微磨料气射流加工技术研究现状与展望

微磨料射流加工技术是一种基于高能流体的磨粒冲蚀磨损加工技术,已广泛应用于难加工材料、复杂三维型面、光滑表面的加工。为进一步提高磨料射流加工过程中的精准控形控性能力,国内外学者开展了诸多基础加工理论与工艺探索等方面的研究工作。本文在概述磨料射流加工技术发展的基础上,全面总结了国内外学者在微磨料气射流加工(MAJM)技术中的微磨料气射流束发散效应及其抑制策略、材料力学性能对材料冲蚀去除模式的影响、材料冲蚀加工过程磨料嵌入抑制策略、微结构冲蚀加工几何特征等方面的主要研究成果,并对微磨料射流加工技术的难点与发展趋势进行了展望。

铜锌合金表面CeO_(2)颗粒掺杂微弧氧化复合膜层的制备及性能分析

目的提高铜锌合金的耐蚀性,对黄铜表面进行颗粒掺杂微弧氧化(MAO),研究纳米颗粒CeO_(2)对复合膜层性能的影响。方法以Na_(2)SiO_(3)·9H_(2)O、NaOH的混合溶液作为电解液,对铜锌合金进行微弧氧化,以膜层厚度和自腐蚀电流密度为评价指标,对氧化时间、正向电压、反向电压、占空比进行正交试验和极差分析,得到最佳微弧氧化电参数。将CeO_(2)添加到混合电解液中,以制备颗粒掺杂微弧氧化复合膜层。通过SEM、EDS、XRD、动电位极化曲线和电化学交流阻抗测试等手段,研究CeO_(2)纳米颗粒对膜层表面、横截面的微观形貌和成分组成及膜层表面的物相结构和耐蚀性能的影响。结果以自腐蚀电流密度为主要评价指标,兼顾膜层厚度,通过正交试验和极差分析,得到了铜锌合金微弧氧化最佳电参数组合,氧化时间为80 min,占空比为20%,正向电压为550 V,反向电压为5 V。未添加CeO_(2)的黄铜试件,微弧氧化膜层表面存在粗糙多孔的结构;掺杂纳米颗粒CeO_(2)后,复合膜层表面变得更为平整,表面粗糙度Ra值从3.883μm降至3.331μm,孔隙率也由颗粒掺杂前的35.11%降至32.98%。随着CeO_(2)颗粒的掺杂,膜层表面的C、O、Si、Ce元素增加,Cu、Zn元素下降,膜层表面的物相主要由CuO、ZnO、CeO_(2)和SiO_(2)组成。纳米颗粒CeO_(2)掺杂前后,膜层均与黄铜基体结合紧密,无明显裂缝。沿着膜层表面向基体方向,Cu和Zn元素含量短暂上升后保持平稳,而O和Si元素含量变化情况为先增加、后减小至消失。颗粒掺杂前,MAO膜层的自腐蚀电流密度J_(corr)为8.095×10^(-4)A/cm^(2),掺杂纳米颗粒CeO_(2)后,J_(corr)为7.402×10^(-5)A/cm^(2)。两者与黄铜基体的J_(corr)(1.236×10^(-2)A/cm^(2))相比,分别下降了2、3个数量级。结论对铜锌合金进行微弧氧化可以在合金表面制得多孔且有良好耐蚀性的陶瓷膜层。纳米颗粒CeO_(2)的掺杂,能够有效改善铜锌合金微弧氧化膜层的多孔结构,降低孔隙率,阻碍外界腐蚀离子的侵入,增强膜层的耐腐蚀性能。

钛合金疏水表面微坑阵列的掩膜电解加工仿真与分析

为改善钛合金疏水性能,获得较高的接触角,使用掩膜电解技术对钛合金进行了凹坑阵列表面微织构的加工。首先,建立微坑阵列掩膜电解加工的数学模型并进行多物理场耦合仿真;其次,分析掩膜电解加工参数对微坑阵列的作用,并借助润湿理论模型获得微坑阵列的固-液接触面积比;最后,以该面积比为因变量,以电解质质量分数、电解电压和掩膜尺寸为自变量,进行正交试验仿真和极差分析,获得最佳工艺参数组合。与仿真预测值相比,微坑阵列单元体直径、间距、深度、固-液接触面积比和表面接触角的测量值误差均小于8%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备了接触角约为140°的微坑阵列。

黄铜表面等离子体电解氧化膜层的制备及性能分析

为了提高黄铜的耐蚀性能,对其表面进行等离子体电解氧化,并分析Na_(2)SiO_(3)电解质浓度对氧化膜层性能的影响。调配以Na_(2)SiO_(3)·9H 2O,NaOH为主要成分的电解液,设置正向电压为520 V、正向电流1.4 A、脉冲频率2000 Hz、正负占空比20%,对黄铜试件进行80 min的等离子体电解氧化。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、表面粗糙度测量仪、涡流测厚仪、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、百格刀附着力测试仪、电化学工作站(动电位极化曲线),研究Na_(2)SiO_(3)浓度对氧化膜层的微观形貌、厚度、粗糙度、化学组分、结合力及耐蚀性能的影响。结果表明:膜层表面的化学组分是以Cu,Zn,O,Si等元素组成,并以金属氧化物和非晶二氧化硅的形式存在;随着Na_(2)SiO_(3)浓度的升高,膜层表面的微孔数量逐渐增多,孔洞尺寸和分布越来越均匀,膜层厚度先增大后减小,表面粗糙度值先减小后增大;然而过大的Na_(2)SiO_(3)浓度,等离子体电解氧化反应加剧,表面出现熔解现象,膜层质量不升反降。等离子体电解氧化能够有效提高黄铜的表面性能,当Na_(2)SiO_(3)浓度为8 g/L时,氧化膜层结合力和耐蚀性能最好,其自腐蚀电流密度与基体相比,下降了2个数量级。

掩膜电解微坑阵列对钛合金表面疏水性能的影响

为了提高钛合金表面的疏水性能,采用润湿理论模型与多物理场耦合仿真相结合的方法,建立接触角与掩膜电解加工工艺参数之间的直接映射关系,揭示微坑阵列掩膜电解加工对表面疏水性能的作用。建立接触角与微坑阵列几何尺寸间的表面疏水理论模型,对掩膜电解加工进行多物理场耦合仿真;理论模型与仿真结果相结合,获得了接触角与掩膜电解加工工艺参数之间的直接映射关系。此外,以表面接触角为因变量,以电解质质量分数、掩膜尺寸和电解电压为自变量,进行正交试验仿真和计算,获得了最佳工艺参数组合并进行试验验证。与仿真计算相比,试验测量得到的微坑阵列直径、间距、深度、表面接触角误差分别为2.49%、6.87%、7.40%、6.01%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备接触角约为141°的微坑阵列疏水表面。

水射流引导激光制造Inconel 718合金沟槽结构的研究

为了探究水射流引导激光(WJGL)技术在Inconel 718合金上制造沟槽结构的规律特征,在自行研发的水导激光设备上设计并进行了多组单因素实验,分析了水射流速度和激光能量密度对沟槽结构的深度、宽度以及毛刺尺寸的影响规律。实验结果表明,激光能量密度对沟槽结构尺寸的影响程度要高于水射流速度,在喷嘴孔径固定不变的条件下,激光能量密度和水射流速度对沟槽结构宽度的影响很小。采用孔径为0.5 mm的喷嘴,当水射流速度固定为60 m/s,激光功率密度为40 J/cm~2时,获得最大沟槽平均深度为523μm;当激光能量密度为10 J/cm~2时,获得最窄沟槽平均宽度为403μm;当激光能量密度为40 J/cm~2时,获得最小毛刺平均尺寸为54μm。根据理论分析得出,水导激光技术去除Inconel 718合金的机制是通过激光烧蚀并熔化材料,水射流将熔融物冲刷去除。

NiTi合金微弧氧化复合膜层的制备与性能

为了提高Ni Ti合金在人体中的耐蚀性,对其表面依次进行掺杂Zn O微粒的微弧氧化(MAO)和聚丙烯酰胺(PAM)溶胶凝胶封孔处理。通过场发射扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、表面粗糙度测量仪、涡流测厚仪、电化学工作站等手段考察了膜层的表面微观形貌、元素成分、粗糙度、厚度和电化学特性,并用拉开法测试了PAM膜层的附着力。结果表明,与NiTi合金基体、MAO膜层和掺杂Zn O的MAO(MAO-Zn O)膜层相比,MAO-Zn O/PAM复合膜层具有致密的微观组织,表面更平整(粗糙度Ra=0.565μm),内层和界面电荷转移电阻最大,耐蚀性突出,而且在潮湿状态下拥有一定的自修复能力。

基于响应曲面法的MQL辅助切削钛合金的工艺参数优化

为了提高切削质量,减少刀具磨损,采用响应曲面法对最小微量润滑辅助切削的主要工艺参数进行优化。以钛合金TC4为切削对象,把工件表面粗糙度和刀具磨损作为评价指标,采用Minitab设计切削速度、进给量、喷射压力三因素的Box-Behnken试验。利用方差和拟合残差概率分布分析三因素的显著性及交互作用,并结合试验检验所建表面粗糙度和刀具磨损二阶响应预测模型的有效性。响应曲面法优化后的最佳工艺参数为切削速度25 m/min、进给量0.103 mm/r、喷射压力0.1 MPa,此时得到的表面粗糙度和刀具磨损量分别为1.195、151.9μm,与预测值的误差分别为5.1%、2.91%。说明基于响应曲面法的微量润滑辅助切削钛合金表面粗糙度和刀具磨损量预测模型准确有效。

大气常压等离子体弧清洗反应动力学模型和参数的研究

针对大气常压等离子体弧清洗金属表面的工艺,从反应动力学角度提出了一种新的研究方法.通过分析金属表面大气常压等离子体弧清洗的基本原理和清洗界面随时间移动的显著特点,根据清洗界面上的能量平衡条件,建立清洗界面的运动控制方程.在此基础上,采用四阶RUNGE-KUTTA法求出不同热流密度下清除界面位移规律,间接求得不同时刻所对应的清除百分比,进而结合反应动力学理论建立相关反应动力学数学模型以及计算活化能和反应频率因子相应反应动力学参数.以清洗金属表面润滑油污为例,建立了反应动力学模型,并采用称重法对其进行实验验证.结果表明:该模型不同时刻关于油污去除百分比的预测值与实验测量值相吻合;此外,清洗率与清洗界面处的氛围温度密切相关,随氛围温度的升高而增加.过高的氛围温度容易对基体造成损伤,存在一个理想的氛围温度阈值,该值介于分解温度与基体损伤温度之间.

横向交变磁场作用下的等离子体弧特性分析

以外加横向交变磁场作用下的等离子体弧为研究对象,建立了等离子体弧摆动幅度和热流密度分布的数学模型.对横向交变磁约束下的等离子体弧射流特性进行理论研究,并分析工艺参数和励磁强度对横向交变磁约束等离子体弧形态和特性的影响规律.结果表明,横向交变磁场可有效控制等离子体弧形态和位置,等离子体弧在横向交变磁场作用下,分布范围增大、热流密度梯度减小.其摆动幅度随磁场强度的增加而增大,但过高的磁场强度会使等离子体弧变得不稳定;相同励磁强度下,气流量和弧电流越小、喷嘴到工件的距离越大,则摆动幅度越大;而工件表面的等离子体弧热流密度分布随励磁强度的增强趋于平坦化;相同励磁条件下,热流密度峰值随气体流量和弧电流的增大而增大、随喷嘴到工件距离的增大而减小.

金属基橡塑模具抗黏附表面制备的研究进展

如何降低橡塑模具与制品间的黏附力、构建具有抗黏附性能的表面是橡塑模具行业的发展重点和主要任务之一。对近年来国内外关于模具抗黏附性能研究的相关情况进行了综合评述,从表面粗糙度、表面功能层和表面微观结构等角度阐述了模具抗黏附表面制备的发展历程。重点讨论了激光/等离子体刻蚀法、阳极氧化法、电化学沉积法、化学/电化学腐蚀法、物理/化学沉积法、模板法、复合法等抗黏附表面制备的方法,同时对当前金属基体上制备抗黏附表面所面临的问题进行了分析,提出了未来该领域的研究方向和发展前景。

铝合金抗污自清洁表面的制备及性能分析

为了改善6061-T6铝合金的抗污和耐蚀性,利用喷丸、电化学氧化与氟硅烷修饰相结合的方法,在铝合金试件上构造出类荷叶表面所需的微/纳米双重复合结构,并进行抗污清洁表面的性能分析。通过喷丸处理在铝合金表面形成微米级凹坑结构,利用电化学氧化工艺制备出纳米级珊瑚状结构,对铝合金表面进行氟化处理,制备出具有微/纳米双重结构的抗污自清洁表面。最后,对铝合金抗污自清洁表面的表面形貌、表观接触角、表面黏着能、自清洁性和耐蚀性等主要性能进行分析。实验结果表明:喷丸和电化学氧化复合处理后,铝合金表面的最大接触角为153°,最小滚动角为5°,具有较好的抗污自清洁性能;表面硬度由原来的90HV提高至392HV,动电位极化曲线显示表面电流密度相比未处理前下降了2~3个数量级,表面耐磨性及耐腐蚀性能得到明显改善。

基于多物理环境顺序耦合法的联合弧特性分析

由于转移弧和非转移弧的并存以及电、磁、热、流等物理现象的复杂耦合作用,使得传统数值方法分析联合弧射流特性较为困难.依据磁流体动力学和电磁学理论建立联合型等离子体弧的三维数学模型,利用物理环境顺序耦合法对多场复杂耦合的联合弧进行有限元迭代计算,并分析工作电流、气体流量相关工艺参数对联合弧射流温度特性的影响.结果表明,联合型等离子体弧射流特性的仿真结果与检测结果基本相符,其分布规律以及同工艺参数间的关系有着自己显著的特点.

电化学机械复合加工实时压紧力控制的研究

分析了压紧力变化的原因以及对电化学机械复合加工的影响,在此基础上以Windows98为开发平台,以Delphi、VC、VTOOLSD为开发语言,以工控PC机作为控制系统的核心,开发了基于脉冲电化学机械复合加工的实时压紧力控制系统,使电化学作用和机械作用达到良好的匹配,从而有效地提高了加工效率和表面质量。

大气常压等离子弧清洗的能量耦合作用有限元分析

大气压等离子弧清洗是一种新型的表面预处理清洗技术,了解等离子弧与工件间的能量耦合作用是研究大气压等离子弧清洗技术的关键。通过建立有限元模型,并对分析结果进行回归计算,得到了界面清洗力和界面清洗温度的经验公式,进一步揭示了等离子弧功率,基板厚度和清洗速度等主要参数对能量耦合的影响,并对回归分析结果进行了验证。结果表明:等离子弧输出功率与清洗速度的相互作用对界面清洗力和界面温度影响最大,其中,等离子弧输出功率对界面清洁力和界面温度的影响最大,清洗速度次之,基板厚度对它们的影响最小。

电化学机械复合加工实时压紧力控制的研究

分析了压紧力变化的原因及其对电化学机械复合加工的影响 ,在此基础上以Win dows98为开发平台 ,以Delphi、VC、VTOOLSD为开发语言 ,以工控PC机作为控制系统的核心 ,开发了基于脉冲电化学机械复合加工的实时压紧力控制系统 ,使电化学作用和机械作用达到良好的匹配 ,从而有效地提高了加工效率和表面质量。

VxD技术在实时数据采集系统中的应用

通过探讨Windows系统下高精度定时的方法和分析VxD技术的特点,实现了基于工业控制计算机和Windows下的高速高精度数据采集,并给出了数据采集系统的程序框架.

VxD技术在实时数据采集系统中的应用

通过探讨W indow s系统下高精度定时的方法和分析VxD技术的特点,实现了基于工业控制计算机和W indow s下的高速高精度数据采集,并给出了数据采集系统的程序框架。

我国煤层气矿井中—长期抽采规模情景预测

基于情景分析,探讨了我国矿井煤层气抽采规模的中—长期发展趋势。约束我国矿井煤层气抽采规模进一步提高的情景要素包括原煤产量、抽采率和吨煤抽采量,其中提高抽采率是增大抽采规模的惟一途径,仍有极大的提升空间,但需要抽采工艺与技术的进一步创新予以支撑。基于我国矿井煤层气抽采水平现状,参考相关机构对我国中—长期煤炭生产与消费量预测成果及美国主要煤矿抽采率状况,将全国矿井煤层气平均抽采率设置为30%,40%,50%,60%和70%五种情景,全国原煤产量设计为低、中、高3种情景。模拟分析了15种交叉情景下全国矿井煤层气抽采规模的中—长期发展趋势,探讨了各类情景出现的可能性,认为未来4个五年计划末期全国矿井煤层气抽采规模的最有可能情景分别为162亿,223亿,244亿,198亿m3。其中,2025年之前抽采规模将会大幅度持续上升,然后可能趋于下降,"天花板"在245亿m3左右。

中国煤层气地面井中长期生产规模的情景预测

采用情景分析这一基本方法分析了影响煤层气产业发展的情景因素,认为中国煤层气产业发展规模呈国家需求与技术进步双要素单向增长趋势,存在较低规模、基准规模、跨越规模3类可能的基本情景。根据中国煤层气产业发展现状并参考美国煤层气产业发展历史,进一步筛选出单井产量、钻井总数、投产井比例3个关键要素,对今后20年期间中国煤层气地面井产量进行了情景设计和模拟分析。研究认为,在技术较大进步情景下,未来4个五年计划末期的全国地面井产量规模可能分别为113×108 m3、252×108 m3、452×108 m3和624×108 m3。这种情景的实现,需要在现有基础上进一步强化国家产业政策的扶持,提高煤层气井增产技术进步的速度,加大煤层气基地产能建设的力度。