3D打印對中國高鐵制動閘片的應(yīng)用研究

如今，中國高鐵已經(jīng)成為了中國在世界之林中一張重要閃亮的”銘牌“，中國有著世界上運營里程最長高鐵線路。那么時速300多公里的高速列車，讓它跑起來相對容易，讓它停下來難！其中主要難點之一是在列車制動瞬間，60多噸重的每節(jié)列車的巨大慣性，產(chǎn)生的巨大動能將因摩擦轉(zhuǎn)變成熱，制動閘片（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盤。

此前，國際上只有德國、法國和日本等少數(shù)幾個國家能夠生產(chǎn)高速列車制動閘片，其中德國克諾爾公司曾壟斷全球80%以上高鐵剎車片的市場。近幾年，國內(nèi)高鐵剎車片的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)逐步獲得突破，打破了國際公司壟斷的局面，其中包括天宜上佳、貴州新安航空機械、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，國內(nèi)出現(xiàn)了將金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用于制動閘片的探索。

制動閘片是高速列車組制動裝置中的關(guān)鍵材料，利用閘片材料與配對制動盤材料的摩擦力使高速列車組的動能轉(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械強度較低、沖擊韌性較差，磨損量較大，閘片在運行中會出現(xiàn)微裂紋，而且這種閘片材料對水比較敏感，列車在雨季和潮濕地區(qū)運行時，會因為閘片潮濕導(dǎo)致材料摩擦力減小，使其制動性能降低。

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的新型結(jié)構(gòu)材料，其增強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)合強度較低，在使用過程中容易造成閘片脫落的情況。另外，燒結(jié)過程中高溫會使鋼背內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，影響鋼背的機械性能，進(jìn)而影響整個制動閘片以及剎車副的制動效果。

據(jù)了解，通過電子束選區(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)用特點包括：
1. 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。
2.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。
3.在3D打印過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。
4.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)合強度。
5.3D打印過程中電子束能量在鋼背表面的粉體原料上掃描，不會對鋼背內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)造成影響，保證了鋼背本身的機械性能。

來源：3D科學(xué)谷

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