金刚石/Ti热压扩散过程的分子动力学模拟

目的 应用分子动力学模拟金刚石与Ti在热压扩散过程中的界面原子扩散和TiC生成过程。方法 采用改进型嵌入原子势函数(MEAM)描述Ti、C和Ti—C之间的相互作用,将模拟过程分为弛豫、热压和保温3个阶段,模拟出金刚石与Ti界面间的原子扩散带厚度、原子扩散速度和TiC的成键过程。为了验证分子动力学模拟结果,进行了聚晶金刚石与钛箔的热压扩散试验,在聚晶金刚石表面制备了Ti涂层。利用扫描电子显微镜观察聚晶金刚石与Ti涂层之间的界面,并进行EDS分析。利用X射线衍射仪分析聚晶金刚石与Ti界面的物相组成。结果 模拟结果显示,在弛豫、热压和保温3个阶段,金刚石与Ti之间的扩散带厚度分别为0.870 9、0.888 9、2.056 5 nm,从弛豫到热压阶段,扩散带厚度增加了2.07%,从热压到保温阶段,扩散带厚度增加了131.35%;C原子均方位移曲线斜率为1.877 4×10^?5,Ti原子的均方位移曲线斜率为1.016 7×10^?5,C原子的均方位移的斜率比Ti原子的均方位移的斜率快84.66%;在弛豫20 ps后,C原子的游离键靠近Ti原子,在100 ps的热压过程中,C原子和Ti原子之间形成少量的Ti—C键,在500 ps的保温过程中,在界面间生成大量的Ti—C键。聚晶金刚石与Ti结合紧密、平整,用EDS测试出聚晶金刚石与Ti界面间的扩散带厚度为5.7 μm,在聚晶金刚石与Ti界面的XRD图谱测到了TiC衍射峰。结论 在金刚石与Ti的热压扩散过程中,C和Ti原子之间存在明显的原子扩散现象,形成了具有一定厚度的扩散带。在金刚石与Ti的界面区域的原子扩散中,C原子的扩散能力和扩散速度大于Ti原子,并在扩散界面内生成了Ti—C键,金刚石与Ti之间形成了化学结合,有助于提高金刚石表面与Ti涂层的结合强度。     

Al/Sn二元扩散偶相界面扩散溶解层的形成机理

采用层片式扩散偶制备技术制备Al/Sn扩散偶,在不同热压温度条件下进行热处理,利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、XRD衍射仪等研究Al/Sn扩散偶扩散溶解层的形貌特征与形成机理。结果表明:在0.5 MPa和230℃烧结条件下,Sn元素优先沿Al晶界扩散,然后沿其表面扩散;随着扩散时间的延长,Al与Sn元素间扩散和溶解程度增大,界面区无新物相生成,最终形成由Al和Sn的离异合金组织组成的界面过渡层且呈锯齿状形态分布;Al/Sn界面冶金结合是Al和Sn固相扩散、溶解与结晶共同作用的结果。     

粉末渗锌工艺中锌扩散的数值模拟

目的采用数值模拟法预测粉末渗锌的扩散过程。方法通过分析粉末渗锌的机理及渗锌层的形成过程,基于Fick第二定律,采用有限差分法建立了以锌为主扩散元素的渗锌模型。采用该模型模拟计算一定温度范围、一定时间内的渗锌层厚度和Zn含量随时间和温度的变化,并与相同条件下的实验测量值进行对比,验证模型的可靠性。实验制备了在360、375、390℃下分别保温4、6、8 h的渗锌样品,通过扫描电镜-能谱仪以及Smile View软件测定了样品中合金层的各相厚度和Zn含量,并与数值模拟计算结果进行对照。结果实验测定的各相含量变化与计算结果吻合较好,合金层各相厚度及总厚度与计算结果接近。该模型能很好地反映渗锌层Zn含量及厚度随时间和温度的变化规律,可以计算模拟一定温度范围、一定时间内的渗锌层厚度及Zn含量变化。结论该模型能有效预测粉末渗锌的扩散过程,可以用来指导渗锌工艺。     

焊接接头氢扩散数值模拟(I)

采用ABAQUS有限元分析软件对氢在不均质焊接接头的扩散进行了模拟计算 ,结果表明 ,对 2 0MnNiMo钢焊接接头 ,随时间延续 ,焊缝金属中的氢浓度逐渐降低 ,而熔合区以外区域氢的浓度经历了一个峰值变化过程。由于焊接接头不同部位氢的扩散系数和溶解度不同 ,一定时间以后热影响区中的氢浓度超过焊缝金属和母材 ;预热使焊缝金属中的氢浓度快速降低 ,并缩短热影响区出现峰值浓度的时间 ;后热可加速氢从焊接接头的逸出 ,降低热影响区氢浓度峰值并缩短其出现时间。     

热包套锻造过程中P/M钛铝合金动态行为的数值模拟与物理分析(英文)

基于Deform-3D数值模拟技术和物理模拟技术,对大尺寸粉末冶金TiAl合金坯的热锻过程进行模拟分析,研究锻坯的热力学性能与温度场的相关性,获得应力、应变和温度场的分布规律以及载荷随行程和时间的变化规律等一系列高温塑变特征。在此基础上,设计新型的锻造包覆机构,并进行工程实验验证。结果表明:1150～1200°C是热包覆锻造的最优热加工温度区间,最终获得外观良好的大尺寸钛铝合金锻饼,其直径大于150mm。     

TiAl/Ti/GH99扩散连接接头应力的数值模拟

利用有限元方法,对采用钛作中间层扩散连接TiAl基合金与GH99合金所得接头在冷却过程中所产生的应力分布情况进行分析,并研究了连接温度对应力分布特征及大小的影响.结果表明,在钛中间层与TiAl基合金和GH99合金的连接界面处均存在一定的应力集中,其中钛中间层与GH99合金的连接界面处应力相对较大.降低连接温度时,接头应力分布特征基本没有变化,但最大应力的数值随之减小.将模拟结果与试验结果进行对比发现,模拟结果与试验结果具有很好的吻合性.     

Cu/Ti在模拟海水中的电偶腐蚀行为(英文)

采用电化学阻抗谱、电化学噪声和扫描电镜等技术研究了纯铜、铜/钛耦合电极在模拟海水中的腐蚀行为。结果表明:纯铜的腐蚀过程分2个阶段,其腐蚀阻抗和点蚀参数SE均遵循先增后降的规律,而其腐蚀参数SG的变化规律则正好相反;铜/钛耦合电极的腐蚀过程则由3个阶段组成,其腐蚀阻抗和点蚀参数SE均遵循先降后升到最后再降的规律,而其腐蚀参数SG则同样反向变化。铜和钛之间的电势差加速了纯铜的点蚀萌生,同时铜/钛耦合电极的腐蚀电位总是正于纯铜的腐蚀电位。     

固态扩散过程中的Kirkendall效应(英文)

在二十世纪四十年代,柯肯达尔(Kirkendall)发现,在二元固溶体中,扩散过程不能简单地用一种扩散系数来描述它,人们必须考虑到两种物质的扩散系数的不同。他的发现改变了以往的扩散理论和数据的处理方式。基于他的这种扩散理论成功解释了Kirkendall平面的行为。但是,多相扩散和扩散过程中组织形貌的演变是很复杂的,需要从物理化学的途径才能解决。从理论和工艺的角度来看,二元或多元体系中的相互作用是关键问题。本文综述了Kirkendall效应的发现以及最近的进展,及其在材料科学中的应用前景。     

Ni/Sn固液扩散偶相界面的实验研究

采用"坩埚法"制备了曲面的Ni/Sn同液扩散偶,将扩散偶置于SK2管式电阻炉中在不同的工艺条件下进行热处理,利用光学显微镜和电子探针微区分析技术对相界面的变化和扩散层的成分进行观察和分析.结果表明,Ni/Sn扩散溶解层的厚度和层数随温度的升高和时间的延长而增加,生成金属间化合物的顺序依次为Ni3Sn4、Ni3Sn、Ni3Sn2.     

金属凝固数值模拟可视化中OpenGL的应用研究

金属凝固数值模拟可视化需实现铸件／铸型实体网格的透视、平行投影图和剖面图等图像的绘制。以OpenGL图形库为基础，应用对编程工具的环境设置，图形在视图的中心显示，剖切面网格的选择显示，快速显示列表的设计等相关技术，可实现网格绘制、实体显示、实体旋转、动态剖切等功能。正确应用OpenGL技术能高质量、快速地绘制出铸件／铸型实体网格的图形和图像。     

高能球磨Ti/Al粉末挤压固结致密过程数值分析

基于高能球磨过程中粉末的大塑性变形行为的分析，推导了球磨粉体的本构方程，并针对球磨Ti／Al粉末的挤压过程进行了有限元模拟。分析结果表明，随着球磨时间的延长，粉末固结致密难度增加，所需挤压力显著增大。该趋势和模拟数值均与挤压实验结果基本一致，验证了所推导的球磨粉体本构方程的合理性。     

Numerical simulation of tungsten alloy in powder injection molding process

The flow behavior of feedstock for the tungsten alloy powder in the mold cavity was approximately described using Hele-Shaw flow model. The math model consisting of momentum equation, consecutive equation and thermo-conduction equation for describing the injection process was established. The equations are solved by the finite element/finite difference hybrid method that means dispersing the feedstock model with finite element method, resolving the model along the depth with finite difference methgd, and tracking the movable boundary with control volume method, then the pressure equation and energy equation can be resolved in turn. The numerical simulation of the injection process and the identification of the process parameters were realized by the Moldflow software. The results indicate that there is low temperature gradient in the cavity while the pressure and shear rate gradient are high at high flow rate. The selection of the flow rate is affected by the structure of the gate. The shear rate and the pressure near the gate can be decreased by properly widening the dimension of the gate. There is a good agreement between the process parameters obtained by the numerical simulation and the actual ones.     

热送热装工艺的数值模拟

为了研究热送热装工艺过程中铸坯的温度变化和热量得失,优化现场生产制度,以某钢厂的热送热装工艺为依据,利用有限元法建立了倒角坯冷却凝固、辊道运输和在炉加热的二维传热模型,并结合现场测温验证了模型的正确性。结果表明,铸坯在热送过程中会形成角部温度最低、窄面次之、芯部温度最高的类椭圆形温度分布;在炉加热过程中低温区域会由角部逐渐向芯部移动,会逐渐形成角部温度最高、芯部温度最低的类椭圆形分布。在炉加热时,铸坯在加热一段吸热量最大,约占总吸热量的52.01%,对加热影响最大;其次为加热二段,所占比例为35.26%,预热段和均热段吸热量较小。通过对热送热装工艺的数值模拟研究,发现现有工艺存在铸坯在炉加热时间过长的问题,现有工艺下铸坯进入均热段368 s即可出炉,可以通过调节生产节奏或降低炉温的方式,提高产量或降低加热炉能耗。     

Numerical procedure for simulation of multicomponent and multi-layered phase diffusion

A mass balance error-free numerical procedure for simulation of multicomponent and multi-layered phase diffusional reactions has been suggested, based on an explicit fixed grid finite difference method. Basically, a local equilibrium was assumed at each phase interface and one dimensional movement of interfaces was considered. Attention was paid to the treatments of newly formed thin phase layers and different molar volumes among interacting phases, together with the removal of a mass balance error. Specially derived finite difference forms were used to treat phase layers thinner than two inter-grid distances. A new flux balance equation which is independent from the molar volume differences among phases and leaves no mass balance error was developed by a transformation of space variable system and by a systematic analysis of sources of mass balance error, respectively. Through some model simulations, it could be shown that the present numerical procedure cantreat multi-layered phase diffusion including thin layered phases and can reproduce transitions of layer sequences during diffusional reactions successfully, leaving no mass balance error.     

钛/铝/钛层状复合材料的爆炸复合制备及后续热压处理研究

本文以纯钛板与纯铝板为原料,通过爆炸复合法制备钛/铝/钛层状复合材料,之后采用热处理以及热压工艺对钛/铝/钛层状复合材料进行进一步处理。研究结果表明：复合板界面主要由波状界面和平直状界面构成,铝元素与钛元素在界面上发生了互扩散,界面结合性能优良,可以承受后续较大的二次塑性变形;热处理后的复合板界面发生明显扩散,在热处理25 h后热压2.5 h后铝层完全反应,扩散反应层主要由TiAl₃相以及Ti₂Al₅相构成。     

锻钢活塞预成形过程的数值模拟分析

锻造成形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程,有限元法是用于锻造成形过程模拟中一种有效的数值计算方法。通过数值模拟技术分析锻钢活塞的预成形过程,优化预成形模具型腔,获得了合理的生产工艺,达到减少成形工步、提高原材料利用率并获得合格终锻件的目的。     

热压TiC／Ti／Si／Al合成Ti3SiC2材料的研究

研究了向原料粉中掺加Al粉对合成高纯致密Ti3SiC2材料的影响。实验表明以2TiC／1Ti／1Si／0．2Al为起始原料组成，采用热压工艺在1200℃～1400℃的温度范围内，可以制备得到密度达到理论密度98％以上的高纯致密Ti3SiC2块体材料。由XRD数据计算得到的晶格参数与文献中的值接近。通过SEM和EPMA分析得知Ti3SiC2晶粒呈板状结晶形貌，且发育良好，晶粒在平面内的尺寸分别为3μm～8μm和4μm～10μm。