一种仿生耐磨轮毂及其制造方法与流程

本发明涉及结构材料，尤其涉及一种仿生耐磨轮毂及其制造方法。

背景技术：

1、随着航天技术的不断发展，对耐磨轮毂的要求也越来越高，耐磨轮毂不但要求耐磨性，还要求轻质、强度高、抗腐蚀能力强，同时还要求能够承受高温高压等复杂环境因素的影响。因此，耐磨轮毂制造技术也面对很多挑战。

2、现阶段轮毂的制造方法有低压铸造、重力铸造、锻造等。低压铸造是将熔融的铝合金注入模具中，在压力下冷却成型，具有生产成本低，生产效率高，成品质量好的优点，但也存在一些缺点，例如轮毂表面可能会出现一些缺陷，如气孔、针孔等，需要进行后续加工处理；重力铸造是将熔融的铝合金倒入模具中，利用重力让铝合金自然冷却成型，具有生产成本低，生产效率高的优点，但也存在一些缺点，例如轮毂表面的质量不如低压铸造，且容易出现缩孔等缺陷；锻造是一种高质量的轮毂制造方法，是将铝合金加热至高温，然后通过锻压的方式将铝合金锻造成所需的形状，该法制造的轮毂强度高，耐用性好，但是生产成本高，生产效率低。

3、为了应对这一挑战，研究人员在耐磨轮毂铸造中，采用了一系列先进的工艺，例如仿生设计、增材制造技术等，这些工艺的应用使得耐磨轮毂在强度、耐磨性、抗氧化、抗腐蚀性等方面得到了明显的提高。

4、增材制造技术的发展已经成为耐磨轮毂铸造技术革新的一大亮点。增材制造技术在轮毂生产过程中可以极大地减少人工干预，提高生产效率，同时也可以设计出更加个性化、符合特定需求的产品。

5、仿生设计是一种将自然界生物体的结构、功能和形态等特性应用于人造产品设计的创新方法。通过模仿自然界中的耐磨结构，如蜥蜴、贝类、鳞片等，由硬质材料与软质生物有机体接合的结构，来设计出具有更好耐磨性能的轮毂，在受到外力冲击时，硬质材料能够更有效地分散应力，软材料可以吸收和耗散能量，减少对硬材料的损伤。这种设计使得结构在保持强度的同时，也能承受较大的形变而不发生断裂，可以提高轮毂的稳定性和耐久性，减少维护成本，并延长轮毂的使用寿命。

6、然而，对于该类结构制造时仍存在较大难度：不同材料的界面可能存在化学或物理性质不匹配的问题，导致结合不牢固；软硬材料的弹性模量和硬度差异较大，容易导致应力在界面处集中，从而引发裂纹和剥离；实现软硬结构界面精确结合的工艺较为复杂，需要精确控制材料的成型、固化等过程；在提高耐磨性的同时，可能会牺牲韧性，需要找到合适的平衡点。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出一种仿生耐磨轮毂及其制造方法，用于解决以下技术问题中的至少一个：(1)传统耐磨轮毂的制造工艺难度大；(2)传统耐磨轮毂整体耐磨性和稳定性较差；(3)传统耐磨轮毂软硬复合材料界面结合性较差；(4)传统耐磨轮毂实现复杂结构工艺难度较大。

2、一方面，本发明公开了一种仿生耐磨轮毂，从外至内包括第一轮毂部和第二轮毂部；

3、第一轮毂部为双点阵耦合结构，第二轮毂部为单点阵结构；

4、双点阵耦合结构为第一套点阵结构和第二套点阵结构相互交叉耦合结构。

5、进一步的，双点阵耦合结构中，第一套点阵结构和第二套点阵结构均包括空腔部分和实体部分，第一套点阵结构的点阵空腔至少部分与第二套点阵结构的点阵实体重合；第二套点阵结构的点阵空腔至少部分与第一套点阵结构的点阵实体重合；第一套点阵结构和第二套点阵结构相互镶嵌形成相互交叉耦合的仿生耐磨结构。

6、进一步的，所述第一轮毂部的双点阵耦合结构中的一套点阵结构与第二轮毂部的单点阵结构一体成型。

7、进一步的，所述第一轮毂部的双点阵耦合结构中的一套点阵结构与第二轮毂部的单点阵结构的材质相同。

8、进一步的，所述第一轮毂部的双点阵耦合结构中的一套点阵结构与第二轮毂部的单点阵结构的材质为ta15钛合金、碳化钨。

9、进一步的，所述第一轮毂部的双点阵耦合结构中的一套点阵结构与第二轮毂部的单点阵结构通过增材制造一体成型。

10、进一步的，所述第一轮毂部的双点阵耦合结构中的另一套点阵结构通过在增材制造的所述第一轮毂部的双点阵耦合结构中的一套点阵结构中填充粉末后热等静压成型。

11、进一步的，所述第一轮毂部和第二轮毂部间设置有隔离面，或者不设置隔离面。

12、进一步的，所述第一套点阵结构和第二套点阵结构的材料硬度不同。

13、另一方面，本发明公开了一种仿生耐磨轮毂的制造方法，可用于制造上述耐磨轮毂，主要包括以下步骤：

14、s1、通过增材制造技术制造第一轮毂部的第一套点阵结构和第二轮毂部；

15、s2、在第一轮毂部的第一套点阵结构的点阵空腔中填充高强粉末，进行包套真空密封；

16、s3、热等静压烧结第一轮毂部的第一套点阵结构的点阵空腔中的高强粉末，形成第二套点阵结构，并与第一套点阵结构相互镶嵌，形成相互交叉耦合的仿生耐磨结构。

17、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

18、1)仿生耐磨轮毂制造工艺简单。

19、现阶段轮毂的制造方法存在一些缺点，例如轮毂表面可能会出现一些缺陷，如气孔、针孔等，需要进行后续加工处理，工艺操作较复杂。锻造是一种高质量的轮毂制造方法，但是生产成本高，生产效率低。本发明提出了一种用于制造仿生耐磨轮毂的制造方法，该方法不用考虑软硬结构界面强度差的问题，热等静压的高温高压条件，可以使材料晶粒细化，消除材料内部的缺陷，降低缺陷引起的应力集中，促进两种材料之间的扩散和融合，从而提高结合界面的结合强度，降低界面应力。此外该方法还结合了增材制造的优点，制造工艺简单，效率高，可以通过改变软质材料和硬质材料粉末的配比，在短时间内实验优化出最佳耐磨性和力学性的轮毂材料。二者结合，说明该方法制造工艺简单，耗时短。

20、2)仿生耐磨轮毂整体耐磨性和稳定性好。

21、现阶段轮毂的制造方法有低压铸造、重力铸造、锻造等。这些方法制造的轮毂表面可能会出现一些缺陷，如气孔、针孔等，或者表面的质量不好，且容易出现缩孔等缺陷。本发明提出了一种用于制造仿生耐磨轮毂的制造方法，该方法只需要利用增材技术制造一套点阵结构，另一套点阵结构是后期热等静压的时候制造的，这就解决了材料兼容性、打印精度和稳定性、设计建模复杂性等问题，大幅提升了材料的稳定性。本发明提出的一种仿生耐磨轮毂，该轮毂由两套软硬相间、刚柔复合的点阵结构交叉耦合而成，结合了韧性和硬度的优点，使其具有出色的耐磨性能；高强粉末填充入外环第一套点阵结构的空腔中，外环增加了高强粉末的强度优点，并能通过更改内、外环直径比例，获得两种不同成分配比，来调控耐磨轮毂空间结构性能，满足不同功能需求；两套相互交叉耦合的点阵结构可以提供更好的支撑和承载能力，增强材料的整体稳定性；利用热等静压烧结粉末成形，可以实现高密度和均匀的材料结构，提高材料的力学性能、稳定性和耐磨性。

22、3)仿生耐磨轮毂软硬结合界面结合性好。

23、本发明仿生耐磨轮毂为双点阵耦合结构组成，包括一体成型的第一套点阵结构和在第一套点阵结构空腔内一体成型的第二套点阵结构，两套点阵结构在外环部分点阵重合镶嵌，形成相互交叉耦合的仿生耐磨结构。这种交叉耦合的结构使软硬界面结合性很好。可通过调整高强粉末填充到软质点阵结构的位置来调节软硬结合界面的位置，从而实现从软质材料到硬质材料的平滑过渡，减少界面处的应力集中。

24、4)降低了仿生耐磨轮毂实现复杂结构的工艺难度。

25、现有技术仿生耐磨轮毂实现复杂结构的工艺难度大，如采用压渗等工艺，将硬质材料加热熔化然后通过压力挤压到软质点阵结构的材料中，也能制造软硬结合的耐磨轮毂。但是硬质材料只是熔化后填充到点阵孔隙中，对点阵孔隙的尺寸大小有一定的要求，必须保证液体能够流入；且并未形成另一套点阵结构，流入孔隙后相互之间不联通；硬质材料只能选择低熔点加热后易于熔化的材质；软质材料也得选择耐高温耐压力的材质，才能在挤压高温熔化的硬质材料水的过程中保持不熔化不变形，材料选择性很窄；材料结构也得有一定的要求，如易于挤压，需要材料表面平整方便挤压。这些都对耐磨轮毂实现复杂结构增加了难度。本发明采用完全不一样的热等静压方案，热等静压不限于材料熔点，可以实现高熔点合金软硬结合，而且能紧实材料结构，还能充分发挥增材技术设计灵活的优势，无论增材制造出多么复杂的结构，都能将高强粉末填入其中，部分填充或者全部填充，或者填入的位置不同都可以依据实际应用的需求进行改变，再结合热等静压技术实现致密的界面结合，形成软硬结合耐磨轮毂，为软硬结合耐磨轮毂实现复杂结构提供了可能。

26、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容来实现和获得。