楊亮（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081）

3D打印技術(shù)在軌道部件領(lǐng)域的初步應(yīng)用

楊亮
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，利用3D打印技術(shù)來提高軌道部件的強(qiáng)度和韌性、改善輪軌關(guān)系、延長(zhǎng)維修周期具有重要的現(xiàn)實(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用原則和方向，介紹了3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)，對(duì)3D打印技術(shù)在軌道部件領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

3D打?。卉壍啦考?；原則；方向；關(guān)鍵技術(shù)

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(chǔ)，運(yùn)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(shù)的統(tǒng)稱，其核心原理是：分層制造，逐層疊加。

與傳統(tǒng)機(jī)加工行業(yè)相比3D打印具有以下優(yōu)勢(shì)：

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

2）產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間短。從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，不需開模，不需流水線生產(chǎn)，是一個(gè)所見即所得的過程。

3）能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，解決復(fù)雜精細(xì)零部件的設(shè)計(jì)和制造難題。

4）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)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(gè)角落，在當(dāng)?shù)卮蛴〕鰜?，不再依賴于特定的生產(chǎn)工廠。

近年來3D打印技術(shù)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(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但在鐵路行業(yè)尚未大規(guī)模開展，利用3D打印技術(shù)來提高軌道部件的強(qiáng)度和韌性、改善輪軌關(guān)系、延長(zhǎng)維修周期具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2　3D打印技術(shù)在軌道結(jié)構(gòu)部件領(lǐng)域的應(yīng)用原則和應(yīng)用方向分析

2.1應(yīng)用原則

2.1.1經(jīng)濟(jì)性原則

3D打印的產(chǎn)品應(yīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，用3D打印生產(chǎn)的產(chǎn)品應(yīng)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(jì)效益。

2.1.2實(shí)用性原則

使用3D打印生產(chǎn)的軌道部件應(yīng)具有實(shí)用價(jià)值，產(chǎn)品的外形尺寸及力學(xué)性能應(yīng)符合國(guó)標(biāo)和鐵標(biāo)的各項(xiàng)規(guī)定，任何質(zhì)量上的缺陷都可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。2.2應(yīng)用方向分析

目前用于3D打印的金屬粉末價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料，所以使用3D打印生產(chǎn)出的軌道部件價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)加工生產(chǎn)的產(chǎn)品；另外，時(shí)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(yuǎn)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(shù)對(duì)道岔、鋼軌等造價(jià)高、易損壞的軌道結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行表面處理，形成具有較高強(qiáng)度和韌性、與基體良好結(jié)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(jì)效益高，經(jīng)強(qiáng)化和修復(fù)的軌道部件使用壽命增加，經(jīng)濟(jì)效益提高，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3　軌道部件3D打印原理及特點(diǎn)

軌道部件3D打印通過激光熔覆來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。激光熔覆是通過高能激光束對(duì)放置在基體上的熔覆材料進(jìn)行輻照加熱，使熔覆材料與基體表面熔化，形成冶金結(jié)合的過程，是3D打印技術(shù)的雛形。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)如各種噴涂層、滲層、渡層等，由于層間結(jié)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(jié)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(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)在軌道領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

還有一句精彩絕倫的臺(tái)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(jié)婚？”竟然說得那么順理成章。

歐盟于本世紀(jì)初（2000年4月）開展了“基礎(chǔ)之星（InfraStar）”項(xiàng)目，多個(gè)歐洲國(guó)家同時(shí)參與該項(xiàng)目，此項(xiàng)目的目的在于提高鋼軌的耐用性、使用壽命及降低運(yùn)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(dòng)接觸疲勞和在中小曲線半徑軌道處的噪聲。在 InfraStar項(xiàng)目中，激光熔覆技術(shù)用于現(xiàn)有的鐵路線上和新鋼軌的制造過程，該技術(shù)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(yīng)力極限和低摩擦系數(shù)，生產(chǎn)后在實(shí)驗(yàn)室做了硬度與摩擦系數(shù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)完成后又在瑞典的馬姆巴那（Malmbanan）的鐵礦線和巴黎地鐵進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖2所示。試驗(yàn)表明鋼軌涂層與鋼軌基體有很好的結(jié)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(zhǎng)了1倍［2-3］。

圖2　歐洲InfraStar項(xiàng)目地鐵測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

美國(guó)聯(lián)邦鐵路局用激光熔凝技術(shù)在鋼軌軌距角制造了一個(gè)硬化層，替代在鋼軌軌頭涂潤(rùn)滑油，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以全面評(píng)價(jià)激光熔凝鋼軌的使用性能?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在運(yùn)輸技術(shù)中心（TTCI）的快速試驗(yàn)環(huán)線（FAST）上進(jìn)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(yàn)及事后分析研究報(bào)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(duì)照組布氏硬度平均約HB340，高約2倍。此時(shí)對(duì)照鋼軌沒有發(fā)現(xiàn)問題，但激光熔凝鋼軌出現(xiàn)幾個(gè)掉塊和剝落［4］。

圖3　美國(guó)TTCI激光熔凝鋼軌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.2國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

北京工業(yè)大學(xué)楊膠溪教授利用 Trumpf6000 CO2激光寬帶熔覆技術(shù)對(duì)U75V鋼軌表面進(jìn)行強(qiáng)化，采用同步送粉的方式進(jìn)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(jié)合的高硬度激光熔覆層，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)室分析研究表明，激光熔覆層的顯微硬度平均值可以達(dá)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(xué)齊海波教授選擇機(jī)器人與激光器的組合裝置對(duì)鋼軌側(cè)磨部位進(jìn)行修復(fù)，通過掃描設(shè)備獲得待修復(fù)鋼軌和完好鋼軌的數(shù)據(jù)，進(jìn)行離線編程，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)工藝的自動(dòng)化和高效化，得到了形貌更接近原樣、打磨量更少的修復(fù)樣。鋼軌修復(fù)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(fù)后的鋼軌安裝到中鐵六局在張家口工程的鋼軌線路上實(shí)地進(jìn)行了耐磨性檢測(cè)，如圖5所示。在經(jīng)歷了一個(gè)多月的磨損之后，鋼軌修復(fù)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(dá)到了預(yù)期效果。

圖5　石鐵激光修復(fù)鋼軌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5　軌道部件3D打印關(guān)鍵技術(shù)

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(diǎn)如表1所示。自熔性粉末主要特點(diǎn)是含有 B，Si等強(qiáng)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(yīng)生成低熔點(diǎn)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(rùn)濕性和成型性能。根據(jù)基體的材料和欲達(dá)到的性能來配備各元素的質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)化晶粒，提高熔覆層的強(qiáng)度和韌性。

表1　自熔性合金特點(diǎn)

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(dǎo)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(yīng)盡可能接近，當(dāng)熔覆層熱膨脹系數(shù)大于基材時(shí)，熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，當(dāng)熔覆層熱膨脹系數(shù)小于基材時(shí)，熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)［6］給出了二者匹配原則，熱膨脹系數(shù)應(yīng)滿足式（1）

式中：σ1，σ2分別為熔覆層材料和基材的抗拉強(qiáng)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(diǎn)相匹配

熔覆層材料與基體材料的熔點(diǎn)相差過大，不利于冶金結(jié)合，二者熔點(diǎn)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(yù)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(yù)置在基體材料上，顆粒尺寸50～200目為宜，熔覆時(shí)設(shè)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(shí)用熱噴涂或粘結(jié)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(hù)，如氬氣、氮?dú)獾取?/p>

圖6　軌道結(jié)構(gòu)部件3D打印流程

6　結(jié)語(yǔ)

3D打印是近十年來快速發(fā)展的跨學(xué)科、跨行業(yè)的新技術(shù)，在各行業(yè)都已經(jīng)有了較廣泛的應(yīng)用。我國(guó)鐵路行業(yè)在軌道部件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中應(yīng)用新技術(shù)、新材料非常普遍。利用3D打印技術(shù)來強(qiáng)化軌道部件性能，改善輪軌關(guān)系，延長(zhǎng)維修周期，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］張大偉，雷廷權(quán)，李強(qiáng).激光熔覆金屬表面改性研究進(jìn)展（上）［J］.中國(guó)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(xué)報(bào)，2010（7）：34-37.

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

（責(zé)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(guó)鐵道科學(xué)研究院基金（2015YJ044）

楊亮（1982— ），男，助理研究員，碩士。