基于数字孪生的热处理智能化技术研究进展

为减少热处理智能化技术数据孤岛的状态,数字孪生的运用被广泛关注。数字孪生技术是智能化制造领域的先进智能技术,也是解决数据孤岛的重要方法之一。本文介绍了数字孪生技术与基于数字孪生的热处理研究现状。以车间数字孪生框架为基础,从物理车间、虚拟车间、车间服务系统、孪生数据4个方面介绍数字孪生的研究现状,分析了各部分中存在的主要问题。针对基于数字孪生为基础的热处理技术,结合传统热处理技术与特殊热处理的智能化研究进展,分析数字孪生技术在热处理中的应用与进展。

直接金属粉末激光烧结成形过程温度场模拟

在综合考虑热传导、热辐射及对流等热现象的基础上,初步建立了用于模拟激光烧结过程中传热行为的数学模型。根据Gusarov模型求得粉床的有效导热系数,表明导热系数与铺粉过程中粉末的堆垛方式以及烧结过程中的粘结率有关。在绝热边界条件和部分热物性参数恒定的合理简化下,利用解析法求解了热传导方程。利用FORTRAN语言编写了求解结果的运算程序,并对基模高斯激光近似作用下水雾化铁粉的烧结成形温度场进行了数值模拟,模拟结果较好地验证了实验结果。

铸态EV31A合金中稀土元素的分布及对显微组织和力学性能的影响

利用光学显微镜(Optical microscope,OM)、X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、能谱分析仪(Energy dispersive spectrometer,EDS)、透射电镜(Transmission electron microscope,TEM)和电子万能试验机等手段对传统砂型重力铸造方法制备的EV31A合金的显微组织和性能进行了深入研究。实验结果表明:铸态EV31A合金的显微组织由α-Mg和α-Mg+Mg_(41)(Nd_(0.9)Gd_(0.1))_(5)共晶相组成,由于稀土元素含量较少,共晶反应发生在α-Mg结晶后期,表现为除少量固溶于α-Mg基体中,含稀土元素的Mg_(41)(Nd_(0.9)Gd_(0.1))_(5)相主要分布在α-Mg的晶界处。Mg_(41)(Nd_(0.9)Gd_(0.1))_(5)相为bcc结构,晶格常数为0.285 nm,呈鱼骨状,尺寸在数十微米。合金中α-Mg基体的晶粒尺寸为56.8μm。EV31A铸态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为207 MPa、124 MPa和7.0%。合金具有优异力学性能主要归因于Zr元素所带来的细晶强化,Gd、Nd、Zr等溶质原子的固溶强化,共晶Mg_(41)(Nd_(0.9),Gd_(0.1))_(5)相所带来的第二相强化等多种强化方式的协同作用。

稀土在激光熔覆涂层中的分布和行为

用激光快速熔凝法研究了加入钢表层稀土的行为和分布。结果表明，因用激光处理含稀土的涂层能够使较多的稀土偏聚到钢的表层；偏聚到钢表层的过饱和稀土除与氧、硫作用外，还可固溶于晶内、晶界或晶界附近，甚至能形成金属间化合物ＲＥ２Ｆｅ１７；

稀土在激光熔覆涂层中的分布及其对腐蚀性能的影响

用激光快速熔凝法向金属表层加入稀土，结果表明激光处理能够把较多的稀土加入到钢的表层；钢表层中的过他和稀土除和氧、硫作用外，还可固溶于晶内、晶界或其附近，甚至能形成金属间化合物RE2Fe17；经过稀土和激光复合处理的表面具有较高的耐腐蚀性能。

多组元金属粉末选区激光烧结三维瞬态温度场模拟

利用Ansys有限元软件,建立了多组元金属粉末选区激光烧结过程中三维瞬态温度场计算模型。在考虑了相变潜热、辐射对流和随温度变化的热物性参数条件下,使用APDL参数化语言实现了高斯热源的施加和热源按一定速率的移动。通过该计算模型可掌握成形过程中烧结温度场随时间的变化规律,进而控制多组元金属粉末选区激光烧结成形机制,避免"球化"效应、翘曲变形等缺陷,为合理选取激光工艺参数提供理论依据。对Ni和Cu-10Sn多组元混合粉末进行了选区激光烧结实验,验证了模拟结果的正确性。

激光烧结制备藕状316不锈钢多孔材料的微孔结构特征

对含预合金316不锈钢和造孔剂(组分包括硼酸和氟硼酸钾)的混合粉末,进行了激光烧结制备藕状多孔材料的实验研究。利用扫描电镜分析了激光烧结试样的微观孔隙特征,并测定其孔隙率。结果表明,在较低的扫描速率下可获得孔径分布均匀、孔隙贯通性良好的藕状多孔结构;当扫描速率逐步提高时,孔隙生长方向沿扫描方向的倾斜趋势有所增强,而若扫描速率高于0.12m/s,试样内部藕状多孔结构出现紊乱,有序性降低。随扫描速率逐渐提高,试样孔隙率呈下降趋势。

材料疲劳恢复新途径的探索II—脉冲电流对Ti—6Al—4V合金裂纹扩展的阻滞

研究了大电流脉冲对 Ｔｉ—６ Ａｌ—４ Ｖ 合金疲劳裂纹扩展行为的影响， 结果表明， 在疲劳裂纹扩展后， 试样经大电流脉冲处理， 对疲劳裂纹的扩展有阻滞作用，

Al_2O_3陶瓷表面机械合金化制备铜涂层研究

采用机械合金化方法于Al2O3陶瓷表面制得Cu涂层,研究了不同球磨时间的工艺条件下,陶瓷表面金属涂层的微观组织形貌,并对机械合金化过程中陶瓷表面金属化的过程作了相关探讨。实验结果表明,在磨球撞击和摩擦的反复作用下,铜粉首先附着在陶瓷基体表面并填充表面的凹坑,然后在进一步球磨过程中冷焊到基体表面,最终在陶瓷表面形成Cu涂层;涂层与基体之间基本无扩散,结合机制主要为机械结合;适当延长球磨时间,有利于涂层厚度、致密度的增加。划痕法测试表明,涂层与陶瓷基体结合较为紧密且并无起翘剥落。

Ni-CuSn混合粉末选区激光烧结试验

通过对双组分M-CuSn混合粉末进行激光烧结试验,表明此组粉末体系成形机制是粉末半熔化状态下的液相烧结机制。详细讨论了激光工艺参数对成形机制及烧结质量的影响,结果表明,将激光功率和扫描速率控制在适宜的范围内,才可实现预期的成形机制,并获得较好的烧结质量。对烧结件显微组织分析表明,组分Ni和CuSn间存在较为明显的熔点差、及两者之间较高的固溶度,是保证液相烧结机制、获得较高烧结致密度的前提。

材料疲劳恢复新途径的探索Ⅰ──低碳钢疲劳寿命的延长

研究了低碳钢经大电流脉冲处理后改善疲劳性能的可能性结果表明：在循环载荷作用一定周次后，经大电流脉冲处理，可使低碳钢的疲劳性能得以改善。

单电流脉冲作用下的碳纤维石墨化

用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、透射电子显微镜（ＴＥＭ）等技术研究了ＰＡＮ基碳纤维在单电流脉冲作用下的结构变化。结果表明，在ｍｓ量级的单电流脉冲作用下，难石墨化的ＰＡＮ基碳纤维中的碳的乱层结构可转变成石墨结构，石墨化度为０．４８４。分析认为，用外场作用下的非晶态结构弛豫理论可以解释这种难石墨化碳的非平衡石墨化过程。

CuSn预合金对金属粉末选区激光烧结过程及烧结体质量的影响

研究了CuSn预合金对Cu基金属粉末和Ni基金属粉末选区激光烧结的影响。结果表明,对于Cu-CuSn-CuP和Ni-CuSn-CuP两类合金粉末,通过合理控制激光工艺参数(特别是激光功率和扫描速率),能顺利实现粉末烧结成形,且无明显的“球化”效应和翘曲变形。对于Cu-CuSn-CuP合金,由于结构金属Cu的熔点相对较低,在一定的工艺条件下,可以通过调整CuSn的配比,得到致密的显微组织均匀的烧结件;而对于Ni-CuSn-CuP合金,结构金属Ni的熔点相对较高,虽然也可以得到较为致密的烧结件,但其微观组织存在明显的不均匀性。

快速成形技术中材料成形性的研究进展

简要介绍了几种典型的快速成形技术的基本原理 ,分析了快速成形技术中材料的研究和应用现状 ,讨论了快速成形技术中材料的快速成形性问题 。

脉冲电流对金属材料的作用及其研究进展

综合评述了脉冲电流作用下的金属的凝固过程、金属的电致塑性效应、非晶结构变化和纳米晶化、金属材料的仿生恢复和愈合等方面的最近进展，着重介绍了脉冲电流在材料制备、加工和使用中的应用，同时提出了利用瞬态能量输入进行材料仿生复效处理这一新途径。

W与Cu合金瞬时液相连接分析

采用金属粉末67Cu-33Mn,67Cu-33Mn-5Ni(质量百分比)为中间层对W与Cu合金进行了瞬时液相连接,利用SEM、EDX分别对试样进行显微组织及成分分析,并探讨其连接机理。结果表明,中间层67Cu-33Mn-5Ni获得的接头比中间层67Cu-33Mn的显微组织更致密,结合性更好。分析认为,Ni的加入,提高了中间层溶质的扩散率,加速了液相的等温凝固;Ni还溶解一定量的W,形成Ni(W)固溶体。其连接机理是通过中间层Cu-Mn形成液相,与母材Cu实现瞬时液相连接;与母材W实现钎焊连接。

低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织

本文研究了在低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织,以探索纳米材料在表面工程领域中的应用。研究结果表明低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层熔区组织仍为钢基组织,但熔区的晶粒大小仅为0 .8μm～1.2 μm ,比不用纳米TiAl合金的熔区晶粒约小一个数量级;在熔区的最表层形成了一新的致密的薄层组织(约为1μm)。低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层中形成细小的晶粒组织和致密的氧化物可以显著地提高其力学性能(硬度)和耐腐蚀性能。

纳米WC/Co经激光烧结后的晶粒再细化

采用激光烧结技术对纳米WC/Co粉末进行了非平衡烧结的初步研究,通过X射线衍射分析和透射电镜显微分析(TEM),发现激光烧结不仅能够保持纳米WC/Co为纳米晶结构,还可望使纳米WC晶粒进一步细化.如原纳米尺寸平均为150 nm的WC/Co,经一定功率密度的激光烧结后(激光功率为1 000～1 600W,扫描速度为2～2.5 m/min),其晶粒平均尺寸变为30～45 nm.

机械合金化法制备碳钢管内壁NiCrAlY涂层及激光重熔

利用行星球磨原理,以NiCrAlY粉末为原料,采用机械合金化(MA)工艺在碳钢管状零件内壁制得NiCrAlY合金涂层,并利用CO2激光器对涂层进行激光重熔处理。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜分析(SEM)、能谱分析(EDS)及维氏硬度试验研究了激光重熔前后涂层的显微组织及性能变化。结果表明,在球磨转速为400 r/min,球磨时间为10 h的工艺条件下,在零件内表面形成结合性较好的涂层,其厚度约为40μm;激光重熔后,其组织结构更均匀致密。

多组分铜基合金粉末选区激光烧结的组织形成机制

对多组分铜基金属粉末(组分Cu、CuSn、CuP,质量比为55:35:10)进行了选区激光烧结试验,其中熔点较低的CuSn充当粘结金属,熔点较高的Cu充当结构金属,CuP则作为脱氧剂而改善润湿性。粉体激光烧结的主导成形机制为液相生成和颗粒重排。合理调控激光工艺参数(激光功率275～400 W,扫描速率0．03～0．06 m·s-1),以使粘结金属CuSn发生熔化,而结构金属Cu保持未熔状态。在保证粉末部分熔化的液相烧结机制的前提下,适当增加激光功率或减小扫描速率,有利于提高烧结致密度及组织均匀性。