面向燃料电池双极板的不锈钢表相掺杂耐蚀性高通量计算与分析

通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理高通量计算,筛选了可以提高不锈钢双极板钝化层在PEMFCs工作环境中的耐蚀性的掺杂元素.基于Cr_(2)O_(3)的(101-2)切面构建计算模型,对其进行了48种元素的掺杂替换,考虑228种掺杂构型.根据掺杂结构和位移能量、掺杂元素被分为4类,并采用不同的吸附、空位计算方案.根据不同掺杂类型采用不同的吸附、空位计算方案,计算了每种掺杂元素对功函数、F的吸附能和Cr/O的空位形成能的影响.计算结果显示,C、N、In、Ru对于不锈钢钝化层的各项耐蚀性参数提升效果较好;Au、Rh、Pt、Ir、Co、Ni也能较好地提升耐蚀性,但是存在成本高或者危害质子膜的问题;Ag、Cu、Sn、Ge可以抑制空位形成和F吸附,但会造成功函数下降;Zn可以提高功函数并抑制F吸附.此外,对于电子态密度的计算表明,掺杂原子与Cr原子形成的稳定键合是耐蚀性参数提升的重要因素.

脉冲电流作用下金属材料的相变行为

针对α+β钛合金和奥氏体不锈钢两种重要金属材料,开展了电、热处理及相变定量统计实验,定量分析了电流对其相变的作用规律,探讨了电流的微观作用机理。结果表明,电流对钛合金α→β相变起降低相变温度和加速相变过程的促进作用,对不锈钢马氏体相变起抑制作用。通过相变定量统计,探明了电流参数对相变的影响规律:钛合金α→β相变温度随电流密度增大而显著降低,但几乎不受电流占空比影响,相变速度随电流密度增大而提高;不锈钢马氏体相变随电流密度增大而显著减少。基于电流对空位、位错等缺陷的“电子风”和焦耳热效应,揭示了电流对钛合金扩散型α→β相变和不锈钢应变诱导马氏体相变形核及长大阶段的作用机理。

不同应力三轴度断裂的晶粒尺度效应及损伤建模

开展了不同晶粒尺寸及应力状态下的薄板拉伸实验,发现晶粒一致时断裂应变随应力三轴度的增加逐渐减小,针对剪切应力状态,晶粒尺寸增大导致断裂应变增大,并且晶粒尺寸过大会导致试样断裂形式改变;而针对单拉及平面应变状态,随晶粒尺寸增大,断裂应变减小。为描述尺度效应及应力状态影响,通过有限元仿真,利用考虑尺度效应的GTN-Thomason模型模拟了试样的变形过程,对比了实验与仿真的力-位移曲线,验证了模型在较高应力三轴度下的准确性,仿真结果表明,晶粒尺寸增大导致孔洞连接加快,应力三轴度增加有利于孔洞增长从而导致快速断裂。进一步地,在考虑尺度效应的GTN-Thomason模型基础上加入剪切因素影响,提高了损伤模型在较低应力状态下的预测精度。

钛板微成形断裂尺度效应及细观损伤准则

设计开展了钛薄板拉伸断裂的尺度效应试验,发现随着晶粒增大,延伸率、断裂极限应力均显著下降。通过扫描电镜对断面进行观测发现,随晶粒增大断面由典型密集韧窝断面向河流状解理断面转变。这是由于小晶粒条件下晶界密度高、位错在晶界处堆积对裂纹屏蔽作用显著,裂纹不易扩展;随晶粒增大,位错屏蔽作用减弱、裂纹更容易发生扩展,导致断裂应力及延伸极限降低,裂纹迅速扩展形成河流状断面。为描述钛薄板断裂尺度效应,考虑晶粒大小对位错屏蔽作用的影响,建立考虑该物理机制的损伤扩展失效准则,描述了晶粒增大、位错屏蔽作用减弱导致的损伤扩展加剧。通过与试验结果对比,发现该准则能够预测钛薄板断裂尺度效应并反映其细观机理。

超薄钛板微流道多工步成形研究

燃料电池超薄钛极板细密微流道的深宽比高、成形难度大,单步冲压成形工艺难以满足其精密制备要求。提出采用多工步成形方法提升微流道成形深度和精度,以实现超薄钛极板微流道制备。通过实验发现,单步成形流道极限深度为438.07(TD)和388.8μm(RD),极限深宽比为0.46。而通过设计两步成形,极限成形深度分别提升至657.30和640.33μm,极限深宽比达0.71。此外还分析了多步成形材料流动过程,讨论了多步成形的特点和规律。

高深宽比微流道辊压成形实验及参数优化

采用齿轮辊压成形薄板微流道结构,利用啮合原理实现微流道逐步弯曲成形,可实现高深宽比微流道成形。但成形中齿轮多种特征参数显著影响微流道成形减薄、失效,目前研究较少、难以指导工艺设计,限制了工艺的应用。因此本文结合微流道辊压成形实验与仿真,揭示了不同齿轮齿数、模数以及板厚、成形深度对减薄率的影响及原因,并提出了微流道辊压成形的成形深度-减薄率加权指标的响应面工艺参数优化方法。

面向按订单生产的工作流系统设计与应用

针对按订单生产企业中产品种类繁多带来的业务流程多变的问题,从产品的角度出发设计了一套适合多产品环境下工作流系统。采用GBOM技术建立产品信息模型,在此基础上提出了业务流程的规则表达,并建立了业务流程知识库。通过业务流程推理机的匹配算法,建立起产品与业务流程之间的对应关系,完成业务流程的自动建立。本系统被用于某车辆配件制造厂的产品数据管理系统中,应用实践表明该系统极大的提高了工作效率。