效果。


根據(jù)市場(chǎng)研究,通過(guò)電子束選區(qū)熔化或激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù),西迪技術(shù)股份有限公司將耐磨層直接打印在鋼背表面,3D打印過(guò)程中采用的高能電子束能夠使閘片材料中各組分充分反應(yīng)、高度致密化,使得到的閘片具有較好的力學(xué)性能和摩擦性能。


西迪技術(shù)股份有限公司的這一應(yīng)用特點(diǎn)包括:


- 閘片原料為銅基閘片原料、鐵基閘片原料、鎳基閘片原料或鈦基閘片原料。


- 將閘片原料粉末在附著有金屬層的鋼背表面進(jìn)行3D打印,得到閘片。金屬層的成分與閘片原料成分中的金屬成分相同。


- 在3D打印過(guò)程中高能電子束能夠使閘片材料中各組分充分反應(yīng),使得到的閘片具有較好的力學(xué)性能和摩擦性能。


- 采用表面附著有與閘片原料中金屬成分相同的金屬層的鋼背,3D打印過(guò)程中在高能電子束的掃描下,金屬層熔化形成一層較薄的熔池,與閘片原料粉末進(jìn)行充分的冶金結(jié)合,使閘片中的耐磨層和鋼背具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。


- 3D打印過(guò)程中電子束能量在鋼背表面的粉體原料上掃描,不會(huì)對(duì)鋼背內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)造成影響,保證了鋼背本身的機(jī)械性能。

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