3D打印对中国高铁制动闸片的应用研究

如今，中国高铁已经成为了中国在世界之林中一张重要闪亮的”铭牌“，中国有着世界上运营里程最长高铁线路。那么时速300多公里的高速列车，让它跑起来相对容易，让它停下来难！其中主要难点之一是在列车制动瞬间，60多吨重的每节列车的巨大惯性，产生的巨大动能将因摩擦转变成热，制动闸片（俗称刹车片）要承受八九百摄氏度的高温还得保证性能不下降，即使在雨雪沙尘恶劣环境状态下也能正常工作而不能伤害制动盘。

此前，国际上只有德国、法国和日本等少数几个国家能够生产高速列车制动闸片，其中德国克诺尔公司曾垄断全球80%以上高铁刹车片的市场。近几年，国内高铁刹车片的研发与生产技术逐步获得突破，打破了国际公司垄断的局面，其中包括天宜上佳、贵州新安航空机械、博深工具、北京瑞斯福等。随着金属3D打印技术与应用面的深度结合，国内出现了将金属3D打印技术应用于制动闸片的探索。

制动闸片是高速列车组制动装置中的关键材料，利用闸片材料与配对制动盘材料的摩擦力使高速列车组的动能转化成热能或其他形式的能量，散发到空气中。闸片根据材料的不同可分为合成闸片、复合材料闸片以及粉末冶金闸片等。早期高速列车使用的合成闸片由于其机械强度较低、冲击韧性较差，磨损量较大，闸片在运行中会出现微裂纹，而且这种闸片材料对水比较敏感，列车在雨季和潮湿地区运行时，会因为闸片潮湿导致材料摩擦力减小，使其制动性能降低。

复合材料闸片一般采用碳/碳复合材料，这种复合材料材是以碳为基体的碳纤维增强的新型结构材料，其增强组分一般为短切碳纤维。这种复合材料目前大部分只应用于航空航天等重要领域。现有高速列车用闸片材料还是粉末冶金闸片为主。

粉末冶金闸片的制备工艺采用传统的粉末冶金方法，将原料粉末混合均匀后压制成型，然后将压坯固定在钢背上一起随炉烧结，最终得到耐磨层与钢背结合的闸片整体，将闸片整体与燕尾板焊接为一体安装到支架上，即可与制动盘组成刹车副。现有技术采用粉末冶金方法制备闸片在烧结过程中，由于闸片内各组分的收缩系数不同，容易产生孔隙、夹粗等缺陷，导致闸片的致密度较低，从而影响其最终的力学性能和摩擦性能。

而且，由于是将闸片压坯和钢背一同烧结，烧结过程中闸片压坯本身的收缩与钢背的收缩不一致，使两者的结合强度较低，在使用过程中容易造成闸片脱落的情况。另外，烧结过程中高温会使钢背内部组织结构的变化，影响钢背的机械性能，进而影响整个制动闸片以及刹车副的制动效果。

据了解，通过电子束选区熔化或激光选区熔化3D打印技术，西迪技术股份有限公司将耐磨层直接打印在钢背表面，3D打印过程中采用的高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应、高度致密化，使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能。

西迪技术股份有限公司的这一应用特点包括：
1. 闸片原料为铜基闸片原料、铁基闸片原料、镍基闸片原料或钛基闸片原料。
2.将闸片原料粉末在附着有金属层的钢背表面进行3D打印，得到闸片。金属层的成分与闸片原料成分中的金属成分相同。
3.在3D打印过程中高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应，使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能。
4.采用表面附着有与闸片原料中金属成分相同的金属层的钢背，3D打印过程中在高能电子束的扫描下，金属层熔化形成一层较薄的熔池，与闸片原料粉末进行充分的冶金结合，使闸片中的耐磨层和钢背具有较高的结合强度。
5.3D打印过程中电子束能量在钢背表面的粉体原料上扫描，不会对钢背内部的组织结构造成影响，保证了钢背本身的机械性能。

来源：3D科学谷

延伸阅读:

亚厦股份涨停，原因盈创拟参与美国超级高铁建设

3D打印如何助力Hyperloop超级高铁？