3D打印技術在軌道部件領域的初步應用

楊亮（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081）

3D打印技術在軌道部件領域的初步應用

楊亮
（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

隨著3D打印技術的飛速發(fā)展，利用3D打印技術來提高軌道部件的強度和韌性、改善輪軌關系、延長維修周期具有重要的現(xiàn)實意義。本文闡述了3D打印概念及優(yōu)越性，提出了3D打印在軌道部件領域的應用原則和方向，介紹了3D打印技術在國內(nèi)外軌道交通領域的應用情況，并從打印材料、工藝、流程等方面詳述了軌道部件3D打印的關鍵技術，對3D打印技術在軌道部件領域的應用有一定的指導意義。

3D打??；軌道部件；原則；方向；關鍵技術

1　3D打印概念及優(yōu)越性

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料逐層添加來制造三維物體的“增材制造”技術的統(tǒng)稱，其核心原理是：分層制造，逐層疊加。

與傳統(tǒng)機加工行業(yè)相比3D打印具有以下優(yōu)勢：

1）材料利用率高。傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等機械加工工藝是“減材”制作，生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)大量的邊角料，造成資源的浪費，而3D打印是“增材”制作，材料利用率可高達95%。

2）產(chǎn)品開發(fā)時間短。從設計到生產(chǎn)，不需開模，不需流水線生產(chǎn)，是一個所見即所得的過程。

3）能生產(chǎn)結構復雜的產(chǎn)品，解決復雜精細零部件的設計和制造難題。

4）數(shù)據(jù)驅動，遠程制造。借助互聯(lián)網(wǎng)，3D打印數(shù)據(jù)可以瞬間傳播到世界的各個角落，在當?shù)卮蛴〕鰜恚辉僖蕾囉谔囟ǖ纳a(chǎn)工廠。

近年來3D打印技術飛速發(fā)展，目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療生物、工程建筑、汽車配件、服裝制造、文物保護等領域得到了廣泛的應用，但在鐵路行業(yè)尚未大規(guī)模開展，利用3D打印技術來提高軌道部件的強度和韌性、改善輪軌關系、延長維修周期具有重要的現(xiàn)實意義。

2　3D打印技術在軌道結構部件領域的應用原則和應用方向分析

2.1應用原則

2.1.1經(jīng)濟性原則

3D打印的產(chǎn)品應具有一定的經(jīng)濟價值，用3D打印生產(chǎn)的產(chǎn)品應能節(jié)約產(chǎn)品成本或提高產(chǎn)品使用壽命，帶來一定的經(jīng)濟效益。

2.1.2實用性原則

使用3D打印生產(chǎn)的軌道部件應具有實用價值，產(chǎn)品的外形尺寸及力學性能應符合國標和鐵標的各項規(guī)定，任何質(zhì)量上的缺陷都可能導致安全事故的發(fā)生。2.2應用方向分析

目前用于3D打印的金屬粉末價格遠高于傳統(tǒng)材料，所以使用3D打印生產(chǎn)出的軌道部件價格遠高于傳統(tǒng)機加工生產(chǎn)的產(chǎn)品；另外，時間也是制約成本的重要因素，3D打印是將粉末一層一層堆積形成產(chǎn)品，效率遠低于傳統(tǒng)的工業(yè)化大批量生產(chǎn)，不適合大批量的產(chǎn)業(yè)制造。

但是，采用3D打印技術對道岔、鋼軌等造價高、易損壞的軌道結構部件進行表面處理，形成具有較高強度和韌性、與基體良好結合的熔覆層，則可以大大改善輪軌系統(tǒng)的耐磨性能。這種作業(yè)材料用量少，經(jīng)濟效益高，經(jīng)強化和修復的軌道部件使用壽命增加，經(jīng)濟效益提高，具有重大的現(xiàn)實意義。

3　軌道部件3D打印原理及特點

軌道部件3D打印通過激光熔覆來實現(xiàn)，如圖1所示。激光熔覆是通過高能激光束對放置在基體上的熔覆材料進行輻照加熱，使熔覆材料與基體表面熔化，形成冶金結合的過程，是3D打印技術的雛形。傳統(tǒng)的表面改性技術如各種噴涂層、滲層、渡層等，由于層間結合力較差，效果很不理想［1］。而激光熔覆形成的熔覆層與基體形成冶金結合，顯著改善材料的耐磨、抗腐蝕性能。

圖1　軌道部件3D打印原理

4　國內(nèi)外3D打印技術在軌道領域的研究與應用現(xiàn)狀

4.1國外研究與應用現(xiàn)狀

還有一句精彩絕倫的臺詞。郭蹁子轟趕在許靈均窗下“聽壁腳”的孩子，說：“走，走，走，有什么好看的？沒見過你爸和你媽結婚？”竟然說得那么順理成章。

歐盟于本世紀初（2000年4月）開展了“基礎之星（InfraStar）”項目，多個歐洲國家同時參與該項目，此項目的目的在于提高鋼軌的耐用性、使用壽命及降低運行噪聲。具體是通過在鋼軌軌頭施加表面涂層制造所謂的InfraStar雙材料鋼軌，阻止?jié)L動接觸疲勞和在中小曲線半徑軌道處的噪聲。在 InfraStar項目中，激光熔覆技術用于現(xiàn)有的鐵路線上和新鋼軌的制造過程，該技術由瑞典的 Duroc鋼軌公司開發(fā)，Duroc公司選取的涂層材料與鋼軌基材相比具有更高的硬度、更高的屈服應力極限和低摩擦系數(shù)，生產(chǎn)后在實驗室做了硬度與摩擦系數(shù)試驗，實驗室試驗完成后又在瑞典的馬姆巴那（Malmbanan）的鐵礦線和巴黎地鐵進行了試驗，如圖2所示。試驗表明鋼軌涂層與鋼軌基體有很好的結合能力，與普通鋼軌相比激光熔覆的鋼軌具有極好的抵抗磨損和塑形變形的能力，鋼軌的壽命大約延長了1倍［2-3］。

圖2　歐洲InfraStar項目地鐵測試現(xiàn)場

美國聯(lián)邦鐵路局用激光熔凝技術在鋼軌軌距角制造了一個硬化層，替代在鋼軌軌頭涂潤滑油，并進行了現(xiàn)場試驗，以全面評價激光熔凝鋼軌的使用性能?，F(xiàn)場試驗在運輸技術中心（TTCI）的快速試驗環(huán)線（FAST）上進行，如圖3所示。聯(lián)邦鐵路局研究發(fā)展處2007年5月公布了激光熔凝鋼軌的環(huán)線鐵路試驗及事后分析研究報告，激光熔凝區(qū)布氏硬度平均約HB670，而非激光熔凝區(qū)和對照組布氏硬度平均約HB340，高約2倍。此時對照鋼軌沒有發(fā)現(xiàn)問題，但激光熔凝鋼軌出現(xiàn)幾個掉塊和剝落［4］。

圖3　美國TTCI激光熔凝鋼軌現(xiàn)場試驗

4.2國內(nèi)研究與應用現(xiàn)狀

北京工業(yè)大學楊膠溪教授利用 Trumpf6000 CO2激光寬帶熔覆技術對U75V鋼軌表面進行強化，采用同步送粉的方式進行自熔性Fe基粉末的激光熔覆，獲得厚度1 mm左右無裂紋、氣孔等缺陷且與鋼軌冶金結合的高硬度激光熔覆層，如圖4所示。實驗室分析研究表明，激光熔覆層的顯微硬度平均值可以達到HV780，高于熔合區(qū)及基體的硬度［5］。

圖4　北工大楊膠溪教授激光熔覆的鋼軌

石家莊鐵道大學齊海波教授選擇機器人與激光器的組合裝置對鋼軌側磨部位進行修復，通過掃描設備獲得待修復鋼軌和完好鋼軌的數(shù)據(jù)，進行離線編程，實現(xiàn)了修復工藝的自動化和高效化，得到了形貌更接近原樣、打磨量更少的修復樣。鋼軌修復組織很均勻，幾乎沒有缺陷，有明顯的柱狀晶組織，中間夾雜著均勻的等軸晶。熔覆層的硬度很均勻，在HV 300～400，略高于母材。修復后的鋼軌安裝到中鐵六局在張家口工程的鋼軌線路上實地進行了耐磨性檢測，如圖5所示。在經(jīng)歷了一個多月的磨損之后，鋼軌修復部位變得更加光滑，略微有些磨損，基本和鋼軌母材持平，且沒有出現(xiàn)裂紋和撕裂現(xiàn)象，達到了預期效果。

圖5　石鐵激光修復鋼軌現(xiàn)場試驗

5　軌道部件3D打印關鍵技術

5.1打印材料

軌道部件3D打印材料一般選用自熔性合金粉末，分Fe基、Ni基、Co基3種，各種合金的優(yōu)缺點如表1所示。自熔性粉末主要特點是含有 B，Si等強烈脫氧和造渣能力的元素，在激光熔覆中優(yōu)先與涂層材料中的氧和基體表面的氧化物反應生成低熔點的硼硅酸鹽，從而減少熔覆層的含氧量和夾渣，提高基體與涂層的潤濕性和成型性能。根據(jù)基體的材料和欲達到的性能來配備各元素的質(zhì)量分數(shù)，C，B有利于提高熔覆層的硬度，Ni能有效地防止熔覆層裂紋的產(chǎn)生，Cr能提高熔覆層的硬度、耐蝕性和耐磨性，適量稀土元素的加入有利于細化晶粒，提高熔覆層的強度和韌性。

表1　自熔性合金特點

1）激光熔覆層材料與基材熱膨脹系數(shù)相匹配

激光熔覆層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)差異是導致裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。熔覆層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)應盡可能接近，當熔覆層熱膨脹系數(shù)大于基材時，熱應力為拉應力，當熔覆層熱膨脹系數(shù)小于基材時，熱應力為壓應力。根據(jù)文獻［6］給出了二者匹配原則，熱膨脹系數(shù)應滿足式（1）

式中：σ1，σ2分別為熔覆層材料和基材的抗拉強度；Δα為熔覆層材料與基材熱膨脹系數(shù)合理差值；E為熔覆層材料的彈性模量；v為熔覆層材料的泊松比；ΔT為熔覆溫度與室溫的差值。

2）激光熔覆層材料與基材熔點相匹配

熔覆層材料與基體材料的熔點相差過大，不利于冶金結合，二者熔點相匹配，有利于獲得高質(zhì)量的激光熔覆層。

5.2打印工藝、流程

軌道部件3D打印多采用預鋪粉方式，即在熔覆前采用等離子或火焰噴涂方法將熔覆材料預置在基體材料上，顆粒尺寸50～200目為宜，熔覆時設置好激光掃描速度、離焦量、光斑直徑、激光輸出功率、搭接率等。

3D打印流程如圖6所示。熔覆前將試件表面打磨、烘干，獲得潔凈的金屬表面。用天平稱取各種配比的金屬粉末，均勻混合。熔覆時用熱噴涂或粘結等方式在基材表面鋪上涂層金屬粉末。根據(jù)材料與性能要求的不同，采用一定參數(shù)的激光掃描處理，軌道部件3D打印一般都是多層打印，打印一層后循環(huán)打印下一層，直到得到想要的厚度。打印過程中為防止液態(tài)金屬被空氣氧化，熔池多由惰性氣體保護，如氬氣、氮氣等。

圖6　軌道結構部件3D打印流程

6　結語

3D打印是近十年來快速發(fā)展的跨學科、跨行業(yè)的新技術，在各行業(yè)都已經(jīng)有了較廣泛的應用。我國鐵路行業(yè)在軌道部件設計、生產(chǎn)過程中應用新技術、新材料非常普遍。利用3D打印技術來強化軌道部件性能，改善輪軌關系，延長維修周期，具有重要的現(xiàn)實意義。

［1］張大偉，雷廷權，李強.激光熔覆金屬表面改性研究進展（上）［J］.中國表面工程，1999（3）：1-6.

［2］HIENSCH M，LARSSON P O，NILSSON O，et al.Two-Material Rail Development：Field Test Results Regarding Rolling Contact Fatigue and Squeal Noise Behavior［J］.Wear，2005，258 （7/8）：964-972.

［3］RINGSBERG J W，F(xiàn)RANKLIN F J，JOSEFSON B L.Fatigue Evaluation of Surface Coated Railway Rails Using Shakedown Theory，F(xiàn)inite Element Calculations，and Lab and Field Trials［J］.International Journal of Fatigue，2005，27（6）：680-694.

［4］U.S.Department of Transportation Federal Railroad Administration Office of Research and Development.In-Track Demonstration of Laser-Treated Rail to Reduce Friction and Wear ［R］.Springfield：NationalTechnicalInformationService，2007：1-68.

［5］楊膠溪，劉華東.U71Mn鋼軌表面激光融覆Fe基合金組織與性能研究［J］.鐵道工程學報，2010（7）：34-37.

［6］宋武林.激光熔覆層熱膨脹系數(shù)對其開裂敏感性的影響［J］.激光技術，1998，22（1）：34-36.

（責任審編周彥彥）

Preliminary Application of 3D Printing Technology in Field of Track Components

YANG Liang
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

W ith the rapid development of 3D printing technology，using 3D printing technology to increase the strength and toughness of track components，improve the relationship between the wheel and rail and extend the maintenance cycle has an important realistic meaning.T his paper described the concept and advantages of 3D printing，presented application principles and directions of 3D printing technology in the field of track component，introduced the application of 3D printing technology in the field of rail transit at home and abroad and discussed the key technology of 3Dprinting for track components fromthe aspects of the print materials，processes and procedures.T his paper has a certain guiding significance to the application of 3D printing technology in the field of track components.

3D printing；T rack component；Principle；Direction；Key technology

U213.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.35

1003-1995（2016）08-0141-04

2016-03-10；

2016-05-08

中國鐵道科學研究院基金（2015YJ044）

楊亮（1982— ），男，助理研究員，碩士。