磨料喷射喷嘴的应力分析及FGM模型设计

分析表明磨料喷射加工中喷嘴承受的应力在喷嘴入口最大、出口次之、中间区域相对较小。试验显示喷嘴的冲蚀磨损在喷嘴入口最严重、出口次之、中间区域相对较小。试验结果与应力分析结果一致,得出磨料喷射加工中喷嘴入口、出口处承受的高拉应力是造成其冲蚀磨损严重的主要原因的结论。针对提高均质陶瓷材料喷嘴抗冲蚀磨损能力的力度有限,提出运用梯度功能材料(Function gradient material,FGM)理论于喷嘴材料的设计和制造中,研发新型非均质的陶瓷喷嘴材料,将梯度功能陶瓷喷嘴制备中产生的残余压应力引入喷嘴入口、出口,使其减缓磨料喷射加工中喷嘴承受的拉应力,以提高喷嘴抗冲蚀磨损能力。结合喷嘴的冲蚀磨损特点、结构特点及陶瓷喷嘴材料制备工艺性等,建立了梯度陶瓷喷嘴物理模型和成分分布模型。根据本模型设计结果,研制出梯度 SiC／(W,Ti)C陶瓷喷嘴。结果表明,相同条件下制各的梯度SiC／(W,Ti)C陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损能力高于非梯度 SiC／(W,Ti)C陶瓷喷嘴。     

陶瓷喷砂嘴应力的有限元分析

根据喷砂工作情况和一种具体陶瓷喷砂嘴结构,建立了单粒子冲蚀模型,利用有限元软件模拟陶瓷喷砂嘴冲蚀过程,研究了喷砂嘴材料在冲蚀过程中的破坏状态以及不同时刻的应力、能量分布情况,为进一步研究陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损的动态过程及冲蚀磨损机理提供了有力依据.     

梯度功能陶瓷喷嘴物理模型设计

在进行磨料喷射喷嘴应力分析和冲蚀磨损试验的基础上,得出喷嘴的冲蚀磨损在入口处最严重、出口次之、中段相对较轻,且该喷嘴冲蚀磨损特点主要由喷嘴入口、出口处承受的高拉应力所致的结论。针对均质陶瓷喷嘴材料的抗冲蚀磨损能力的提高力度有限的现状,提出将陶瓷喷嘴材料设计与喷嘴力学冲蚀磨损机理密切结合,研发新型非均质的陶瓷喷嘴材料的思想。拟订了FGM-1和FGM-2陶瓷喷嘴物理模型,并进行有限元分析,确定了梯度功能陶瓷喷嘴的物理模型。     

一种新型陶瓷刀具材料

报道一种新型稀土补强A12 O3 / (W ,Ti)C陶瓷刀具材料 ,并对其微观结构、力学性能和切削性能作了研究。试验结果表明 ,该材料具有良好的力学性能和切削性能 ,适用于钢类材料的连续和断续切削加工。     

陶瓷喷砂嘴结构参数对冲蚀磨损的影响

根据喷砂工作原理和喷枪结构特征建立了引射段的自由射流模型。研究了喷砂嘴结构参数(粗糙度、内径、长度)变化时,喷砂嘴和喷枪内的气固两相流场性质和变化过程。并结合陶瓷材料的冲蚀磨损机理,分析了流场对磨料运动和冲蚀磨损的影响。结果表明,合理选择喷砂嘴的结构参数对减轻喷砂嘴的冲蚀磨损,提高其使用寿命具有重要作用。该结论对进行喷砂嘴的耐磨结构设计具有重要的指导意义。     

喷嘴抗冲蚀磨损研究及梯度模型设计

分析喷嘴冲蚀磨损特点，指出喷嘴的不同部位同时受到不同角度的冲击；磨料颗粒在喷嘴内部加速运动，喷嘴沿长度方向的磨损程度不同，喷嘴人口磨损最严重，出口次之，而中间区域磨损相对较轻。阐述陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理，说明陶瓷喷嘴两端承受以高冲击角为主的冲蚀，磨损机理以应力疲劳断裂和脆性断裂为主；喷嘴中部承受低角冲蚀，微切削冲蚀磨损为其主要磨损机理，得到喷嘴磨损属于多冲蚀磨损机理并存的结论。在此基础上，提出均质材料难以适应喷嘴冲蚀磨损特点，不易满足喷嘴高抗冲蚀磨损性能要求的观点。基于梯度功能技术思想首次提出梯度功能喷嘴设计方法，并建立梯度功能喷嘴设计模型。     

新型陶瓷刀具材料的磨损性能研究

研究了Al2O3/SiC/（W，Ti）C新型陶瓷刀具材料在切削铸铁时的耐磨性能。结果表明：在低速发削铸铁时，该陶瓷刀具表现出良好的耐磨性能，其磨损机理主要是磨粒磨损；在高速切削铸铁时，由于化学反应和溶解磨损的共同作用，导致粘结磨损加剧，从而降低了该陶瓷刀具材料的耐磨性能。     

稀土强韧化陶瓷刀具材料的研制

研制出一种稀土钇强韧化Al2O3/Ti(C,N)新型陶瓷刀具材料,并对其力学性能和切削性能作了研究,表明稀土钇的适量添加能有效改善Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料的力学性能,其抗变强度和断裂专访性分别达到1010MPa和6.1MPam^1/2。大量的切削实验表明,在切削淬硬45钢时,该刀具材料不仅具有良好的耐磨性能。而且具有较好的抗破损性能,其抗破损性能比相应不含稀土钇的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料高约20%。     

三种陶瓷刀具材料的摩擦磨损性能研究

以Al2O3、Al2O3/TiC与Al2O3/(W,Ti)C陶瓷刀具材料作为研究对象,在高速环-块摩擦磨损试验机上研究3种陶瓷刀具材料在相同试验条件下的摩擦磨损性能,并利用ANSYS有限元软件分析计算磨损时的应力分布.结果表明:3种陶瓷的摩擦磨损性能与其在Al2O3基体中的添加成分有关.3种陶瓷在高速下的耐磨性优于低速,磨损率随着摩擦速度的增大而呈下降趋势,随载荷的增大而呈上升趋势,其中Al2O3/(W,Ti)C陶瓷刀具的耐磨性最优,其耐磨性能主要与力学机械性能有关.通过有限元分析可知,3种陶瓷的最大剪应力大于最大主应力,在剪应力作用下,更容易发生磨粒磨损.     

基于离散相模型的水力喷砂射孔器优化设计

针对常用水力喷砂射孔器冲蚀磨损严重、使用寿命短的问题,运用数值模拟软件的离散相模型,分析了常用水力喷砂射孔器的冲蚀磨损规律,提出了工具结构和喷嘴结构的优化设计方案;并对新型水力喷砂射孔器的射流性能和耐冲蚀性能进行验证。研究结果表明：常用水力喷砂射孔器的冲蚀磨损主要集中在工具内腔喷嘴入口处、喷嘴内流道和工具外壁喷嘴出口处,且射孔器结构、射孔液运动特性、管柱振动和工作环境是造成冲蚀磨损的4个主要原因;相同条件下,相比于常用水力喷砂射孔器,所提出的新型水力喷砂射孔器的射流速度更大,上下层喷嘴间的速度差更小,耐冲蚀性能更佳。     

Wear behaviors of ceramic nozzles with laminated structure at their entry

Laminated ceramic nozzles (GN1, GN2, and GN3) with different architecture and composition at the constituent layers were produced by hot pressing. The mechanical properties of the constituent layers of the laminated materials were measured, the microstructure was examined. The wear behaviors of these laminated nozzles were investigated and compared with an unstressed reference nozzle (CN). Results showed that the surface layer (nozzle entry) possessed higher hardness and fracture toughness than those of other layers of the laminated nozzles, and is greatly improved over the stress-free nozzle. The laminated nozzles had superior erosion wear resistance to that of the stress-free one, especially at the nozzle entry. The mechanism responsible was explained as the formation of compressive residual stresses at the entry of the laminated nozzles during fabricating processes. The erosion wear resistance of the laminated nozzles was influenced not only by the volume fraction of the constituent layers, but also by the difference in composition between adjacent layers. The GN2 nozzle with 2% difference of (W,Ti)C content between adjacent layers exhibited higher erosion wear resistance over the GN1 and GN3 nozzles. Surface mechanical properties improvement at the entry area was found to be the main reason for the increase of erosion wear resistance of the GN2 nozzle.     

Wear of ceramic nozzles by dry sand blasting

Monolithic B₄C, Al₂O₃/(W,Ti)C and Al₂O₃/TiC/Mo/Ni ceramic composites, which provided a reasonably wide range of mechanical properties and microstructure, were produced to be used as nozzles materials. The erosion wear of the nozzle caused by abrasive particle impact was compared with dry sand blasting by determining the cumulative mass loss of the nozzles made from these materials. Results showed that the hardness of the nozzle material plays an important role with respect to its erosion wear. On the nozzle entry bore section, the B₄C nozzle appears to be entirely brittle in nature with the evidence of large scale-chipping, and exhibited a brittle fracture induced removal process. While the erosion mechanism of Al₂O₃/TiC/Mo/Ni nozzle appeared to be a preferential removal of the metal binder followed by pluck out of the undermined Al₂O₃ and TiC grains under the same test conditions. On the nozzle center bore zone, the B₄C nozzle fails in a highly brittle manner, and there are lots of obvious micro-cracks and small pits located on this area. While the primary wear mechanisms of Al₂O₃/TiC/Mo/Ni nozzle is plowing and micro-cutting by the abrasive particles. Both types of material removal model seem to be occurred for the Al₂O₃/(W,Ti)C nozzle.     

超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷刀的磨损性能研究

研究了两种超细晶粒纳米改性Ti（C，N）基金属陶瓷刀具——44Ti（C，N）-5TiN（nm）-15WC-16M02C-20Ni（刀具A）和39Ti（C，N）-10TiN（nm）-15WC-16M02C-20Ni（刀具B）在加工正火态中碳钢时的切削性能和磨损机理。研究表明，两种刀具材料的显微组织都由金属相与陶瓷相组成，其中粗大的陶瓷相呈典型的芯／壳结构，陶瓷相晶粒尺寸为400～800nm。切削实验表明，刀具A的切削性能要优于刀具B，刀具A常以后刀面正常磨损的方式失效，刀具B则常以破损崩刃的方式失效。能谱（EDS）分析表明，高速切削时金属陶瓷刀具主要的磨损机制是扩散磨损和氧化磨损。     

ZrO2/(W,Ti)C陶瓷材料的摩擦磨损性能

用MM-200型摩擦磨损试验机研究了陶瓷材料ZYW35(3Y-TZP (W,Ti)C)和ZYA30(3Y-TZP Al2O3)的磨损特性,并对其磨损机理进行了分析。结果表明：ZYA30和ZYW35两种材料的摩擦因数均随负荷的增加而下降,磨损率均随负荷的增加而增加。两种材料的磨损机理基本相同,低负荷下主要是塑性变形和粘着磨损;较高负荷下主要是塑性变形、分层剥落。相同磨损条件下,ZYA30的耐磨性能比ZYW35好。