题目：基于材料梯度趋变的重载面齿轮齿面激光强化机理与实验研究

面齿轮是一种新型的传动部件，主要用来传递相交轴和交错轴之间的运动和动力，具有分流特性好、承载能力高和结构紧凑的优点，适用于航空传动和重载车辆传动系统中。由于航空传动系统工作在高速重载的环境条件下，面齿轮很容易发生齿面胶合磨损而失效。为了提高面齿轮在高速重载工况条件下的抗胶合磨损能力，提高传动系统的可靠性和延长使用寿命，本文利用激光熔覆技术在面齿轮齿面上熔覆金属陶瓷复合涂层，以提高面齿轮齿面硬度，增强面齿轮在中高温下的耐磨性。

由于金属陶瓷复合涂层硬度很高，且与金属基体材料物性匹配存在差异，如果金属陶瓷直接熔覆在金属基体上，容易出现裂纹等缺陷，难以得到较好的熔覆效果。而镍基自熔性合金硬度适中，易与多种金属基体形成良好的冶金结合，且与金属陶瓷具有一定的相容性，因此，以镍基自熔性合金为过渡层，从面齿轮基体到金属陶瓷复合涂层形成材料梯度趋变，不仅可以使硬度呈现逐渐上升的合理分布趋势，也可以缓和激光熔覆过程中基体与涂层的界面应力。

本文以正交偏置面齿轮为研究对象，利用激光熔覆表面强化技术，以镍基合金Ni45为过渡层，在面齿轮全齿面上熔覆两层NiCr-Cr3C2金属陶瓷复合涂层，进行了面齿轮齿面强化机理与实验研究。论文主要研究内容如下：

首先，研究了正交偏置面齿轮齿面成形原理，在此基础上，分析了面齿轮齿面接触应力和齿面瞬时温升计算，研究了材料性能和摩擦系数对齿面接触应力和温升的影响。提出一种分层结构的面齿轮，表层采用NiCr-Cr3C2金属陶瓷复合材料，里层采用面齿轮常用材料20Cr2Ni4A，形成材料梯度。建立了分层结构和不分层结构两种正交偏置面齿轮有限元分析模型，对两种面齿轮齿面接触应力进行了有限元分析。分析结果表明，面齿轮齿面层采用NiCr-Cr3C2金属陶瓷复合材料有利于减小齿面接触应力和降低齿面瞬时温升。

其次，根据面齿轮具有材料梯度的分层结构特点，选用激光熔覆技术实现面齿轮的齿面强化。研究了激光和熔覆材料之间的相互作用机理，通过理论分析和实验研究，得出了扫描速度、激光功率、送粉速率、搭接率等主要激光工艺参数对熔覆层厚度、宽度及硬度特性的影响规律。此外，还研究了裂纹产生机理，并通过实验的方法分析了影响裂纹的因素和裂纹控制方法。

在激光工艺参数对熔覆层几何形状和性能影响规律的基础上，结合正交试验方法，选用合适的激光工艺参数，在20Cr2Ni4A基体上制备了Ni45/NiCr-Cr3C2金属陶瓷复合涂层。对涂层进行了微观组织和硬度特性的测试，测试结果表明：涂层中微观组织成分呈梯度分布特性；涂层所含硬质相Cr3C2和Cr7C3，提高了涂层的硬度；从基体到熔覆层表面，硬度逐渐增加。分别在20℃,100℃和300℃条件下对基体和涂层试件进行了点接触干滑动摩擦磨损试验，通过测试磨损表面的微观形貌进一步研究了涂层的摩擦磨损机理，结果表明：随着温度升高，基体的摩擦系数和磨损率显著增加；而NiCr-Cr3C2熔覆层在100℃和300℃，摩擦系数和磨损率都明显低于基体，表现了较高温度下的良好耐磨性。

然后，进行了正交偏置面齿轮全齿面激光熔覆的实验研究。为得到表面平整且硬度逐渐增加的熔覆层，设计了过渡层Ni45+两层NiCr-Cr3C2的面齿轮熔覆层结构和相应的激光工艺参数。研究了轮齿结构对激光束和粉末流的干涉、齿轮连续熔覆造成的热量累积和扫描位置的精度控制等问题，采用从齿根到齿顶的扫描路径和双向扫描方式，对正交偏置面齿轮全齿面进行激光熔覆，得到了表面比较平整的熔覆层，并对熔覆层的硬度特性进行了测试。结果表明：齿面熔覆层平均硬度大于HRC60；从轮齿基体到熔覆层表面，硬度呈逐渐上升的合理分布特性。

最后，对正交偏置面齿轮熔覆层进行磨削实验，分析了正交偏置面齿轮磨削原理和五轴联动面齿轮磨床的磨削运动关系，针对面齿轮熔覆层兼具陶瓷相Cr3C2和韧性相Ni的特点，选择了绿碳化硅+陶瓷结合剂/树脂结合剂+造孔剂的砂轮结构，对熔覆层进行粗磨和精磨。考虑材料的硬度，建立了磨削力数学模型，据此分析了磨削工艺参数对磨削力和表面粗糙度的影响，确定了面齿轮熔覆层粗磨和精磨的磨削工艺参数。磨削实验结果表明该磨削方案对于磨削高硬度的NiCr-Cr3C2熔覆层是可行的。