梯度硬质合金梯度层形成过程模拟分析

以梯度硬质合金W-C-Co-Ti-Ta-Nb-N体系为研究对象,分别建立了动力学和热力学数据库,通过计算机模拟分析了梯度层形成过程中相体积分数与合金组元成分分布,并与文献实验结果进行了对比。结果表明,模拟结果和实验结果基本吻合。     

梯度硬质合金梯度层形成的计算机模拟及验证

建立了多组元梯度硬质合金W-C-Co-Ti-Ta-Nb-N体系的热力学和扩散动力学数据库,采用Thermo-Calc相图热力学计算软件描述了梯度烧结过程中出现的各相及其成分,并采用DICTRA扩散动力学软件对WC-Ti(C,N)-Co,WC-Ti(C,N)-TaC-Co和WC-Ti(C,N)-NbC-Co合金梯度层的各相体积分数及各组元成分随距离的分布进行了计算机模拟,模拟结果与实验结果吻合良好.在热力学和扩散动力学数据库基础上制备了WC-(Ti,W)C-Ti(C,N)-(Ta,Nb)C-Co合金,采用SEM观察梯度层的显微结构,利用EDS分析合金组元分布,并对合金梯度层的形成进行了计算模拟,模拟结果与实验结果吻合良好.     

梯度硬质合金及耐磨涂层的计算模拟和实验验证

建立了多组元硬质合金W-C-Co-Ti-Cr-Ta-Nb-N体系热力学及动力学基因库。利用所建立的热力学及扩散动力学基因库,模拟了WC-Ti(C,N)-TaC-Co硬质合金梯度层形成过程,计算所得各相体积分数及组元成分与实验结果相吻合。采用SEM和EDS等方法对不同N气氛下梯度烧结所获得的WC-Ti(C,N)-Co梯度硬质合金进行了合金表面组元成分分布测定,并对样品梯度层的形成进行了模拟,模拟能很好地描述实验结果。基于第一原理计算和实验对广泛应用的三元Ti-Al-N耐磨涂层体系的结构、力学、热力学性质和调幅分解曲线,以及调幅分解析出立方二元氮化物的性能进行了研究。计算结果与已有实验值符合较好,可为高性能硬质合金和多元涂层的开发设计提供理论指导。最后提出了硬质合金及耐磨涂层研发的基因框图。     

梯度硬质合金梯度层形成的计算机模拟及验证

结合相图热力学计算,使用DICTRA软件计算模拟Co-W-Ti-C-N、Co-W-Ti-Nb-C-N和Co-W-Ti-Ta-C-N体系梯度硬质合金梯度层形成过程,对比计算模拟和实测的梯度硬质合金中Co含量的距离变化曲线。通过分析各相体积分数及组元成分随距离的分布研究烧结时间、烧结温度、Co含量和Ti含量对梯度层厚度的影响。结果表明:计算模拟与实验数据吻合较好。延长烧结时间、升高烧结温度和增加Co含量均会促进梯度层厚度的增加,而增加Ti含量则会抑制梯度层厚度的增加。     

梯度结构特征对梯度纳米晶Cu力学行为影响的有限元模拟

采用晶体塑性有限元方法，对具有不同晶粒尺寸梯度结构特征的梯度纳米晶Cu的力学行为、应变场和应力场进行了计算分析。结果表明，当晶粒尺寸分布的梯度率n=1时，即晶粒尺寸分布梯度满足线性关系，平衡了强度和塑性两个关键的力学性能指标，梯度纳米晶Cu具有最优的强塑性匹配。梯度纳米晶Cu在变形过程中，粗晶承担了较大的应变，而细晶粒承载了更大的应力。此外，当梯度率n=1时，梯度纳米晶Cu在塑性变形中具有最大的应变和应力梯度，而且体系达到稳定的应变和应力梯度较晚。模拟结果与理论分析和实验结果一致。     

基于热、动力学计算模拟研发梯度硬质合金

对于材料研发和过程参数优化来说,掌握材料体系的热、动力学信息并基于CALPHAD(相图计算)方法进行计算模拟是一种强有力且高效的方式。CALPHAD计算结果的准确性在很大程度上取决于热力学和动力学数据库的质量。基于前期建立的热力学数据库(CSUTDCC1)和动力学数据库(CSUDDCC1),对硬质合金研发过程中所关心的烧结"碳窗口"、立方相组分等信息进行了计算模拟。研究了几种在真空和不同N_2分压下烧结的梯度硬质合金,采用SEM和EPMA研究了梯度层的微观结构和元素浓度分布,并通过热、动力学数据库进行了计算模拟,计算模拟结果与实验数据吻合。本工作探讨了热、动力学计算模拟在梯度硬质合金的设计和研发中的应用示范,为新型高性能梯度硬质合金的开发提供理论支撑。     

外磁场下MIG焊梯度功能材料制备模拟及实验研究

建立了梯度功能材料MIG焊熔积成形制备时磁场环境、焊枪及金属焊样的三维有限元模型.采用Maxwell涡流场及瞬态场对永磁场、交变磁场以及无外加磁场3种MIG焊工艺进行了模拟,并进行了相关实验验证.模拟结果表明,永磁场条件下,熔池受恒定强磁力作用,对熔化金属的搅拌能力弱,无法充分使Al粉和合金钢焊丝融合,不能实现制备梯度功能材料的目的;交变磁场条件下,因熔池受到轴向振荡磁力和横向挤压磁力的共同作用,对熔池的搅拌作用强,有助于梯度功能材料的熔积成形.实验结果与模拟结果符合良好,无磁场条件下,制备出的材料Al含量梯度功能不佳;永磁场条件下,Al粉无法进入焊样中;交变磁场条件下熔积成形的焊样中Al含量呈梯度分布.     

基于ProCAST梯度绝热耐火材料温度场数值模拟的研究

设计了一种梯度绝热耐火材料,并借助有限元软件ProCAST对它的温度场进行了数值模拟。结果表明,当第三层厚度增加到12 mm时保温效果最好,继续增加厚度提升效果不明显。最后对在铸件中应用梯度绝热耐火材料进行数值模拟,模拟结果与普通工艺结果相比具有良好的保温效果。     

立方相成分对梯度合金结构的影响——理论计算及实验研究

通过理论计算和实验研究了x(Ti)/x(Ta+Nb)比值对梯度层厚度、表层化学成分分布的影响。利用DICTRA扩散动力学软件对合金表层各相含量以及各组元成分随距离的分布进行了计算机模拟;采用SEM观察梯度层的显微结构,利用EDS对不同成分合金进行了合金表面组元成分分布测定。结合理论计算与实验结果,分析了烧结过程中尤其是固相烧结阶段N分解程度对梯度厚度的影响,以及立方相成分对梯度厚度、表层化学成分分布的影响。计算结果和实验结果表现出良好的一致性。计算结果表明其它成分一定时,梯度厚度随着x(Ti)/x(Ta+Nb)比例的升高而下降;实验结果显示N含量相同时,x(Ti)/x(Ta+Nb)比例越高,烧结过程中N损失越大;梯度层内液相含量随着x(Ti)/x(Ta+Nb)比例增大而升高,同时,梯度层毗邻区Co含量及Ti含量受梯度层厚度及立方相成分的影响。     

基于BP神经网络的数字图像相关非迭代灰度梯度算法

为了提高非迭代灰度梯度算法的亚像素位移求解精度与效率,提出一种基于神经网络的非迭代灰度梯度改进算法。该算法应用BP神经网络直接建立变形前后散斑图子图像的灰度及灰度梯度与亚像素位移之间的非线性映射关系,无需对相关系数进行最小二乘优化求解。应用模拟散斑图像对算法的亚像素位移求解精度与效率进行了验证。结果表明,作者提出的算法的计算精度与效率较传统的非迭代灰度梯度算法均有提高。最后进行了真实的刚体平移实验,其结果进一步证明了作者提出的算法的有效性。     

SiC/Al功能梯度材料的电火花多脉冲温度场仿真

为探索Si C/Al功能梯度材料的电火花加工特性,建立了电火花加工连续多脉冲放电温度场仿真模型,开展了连续多脉冲放电蚀除动态模拟仿真研究,应用生死单元法分析了放电凹坑位置的随机分布情况,研究了峰值电流、脉冲宽度对放电凹坑和材料去除率的影响规律,并进行了实验验证。结果表明:随着峰值电流和脉冲宽度的增大,材料去除率逐渐提高,仿真结果与实验结果具有相同的变化趋势;误差分析显示,理论值与实验结果最大误差为9.84%,最小误差为5.10%。     

反应火焰喷涂TiC-Ni功能梯度涂层温度场和残余应力场数值模拟

详细介绍了利用自蔓延反应火焰喷涂技术在钢板表面制备TiC-Ni功能梯度涂层工艺.建立了计算TiC-Ni功能梯度涂层温度场及应力场的数学模型和反应喷涂涂层结构的物理模型.采用有限元分析软件分析了自蔓延反应喷涂层沉积过程中温度场及残余应力场的分布,深入分析了实验条件对涂层温度场的影响.同时,对沿涂层厚度方向残余应力变化规律进行了模拟,并通过模拟检验了利用该方法制备的功能梯度涂层的残余应力的连续性和缓和性,并对不同喷涂速度条件下涂层残余应力场进行了模拟与比较.结果表明,不同喷涂速度对残余应力场的分布影响不大.     

Q235钢基体表面微晶玻璃功能梯度涂层的残余应力分析

运用ANSYS有限元软件对Q235钢/微晶玻璃梯度涂层复合材料在制备过程中产生的残余应力进行了数值模拟。建立了该复合材料的有限元分析模型,探讨了不同层数、层厚对该复合材料体系残余应力分布的影响。结果表明：在基体与梯度涂层的界面边缘处存在较大的应力集中;随着层数或层厚的增加,涂层表面最大径向残余压应力增大;梯度层数和涂层厚度对界面处的残余应力都有明显影响。此模拟分析结果可以为该梯度涂层复合材料的设计和制备提供理论依据和参考。     

熔融沉积成型彩色打印技术研究

针对FDM的梯度渐变色打印,提出了一种对梯度渐变效果进行预测和评价的方法。利用Visual C++提供的MFC应用程序开发平台编写软件模拟两种颜色的梯度渐变,通过在软件上改变色彩细分量得到梯度渐变效果不同的图像,实现了对梯度渐变效果的预测。为了实现彩色打印,设计了一种彩色打印机。首先进行梯度渐变色打印实验,用软件分析在与模拟对应的色彩细分量下打印出的零件和模拟结果的梯度渐变效果,验证了模拟结果的正确性,实现了对梯度渐变效果的评价。然后进行多色打印实验,实现了彩色3D打印,为彩色3D打印技术的进一步发展提供了参考。     

等离子熔积制备金属-陶瓷梯度材料过程数值模拟

采用FLUENT软件模拟了等离子熔积制备金属-陶瓷梯度材料,分析了不同热源功率下熔池形貌和流场特征,计算了功能梯度材料中陶瓷体积分数沿高度方向的分布,讨论了熔积层组分分布与熔池形貌和流场的关系,探讨了热源功率和热源移动速度对陶瓷梯度体积分数的影响.最后用等离子熔积成形法制备了Al2O3-不锈钢功能梯度材料,验证了模拟计算结果的正确性.     

梯度泡沫铝的高速碰撞研究

通过LS-DYNA模拟分析了梯度泡沫铝的碰撞性能。在高速碰撞下,相对密度为0.18的均质泡沫铝的防护效果好于梯度泡沫铝。但是,梯度泡沫铝的加速度时程曲线的线型可根据实际的需要设计。有效载荷的最大加速度、加速度时程曲线的形状与梯度泡沫铝的密度梯度有关。小梯度的\型梯度泡沫铝是最好的吸能器。同时对梯度泡沫铝的作用机制进行了分析。     

基于直流电位梯度法的滩浅海海底管道外防腐层破损检测技术研究

目的介绍基于直流电位梯度法的滩浅海海底管道外防腐层破损检测的研究思路及所开发的配套的检测设备。方法通过模拟检测实验,考察了直流电位梯度检测方法在海底管道外防腐层破损检测中的可行性、检测装置运行及测量功能的适用性。结果模拟检测实验实现了滩浅海海底管道外防腐层破损的有效检测,且不受海底管道正常填埋的影响,可实现管道外防腐层8 mm×8 mm(8 m V/m)以上破损的非接触式检测。结论基于直流电位梯度法的滩浅海海底管道外防腐层破损检测技术可行。可以利用所研发的检测装置,通过海底管道沿线电位梯度的测量,判断管道外防腐层破损及牺牲阳极块位置,从而为管道的运行维护提供技术支持。     

烧结工艺对梯度结构硬质合金梯度层组织和厚度的影响

本文用两步烧结方法制备了梯度结构硬质合金,用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析研究了不同的烧结工艺和基体中Co含量对梯度层元素浓度分布、梯度层厚度及显微组织的影响。实验结果表明,烧结温度和保温时间对脱β层厚度有很大影响,基体中高的Co含量有利于梯度层厚度的增加。     

基于序参量梯度的改进相场模型及对大尺度体系马氏体相变的模拟研究

基于序参量变化在界面区域远大于非界面区域的特性,构造了全局修正函数,建立了适用于可调尺度体系马氏体相变模拟的相场模型。在不改变界面能密度的情况下,通过调整界面区域的体积自由能密度差与梯度能系数,有效增大了原相场模型中的界面宽度,实现了大尺度下的高效模拟,并能很好地表征马氏体相变。结果表明,改进后的相场模型能很好地解决原相场模型在大尺度体系模拟时存在的如生长速率过快、位向关系不合理及组织形貌杂乱无序等问题,模拟结果与实验结果符合较好。     

C/C材料表面ZrB2-SiC功能梯度涂层残余应力分析

目的以C/C复合材料为基体,设计ZrB_2-SiC功能梯度材料。方法利用Ansys软件对等离子喷涂ZrB_2-SiC功能梯度涂层在沉积过程中产生的残余应力进行数值模拟,分析成分分布指数p和梯度层厚度t对梯度涂层残余应力的影响;并通过基于悬臂梁理论的热应力解析,计算与基体接触的涂层在涂层与基体厚度比λ不同时的残余应力值。结果模拟分析结果表明,在涂层与基体的界面,梯度层的厚度对轴向压应力影响不大,径向压应力和切向应力均随厚度的增加而增大,在边缘区域应力集中较为严重,易产生层间破坏;纯ZrB_2层为表面层,其应力主要为径向压应力,且沿径向逐渐减小至0,到边缘处又突变为拉应力,并随p的增大而减小。对比解析法分析可得两者计算的与基体接触的涂层内部的残余应力随λ的增大都是逐渐降低的,这符合涂层内部的应力分布原理。根据优化设计,获得功能梯度材料在各梯度层厚度d为0.1~0.2 mm,成分梯度指数为4时的热应力变化缓和效果较好。结论基于悬臂梁理论的解析解可以很好地评估热应力,并验证了该模拟的正确性。