腺汗式微孔结构金属陶瓷烧结体的制备及其性能

分别以TiH2和CaCO3为造孔剂,以Al2O3微细粉末为惰性弥散质点,采用液相烧结法制备出了具有汗腺式微孔结构的TiC-Fe-Cr-W-Mo-V系金属陶瓷烧结体,并分析了基体粉末粒度、造孔剂类型、烧结制度对烧结体孔隙度、孔隙结构、尺寸、分布以及压缩性能的影响。结果表明,以TiH2和CaCO3为复合造孔剂,辅以Al2O3微细粉末惰性弥散质点,在600 MPa压力下成形,于1230℃烧结60min制备出的TiC-Fe-Cr-W-Mo-V系金属陶瓷烧结体有典型的汗腺微孔结构特征,孔隙形状规则,分布均匀,孔径尺寸范围服从瑞利分布规律,且具有良好的力学性能,便于浸渍高温固体润滑剂以用作高温自润滑材料。     

高温发汗自润滑技术及其理论研究

在中国国家自然科学基金项目《高温汗腺式自扩散润滑技术及其理论研究》(No.50275110)和《高温润滑胞体结构形态及其功能控制机理研究》(No.50775168),以及中国国家教育部博士学科点专项基金项目《高温发汗润滑胞体的多胞结构稳定性研究》(No.20070497105)的共同资助下,通过数理建模和科学试验,研究了高温发汗自润滑材料(HTSSLC)的润滑机理、机械性能、润滑特性及其控制理论;提出了胞体结构及其强韧性模型,研究了其孔结构形态与制备工艺间互耦性;为了拓宽材料的应用范围,研究了复合润滑体组分及其复合技术;并以此制备出HTSSLC和构建了其理论与技术体系.高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的白润滑原理及其技术;HTSSLC是由汗腺式有序孔胞结构的金属陶瓷硬相基体(胞壁)和熔渗在胞孔中的多元润滑体(胞核)组成的复合体,其润滑机理是复合体胞核中的润滑物质在高温摩擦热应力驱动下沿基体有序微孔 通道扩散(析出)至摩擦表面,实现自补偿润滑.高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的白润滑原理及其技术;HTSSLC是由汗腺式有序孔胞结构的金属陶瓷硬相基体(胞壁)和熔渗在胞孔中的多元润滑体(胞核)组成的复合体,其润滑机理是复合体胞核中的润滑物质在高温摩擦热应力驱动下沿基体有序微孔通道扩散(析出)至摩擦表面,实现自补偿润滑.基于人体汗腺结构及高温发汗自润滑概念,构建了描述汗腺式微孔结构特征的汗腺式微孔分布表征模型(PSDM),并基于模型分析了烧结过程中孔隙演化规律及形成条件、材料组分和工艺参数对微孔结构形态的影响以及孔结构形态、尺寸、孔径分布与孔隙度间互耦合关系;为了验证模型的有效性,利用TiH2与CaCO3分解温度差的物化性能,以TiH2 I CaCO3的复合体为复合造孔剂,辖以Al2O3为惰性弥散质点,采用二次造孔法( DSP-FT)在真空条件下制备出了与模型理论相吻合的汗腺式有序微孔结构TiC CrW-Mo-V系基体.由于复合造孔剂在首次分解时,TiH2分解出H2和Ti,H2在烧结体内形成初始孔隙,Ti则活化烧结过程,增强了烧结体的强度;而在液相烧结温度范围内进行的CaCO3二次分解,可使CU2气体在液相中形成气孔通道,在烧结体表面形成开口气孔,使得金属陶瓷基体具有高强和有序微孔结构形态 高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的白润滑原理及其技术;HTSSLC是由汗腺式有序孔胞结构的金属陶瓷硬相基体(胞壁)和熔渗在胞孔中的多元润滑体(胞核)组成的复合体,其润滑机理是复合体胞核中的润滑物质在高温摩擦热应力驱动下沿基体有序微孔通道扩散(析出)至摩擦表面,实现自补偿润滑. 基于人体汗腺结构及高温发汗自润滑概念,构建了描述汗腺式微孔结构特征的汗腺式微孔分布表征模型(PSDM),并基于模型分析了烧结过程中孔隙演化规律及形成条件、材料组分和工艺参数对微孔结构形态的影响以及孔结构形态、尺寸、孔径分布与孔隙度间互耦合关系;为了验证模型的有效性,利用TiH2与CaCO3分解温度差的物化性能,以TiH2 I CaCO3的复合体为复合造孔剂,辖以Al2O3为惰性弥散质点,采用二次造孔法( DSP-FT)在真空条件下制备出了与模型理论相吻合的汗腺式有序微孔结构TiC Cr-W-Mo-V系基体.由于复合造孔剂在首次分解时,TiH2分解出H2和Ti,H2在烧结体内形成初始孔隙,Ti则活化烧结过程,增强了烧结体的强度;而在液相烧结温度范围内进行的CaCO3二次分解,可使CU2气体在液相中形气孔通道,在烧结体表面形成开口气孔,使得金属陶瓷基体具有高强和有序微孔结构形态.为了在微孔中复合出具有扩散活性和良好润滑性的复合润滑体,开展了软金属与金属陶瓷基体的润湿性、互溶性及真空熔投工艺研究,实现了润滑体的优化组分设计及其在基体中梯度分布的熔浸可控性,制备出具有硬质相胞壁、软质相复合润滑胞核及有序微孔胞管的高温发汗自润滑胞体结构材料.围绕构建高温发汗自润滑胞体材料的强韧性设计和工况适应性预测的理论基础,以材料特性指导强韧性设计为日标,基于胞孔结构特征,建立了胞体接触状态的几何表征模型;引入了可表征正三角形、正四边形及正六边形等孔结构形态的特征值λ(λ＝Ri／R.,R.为基础胞元多边形外壁的内切圆半径;Ri为多边形胞孔的内切圆半径;λ取值范围为0<λ<1);推导出相对密度广义表达式(GERD)和孔隙率广义表达式(GEP);建立了可表征各种孔结构形态的有序孔结构几何表征模型( OPSG M),探讨了λ对材料接触强度的影响规律,得出了当λ<0.4时,可将多胞体材料看成连续介质体的结论;建立了厚壁单胞体接触力学模型CMMTWCS),研究了不同多胞结构体及其分布形态的接触稳定性特征,以及切向力对接触应力分布的影响及胞体形态对切向力的敏感性;采用胞壁等效曲梁计算方法(ECBCM)求解了其接触力学问题,通过试验验证了模型及其算法的正确性;ECBCM不仅拓宽了经典Hertz接触理论,而且避免了当量弹性模量法中求解超越方程的困难,解决了混合理论法无法求解孔洞周围局部应力分布的难题.研究表明,孔隙率的增大对接触压力的分布影响不大,而对胞壁弯曲变形和局部应力分布影响很大,因此,影响厚壁胞体压缩强度的主要因素是胞壁弯曲变形引起的胞体内(尤其是孔口)应力分布.绕构建HTSSLC的组分设计及润滑控制的理论基础,开展了材料细观力学特征及其相组分对其润滑性影响的研究;基于材料的硬质相和软质相复合特征,建立了基于.因子(α为反映材料中各相组分体积百分比因了)的面向颗粒增强型复合材料的弹性模量修正Hirsch模型(MHMEM>,研究了α与材料中各相成份体积百分比和弹性模量的函数关系;理论结果与试验结果的一致性证明,SEEMEM精度高,避免了对试验数据的依赖,可有效地拓宽到均匀复合材料的弹性模量计算中;推导出无须区分基体相和增强相的颗粒增强型均质复合材料热膨胀系数计算模型(TECMPRC),研究了其微观等效弹性模量、线膨胀系数、热特性、微应力应变规律等细观力学行为;研究了润滑胞体孔隙率与胞核变形量之间的相关性、工作湿度对胞核变形量的影响以及胞核组分对润滑体析出量的影响.研究表明,孔隙率及工作温度对胞核变形量有较大影响,而胞核组分及变形量又影响其润滑元素析出量;这种互耦性在很大程度上取决.于胞体的组分设计其热参数性能. 为了探讨高温发汗自润滑机理,在高温摩擦学试验基础上,开展了润滑体析出机理分析、磨损表面形貌分析、表面膜厚度测量及膜中元素分布形态的研究,探讨了摩擦过程中工况参数与润滑体组分对其摩擦磨损特性的影响;研究了以Pb,Sn,Ag,Cu等软金属元素为组分的复合润滑体析出过程及成膜机理;观察和分析了在严重擦伤部位的润滑元素浓度分布形态.结果表明,高温发汗自润滑的典型特征足其胞核中的润滑元素能在高温摩擦热一应力驱动下沿有序微孔析出,并富集在摩擦表面;其分布形态是擦伤越严重的部位,其润滑元素析出的浓度越大;基于工程表面摩擦越严重部位的摩擦热一应力越大的事实,这种润滑元素在摩擦热应力驱动下向摩擦表面扩散实现其自润滑的机理,揭示了其择优自补偿润滑的功能特征.围绕构建HTSSLC的润滑控制与零件寿命设计的理论基础,以润滑控制为研究对象,基于高温发汗润滑机理及其摩擦过程中表面形貌特征变化趋势,建立了元胞自动机模型(CA);研究了高温摩擦过程中的材料摩擦系数、表面形貌、接触应力及摩擦温度场动态过程,揭示了摩擦过程中润滑体析出润滑膜形成、破坏、再形成的动态演变规律;基于高温发汗润滑表面膜覆盖率(CRLF)与润滑性能之间的耦合关系,建立了其覆盖率计算模型,揭示了摩擦副表面形貌、润滑层结构及材料参数、环境温度对润滑膜覆盖率的影响.研究表明,润滑膜覆盖率随材料基体孔隙率,润滑层深度和环境温度增加而增大;减小摩擦表面粗糙度,可以提高摩擦表面边界润滑膜的覆盖率;实现了以摩擦表面粗糙度、熔渗孔隙率、润滑层深度、材料热膨胀系数及工作温度为自变量的高温发汗白润滑膜覆盖率的预测计算.为了拓宽HTSSLC的温度使用范围,基于BN和C具有的相似物理特性和晶体结构,在基于经验电子理论(EET)对BN及BN-C复合物的价电子结构进行分析的基础上,设计和制备出BN-C-硅油复合胶体,并作为高温发汗润滑液将其复合进金属陶瓷基体,取得了在300℃的温度下其摩擦系数仅为0.13的工程效果.述研究表明:制备出的内贯通有序微孔胞体结构形态的会属陶瓷基体具有接触强度与尺度优势,可存储具有不同特性的复合润滑粒子体作为润滑剂;因而,该基体是摩擦学功能材料的理想载休,通过在载体中熔浸(或浸渍)具有不同性能的润滑体可组成新的发汗润滑功能体,解决特殊工况领域的自补偿润滑问题.     

扩散自润滑金属陶瓷耐磨烧结体的设计

基于扩散自润滑对金属陶瓷耐磨烧结体的性能要求,分析了高强韧性微细孔结构的金属陶瓷烧结体的增强增韧机制以及基体组分、造孔剂含量和制备工艺参数对烧结体组织和性能的影响;探讨了制备高强韧性、高耐磨自润滑微细孔结构的金属陶瓷烧结体的设计原则;并以TiC/Cr-Mo-W-V系微细孔结构的金属陶瓷烧结体为例,对所述的设计原则进行了验证性讨论.     

TiC/Fe-Cr-W-Mo-V系自润滑金属陶瓷轴承烧结体的研制

基于扩散自润滑轴承对金属陶瓷烧结体的孔隙结构、孔隙度和力学性能要求，以TiC／Fe—Cr—W—Mo—V混合粉为基料，加入一定量的造孔剂和惰性弥散质点，利用真空烧结法研制出一种孔隙分布均匀，且互相连通成网络状的微细孔结构的金属陶瓷烧结体，并通过显微硬度计和液压式压力试验机分析了其力学性能，以扫描电子显微镜分析了材料的显微结构、孔径结构。结果表明：制备TiC／Fe—cr—W—Mo—V系微细孔金属陶瓷扩散自润滑烧结体时，添加3％的TiH2造孔剂，并以Al2O为惰性弥散质点，于1230℃烧结，可使烧结体孔隙分布均匀且互相连通，显孔隙度在17％左右，满足扩散自润滑轴承对孔隙结构、尺寸和力学性能的要求。     

低孔隙度高温自润滑微孔预制体孔径计算方程的建立及验证

建立了高温自润滑微孔预制体的孔结构模型,并得到了适用于不同堆积模式的平均孔径和孔径分布的计算公式;通过模仿生物体汗腺结构设计并制备了高温自润滑微孔预制体,测量了其平均孔径和孔径分布并验证了体心立方堆积模式下的计算公式。结果表明:平均孔径和孔径分布的计算值和试验值基本吻合,由孔结构模型推导的平均孔径和孔径分布的计算公式可以较好地描述孔径大小和孔径分布等参数;随着烧结温度的升高,微孔预制体的平均孔径和孔径分布区间减小;随原料TiC和M2粉末平均粒径的减小,其预制体的平均孔径和孔径分布区间也相应减小。     

橡胶模成型和真空烧结制备碳化硼锆合金

以碳化硼、氢化锆-2粉为原料,用橡胶模成型和真空烧结的方法制备了碳化硼锆合金,用浸渍法测定烧结体的相对密度与开孔率,用扫描电镜分析了烧结体的微观结构,研究了碳化硼含量、成型压力、烧结温度、保温时间、助烧剂加入量对碳化硼锆合金相对密度的影响。结果表明:碳化硼对烧结有阻碍作用,烧结体的相对密度随碳化硼含量的增加而降低;坯体的成型压力越高,烧结温度越高,保温时间越长,烧结体的相对密度越高;锡粉有较好的助烧作用,但锡粉的质量分数不宜超过0.5%,如果添加量过高,烧结体的相对密度反而下降。     

基于润滑体胞结构及胞核组分的润滑剂析出特性研究

以汗腺式体胞结构为对象,建立胞体微孔结构模型,提出利用胞核最大变形量来衡量其润滑析出能力,并通过有限元分析探讨胞核孔隙率、工作温度以及胞核组分对胞核润滑析出特性的影响。结果表明,胞核最大变形量与胞核孔隙率、工作温度呈线性关系,与胞核组分无对应关系,如胞核组分中Pb含量增加时,润滑析出量增加,但当胞核组分中Cu含量增加时,润滑析出量反而减少。     

润滑系统孔径式通风器的阻力计算模型及阻力特性分析

为了获得航空发动机润滑通风系统中应用最为广泛的孔径式通风器阻力特性,以一般结构孔径式通风器及其安装结构为模型,对孔径式通风器典型结构进行识别并定义节流孔(板)单元和容腔单元;采用理论分析方法分析节流孔(板)结构的阻力产生机制,并给出节流孔(板)阻力旋转修正系数,建立孔径式通风器通用阻力算法模型;采用CFD仿真分析和部件试验验证算法模型的准确性,通过整机试验验证模型在润滑通风系统仿真计算中的适用性;根据孔径式通风器阻力算法模型,研究旋转半径、孔径面积、质量流量与转速因素对孔径式通风器阻力特性的影响,得到阻力与旋转半径和质量流量成正比,与孔径面积成反比的结论。     

Al2O3-TiO2纳米团聚颗粒及其激光烧结体微观形貌

对Al2O3-TiO2纳米团聚颗粒重构球体的形貌及结构进行了分析,用激光技术对其进行了烧结试验;用SEM和EDS等手段对烧结体组织结构进行了分析.结果表明:纳米结构团聚颗粒在重构烧结时,内外部形貌差别与球体粒径有关;激光烧结体是网状富钛重结晶相包围着氧化铝相,而且该相有未熔纳米粒子.     

微引射式防冰腔结构参数对换热性能的影响

采用数值模拟的方法研究了航空发动机微引射式防冰腔结构参数对防冰热效率和发动机蒙皮温度分布的影响.通过改变射流孔直径、射流孔孔距、混合腔长径比和波纹板通道出口高度,建立了不同的微引射式防冰腔模型.在进口热气流量一致的情况下,对不同防冰腔模型进行了数值计算.结果表明:减小射流孔直径和波纹板通道出口截面高度能提高防冰热效率和...     

自蔓延燃烧合成多孔NiTi形状记忆合金的显微组织和孔隙结构

以镍粉和钛粉为原料,采用自蔓延燃烧合成技术制备了多孔NiTi形状记忆合金,研究了压坯压力、镍含量、钛粉粒径等参数对合金孔隙尺寸、孔隙均匀性和显微组织的影响。结果表明:自蔓延燃烧合成的NiTi合金为螺旋分层结构;压坯压力在100~200 MPa范围内再经自蔓延燃烧合成的NiTi合金的孔隙均匀,且为三维连通结构,比较理想;镍质量分数为40%左右时,孔隙的分布和三维贯通性均较理想;当钛粉粒径较大时,出现了大量的液相和NiTi2、Ni3Ti等杂质相,反应很不充分,钛粉粒径在50~100μm之间为好。     

脱挥器管板管孔加工技术研究

通过脱挥器管板管孔的加工过程,分析了管孔加工过程中的难点和关键技术,阐明制造工艺中技术难点的解决方法和实施过程。实验证明:使用深孔钻系统成功完成了脱挥器管孔的加工,进一步扩大了深孔钻系统的加工范围,提高了该系统的利用率和总体效益,同时也为今后同类型设备的生产,提供参考方法和一系列可靠的数据支持。     

核孔膜静电机理的研究

通过核孔膜对难过滤粒子静电机理的实验研究，了解到静电对核孔膜过滤特性的影响不可忽略。从而为建立核孔膜过滤特性的数学模型奠定基础。     

Reconstruction of pore space from a pore connectivity network via morphological transformations

Pore and grain regions were separated via thresholding techniques from sandstone images. A mathematical morphology-based framework was followed to pack the random pore space with overlapping and nonoverlapping disks. This framework has several advantages in implementation and is generally applicable to multiscale images. The random pore space was reconstructed in two ways from the minimum morphological information through: (a) overlapping and (b) nonoverlapping disks of various shapes and sizes. The structuring elements employed to carry out this analysis included octagon, square and rhombus templates. The results achieved through these two types of reconstruction of sandstone pores are compared. These results provided the basis on which to test the accuracy of these techniques. Reconstruction recovery was tested by computing shapiness indices for the reconstructed pores achieved through the two methods.     

高温自润滑材料孔隙弯曲角度对润滑剂输出的影响

应用有限元分析方法,研究在高温工作环境下,烧结自润滑材料中孔隙弯曲对润滑剂输出的影响。基于建立的高温自润滑多孔材料结构分析模型,分析不同孔隙折角角度和折孔结构在摩擦热的作用下,孔隙中润滑剂输出特性。结果表明:在理想的孔隙模型中,贯穿摩擦面表层的孔隙为直孔段,且直孔段高度大于模型整体的1/4时,有利于润滑剂输出;与贯穿摩擦面表层直孔相连的折孔,可储存较多的润滑剂,并可向直孔中进行补偿,延长材料的使用寿命。     

注塑模具超长细孔型芯的设计与制造

对于注塑模具来说,细孔特别是超长细孔的成型一直是业界的一个难题。文中以塑料光纤针座为例,提出了超长细孔型芯的设计与制作新方法,指出了传统制作方法的弊端,并对其新方法的效益和应用前景进行了描述。     

改进烟花算法计算热态轴类锻件内圆柱体空洞缺陷深度

针对高温状态下热态轴类锻件内部产生的圆柱体空洞缺陷测量困难的问题，提出基于改进的烟花算法检测空洞深度方法。根据锻件的内部微元模型和瞬态温度场传热微分方程推导圆柱体空洞温度场与空洞半径关系的微分方程，利用分离变量法求解；对烟花算法进行改进，以提高圆柱体空洞深度检测精度；构造缺陷深度的目标函数进行测试，得到最优解的相对误差为2.5%。最后，运用所提方法、PSO算法和传统的烟花算法于同一深度的空洞分别进行检测，验证所提方法的可行性。     

多孔铝合金的压缩吸能性能

在Al-Si合金基础上，加入合金元素采用渗流法制备了高比强度的新型多孔铝合金，研究了孔结构参数，固溶时效处理对新型多孔铝合金的压缩吸能性能的影响。结果表明，不同的孔结构参数以及固溶时效处理对多孔铝合金的压缩吸能性能有着显著的影响。     

基于VC带式烧结机新型星轮CAD系统开发

采用新型星轮的带式烧结机可以有效避免台车“起拱”等现象,提高烧结质量。文中利用VC的MFC框架结构,基于相关新型星轮设计理论,开发了一套“带式烧结机新型星轮CAD系统”。试运行表明,该系统有很强的现实指导意义。     

激光选区熔化成型可控超轻结构化零件的孔隙生成效果

本文主要研究了孔隙率等参数可控的自动超轻结构化金属零件的增材制造。以方块零件及一个具有复杂外形的零件为研究对象,分析了面向激光选区熔化工艺的可控超轻结构化零件的孔隙生成效果,重点探讨了成型工艺对超轻结构化零件孔隙率的影响。结果显示:通过计算机数值计算,可将方块CAD模型快速自动转化为可控超轻结构化模型,计算孔隙率误差可控制在±2%以内;激光深穿透现象会导致带悬垂面内壁的壁厚增加,所引起的孔隙率误差值为负值,且计算孔隙率越大,负值倾向越严重;而成型工艺性不致密导致的孔隙率误差为正值,且在相同工艺条件下,计算孔隙率越大,该误差值越小。故为使总孔隙率误差能较好地反映超轻结构网格孔隙的控制精度,应提高成型时实体部分的致密性。按45%设定孔隙率成功地将具有复杂结构的零件转化为计算孔隙率为44.62%的超轻结构化模型,采用高致密性激光选区熔化工艺成型后,实测孔隙率为42.94%,无悬垂面的内壁壁厚误差≤0.06mm,达到了较好的超轻结构控制效果。