激光熔覆原位Ti-C-B-Al复合涂层的结构特征与力学性能

以钛粉、铝粉和碳化硼粉末为原料,采用同步同轴激光熔覆系统在Ti6Al4V钛合金表面制备含原位自生TiC、TiB以及TiAl金属间化合物增强钛基的Ti-C-B-Al复合涂层,研究了复合涂层的显微组织、物相构成、显微硬度和微纳米力学性能。结果表明,三种粉末在高能激光束的作用下充分反应并生成了TiC、TiB以及TiAl金属间化合物增强相。复合涂层表面光滑,涂层内部无气孔及裂纹,与基体间形成了良好的冶金结合,增强相在涂层内分布均匀,相比于基体,熔覆涂层具有较优的力学性能。涂层硬度在460HV_(0.3)~510HV_(0.3)之间,同时涂层的纳米力学性能与显微硬度具有较好的对应关系,其中当m(Ti)∶m(Al)∶m(B_(4)C)=84∶12∶4时,制得的涂层具有较优的力学性能。

铣削减材工艺对激光熔覆增材Fe45合金表面质量的影响研究

针对激光熔覆增材再制造Fe45合金表面质量差,不能满足精密机械零部件的功能和装配要求,对激光熔覆层进行铣削减材加工。文章研究了铣削减材工艺对铣削力、表面粗糙度以及微观形貌的影响规律,采用正交试验方法进行了铣削减材试验。通过方差和极差分析方法,评价了主轴转速S、进给速度F、切削深度ap对熔覆成型件铣削力和表面粗糙度的影响规律;从微观角度分析了铣削减材工艺对表面形貌和切屑的影响。结果表明,铣削减材工艺参数对成型表面质量影响较大,其中对铣削力影响最大的是铣削深度,对表面粗糙度影响最显著的是进给速度;Fe45激光增材成型件经过铣削加工后,表面粗糙度Ra由13.68μm最低可降至1.7μm,降低了87.6%。由实验可知,铣削减材工艺能够大幅提高激光熔覆增材再制造Fe45合金表面质量,对激光熔覆涂层机械加工具有指导意义。

阀芯零件激光再制造工艺方法及试验研究

为了实现损伤阀芯零件的高质量修复,提出了一种基于几何重构与路径位姿规划的阀芯再制造工艺方法。引入再制造边界预制原则对阀芯损伤部位进行预处理设计并制定其实施步骤,基于NURBS理论实现了再制造边界曲面及待修复阀芯模型的高精度重构;采用等距截平面法生成再制造工艺路径,根据直线逼近和误差控制原理计算了各插补点坐标,并将光斑面积与插补点姿态相结合确定激光喷头动态位姿;运用ABB机器人系统进行路径与位姿校验并导出代码进行了阀芯再制造实践。结果表明:所提方法中规划路径及位姿能够有效跟随阀芯再制造边界曲面进行熔覆,形成了无气孔、无裂纹的致密涂层,涂层晶粒尺寸和平均硬度分别为14~54μm和573.6HV0.5±51.8HV0.5,耐冲蚀腐蚀性能提高了30.8%,满足阀芯再制造要求。

基于PSO-BP-GA混合算法的激光熔覆工艺多目标优化

目的为了提高镍基高温合金熔覆涂层的综合质量,提出了一种基于PSO-BP-GA混合算法的激光熔覆工艺优化方法。方法选取工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速率)为优化变量、熔覆层质量(稀释率、显微硬度、热影响区深度)为优化目标,根据正交试验结果建立PSO-BP神经网络预测模型,采用线性加权法和层次分析法建立熔覆层质量的综合评价体系,结合GA算法探寻综合质量最优的工艺参数组合。结果PSO-BP神经网络模型预测值与试验值之间的相对误差不超过6%,最优工艺参数组合如下:激光功率为2158 W、扫描速度为10.4 mm/s、送粉速率为2.9 r/min,其熔覆层稀释率降低了70.4%、显微硬度增大了25.4%、热影响区深度减少了41.8%。结论该算法为制备出高性能镍基高温合金熔覆涂层提供了一定的参考与借鉴。

响应面法与粒子群算法集成的激光熔覆工艺参数优化方法

为制备高质量的熔覆层,保证再制造机械零部件再服役寿命,提出了一种响应面法与粒子群算法集成的激光熔覆工艺参数优化方法。该方法以熔覆层质量为优化目标,以工艺参数为优化变量,基于实验结果构建工艺参数与熔覆层质量间的响应面近似数学模型,使用粒子群算法对优化问题进行求解得到最优工艺参数组合。最后通过激光多道熔覆实验进行验证,结果表明该方法优化后的工艺参数能够有效改善熔覆层质量,进而节约实验成本、提高生产效率。

基于PCA与RSM-DE算法的激光熔覆参数多目标优化

为获得激光熔覆Inconel 718粉末在Q690高强钢板上的最优熔覆工艺参数,设计响应曲面法中的BBD(Box-Benhnken Design)试验设计模型.构建输入变量(激光功率、扫描速度、送粉速率)与响应值(稀释率、热影响区深度、显微硬度)之间的数学模型,通过主成分分析法建立熔覆层综合评价指标,利用差分进化算法进行寻优,确定最优工艺参数.采用最优工艺参数进行试验验证,对其最优工艺参数下试件的宏观形貌与组织形态进行观察与分析,并与优选出的试件进行响应值比较.结果表明,最优工艺参数为激光功率1800 W、扫描速度28 mm/s、送粉速率1.9 r/min,该参数下获得的热影响区深度为294μm,稀释率为14.2%,显微硬度为276.6 HV0.5.最优工艺参数下的试件热影响区深度减小了6.8%,稀释率降低了24.7%,显微硬度增大了21.7%,且最优试件中的组织形态为较小的树枝晶与少量的胞状晶.

感应熔覆原位自生TiC增强钛基复合涂层的纳米力学性能

为揭示感应熔覆原位TiC/Ti复合涂层微观结构与力学性能的对应关系,利用单一纳米压痕测试方法研究涂层内不同相结构的纳米力学性能变化规律,利用点阵压痕测试方法研究涂层微区结构的力学性能。单一压痕结果显示原位TiC增强相的纳米压痕硬度和弹性模量分别为21.3 GPa和275 GPa,富α-Ti与富β-Ti区域的基质相平均纳米硬度分别为4 GPa和6 GPa,平均弹性模量分别为130 GPa和155 GPa。点阵压痕与单一压痕测试结果之间具有较好的对应关系,对点阵纳米压痕测试结果进行三峰高斯拟合得到的最小峰值代表了涂层基质相的力学性能,中间峰值反映涂层的综合力学性能,最大峰值因受增强体尺寸与压痕位置的影响低于原位TiC增强体的真实力学性能。在考虑涂层微观结构与增强体尺寸的情况下,通过合理设置点阵压痕测试条件,选择适当的测试区域,可以在获得原位钛基复合涂层不同相结构真实力学性能的同时,揭示涂层的综合性能。

送粉速率对IN718熔覆涂层拉伸性能的影响

采用单因素变量法,保持扫描速度22 mm/s、激光功率1800 W和光斑直径φ2 mm,研究送粉速率分别在18、20、22 g·min^(-1)条件下IN718熔覆涂层截面形貌、显微组织、拉伸性能及其断口特征。结果表明:随着送粉速率的增加,熔覆层的组织晶粒尺寸先减小后增大。送粉速率20 g·min^(-1)时,熔覆层中部、下部组织由具有方向性的小尺寸(30μm以下)柱状晶和树枝晶构成,此时制备试件的拉伸性能最优,其屈服强度与基材相近、抗拉强度高于基材,两个强度值分别为(1047±45)MPa和(1245±54)MPa,而杨氏模量、伸长率依次为(185±3)GPa、(7.1±0.3)%,拉伸断口呈韧性断裂特征,具有较好的塑性。

切割速度对6061铝合金薄板激光切割温度场的影响

为了揭示切割速度对6061铝合金薄板激光切割过程中温度场的分布及工艺规律,利用有限元软件对2 mm厚铝合金薄板在不同激光切割速度下的温度场进行数值模拟,并通过实验对仿真结果进行验证。仿真结果表明:当激光切割速度为80 mm/s时,工件的热影响区宽且熔深大,切缝处较宽范围内的材料均已达到熔点温度,随着切割速度增大,热影响区宽度、切缝处材料熔化量及熔深均逐渐减小。当切割速度为120 mm/s时,工件的熔深刚好达到材料的厚度。实验结果表明,当切割速度过低时,切缝处材料熔化量过多,在底部形成较厚的挂渣,随着切割速度增大切缝质量得到有效改善,但切割速度过大则会导致切缝处材料熔化量减小,粗糙度增大,切割速度为120 mm/s时,切缝质量最好。实验结果与仿真结果一致性较好,证明了仿真结果的准确性。

离心压缩机再制造叶轮结构特征三维建模方法及应用

再制造叶轮是再制造离心压缩机的核心功能部件,具有结构特殊、转速高、载荷复杂等特点。其特征三维建模是后续有限元分析、服役载荷求解、再服役安全验证、再制造工艺优化等问题求解的基础和载体,但目前叶轮原有三维模型常常缺失或者已有三维模型无法反映叶轮再制造特征,不能直接用于再制造叶轮的仿真分析。针对该问题基于结构特征测量点和NURBS曲线曲面理论提出离心压缩机再制造叶轮结构特征重构方法。应用研究中,采用该方法建立某型号离心压缩机再制造叶轮三维模型,并对其进行几何质量分析。分析表明:重构的再制造叶轮误差小(1×10-4 mm),且光顺性好,所建再制造叶轮三维模型与叶轮实物几何特征、再制造修复工艺相符合。研究结果可为再制造叶轮的二次服役载荷求解、再制造工艺残余应力分析、再服役寿命预估等方面提供基础信息。

基于啮合理论的双导程ZN型蜗杆副精确建模

蜗杆副精确建模是蜗杆副计算机辅助分析的重要环节,所建模型精度直接影响后续CAE分析的准确性。针对这一问题,提出一种基于啮合理论的双导程ZN型蜗杆副精确建模方法。首先分析双导程ZN型蜗杆副加工成形原理及特点,给出该蜗杆副几何特征的数学方程,再通过NURBS曲面插值建立蜗杆副工作齿面及边界曲面,最后由曲面修剪缝合生成双导程ZN型蜗杆副实体模型。工作齿面偏差分析表明,采用该方法所建立的双导程ZN蜗杆副模型偏差极小,能满足后续计算机辅助分析的要求,为蜗轮类复杂结构设计提供一种新思路。

工艺参数对304薄钢板激光焊接变形的影响

为了获得工艺参数对0.4 mm厚304不锈钢薄板激光焊接变形的影响规律,利用Nd∶YAG脉冲激光焊接系统对不锈钢板进行对接焊试验,采用单因素试验法分析离焦量、脉宽、电流和焊接速度对薄板焊接形貌和变形的影响,在单因素试验基础上进行四因素三水平的多因素正交试验,利用极差分析确定出各工艺参数对焊接变形影响的主次顺序以及最优工艺参数组合。结果表明,该薄钢板激光焊接的工艺参数范围较窄,其有效范围是离焦量-3^-1 mm、脉宽2.2~2.4 ms、电流170~175 A和扫描速度300~400 mm/min;各工艺参数对该板激光焊接变形影响的显著顺序是离焦量>焊接速度>脉宽>电流,最优工艺参数是离焦量-3mm、电流172.5 A、脉宽2.2 ms、扫描速度300 mm/min;以最优工艺参数进行激光焊接,最大纵向变形量和横向角变形量分别为3.3132 mm和0.1123 mm。

铣刀盘激光熔覆修复过程的温度场与应力场有限元仿真

为了判定铣刀盘激光熔覆修复过程是否会发生热致应力开裂的问题,对铣刀盘激光熔覆修复过程的三维温度场和应力场进行模拟。根据铣刀盘损伤特征建立铣刀盘的三维修复模型,利用结构化网格划分方法构建修复后的铣刀盘分析模型及边界,将单元生死技术和ANSYS APDL自编程序相结合,重现铣刀盘激光熔覆修复成形过程。研究表明,大温度梯度和几何约束限制使刀盘修复部位产生高的残余应力,最大值为384MPa。实际应用表明,铣刀盘修复后未产生开裂缺陷,修复效果良好,验证了仿真的正确性。

损伤轴面激光熔覆修复残余应力测量及分析

残余应力直接影响激光熔覆修复机械零件的结构强度和安全性能,为了掌握损伤轴面激光熔覆修复后的残余应力分布情况,以40Cr钢零件轴为基材,Ni60自熔合金粉末为熔覆材料,采用脉冲激光熔覆工艺制备零件轴表面修复试件,利用盲孔法对零件轴修复试件进行残余应力分布特性分析。结果表明,在轴面激光熔覆的镍基合金修复层中产生了不可忽略的残余拉应力,高应力区位于熔覆层始末两道上;轴线方向检测点上X方向残余应力呈"M"形分布,Y方向残余应力呈"Λ"形分布,σx值较高,接近基材屈服强度的45. 9%,而圆周方向检测点的X方向和Y方向残余应力相对稳定,最大拉应力约为200 MPa;激光扫描路径对轴面熔覆层的残余应力值的影响大、分布形状的影响小,螺旋路径熔覆产生的残余应力值较低,更适合圆周面修复,但熔覆层始末两道边沿处的残余应力比中间部位高,有必要采取适当措施进行消应力处理,以获得优良的修复效果。

重载齿轮轴损伤轴面增材再制造过程的瞬态热分析

重载齿轮轴的激光再制造增材成形过程与复杂的热物理现象相伴,为了获得优良的工艺性能,对磨损轴面激光再制造过程的温度场动态演化行为及其规律进行研究。通过引入基于计算域虚拟规划算法的网格划分理论建立增材再制造齿轮轴的有限元模型(FEM);利用有限元参数化设计语言(ANSYS APDL)建立模拟熔覆层逐渐沉积的瞬态热分析模型。分析结果表明:熔池呈现偏置彗星状的类椭球形态,高温区域(最高2 018℃)分布在光斑中心靠后部位;温度沿深度方向迅速衰退且衰退规律相似,其峰值温度均超过材料熔点(1 440℃),温度沿宽度方向呈不对称的抛物线形;不同周向位置点均产生急冷、急热和滞后的现象。

装配对角接触球轴承接触特性影响分析

为了探索角接触球轴承装配过盈和轴向预紧对接触特性的影响及规律,基于赫兹接触理论及假设条件建立球轴承接触角、接触尺寸和接触应力的理论计算模型,以7206C型角接触球为对象构建有限元装配接触模型,确定配合过盈量和预紧量的加载及约束方案。通过有限元解析和理论计算获得装配体中角接触球轴承的接触区域形状、接触应力和接触角数值。结果表明:配合过盈使接触区域成圆形分布,且接触应力低、接触角略小于初值;轴向预紧使接触区扩大成扁长椭圆状且接触应力较高、接触角明显大于初值;综合装配预紧使接触形状、接触应力和接触角趋于稳定,轴承支承刚度提高。

复杂机械零件的六面体有限元网格生成方法

为了解决复杂机械零件有限元仿真效率与计算精度难以保证的问题,提出一种面向复杂外形机械零件的全六面体有限元网格生成方法。通过引入有限元网格误差估算理论对关注区域的误差特性及其导致因素进行分析;基于复杂外形机械零件的几何特征与物理特性建立模型关键区域识别准则,并研究模型计算域虚拟规划策略给出其算法及其实施步骤;以模型计算域虚拟规划为基础,提出了六面体网格生成算法与结果网格的质量评价准则。算例应用验证表明,该方法能将复杂机械零件进行全六面体有限元网格划分,生成的结果网格具有关键区域特征表达准确、全局网格分布合理且单元质量高等特点。

基于热喷涂的轴类零件再制造工艺及其残余应力分析

热喷涂技术是再制造工程的关键支撑技术之一,是实现损伤零部件表面尺寸快速恢复、性能大幅提升以及服役寿命延长的重要技术手段。热喷涂制备的涂层系统内过大的残余应力对再制造零件的质量和可靠性有着重要的影响。以某废旧滚齿机主轴为例,采用等离子喷涂技术对磨损的外锥面进行了修复,基于有限元法对涂层/基体系统在冷却过程中产生的残余应力及其分布情况进行了分析和预测,并用X射线衍射法检测验证了所建立的分析模型的合理性以及模拟结果的可信度。涂层系统残余应力的模拟结果和检测结果具有很好的一致性。

基于灰色关联分析与自适应混沌差分进化算法的激光熔覆工艺参数优化方法

多道搭接激光熔覆工艺具有复杂性与耦合性,熔覆层质量受到工艺参数的直接影响。为确定最佳的工艺参数,以45钢表面多道搭接激光熔覆M2合金粉末为例,针对工艺参数对熔覆层宽度、表面平整度和稀释率的影响,设计相应的中心复合实验;通过灰色关联分析(GRA)建立熔覆层质量综合评价度,将多目标优化问题转化为单目标,并采用响应面分析法建立其预测模型;为达到综合评价度最大,采用自适应混沌差分进化(ACDE)算法实现工艺参数寻优。实验结果表明了所提方法的有效性,采用优化后的工艺参数,可以获得理想的熔覆层宽度、表面平整度和稀释率,有助于提高熔覆层质量。

基于功能性理念的3D打印设备改进设计

为提升3D打印设备的质量和工艺、优化产品功能并降低打印成本,以光固化成型工艺及设备为研究对象,结合现代设计中的功能化理念,分析设备自身固有的机械特性及运动关系,建立了增材制造工艺过程中各功能之间的关系矩阵和液滴粘结模型;解决了打印工艺过程中的关键技术问题;设计了4点调平装置,提出三维模型高效分层处理方案,研制出低成本、普及化及高效率的3D打印设备,为现代产品造型工艺提供新思路和方法。