TC4表面镍基涂层的微观组织及高温抗变形性能

为研究TC4表面激光熔覆涂层的耐高温抗变形性能,采用激光熔覆技术,以GH4169镍基高温合金粉末为基粉,HfC、ZrC、TaC、NbC过渡族碳化物为增强相,在TC4基材上制备不同比例的镍基金属-多元陶瓷复合涂层,通过组织表征和性能测试系统研究了不同多元陶瓷粉末含量涂层的微观组织、涂层硬度和高温抗变形能力。研究结果表明:碳化物陶瓷增强相的添加使涂层微观组织细化,硬度得到提升,当陶瓷增强相添加量为15%时涂层硬度最高,是基材的2.54倍;随温度升高,纯镍基熔覆涂层内部枝晶组织发生了溶解和分离,并逐渐等轴化;添加15%陶瓷粉末的镍基熔覆涂层中出现了枝晶破碎情况,熔覆层中弥散分布的陶瓷增强相发生了聚集长大现象;在3种高温压缩试验温度(700、800、900℃)下,试件的最大等效应力和最大等效应变均出现在基材内部,相比于TC4试件,激光熔覆试件在涂层结合区产生应力突变,涂层的抗变形能力有所增强。

TC4表面激光熔覆硬质复合涂层组织与性能

TC4凭借比强度高、耐腐蚀性好、质量轻等一系列优点,被广泛应用于航空航天领域,但其摩擦系数大、耐磨性差等缺点极大地限制了其应用范围,针对TC4硬度低、耐磨性差等缺点,采用4 kW大功率Laser4000半导体激光器,选用过渡族难熔碳化物HfC、TaC和ZrC作为增强相,以H13钢基粉末作为基粉,利用激光熔覆技术在TC4表面制备了不同比例的钢基金属-陶瓷硬质涂层。之后利用扫描电镜(SEM)、EDS能谱仪、D/max-2500/PC型X射线衍射仪(XDR)等试验手段对不同比例涂层的宏观形貌、显微组织、物相组成和涂层元素分布等进行对比分析,利用Qness型号维氏显微硬度计测试涂层硬度并分析熔覆试样截面微观硬度变化规律,利用MMU-5G型端面摩擦磨损试验机研究了不同材料组分涂层的摩擦磨损性能,研究结果表明:试件熔覆层与基材形成了良好的冶金结合,熔覆层组织形态主要以枝晶组织以及块状组织为主,各熔覆层的主要物相中均含有TiC,随着三元陶瓷粉末含量的增加,MC的含量也随之增加,当碳化物混合粉末添加量为15%(质量分数)时,熔覆层中检测到Hf_(0.8)Ta_(0.2)Fe_(2)三元合金相。当三元陶瓷粉添含量为10%(质量分数)时,熔覆层晶粒最为细小,涂层平均硬度最高,平均硬度约为763.43 HV,是基材硬度的2.29倍,当三元陶瓷粉末含量为5%(质量分数)时涂层的耐磨性最好,相对耐磨性为25%。

激光合金化强化2Cr13叶片表面组织及性能研究

2Cr13不锈钢常被用作汽轮机叶片、风机叶片、透平机叶片等部件的原材料,由于其服役在恶劣的工作环境中,常常受到沙粒、炉尘颗粒等硬质相颗粒的冲蚀,表面易出现疲劳失效。针对此问题,采用Fe-Cr-Ni铁基粉末,依托激光合金化技术在2Cr13不锈钢表面制备铁基涂层,并尝试在Fe-Cr-Ni粉末中添加WC陶瓷硬质相,以期进一步提高试样的抗冲蚀性能。利用XRD物相检测、EDS元素分析、显微硬度对比、摩擦磨损、抗冲蚀等实验手段对合金化试样展开了微观组织和表面性能分析。研究结果表明:Fe-Cr-Ni涂层中主要物相由Fe-Ni固溶体、Fe-Cr固溶体、Ni-Cr-Fe元合金组成,Fe-Cr-Ni涂层显微硬度最大值可达530HV0.5,摩擦系数约为0.15,相对耐磨性为0.44;添加WC硬质相后涂层中晶体明显细化,涂层中新生成了碳化物Cr_(23)C_(6),并检测有WC硬质相的存在,硬度值最大值提高到590HV0.5,摩擦系数降低到0.13,相对耐磨性提高到0.62;Fe-Cr-Ni试样抗冲蚀能力较基材有所增强,添加WC硬质相后试样的抗冲蚀能力进一步提高,失重量呈近似直线的趋势。

含有裂纹的Al-Mg合金构件电磁热止裂

利用自行研制的ZL-2型超强脉冲电流发生装置对带有单边裂纹的Al-Mg合金试件进行电磁热止裂实验,并对放电前后裂纹尖端的微观组织进行对比分析;采用热-电-结构耦合的数值分析方法求得放电后试件的电流密度场、温度场及热应力场;从理论上计算放电后的电热应力强度因子。结果表明:放电电压对止裂效果存在最优值;在适当的强脉冲电流作用下,裂纹尖端在小范围内被瞬间强化加热,随后在极大的热压应力作用下快速冷却,组织发生明显变化,晶粒得到细化,并围绕裂纹尖端形成等值压缩热应力,对裂纹尖端有"夹紧"作用,进而阻止裂纹扩展。

金属模具电磁热裂纹止裂研究的新进展

综述了在理论分析、数值模拟和实验研究方面,关于利用电磁热效应实现金属模具裂纹止裂研究的最新进展,所得结论可以为工程实际问题的解决提供指导。采用复变函数方法,建立了金属模具电磁热效应空间裂纹止裂的理论分析模型,求解了通电瞬间裂尖附近的热源功率、温度场和热应力场;采用电、热和机械场三场顺次耦合的有限元分析方法建立了金属模具中平面、空间裂纹电磁热裂纹止裂的数值分析模型;采用自制的ZL-1型和改进型ZL-2超强脉冲电流发生装置实现了金属模具试件中电磁热裂纹止裂;研究了各种实际金属模具中裂纹电磁热止裂后的修复。为将电磁热裂纹止裂应用到金属模具裂纹止裂中进行了基础研究工作。

2Cr13焊接构件埋藏裂纹电磁热止裂及力学性能强化

选择2Cr13材料,通过对接焊方法在焊接接头处预制埋藏裂纹,采用超声波无损检测对埋藏裂纹位置及尺寸进行标定;采用热—电耦合焦耳热问题的数值分析方法,计算出放电瞬间焊接接头内圆形埋藏裂纹的温度场,并求得止裂后焊接接头内的残余应力场。通过ZL-2型超强脉冲放电装置对焊接接头进行电磁热止裂强化试验,对止裂前后埋藏裂纹裂尖附近微观组织进行分析,对比测试止裂前后试件的抗弯、拉伸等力学性能。研究结果表明:止裂瞬间,焊接接头中埋藏裂纹裂尖处温升超过金属熔点,裂尖熔化、钝化,达到阻止裂纹扩展的目的;同时,止裂后裂尖附近微观组织明显细化,出现强韧性均好的白亮组织,进一步阻止了裂纹的扩展;止裂后焊接接头抗弯强度提高18.0%,抗拉强度提高11.7%,断后伸长率提高34.6%。研究证实,脉冲放电实现了2Cr13焊接接头内埋藏裂纹止裂,并提高了焊接接头的力学性能。

45钢焊接接头电磁热强化及力学性能分析

焊接接头在焊接结构中属于薄弱环节,力学性能一般比母材差。选择45钢标准焊接拉伸试件,通过ZL 2型超强脉冲放电装置实现焊接接头电磁热强化;利用微机控制万能试验机进行了强化前后抗拉强度测试,对比分析了脉冲放电对45钢焊接结构焊缝力学性能的影响;并采用SEM进行了强化前后断口分析。结果表明,采用合适的脉冲电流强度,由于接头处电流的绕流热集中效应,焊接接头热影响区发生了超高速冲击淬火,生成了白亮组织,提高了强韧性,改善了焊接接头的力学性能,经过脉冲放电强化的焊接拉伸试件抗拉性能提高10%以上。

2A12铝合金试件中空间斜裂纹在线止裂及性能分析

选择带有空间斜裂纹的2A12铝合金试件进行了拉伸载荷作用下电磁热在线止裂研究。采用数值分析方法确定了止裂工艺参数,并求得了放电后试件内的温度场及热应力场;通过自制加载装置,应用ZL-2超强脉冲电流放电装置完成了空间裂纹在线止裂试验;对止裂前后的铝合金试件进行了微观组织分析和宏观力学性能测试。研究表明:脉冲放电瞬时,裂纹尖端熔化、钝化,并形成了高压应力区,提高了裂纹的扩展功,在一定的拉伸载荷下,试件也不会开裂,达到了裂纹在线止裂的目的。

含埋藏椭圆形裂纹的金属构件脉冲放电瞬间温度场分析

对带有椭圆埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的温度场进行了理论分析.在带有裂纹问题温度场的理论求解中,根据相似性原理,将电流通过带有椭圆面裂纹导体类比于流体流过障碍物的情形,从而引入了裂纹的边界条件,得到域内电流密度的分布,进而得到了放电瞬间埋藏椭圆裂纹尖端的温度场表达式,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础.

脉冲放电裂纹止裂处的热处理研究

对含有裂纹的金属构件进行脉冲放电止裂时 ,裂纹尖端由于电流的绕流热集中效应 ,在瞬间使裂尖熔化形成焊口。由于裂尖附近超快速加热和冷却 ,金属材料完成了一次超高速冲击淬火。采用数值模拟计算了脉冲放电超快速加热时裂纹尖端温度场、温度梯度场 ;通过脉冲放电止裂试验研究了裂尖超高速淬火全过程。通过对止裂后裂尖的金相组织观察和微观机理分析发现 :超细化的条状马氏体、极少量残留奥氏体和细颗粒碳化物的出现明显提高了裂纹尖端的硬度。

带有中间裂纹载流薄板放电瞬间耦合场的数值模拟

应用耦合场理论采用数值分析的方法计算了具有中间裂纹的导电薄板在放电瞬间裂纹尖端区域附近的温度场、温度梯度场的分布状态 .计算结果表明 :由于电流产生的焦耳热源的作用 ,裂纹尖端处温度瞬时急剧升高 ,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口 ,裂纹前缘的曲率半径增加了几个数量级 ,显著地减少了应力集中 ,阻止了干线裂纹源的形成 ,有效地遏制了裂纹的扩展 .数值模拟采用了热—电耦合的分析方法 ,考虑了材料电阻随温度变化和电流流过生成的内热源间的相互作用 ,同时考虑了导热系数和比热随温度变化所产生的影响 .对于具有中间裂纹的载流薄板 ,根据结构、材质、边界条件及通电电流的对称性 ,计算得到了两个裂纹尖端完全对称的结果 .

镍基碳化钨合金粉末激光熔覆工艺的研究

采用同步送粉方式在16Mn钢表面熔覆镍基碳化钨合金粉末。通过对不同激光熔覆工艺参数下的宏观形貌以及微观组织进行研究分析,较详细地探讨激光熔覆功率以及扫描速度对熔覆层熔覆质量的影响。通过对不同工艺参数下的熔覆层进行显微组织分析以及EDS能谱分析,对熔覆层微观组织种类﹑分布以及碳化钨硬质相组织分布不均匀性进行研究,总结出激光工艺参数对熔覆层的影响规律。最后得出镍基粉末+30%碳化钨(钴包WC)粉末在功率3.0 kW、熔覆速度1000 mm/min的工艺参数下为最佳熔覆效果。

轴对称金属模具电磁热裂纹止裂中热应力场的分析

为求解金属模具脉冲放电止裂瞬间裂纹尖端附近的热应力场,选择具有半埋藏环形裂纹的金属凹模为研究对象,采用复变函数方法求解了凹模内外环面均匀通入强脉冲电流放电止裂时的热应力场.理论分析结果证实:由于放电瞬间脉冲电流的绕流集中效应,使金属凹模内部环形裂纹尖端附近金属迅速升温,金属熔化形成堆焊,并由于瞬间温升产生热压应力场.研究结果表明:应用电磁热效应止裂技术可以减小裂纹尖端的应力集中,形成的热压应力场有效地阻止金属模具中干线裂纹源的开裂趋势,达到了裂纹止裂目的.

铝合金薄板中裂纹的电磁热效应局部跨越止裂

讨论了电磁热裂纹止裂时脉冲放电瞬间的电流、温度和热应力的耦合关系。通过自制的 ZL-1型强脉冲放电止裂装置进行了模拟实验研究 ;理论分析中采用了复变函数的研究方法给出了跨越止裂后裂纹尖端附近的温度值和热应力值 ;通过热 -电耦合和热 -机械耦合 2个过程对脉冲放电瞬间的电流 -温度 -热应力的演变进行了数值模拟 ,数值模拟的结果与理论分析和实验研究有较好的吻合。三方面的研究结果均表明 :通过电磁热效应局部跨越止裂可以使铝合金薄板中裂纹在裂纹尖端处很小的范围内熔化形成微小焊口 ,减小了裂纹尖端的应力集中 ,并在裂尖处形成压应力区 ,从而遏制了裂纹的扩展。该方法可应用于飞机机翼疲劳裂纹的止裂中。

带有半埋藏空间裂纹的Cr12构件电磁热止裂分析

对带有半埋藏环形裂纹的Cr12标准拉伸试件进行了电磁热止裂研究.通过ZL-2型放电装置实现了半埋藏空间裂纹的止裂实验,采用微机控制电子万能试验机完成了止裂前后试件拉伸性能测试,同时计算了电磁热止裂前后应力强度因子的变化;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电流绕流、温度场和热应力场的数值分析模型,通过热-电耦合和热-机械耦合两个过程得到了脉冲放电瞬间拉伸试件中的电流矢量场、温度场和热应力场.研究表明:脉冲电流放电瞬间,围绕裂纹尖端金属熔化,钝化了裂尖,并围绕裂尖形成了热压应力场,得到了超细化的金属组织,止裂后抗拉强度得到了提高,达到了止裂的目的.

T10钢金属模具中裂纹电磁热止裂的实验研究

自主设计了改进型ZL - 2超强脉冲电流发生装置 ,采用它对T1 0金属模具钢中裂纹进行脉冲放电止裂。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区 ,使裂纹尖端钝化 ,达到了止裂的目的。由于脉冲放电超快速加热和冷却 ,在裂纹尖端处实现了冲击淬火 ,得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织 ,同时围绕裂纹尖端形成了白亮层组织 ,提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性 ,实验结果验证了理论研究和数值模拟的结果 ,为将电磁热裂纹止裂技术应用到金属模具裂纹止裂中 ,进行了基础实验工艺的研究工作。

拉矫辊传热机理及激光熔覆强化

通过理论计算,得出连铸机拉矫辊辊子内外表面的温度分布;利用有限元软件建立二维拉矫辊有限元模型,采用ANSYS软件结合APDL编程实现动态热载荷的加载,解决连铸过程中旋转载荷的边界问题,从数值角度得到了拉矫辊的温度场分布。将理论结果与数值分析结果相比较,两者沿径向分布规律一致,呈对数曲线分布,最高温度存在一定差距,误差为6.06%,所得结果为正确分析辊子损伤机理奠定了基础;采用激光熔覆技术,在与辊子材料相同的试件表面涂覆Ni45合金粉末,熔覆层厚度为3mm。研究结果表明,激光熔覆技术可有效的对辊子表面进行改性,其硬度提高了近1倍。

电磁热效应裂纹止裂中绕流屏蔽效应的数值模拟

本文采用数值模拟方法研究了电磁热效应多裂纹止裂中的绕流屏蔽问题，在数值模拟中应用了热-电耦合(焦耳热问题)的分析方法。计算结果表明：由于裂纹的存在导致电流热集中效应，使裂尖处金属熔化形成焊口，遏制了裂纹的扩展；在多裂纹导体中通入相同电流时，多裂纹间的绕流屏蔽效应并不十分明显，裂尖的温度和温度梯度主要取决于裂纹的长度；随着裂纹长度的变化，裂纹尖端的温度场和温度梯度场均有很大的变化，本文给出了它们的定量分析结果。

含孔洞缺陷焊接接头放电强化及疲劳寿命分析

针对焊接接头中存在的孔洞等形式的缺陷,利用自制的ZL-2型超强脉冲放电装置对含孔洞缺陷的9Cr Si合金工具钢焊接接头进行了电磁热强化试验,并在自制的疲劳试验机上对放电前后焊接接头的疲劳寿命进行了对比分析,从理论上计算了含孔洞缺陷焊接接头放电瞬间的综合应力强度因子.结果表明,放电电压对疲劳寿命的影响存在最优值,在5.5 k V脉冲放电电压作用下,放电后的焊接接头平均疲劳寿命比放电前提高了10%以上,理论计算的电热应力强度因子为负值,削弱了裂纹扩展的驱动力,进而延长了试件的疲劳寿命.

电磁热效应止裂效果与裂纹走向关系的研究

采用理论、实验与数值分析的方法研究了在电磁热效应裂纹止裂中 ,由于裂纹走向不同导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同 ,并定量计算了它们的分布规律和差值。数值模拟计算应用了耦合场理论中热 电耦合 (焦耳热问题 )的分析方法。三方面的研究结果均表明 :在裂纹尖端处 ,由于电流产生的焦耳热源的作用 ,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口 ,遏制了裂纹的扩展 ;裂纹的走向是影响裂纹尖端温度场数值和温度梯度场变化即电磁热效应裂纹止裂效果的主要因素之一。