斜面激光熔覆粉末流场及光粉耦合机理研究

目的 扩展增材制造在斜面复杂零部件修复领域的应用,弥补倾斜熔覆过程中粉末流动行为研究的空缺。方法 采用RSM进行模拟方案设计与数据处理,通过拟合输入参数与输出之间的数学模型,探究送粉电压、气流量、基体倾斜角度对倾斜基体上粉末浓度和粉斑直径的影响规律。结合数值模拟和试验研究对光粉耦合机理进行分析,探究光粉平衡关系对涂层形貌的影响机理。结果 粉末颗粒速度随气流量的增加而增大;倾斜基体上最大粉末浓度随气流量的增大而降低,随送粉电压的增大而增高;倾斜基体上的粉斑直径随基体倾斜角度和气流量的增大而增大。以倾斜基体上的粉末浓度最大、倾斜基体上的粉斑直径最小为优化目标,0°、10°、20°、30°倾斜基体上最大粉末浓度模拟值与预测值的误差分别为4.34%、3.61%、5.82%、13.15%,基体上粉斑直径模拟值与预测值的误差分别为2.95%、3.22%、3.57%、4.10%,说明该模型对倾斜基体上最大粉末浓度及粉斑直径的预测精度较高。结论 气流量对粉末颗粒速度影响显著,送粉电压、气流量对基体上最大粉末浓度的影响显著,倾斜角度、倾斜角度与气流量的交互项对倾斜基体上的粉斑直径影响显著。研究结果为激光...     

多种倾角类比SLM成形TC4复杂曲面构件性能

为探究SLM成形TC4钛合金高性能复杂曲面构件，选择激光束垂直基板扫描，成形与Y轴成0°、30°、45°、60°四个典型倾角结构作类比分析，探讨倾斜角度对SLM成形件表面形貌、内部组织及力学性能的影响。为提高SLM成形复杂构件的综合性能，对45°倾斜角试样进行固溶处理和完全退火处理分析，讨论热处理对45°倾斜角试样的拉伸性能及断口形貌的影响。结果表明：不同倾角的TC4试样表面存在球化、沟壑、沟脊和未溶粉末粘连等缺陷，且倾斜角度越大，表面沟壑和沟脊缺陷越明显；而试样倾角变化对其内部组织和显微硬度影响较小。经950℃固溶处理后的试样，α相溶解，强度明显下降；固溶处理试样断口形貌韧窝面积大且深，试样塑性增加，与强度分布特征相符。由此可推测，SLM成形复杂曲面构件的表面缺陷较多，但内部组织性能相对均衡，且固溶处理能够减少内部缺陷，提高构件综合性能。     

蠕墨铸铁冲击磨损性能研究

根据蠕墨铸铁缸盖服役的实际工况,利用自制冲击磨损试验机在不同冲击角度(30°、45°、60°)和环境温度(室温、200、400℃C)下进行蠕墨铸铁的磨损试验,研究了冲击角度和环境温度对冲击磨损性能的影响。采用SEM观察磨损形貌。结果表明:随温度从室温升高到400℃,蠕墨铸铁的磨损量逐渐升高,当冲击角度从30°升高到45°,蠕墨铸铁的磨损量降低,而冲击角度从45℃增大到60°,磨损量增加。且随冲击角度和温度的升高,磨损面的剥落坑逐渐增多。     

激光熔凝前处理对钛合金表面电沉积铜过程及耐蚀性的影响

目的 通过激光前处理提高钛合金表面铜沉积层的质量及性能.方法 采用振镜激光器在电沉积铜前对钛合金基体表面先进行激光熔凝处理,整个熔凝过程在气氛保护下进行.研究了激光熔凝前处理对沉积层与基体结合力的影响机理,对传统化学前处理与激光熔凝前处理后铜沉积过程中的微观形貌、截面厚度、沉积层结合力和耐腐蚀性能进行了对比分析.结果 采用激光熔凝前处理后,钛合金表层组织得到细化并产生大量位错,从而削弱了沉积初期的选择性,表面沉积速率更快,获得的沉积层厚度更大,沉积层孔隙更少、更致密.1 h相同沉积时间下,激光熔凝前处理的沉积层厚度为163.65μm,几乎达到化学前处理得到的沉积层厚度(97.97μm)的两倍,且沉积层表现出与基体更佳的结合力.耐蚀性测试得到化学前处理与激光前处理所得铜沉积层的腐蚀电压分别为?0.441、?0.393 V,腐蚀电流密度分别为55.18、5.913μA/cm2.结论 激光熔凝前处理提高了钛合金表面铜沉积层的沉积质量及其与基体间的结合力,同时提高了铜沉积层的耐腐蚀性能.     

基体表面粗糙度对激光沉积不锈钢形貌、组织及性能的影响

目的研究基体待沉积表面粗糙度的变化对激光沉积之后沉积层质量(宏观形貌、微观组织和力学性能)的影响,从而获得形貌、组织及性能优良的沉积层。方法采用316L不锈钢粉末,在不同表面粗糙度状态下P20钢基体表面分别进行单道单层、薄壁、多道搭接及块体沉积实验,获得测试分析所需沉积层,基于OM、SEM以及拉伸试验对沉积层组织性能进行分析。结果单道单层时,相对于铣削基体表面沉积层,喷砂基体表面沉积层的熔高、熔深增加幅度达到了100%,而熔宽增加较平缓;单道薄壁时,在前5层的沉积中,喷砂基体表面沉积高度增长达到2.5mm,铣削表面沉积高度仅为前者一半,喷砂基体上沉积层内部孔隙率仅为铣削基体的31%;多道搭接时,随着粗糙度的增大,沉积层截面纵向尺寸H的内部增长范围持续变大,而横向尺寸L范围保持稳定。喷砂基体表面沉积层的σ_b为540.93 MPa,而铣削基体上的σ_b为523.12 MPa。结论随着基体表面粗糙度的增加,沉积过程中陷光效应相应增强,单道单层沉积层的宏观形貌尺寸随之增大。对于薄壁沉积,基体粗糙度对薄壁高度的影响主要集中在前5层,粗糙度的增大使得沉积高度生长加快,内部孔隙率减小。多道搭接时,粗糙度越大,熔高熔深方向的尺寸变化越大,沉积层内部枝晶更加粗大,且不均匀。沉积层内部的抗拉强度随粗糙度的增大而提升。     

样品位置对多弧离子镀TiAlN薄膜表面质量的影响

采用多弧离子镀技术,在硅基体表面沉积TiAlN薄膜;固定试样与靶材间的距离,使试样表面与靶平面成0°、45°、60°、120°、135°、180°,研究偏转角度对薄膜表面质量的影响;固定试样与靶材的偏转角度(60°和120°),研究试样与靶材的距离(分别为240,265,295,325,350mm)对TiAlN薄膜质量的影响。采用三维白光干涉表面形貌仪、场发射环境扫描电子显微镜测试薄膜的表面粗糙度、表面形貌和厚度。结果表明:试样与靶材的偏转角度显著影响薄膜表面大颗粒的数量,而试样与靶材的距离则影响薄膜的厚度。TiAlN薄膜表面大颗粒物随偏转角度的增加明显减少,厚度随着试样与靶材距离的增加而减小。从靶材材料成分及蒸发出的粒子的分布、偏压电场下粒子的运动特性等方面讨论了基体和靶材的距离、偏转角度对薄膜沉积速率和大颗粒的影响机制。     

碳化硅晶须增强铝基复合材料精密加工表面微观形貌

通过采用聚晶金刚石PCD刀具对SiCw增强铝基复合材料在精密数控车床上进行加工试验,使用扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM和Talysurf-6型粗糙度轮廓仪对已加工表面进行微观形貌检测和分析,并采用EDAX能谱仪对已加工表面进行化学成分分析.结果表明:第三切削变形区中SiCw所处的不同位向与不同种类的已加工表面微观形貌形成高度的关联度,SiCw的位向是直接影响已加工表面质量的重要因素之一.在A～E五大类SiCw的位向中,A类(α=0°)位向最易使SiCw以直接切断型变形,产生最好的表面质量.E类(α=±90°,且β=0°或β=180.)位向最易使SiCw以拔出或压碎嵌入型变形,形成最差的表面质量.     

各向异性和偏轴加载对1050车轮钢疲劳性能的影响

研究了各向异性和偏轴加载对轧制1050车轮钢疲劳性能的影响,获得试样在2种特定加载条件下的疲劳极限,运用SEM观察疲劳断口形貌,并利用有限元分析软件Ansys对0°、30°、45°3个不同偏轴加载角度的试样进行静力学分析。结果表明:随着试样与轧制方向角度的增加,疲劳极限逐渐降低,0°到45°下降比例约为9%;随着试样偏轴加载角度的增加,疲劳极限亦逐渐降低,0°到45°下降比例约为85%;在偏轴加载的情况下,试样承受的剪切应力与Von Mises等效应力较大,且随着偏轴加载角度的增加而增加。     

铜与低碳钢冲击连接的仿真模拟

为实现铜与低碳钢的连接,一种新型连接方法被提出,即旋转冲击连接,用铜作为旋转子弹,低碳钢作为基板,子弹以一定的碰撞速度和角度冲击基板实现连接.为了获得冲击连接形成所需的合适冲击速度和角度,利用SPH(Smoothed-particle hydrodynamics)粒子法模拟冲击连接过程.结果表明:子弹冲击连接时可以形成稳定界面波形的冲击速度范围为150～380 m/s,冲击角度范围为0°～6°.同时分析了冲击角度和速度对界面波形成的原因和影响,表明子弹在低速度(150～380 m/s)和低冲击角度(0°～6°)时界面机理符合应力波机理与复板流刻入机理;高速度(480～928 m/s)和高冲击角度(7°～10°)时符合流体力学的机理.     

电沉积NiP非晶态合金的影响因素

本文研究了镀液浓度、温度、阴极电流密度、沉积层厚度以及不同基体材料等因素对沉积Ni-P非品态合金的影响.用X射线衍射仪,透射电子显微镜,电子探针显微分析仪等测定所得沉积合金的结构与组份.观察到在一定镀液浓度范围内,镀液的温度、电沉积时阴极电流密度,几种不同基体材料以及沉积层的厚度对是否获得非晶态合金影响均不明显,影响的关键因素是镀液中的Ni与P的比值.     

不同实验参数下α-Al2O3陶瓷冲蚀磨损性能研究

以冲蚀磨损工况典型应用材料Cr15Mo3高铬铸铁为对比材料,研究了不同磨粒硬度、不同磨粒粒径、不同冲邋蚀角度(0°、30°、45°、60°和90°)对α-Al2O3结构陶瓷抗冲蚀磨损性能的影响,分析了试验材料冲蚀磨损微观失效机制.结果表明:Crl5Mo3高铬铸铁冲蚀磨损体积均大于α-Al2O3陶瓷材料;随着Crl5Mo3高铬铸铁冲蚀磨损体积增加幅度最大;处于45°和60°,90°冲蚀角度时试验材料的冲蚀磨损体积损失最大;α-Al2O3陶瓷受冲蚀时切削磨损小,随着冲蚀角度增加,材料的耗能方式主要径向裂纹和横向裂纹的断裂表面能.     

激光织构化青铜表面在油润滑条件下的摩擦特性

利用UTM-2摩擦磨损试验机进行试验,考察了在PAO4基础油润滑下,不同温度条件下织构(不同面密度-ρt,5%、10%、20%和排列方式-θ=0、30°、60°、90°)对青铜表面摩擦性能的影响。结果表明:在PAO4基础油润滑下,在60℃和100℃工况下,相对于原始表面,织构增大了摩擦系数和磨损率,而在25℃和150℃工况下,表面织构对摩擦磨损的影响不明显;随着温度的升高,原始表面和各类型织构表面的摩擦系数与磨损率都是呈现先升高再降低的趋势,No.3(ρt=20%,θ=0)和No.5(ρt=20%,θ=60°)试样有着较好的耐磨性能。     

针状铁素体管线钢的低温韧性与“有效晶粒尺寸”的新定义

研究了试验钢的系列温度夏比冲击和落锤撕裂(DWTT)韧性性能,统计了沿解理裂纹扩展方向上的各种微观结构晶界的位向差角,计算了5个不同轧制方向上(0°、30°、45°、60°和90°)解理裂纹扩展路径上{100}解理面的夹角,重新定义了高等级针状铁素体试验钢的有效晶粒尺寸(晶界位相差大于15°),并定量分析了重新定义的有效晶粒尺寸和低温韧性性能(夏比冲击和DWTT)的关系。结果表明,不同方向上试验钢的微观组织相同,都是典型的针状铁素体(AF)+多边形铁素体(QF)+M/A岛。不同方向上大角度晶界都主要分布在45°~65°区间范围内。随着重新定义的有效晶粒尺寸(晶界间{100}解理面小于35°的晶粒组成的解理单元)的细化,5个方向的冲击吸收能量(ASTM A370-2017)和DWTT撕裂剪切面积均增大,而韧脆转变温度也随之降低。重新定义的有效晶粒晶界可以强烈阻碍解理断裂扩展,是断裂裂纹解理的有效组织单元。     

等离子喷涂Al_2O_3-13%TiO_2涂层组织和冲蚀性能的研究

利用大气等离子喷涂技术(APS)在Q235钢基体上制备微米级Al_2O_3-13%TiO_2涂层,研究不同电流下涂层组织形貌、成分、显微硬度、冲蚀性能。研究表明,电流在400A时涂层组织形貌较好,无明显裂纹,显微硬度达1 376 HV。电流增加或者减小都会降低涂层的显微硬度,且电流过高涂层裂纹增多。涂层以30°冲蚀角时主要表现为切削磨损,增加冲蚀角度冲蚀磨损会增大,脆性断裂现象会更明显。冲蚀角度为90°时冲蚀量最大,主要表现为脆性断裂。     

BT20钛合金表面电火花沉积WC涂层微观组织研究

以WC为电极,氩气为保护气,采用电火花沉积方法在BT20钛合金基体上制备了强化沉积层。利用SEM、EDS和XRD分析了沉积层的微观结构和物相,利用显微硬度计测试了沉积层截面的显微硬度。结果表明,沉积层主要由TiC、WC、W和W2C相组成,TiC是电极材料与基体材料反应形成新相,是沉积层的主要组成相;沉积层与基体结合致密,形成良好的冶金结合。沉积层表面呈"泼溅状"形貌,截面组织形貌中观察到纳米级微晶堆垛结构和少量的树枝晶,反映了电火花沉积过程的快速加热和冷凝机制。沉积层显微硬度呈梯度变化,涂层最大硬度是基体的3倍。     

放置角度对低碳微合金钢腐蚀行为的影响

研究了3种放置角度的低碳微合金钢在CO2腐蚀、盐雾腐蚀、海水腐蚀等3种腐蚀体系中的腐蚀行为。利用SEM、XRD对不同腐蚀环境中3种放置角度下形成的腐蚀产物膜的表面形貌、截面形貌以及物相结构进行了分析。结果表明,放置角度对低碳微合金钢在3种腐蚀体系中的腐蚀行为有显著影响,在CO2腐蚀体系中,90°放置试样腐蚀速率最大,180°放置试样腐蚀速率最小;在盐雾腐蚀体系中,0°放置试样腐蚀速率最大,180°放置试样腐蚀速率最小;在海水腐蚀体系中,0°和90°放置试样腐蚀速率相差不大,但明显大于180°放置试样的。不同放置角度的低碳微合金钢在同种腐蚀体系中产生的腐蚀产物膜的物相没有显著差别。     

AZ31镁合金的各向异性及断裂行为

研究织构和异常长大晶粒对热轧AZ31镁合金力学各向异性和断裂行为的影响.在拉伸轴与板材的法向方向分别呈0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°下进行单轴拉伸实验,观察不同角度下样品的拉伸各向异性.结果表明:由于{1012}孪晶的出现,在0°-30°时样品表现出较低的屈服强度;当角度大于45°时,样品的主要的变形机制为基面和柱面滑移;当角度低于60°时,宏观断口平行于大晶粒拉长的方向;在75°和90°时样品的宏观断口呈锯齿状.     

316不锈钢的冲蚀磨损性能研究

采用固体颗粒加气冲蚀实验装置对316不锈钢进行冲蚀实验,对18°、30°、45°、75°、90°不同冲击角度下不锈钢的质量损失和表面形貌进行分析。结果表明,冲击角度为30°时,316不锈钢的质量损失最大;冲击角度为90°时,316不锈钢质量损失最小。75°、90°下不锈钢表面出现冲击坑,18°、30°、45°下不锈钢表面出现较多犁沟,说明不同角度下有不同的磨损机理。在较大冲击角下,固体颗粒对不锈钢材料的破坏机理主要以凿压为主;较小冲击角下石英砂颗粒对不锈钢材料的破坏机理主要以犁削为主。     

激光熔覆WC/Ni粉末对冷作模具刃口修复的实验研究

目的 为实现冷冲模具凸模刃口的修复,研究了基体表面的倾斜角度对激光熔覆制备熔覆层质量的影响,寻找能够用于修复冲头刃口的最佳工艺方法,通过冲裁加工的数值模拟分析与实际冲裁,验证激光熔覆技术修复冷冲模具刃口的可行性。方法 在不同倾斜角度的Cr12MoV基材表面上,分别采用垂直于地面和垂直于基体表面两种熔覆方法制备WC/Ni熔覆层,通过熔覆层的截面形貌、结合质量变化以及硬度的分析,选取最佳的修复工艺。利用X 射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）,对比分析了基材表面倾斜角度变化对熔覆层截面组织形貌与物相组成的影响。根据熔覆层的平均硬度检测值以及被加工板料实测数据建立有限元仿真模型,利用磨损累计法对其求解,得出符合预期的使用寿命后,将修复冲头参与实际冲裁加工,验证激光修复冷冲模具的可行性以及有限元仿真模型的可靠性。结果 选择激光功率为1.2 kW,扫描速度为2 mm/s,送粉电压为8 V,离焦量（基体与熔覆头的直线距离）为12 mm,当基体的被熔覆表面相对于地面的倾斜角度不超过50°且与激光束形成的夹角不超过35°时,制备出的熔覆层质量较高。基体表面倾斜时,熔覆层的峰值点始终位于熔覆层中心区域,熔池最大深度值会向靠近激光头的一侧移动。采用垂直于地面和垂直于基体表面两种熔覆方式,在不同倾角的基材表面上制备得到熔覆层,其均由γ-Ni（Fe）、Fe6W6C、Fe2B、WC、W2C、Cr7C3、W2B等硬质相和复杂的间隙化合物组成,基材表面倾斜角度的变化只对熔覆层组织结构的细化程度以及各元素的质量分数产生影响。结论 使用激光熔覆技术搭配合适的修复工艺,不仅可以有效地修复磨损失效后的冷冲模具,还能起到局部改性的作用,熔覆过程中生成的碳化物等硬质相对修复区域硬度的提高起到了主要作用。修复后的冲头的平均使用寿命为5283次/支,与有限元寿命预测的仿真结果5600次/支基本吻合,进一步验证了有限元仿真模型的准确性。     

基于几何方法的焊缝倾斜裂纹TOFD定量检测

针对合金钢对接焊缝中倾斜裂纹定量困难的问题,提出了TOFD(超声衍射时差法)定量检测倾斜裂纹的方法。基于焊缝纵断面方向上两次B扫查间隔、两次B扫查过程中声程最短时编码器移动距离差和倾斜裂纹三者所构成的三角形,利用三者之间几何关系实现裂纹倾斜角度与长度定量。模拟结果表明:对长度5,10,60mm,倾斜角度范围为10°~90°的裂纹进行定量验证,角度定量误差小于1°;长度定量相对误差小于5%。试验针对对接焊缝试块中长度60mm,倾斜角度范围为30°~60°的倾斜裂纹应用此方法进行定量验证,可得裂纹角度定量误差最大值为0.29°;长度定量误差最大值为0.94mm。