基于微米压入的延性金属单轴拉伸性能与断裂韧性评价技术研究进展

微米压入技术已可实现延性金属材料力学性能的准无损检测,相对于传统力学性能测试手段,该技术不仅可实现焊接接头、增材修复界面等微尺度复杂结构力学性能的准无损评价,还可用于在役设备关键重要部件力学性能的在线监测,为其安全预警与寿命预测提供依据。系统总结基于微米压入的延性金属单轴拉伸性能及断裂韧性评价技术的研究及应用现状。首先,较完整地阐述各类评价模型的基本原理、技术路线及实际应用现状,深入讨论不同评价模型的优点及局限性,给出领域内规范、标准的制定进展;然后,分别从理论研究和工程应用两个角度论述了基于微米压入力学性能评价方法存在的问题和挑战;最后,对微米压入力学性能检测技术的发展与应用趋势进行了展望。     

Fe314合金激光熔覆层的应力分布规律

研究熔覆层应力分布规律对控制裂纹萌生及提高抗疲劳和抗腐蚀等性能至关重要。利用Nd∶YAG固体激光器在45钢基体表面制备了厚度约5mm的Fe314激光熔覆层,利用X射线衍射应力测定仪对熔覆层表层不同位置及其沿深度方向的应力分布情况进行分析,利用金相显微镜观察熔覆层显微组织,利用维氏硬度计对熔覆层硬度分布规律进行分析。研究结果表明:平行激光扫描方向的熔覆层表面应力最大值出现在熔覆层边缘,约为290MPa;垂直激光扫描方向的表面应力最大值出现在熔覆层中心,约为230MPa,由中心向边缘递减,并逐渐由拉应力转变为压应力;深度方向上,平行激光扫描方向的应力随熔覆层深度增加先保持平稳后不断增大;垂直激光扫描方向的应力随熔覆层深度增加而增大;应力分布主要受热累积效应影响,熔覆层具有与热累积效应对应的金相结构,熔覆层硬度范围为380～450HV0.3,略高于基体。     

FV520(B)钢叶片激光再制造动态形变规律及试验优化

针对体积损伤压缩机叶片的激光再制造成形形变控制难题,采用有限单元"生死"控制方法,模拟脉冲激光优化工艺下成形过程,获取成形形变动态历程及规律,优化了脉冲激光成形工艺并采用IPG光纤激光再制造系统开展了叶轮激光再制造成形试验.采用Power Scan II型蓝光三维反求测量仪精确测量了再制造成形形变尺寸,验证了有限元分析结论的正确性.试验结果表明:增加首末两成形层之间时间间隔,可控制整体形变在1 mm以内,热影响区形变控制在0.280.50 mm以内,经机械加工后尺寸误差精度不超过0.02 mm,角度误差精度不超过0.03°,验证了脉冲激光工艺的优化性,为叶片类部件再制造成形提供工艺参考.     

Residual stress modeling of thin wall by laser cladding forming*

The residual stress generated in the laser cladding could lead to undesirable distortions or even crack formation.In order to better understand the evolution/yielding process of stress field,a 3D finite-element thermo-mechanical model was established for the laser cladding formation of thin wall with the 17 －4PH powder on the FV520(B)steel.The temperature field was firstly analyzed,based on which the stress field and strain field of the laser cladding forming process were analyzed.In order to validate the prediction,the final residual stress field in the obtained thin wall was tested by X－ray diffraction in comparison with the predicted results.     

预热温度对灰铸铁表面激光熔覆镍基涂层组织与性能的影响

采用CO2激光器在HT250基体上分别以不同预热温度制备NiCuFeBSi合金熔覆层,研究基体预热温度对白口组织控制、结合界面元素分布及抗拉强度的影响。结果表明:提高预热温度,有利于降低半熔化区白口化趋势,白口组织呈断续分布,但也导致熔覆层稀释率增大,更多基体Si,P杂质元素稀释进入熔池形成杂质相。拉伸实验表明:熔覆层抗拉强度远大于HT250,熔覆层断裂机制为解理与准解理混合型断裂。观察发现NiCuFeBSi合金激光熔覆层凝固后晶粒内部存在大量位错线并交叉缠结形成亚结构,进一步细化了晶粒,有利于提高熔覆层的强度与性能。最终获得NiCuFeBSi合金熔覆层在HT250基体上的最佳温度为室温30℃。     

后处理对激光沉积CoCrNiMo0.0136中熵合金组织与性能的影响

为了研究后处理对CoCrNi中熵合金组织与性能的影响规律和机理, 采用激光增材技术制备了Co_0.3288-Cr_0.3288-Ni_0.3288-Mo_0.0136中熵合金。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子背散射衍射、3维表面形貌仪和万能拉伸试验机对CoCrNiMo_0.0136中熵合金激光沉积态、热锻态和热锻喷砂态3种状态下的合金组织和性能进行了表征。结果表明, 激光沉积CoCrNiMo_0.0136中熵合金在沉积态、热锻及热锻喷砂处理后均具有稳定的面心立方结构, 沉积态下, 合金的晶粒粗大, 因为微观偏析, 晶内存在元素分布不均的亚结构, 合金强度较低, 但塑性良好; 热锻处理后, 合金晶粒显著细化, 可以观察到较多的退火孪晶, 较激光沉积态, 屈服强度提高132.88%, 抗拉强度提高53.78%, 延伸率无明显变化; 热锻试样经喷砂处理后, 试样表面出现梯度纳米结构, 其厚度约为100μm, 塑性变形层中存在大量纳米孪晶, 此时合金具有良好的综合力学性能, 较激光沉积态, 屈服强度、抗拉强度分别提高220.09%和96.22%, 延伸率无显著变化。该研究通过热塑性加工及制备纳米梯度表面结构, 可有效提升Mo掺杂CoCrNi中熵合金静力学性能。     

激光粉末沉积中碳高强贝氏体钢组织与性能研究

为了实现高强贝氏体钢零部件增材修复的目的,采用激光粉末沉积+等温热处理的方法制备了一种中碳高强贝氏体钢,其合金成分(质量分数)为Fe-0.0029C-0.0150Si-0.0150Mn-0.0096Cr-0.0120Ni-0.0100Al-0.0050Mo。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对贝氏体钢的微观组织进行表征,采用拉伸试验机以及显微维氏硬度仪对材料的力学性能进行表征,试样沉积后在280℃盐浴等温处理5h具备最佳综合性能,平均显微硬度达到494.5HV,抗拉强度达到1248MPa、屈服强度达到1037MPa,延伸率达到14.5%。结果表明,不同工艺参量试样微观组织均由贝氏体板条以及残余奥氏体组成,且组织均匀,无碳化物、偏析以及气孔夹杂等缺陷,但等温时间过低以及等温温度过高都会导致组织性能劣化。该研究为高强零部件的增材修复提供了参考。     

自动焊接传感技术研究现状及发展趋势

焊接智能化是智能制造的重要组成部分,焊接路径智能规划及焊缝精确跟踪校正是智能化焊接的基础,而焊接传感技术是焊接路径智能规划及精确跟踪的关键.本文对视觉传感、电弧传感、机械接触传感、电磁传感、红外传感、超声传感等焊接传感技术的原理及发展应用现状进行了综述,探讨了焊接传感技术的发展趋势.     

脉冲激光再制造船用5083铝合金防护板试验研究

针对远洋舰船铝合金防护板受风浪、潮汐以及随机性爆炸冲击波影响,易萌生裂纹或产生断裂的工程实际,通过控制有限单元"生死"状态,动态模拟了防护板脉冲激光再制造温度场变化历程,获取了再制造过程温度变化规律,并对脉冲激光再制造工艺进行了优化。分析和试验结果表明:脉冲模式优化工艺参数为激光功率3 kW,光斑直径3 mm,扫描速度6mm/s,脉冲激光脉宽10 ms,占空比1:1。成形后防护板热影响区变形量控制在0.02 mm以内,硬度(HV0.1)最大值出现在热影响区,约为950 MPa。焊缝区与母材呈致密的冶金结合,主要为致密的细晶组织,抗拉强度达到222 MPa。     

FV520(B)钢叶片模拟件激光再制造成形试验分析

针对鼓风机用FV520(B)钢叶片根部气蚀裂纹的激光再制造,采用正交化试验方法优化再制造工艺参数;通过分析FV520(B)钢叶片模拟件根部破损情况,制定激光扫描修复方案,观察和分析修复部位金相显微组织及物相组成,并对熔覆层硬度进行测试。试验结果表明:激光功率1.1 kW、扫描速度250 mm/min、送粉速率8.10 g/min及载气流量150 L/h为该再制造系统下该材料优化工艺参数;采用多种扫描路径相综合的修复方式,减少层间热累积效应,使修复件尺寸精度保持在0.8 mm之内;熔覆层和基体为良好的冶金结合,熔覆层表面显微硬度最高,平均值达到675 HV0.2,结合界面处硬度值达到610 HV0.2,具有较好的组织结构和硬度性能。