超快速冷却条件下Ti微合金钢中纳米碳化物及其强化作用

具有较高强度的Ti微合金钢已广泛应用于国民经济及国防工业的各个领域.针对超快速冷却条件下(轧制冷却速度高达64℃/s)的Ti微合金钢,采用无损电解提取技术获得Ti微合金钢中的纳米碳化物.在此基础上,运用化学相分析、X射线小角散射及透射电镜综合分析纳米碳化物的物理化学特征,并考察其强化作用.结果表明:Ti微合金钢中存在大量纳米尺寸的FexC、TiC析出物,其平均粒度分别为76.06 nm和133.95 nm;同时,超快速冷却条件强化了FexC的析出行为,使得其析出强化增量达到243.8 MPa,而TiC的析出强化增量仅为63.1 MPa;然而,钢中每增加0.01%(质量分数)的TiC析出物(<40 nm)却可大幅贡献强化增量77.1 MPa,远高于Fe_xC析出物(<40 nm)的强化贡献量.因此,强化TiC的析出行为在提高钢屈服强度方面具有重要潜力.

熔融气化炉风口回旋区冶炼特征的数值模拟研究

相比于高炉风口喷吹富氧热风,熔融气化炉风口采用常温纯氧,使得炉内质量、动量、热量的传输以及煤气流分布等冶炼特征与高炉存在较大差异.通过建立熔融气化炉风口回旋区二维数学模型,系统考察熔融气化炉风口回旋区内速度分布、温度分布及气体组分分布的冶炼特征.结果表明:在气固相热交换及焦炭(或块煤形成的半焦)燃烧反应的综合作用下,熔融气化炉风口回旋区内气体温度迅速升高至3 500 K以上;此外,风口前端存在小规模的气体循环流动现象,故风口前端扩孔破损现象严重,进而导致非计划休风率较高;为减少此类休风现象,可适当额外喷吹富氢燃料性气体(天然气、焦炉煤气),不仅能降低风口回旋区内气体温度,更可替代部分固体燃料,并充分发挥其中H2的高温还原优势,提升熔融气化炉冶炼效率.

微合金钢中纳米碳化物分析方法

针对Ti微合金钢,分别采用直接减薄、萃取复型以及无损电解等方法分析钢中纳米碳化物,并将三者检测结果进行对比.研究结果表明:对于直接减薄样品而言,可获得纳米碳化物与基体的取向关系,并分析纳米碳化物的形成过程;而萃取复型和无损电解样品则可较为轻松的观察到直接减薄样品不易观察的微量MC型纳米碳化物(M3C/MC质量分数高达45).同时,由于直接减薄和萃取复型样品仅能观察某一平面的纳米碳化物,而无损电解可获得某一尺寸立方体内的纳米碳化物,故后者检测结果更具有代表性和可重复性.此外,无损电解提取纳米碳化物后,结合化学相分析、X射线小角散射等方法可获得纳米碳化物的物相组成和粒度分布特征,检测结果更为全面.

B对GH4169合金粉末制备及选区激光熔化工艺的影响

选区激光熔化(SLM)成形制品质量与合金粉末性能紧密相关。本文采用德国真空气雾化设备制备了B含量分别为0及0.005%的GH4169合金粉末,并采用国产SLM设备进行SLM成形,进而系统考察了B对GH4169合金粉末制备及SLM工艺的影响。研究结果表明:在相同粉末粒度范围条件下,GH4169合金粉末中加入0.005%B后,SLM成形制品孔洞减少,成形制品的密度及硬度均有提高;在保证SLM成形制品密度及硬度一定的条件下,B元素可将适用于SLM成形工艺的GH4169合金粉末粒度D(50)由26.33μm提高至37.34μm,此外,B元素可将上述两个粒度段的粉末真空气雾化收得率由9.3%大幅提高至20.8%,故加入0.005%B后,SLM工艺的可用合金粉末原料成本大幅降低55.3%。

Si对MCrAlY涂层高温性能的影响

本文开展了在1000℃和1050℃条件下CoCrAlSiY涂层高温抗氧化动力学研究,绘制了CoCrAlY、Si含量2%及5%CoCrAlSiY涂层的氧化动力学曲线,研究了300hr氧化试验后涂层氧化膜的构成、涂层组织和β相的分布,初步探讨了Si元素对改善涂层抗氧化性能的作用机理。研究结果表明:Si元素通过影响氧化膜结构及形成动力学条件、抑制了涂层的内氧化发生,对提高CoCrAlSiY涂层在1000℃以上的抗氧化性能作用显著;Si有在晶界处的富集和提高氧化膜应力的趋势,过高的Si的含量会加剧负面效应,对涂层高温抗氧化性能不利。

轧制水冷速度对Ti微合金钢中纳米碳化物及其强化作用的影响

析出强化对于Ti微合金钢的强韧化具有重要贡献.针对不同轧制水冷速度下的Ti微合金钢,在明确其显微结构的基础上,采用非水溶液无损电解提取技术获得Ti微合金钢中的纳米碳化物,并根据纳米碳化物的物相组成和粒度分布特征计算出析出强化增量.研究结果表明:Ti微合金钢中存在大量纳米尺寸的M_3C和MC类析出物,但较快的水冷速度抑制了二者的析出行为,使得二者占钢的质量分数逐渐减小;同时,水冷速度的提高可细化M_3C类析出物粒度,但MC类析出物粒度与水冷速度无明显关系;整体而言,尽管高水冷速度强化了M_3C类析出物强化效果,并相对弱化了MC类析出物强化效果,但仍不可忽视MC类析出物的强化贡献.

激光能量密度对选区激光熔化(SLM)制品性能的影响及其机理研究

选区激光熔化(SLM)影响制品性能的工艺参数包括激光功率、扫描速度等,上述因素可统一为激光能量密度(Laser Energy Density,LED)表示,激光能量密度的大小直接决定粉末的熔化状态,并最终影响SLM制品的性能。本文采用真空气雾化制备的GH4169粉末作为原料,设计了激光能量密度不同的对比实验,探讨了激光能量密度对于SLM制品的影响;建立了激光能量输入熔化粉末的计算关系,通过理论计算进一步研究了激光能量密度变化对制品产生影响的机理。研究结果表明:激光能量密度对于SLM成形制品存在影响,对于同种粉末,在一定参数范围内,激光能量密度越大的制品,其密度及硬度相对更高,而对于参数不同,激光能量密度相近的制品,粉末的熔化效果接近,密度及硬度水平相当;SLM工艺的主要影响因素为激光功率,扫描速度及粉末粒度,且激光功率对粉末熔化的影响相对较大,故对于相同成分及粒度粉末的SLM工艺参数优化而言,应当优先确定合适的激光功率,再调整扫描速度。

SiC颗粒对轧辊表面镀层应力影响的有限元分析

目前针对多颗粒复合镀层有限元模型的建立尚不准确。以轧辊的服役工况为背景,利用Python语言和ABAQUS软件建立试块底面带有SiC颗粒增强Ni基复合镀层的环-块滑动摩擦有限元模型,系统研究SiC颗粒含量和尺寸对涂层表面及涂层-基体界面峰值等效应力的影响规律。结果表明:当SiC颗粒含量为3 vol.%~9 vol.%时,涂层表面和涂层-基体界面峰值应力随颗粒含量的增大而增大,分别增大了78.01%和32.06%;当SiC颗粒含量为9 vol.%~15 vol.%时,随着颗粒含量的增大,涂层表面峰值应力呈下降趋势,降低了13.02%,而涂层-基体界面峰值应力基本保持不变;当SiC颗粒直径为0.8~1μm时,涂层表面及涂层-基体界面峰值应力随颗粒尺寸的减小而增大,分别增大了51.5%和32.6%;当SiC颗粒直径为0.3~0.8μm时,涂层表面及涂层-基体界面峰值应力基本保持不变。综合考虑轧辊表面镀层的性能需求以及实际复合电镀工艺,依据界面应力与镀层结合状态之间的关系,SiC颗粒含量以9 vol.%左右为宜,SiC颗粒直径以0.8μm左右为宜。所建立的多颗粒随机分布涂层基体的有限元模型更接近于实际复合镀层结构,研究结果可为复合镀层的设计与制备提供参考。

超高速激光熔覆技术研究现状及展望

超高速激光熔覆相较于传统激光熔覆具有熔覆层更薄、熔覆速度更快、稀释率更低等优势,是一种绿色高效的新型材料表面改性技术,在电镀铬绿色替代及其他关键部件表面改性领域具有广阔前景。本文从超高速激光熔覆技术的实现原理及独特优势、工艺参数与熔覆层宏观形貌及性能等的关系、熔覆层微观组织结构及性能机理、数值模拟情况等国内外研究现状进行了综述。并基于目前的研究现状,指出了当前存在的问题及对未来的发展趋势进行了展望。

汽油机活塞顶面镀层的设计与仿真研究

基于有限元软件ABAQUS建立了镀层-活塞的三维几何模型,采用顺序热力耦合的有限元分析法,系统研究了镀层厚度、弹性模量和导热系数对活塞-镀层界面峰值应力的影响。结果表明:当镀层厚度在100~200μm时,活塞-镀层界面峰值应力随镀层厚度的增大而增加,从163 MPa增加至212 MPa,增大了30.06%;当镀层弹性模量在200~600 GPa时,活塞-镀层界面峰值应力随镀层弹性模量的增大而增加,从104 MPa增加至175 MPa,增大了68.27%;当涂层导热系数在50~400 W·m^(-1)·K^(-1)时,活塞-镀层界面峰值应力随镀层导热系数的增大而基本保持不变,约为171 MPa。综合考虑活塞顶面的性能需求,依据界面峰值应力与镀层结合状态的演变机理并结合实际电镀工艺:镀层厚度以150μm左右为宜,弹性模量以SiC类复合镀层材料的400~600 GPa为宜。导热系数对薄涂层活塞应力场的影响十分有限。

喷吹焦炉煤气对COREX竖炉还原的影响研究

为降低COREX的固体燃料消耗,焦炉煤气(COG)作为一种清洁、高热值能源被引入到COREX炉中,以替代原有的循环冷却煤气。计算了不喷吹焦炉煤气、喷吹焦炉煤气以取消冷却煤气和喷吹焦炉煤气以取消冷却煤气和过剩煤气(完全取消煤气冷却)三种情况下入竖炉煤气的成分,并通过实验室模拟试验,对焦炉煤气中的甲烷在竖炉中的行为和含铁炉料还原情况进行研究。结果甲烷在竖炉中存在少量的分解,竖炉喷吹焦炉煤气会降低含铁炉料还原。

激光-TIG电弧复合热源熔覆Ni基合金组织与性能的研究

研究了半导体激光与TIG电弧复合热源在Q235基体上熔覆Ni60金属粉末熔覆层的宏观形貌、微观组织、显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。研究表明激光-TIG电弧复合热源熔覆中,引入电弧可以显著降低所需激光功率并得到与大功率激光熔覆层相近的宏观形貌,同时复合热源熔覆层具有较好边缘铺展性;复合热源中电弧功率不变,随着激光功率的增加,熔覆层中枝晶尺寸变大,同时Cr的析出物数量减少、尺寸增加且分布趋向不均匀,这导致熔覆层的显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性均降低。

激光熔覆FeCrNiMo-WC复合涂层的组织和性能研究

采用激光熔覆技术在40CrNiMo基体上制备了FeCrNiMo-WC复合熔覆层,熔覆层组织由奥氏体、马氏体、富含Mo的M 2C型碳化物、富含W的MC型碳化物以及未熔WC颗粒组成;熔覆层与基体的热物性参数匹配性较好,从室温至800℃,熔覆层和基体的比热容最大差距为3.7%;从室温至700℃,熔覆层和基体的热膨胀系数最大差距为11.54%;当温度超过700℃时,由于基体热膨胀系数迅速下降,二者的差距增大;800℃时熔覆层的导热系数是基体的101.16%。在室温干摩擦条件下,熔覆层和基体的磨损率分别为1.60×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)和3.97×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),平均摩擦因数分别为0.74和0.72;熔覆层通过“滚珠效应”可以有效减少黏着磨损。

铜铝/聚苯酯涂层500~700℃的长时氧化行为研究

铜铝/聚苯酯(CuAl/PHB)涂层是一种用于发动机气路封严的可磨耗涂层。以铜铝合金与铜铝/聚苯酯涂层为研究对象,采用试验与基于密度泛函理论的第一性原理计算相结合的方法,研究了不同Al元素含量、不同氧化温度和不同氧化时间对铜铝/聚苯酯涂层的影响,并表征不同温度下最高氧化时间达1000h的氧化产物,系统研究了合金与涂层的抗氧化性。结果表明,Cu7Al/PHB可磨耗封严涂层在620℃工况温度下可以达到抗氧化级(HB 5258-2000标准),但当温度达到650℃后抗氧化性已存在不足,建议应用于620℃以下的服役工况。

TiC含量对激光熔覆TiC增强双相不锈钢复合涂层性能的影响

采用激光熔覆技术在40 Cr Ni Mo基材上制备了TiC增强双相不锈钢复合熔覆层,熔覆层物相主要由奥氏体、马氏体、M_(7)C_(3)型碳化物和TiC组成。其中M_(7)C_(3)型碳化物主要包括Fe_(7)C_(3)、Cr_(7)C_(3)或者(Fe、Cr)_(7)C_(3)三种,TiC按尺寸可分为熔解后析出的微米级TiC以及粗大的未熔TiC颗粒。析出的TiC颗粒为方块状,随着TiC添加量增加,呈花瓣状长大。未熔TiC颗粒与基材形成了扩散界面,具有很好的界面结合性。当加入30 wt.%TiC时,熔覆层具有最好的耐磨性,硬度可达55.26 HRC,磨损体积为2.54×10^(-2)mm^(3),耐磨性是基材的3.37倍。

铝含量对封严涂层用铜铝骨架合金热性质影响的第一性原理计算

CuAl合金是重要的可磨耗封严涂层骨架材料,Al含量会对涂层的性能产生显著影响。为了明确不同Al含量对可磨耗封严涂层的热性能产生的影响,文章采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,使用特殊准随机结构对Al含量从0至18.750at.%的α相的铜铝二元合金进行了建模,并结合准谐近似方法研究了其弹性常数、熔点、热膨胀系数、比热容等性质。利用真空感应熔炼法制备了Al名义含量为11.0at.%、15.0 at.%、18.9 at.%三组不同组分的铜铝合金,对其熔点、热膨胀系数与比热容进行了实验表征。计算结果表明,随着Al含量的增加,CuAl无序固溶体的熔点呈下降趋势,CuAl合金的热膨胀系数呈升高趋势,CuAl合金的定压比热容先升高后降低,计算值与实验测量值符合良好。本工作可以为铜铝合金涂层成分设计提供一定理论与实验数据参考。

FeCrNiMo激光熔覆层组织与电化学腐蚀行为研究

目的研究所设计FeCrNiMo激光熔覆层的组织结构及电化学腐蚀行为,用于解决液压支架表面防护与修复问题。方法采用激光熔覆技术在27SiMn钢表面制备FeCrNiMo合金熔覆层,通过XRD、光学显微镜和SEM表征其微观组织结构,利用动电位极化与交流阻抗谱技术研究熔覆层电化学腐蚀行为。结果在适宜工艺条件下实现了单道熔覆层厚度达2 mm以上,且无明显气孔、裂纹等缺陷。熔覆层具有胞状枝晶组织特征,枝晶内为马氏体,晶间富Cr、Mo的铁素体有效缓解了马氏体相变的高应力,达到了较好的强韧化匹配。熔覆层在3.5%NaCl和0.5 mol/L H2SO4溶液中均呈现出明显的钝化行为,钝化区间宽度分别为300 mV和1310 mV,自腐蚀电位分别为–140.2 mV和2.3 mV,自腐蚀电流密度分别为5.0×10–8A/cm2和1.3×10–3A/cm2,极化电阻分别为3.5×105?·cm2和6261.4?·cm2,具有较为优异的耐腐蚀性能,且显著优于基体材料,但其双相组织特征易导致微区发生选择性腐蚀。结论所设计的FeCrNiMo合金及相应激光熔覆工艺,满足实际工程对于熔覆层高效制备、成形质量及耐蚀性的要求,可用于液压支架表面防护与修复。

基于双椭圆平面热源模型的FeCrNiMo激光熔覆热力耦合数值分析

针对煤矿液压支架和海洋平台立柱的表面防护与修复的工程需求,采用FeCrNiMo马氏体不锈钢粉末在27SiMn结构钢基体表面进行激光熔覆,以改善基体表面的耐磨、耐蚀综合性能。本文旨在研究激光能量密度对FeCrNiMo熔覆层的截面特征及其开裂倾向的影响,采用热力耦合有限元模拟方法,基于双椭圆平面热源模型,计算分析了FeCrNiMo不锈钢粉在27SiMn钢基板表面的激光熔覆过程中,在不同的激光输入能量密度条件下,熔覆层的温度场和应力场的演变过程。并采用相同工艺参数进行激光熔覆实验,通过稀释率(熔覆层横截面中,母材熔化的面积与整个熔覆层横截面积的百分比)和熔宽情况的对比,以验证模拟结果的可靠性。进而研究激光能量密度对熔覆层稀释率、熔宽及其开裂倾向的影响规律。熔覆层的稀释率、熔宽均随输入能量密度的增加而增大,当输入功率达到3000W,熔覆速度6mm/s时可获得较理想的稀释率和熔宽。而熔覆层边缘的应力随输入能量密度的增加而增大,其开裂倾向增大;而熔覆层中心线附近的应力随功率增大而有所降低。在激光熔覆过程中提高输入能量虽有利于增大熔宽,提高熔覆效率,但是同时增加了熔覆层的稀释率及其边缘开裂倾向。

超音速气雾化喷嘴的水流模拟实验研究

本文设计了一种超音速气雾化喷嘴,采用水代替金属熔体进行雾化模拟实验,使用高速摄影机拍摄所获得的雾化流场并进行分析。结果表明,水的雾化破碎过程遵循二次破碎理论,水流先产生扰动,发展为波状并破碎成条带,最后发生二次破碎形成细小的液滴。在流场的形状、结构上,水的雾化与使用Fluent软件模拟的结果一致,不同参数下的实验结果也与计算机模拟的结果相似,验证了计算机模拟结果的可靠性,计算机模拟的结果在一定程度上可以作为工业设计的参考。

基于回流区特性的气雾化喷嘴设计及流场结构模拟

本文设计了一种laval喷管结构雾化器,并利用CFD软件模拟研究了雾化气压P、雾化气体温度T、气体喷口孔心距D、气体喷射角度α以及导流管伸出长度d五大因素对流场结构的影响。结果表明:laval喷管雾化流场结构与狭缝喷嘴不同,气流喷出后不发生膨胀,不形成闭涡结构;随着P的增大,流场速度增加,区域扩大,回流区静态压力Ps不随P变化而变化;增加气体温度T可以提升流场速度和流场温度;气体喷口孔心距D会影响回流区压力和流场速度;增大气体喷射角度α可以提升流场速度,同时会导致回流区压力升高;随着导流管伸出长度d的增加,回流区静压先下降后升高。