大断面异形盾构同步注浆两阶段复合扩散机制及压力时空分布模式

异形盾构在隧道断面形式多样化发展的情势下越来越多地出现在地铁建设中,因其自身几何形状特性所对应的非常规盾尾间隙和复杂的浆液流动路径让注浆施工控制较为困难,长时间的拼装过程亦使得浆液压力重分布更难明晰。在分析盾构同步注浆充填运动特征和渗透扩散机理的基础上,通过考虑浆液的非预定填充轨迹、黏度时变性以及驱替/渗滤效应,建立更加符合实际情况的浆液填充与渗透复合扩散模型,推导浆液压力和时空扩散距离的理论计算式。由此统一注浆过程中浆液的填充扩散与渗透扩散两阶段,整合浆液压力的传递和消散过程,依托类矩形盾构工程实例获得压力沿管片的3D时空分布规律。研究表明:浆压的传递与消散对管片总的及单位面积受力均有显著影响,填充扩散的计算结果呈上小下大,重力主导的趋势,竖向梯度约为16kPa/m,压力曲线更加饱满,压力槽现象不太明显;该地层和参数条件下的渗透消散计算结果呈非线性变化特征,前期较快后期较慢,达到稳定时间更短,不透水层的形成使得最终浆压与静水压力的差值达到初始渗透压差的46%左右。文中提出的两阶段注浆扩散模型与现场实测结果更加接近,浆液压力分布的局部趋势、波动特征及消散规律与传统方法计算出的结果有显著区别,其能更好地说明浆液在异形空间中的运动方式及其向外扩散中的损失细节。该研究成果也能在传统圆形盾构隧道的建设中进行应用服务,并为精细化分析施工阶段的衬砌管片受力模式提供理论依据。

TA15/YG8复合管扩散复合工艺设计及其施压阶段的有限元模拟

目的以制备钛合金/硬质合金叠层复合管为目标,基于钛合金和硬质合金的性能特点,解决使异种管材相互靠近的载荷难以直接施加的问题,设计开发钛合金/硬质合金复合管的扩散复合工艺。方法借鉴颗粒介质成形的基本原理,提出一种钛合金管-硬质合金管扩散复合方法,并以TA15钛合金和YG8硬质合金为原材料,通过有限元模拟研究了管间间隙、固体颗粒的填充度、固体颗粒的尺寸和管坯长径比等工艺参数对扩散复合施压过程中TA15钛合金管/YG8硬质合金管界面上径向应力分布的影响。结果有限元模拟结果表明,本文设计提出的钛/硬质合金异质管制备工艺确实能将轴向压力转变为径向贴合力,并且可以通过调控下压量满足扩散复合的压力需求(最小径向应力大于10 MPa)。沿轴线方向,钛合金管与硬质合金管之间的径向应力呈不均匀分布,并且受到管间间隙、颗粒填充度、颗粒的尺寸、管坯长径比等参数的影响。管间装配精度越高、固体颗粒尺寸越小、固体颗粒的填充度越多,越有益于管坯之间的扩散复合。试验结果表明,TA15钛合金/YG8硬质合金复合管在不同部位皆实现了良好的冶金结合。结论设计开发了一种钛合金/硬质合金复合管扩散复合方法,制备出具有良好冶金结合界面的TA15钛合金/YG8硬质合金复合管。

钒/镍复合中间层扩散焊接钨与钢的界面结构及力学性能

通过添加钒/镍复合中间层,在1 050℃/10 MPa/1 h的工艺条件下,对钨/钢异种材料进行真空扩散焊接.采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、电子探针(EPMA)、纳米压痕、X射线衍射对接头的微观组织、元素分布及显微硬度进行分析和测试;对焊接接头的拉伸性能进行测试,并对拉伸断口的形貌特征,元素分布及物相组成进行分析.结果表明,采用钒/镍复合层可实现钨与钢的可靠焊接;钨/钢焊接接头界面区由钨-钒固溶体层、未反应的钒层、钒-镍界面层、未反应的镍层、镍-铁固溶体层五部分组成,其中钒-镍界面层结构为碳化钒层/钒-镍金属间化合物和碳化钒混合层/钒-镍金属间化合物层;钒/镍界面由于硬脆碳化物与金属间化合物的产生,具有最高的显微硬度,硬度高达9.7 GPa;接头强度达164 MPa,断裂点位于含脆性相碳化钒及钒-镍金属间化合物的钒/镍界面.

钛-钢扩散复合界面组织与结合强度

将钛管、钢管利用冷拔-内压扩散法制备了内包覆钛-钢复管。用扫描电镜、能谱分析、X-光衍射和拉剪试验等方法,研究了扩散退火温度与时间对钛-钢扩散复合界面附近组织、成分和界面剪切强度的影响。结果表明,该制备方法可使钛-钢实现冶金结合;界面剪切强度随扩散温度升高先增加后减小;750-800℃×0.5h扩散退火界面剪切强度最高,可达210MPa左右;扩散退火中Fe、Ti原子发生了互扩散;界面上有TiC形成:750℃×0.5h扩散退火试样断口未检测到TiFe、TiFe2相;900-950℃×0.5h扩散退火钢侧出现柱状晶区,钛侧出现无晶界晶区与针状马氏体晶区。

黄铜/钢扩散复合双金属界面组织与性能

用扫描电镜、能谱分析和压剪试验等方法,研究了扩散退火温度与时间对黄铜/钢扩散复合双金属界面附近组织、成分和界面结合强度的影响。结果表明,通过扩散复合可使黄铜/钢界面实现良好的冶金结合;在一定温度和时间范围内,随扩散温度和时间的增加界面结合面积增大,结合强度增加,可达220MPa;界面附近发生了原子的互扩散,界面上无有害相生成。

钛/铜中间层/钢扩散焊复合管界面组织与性能

以铜箔为中间层,采用拉拔—内压扩散法制备钛/钢复合管.利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X-光衍射仪和能谱仪对界面组织、断口形貌和成分进行分析,通过剪切试验测定界面的结合强度.结果表明,以铜箔作中间层,拉拔—内压扩散法实现了钛/钢的冶金结合;在钛/铜界面处发生了明显的原子扩散,并形成不同的扩散层;随着扩散温度和时间的增加扩散层的厚度逐渐增加;中间层的加入阻止了固相扩散中钛铁、钛碳脆性化合物生成;钛/钢界面的抗剪强度随着扩散温度的升高先增加后降低,铜层的加入使抗剪强度明显提高,最高可达310 MPa.

铜中间层钛-钢扩散复合界面组织与性能

利用真空扩散焊方法制备了铜中间层钛-钢焊接接头,并采用OM、SEM、EDS、显微硬度和拉伸试验方法,研究了铜中间层钛-钢扩散复合界面组织和性能。结果表明,Fe、Ti原子在界面处发生了互扩散,钛侧形成α-βTi+αTi或βTi+α-βTi+αTi组织,钢侧发生脱碳并形成柱状晶组织;拉伸强度随扩散温度升高呈现先增加后减小的趋势,950℃、30 min扩散试样拉伸强度最高,达到262 MPa;拉伸断口具有塑性断裂区与脆性断裂区特征,并在断口上检测出TiC相。

铜铝接头压接-扩散复合连接工艺及试验

采用压接-扩散复合连接能够实现T2铜/2A50铝合金异种金属的连接.这种焊接的工艺为先压接后在515℃扩散60 min,然后取出热压并再次扩散90 min.利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、导电率、抗拉强度等测试方法对T2铜/2A50铝合金接头进行研究.结果表明,在结合界面产生了脆性化合物CuA12,形成了大约2 mm的焊缝,在铜基体与焊缝之间生成了新相,形成了一条光亮带.接头的导电性能介于铜与铝合金之间,能够满足实际要求.

碳钢/不锈钢的瞬间液相扩散复合

用扫描电镜、能谱分析等方法,研究了H62黄铜为中间层的20钢/304不锈钢瞬间液相扩散复合后结合区的组织、成分与性能。结果表明:在950～1100℃扩散退火0.5～1h,20钢与304不锈钢可以获得良好的冶金结合;当温度较高,时间较长时,在界面附近的20钢一侧,因合金元素含量提高,淬透性提高,导致空冷形成高硬度的马氏体组织;Fe、Cr、Ni向H62黄铜中扩散富集,形成高硬度的岛状组织。

铁中间层钛-钢扩散复合界面组织与性能

利用真空扩散焊方法制备了铁中间层钛-钢扩散焊接头,并采用OM、SEM、EDS、XRD、显微硬度和拉伸试验方法,研究了铁中间层钛-钢扩散复合界面组织和性能。结果表明,在900～1050℃、30 min扩散条件下,Fe、Ti原子在界面处发生了互扩散;钛侧形成βTi+α-βTi+αTi组织,钢侧发生脱碳,铁中间层形成柱状晶组织;拉伸强度随扩散温度升高呈现先增加后减小的趋势,900℃、30 min扩散试样拉伸强度最高,达到260 MPa;拉伸断口具有粗糙断裂区、脆性断裂区及二次断裂区特征,并在断口上检测出TiC、FeTi和Fe2Ti相。

四对对称源汇复合温度扩散的实验研究和数值模拟

采用模型实验和数值模拟相结合的方法,研究了不同通风量下不同温度和流量的热射流的温度扩散规律。提出了适用于评价通风方式对控制区域内最高温度的影响的指标———基于热源的温度效率,并探讨了复合温度扩散反问题。

铜/铝合金冷压-扩散复合焊接接头的显微组织

用冷压-扩散复合连接技术焊接T2铜与2A50铝合金,用SEM、EDS、XRD等方法对焊接接头进行了分析。结果表明:T2铜与2A50铝合金经200 MPa冷压+(515~525)℃×90 min热扩散和100 MPa热压+(515~525)℃×90 min扩散后,能在结合界面形成2 mm的异种金属焊缝;焊缝中铜的质量分数为56.91%,铝为43.09%;焊缝中CuAl2质量分数为56.4%,明显高于2A50铝合金的(7.6%);焊缝中没有单质铜。

温度对Ni/Nb/Ni复合中间层连接YG20和42CrMo钢扩散层微观组织和抗拉强度的影响

以Ni/Nb/Ni作为复合中间层,采用固态真空扩散法分别于1150℃和1200℃下保温1 h连接YG20和42CrMo钢。利用扫描电镜、能谱仪、X射线微区衍射仪及力学试验机,对不同温度下的扩散层微观组织结构和抗拉强度进行了分析。试验结果表明:在YG20/Ni和Ni/42CrMo钢界面处形成了(γFe,Ni)和(Ni,Co)固溶体。碳原子从YG20与42CrMo钢两端向复合中间层扩散,并在扩散层形成碳化物。结合相图热力学计算的C-Ni-Nb等温截面和扩散层物相的实验表征,分析了复合中间层物相的形成机理,Ni/Nb界面处的物相依次为NbNi+NbC、NbC和NbNi。NbNi和NbC的热膨胀系数差异导致NbC易从NbNi基体中剥离,形成孔洞。随着连接温度由1150℃升高至1200℃,更多的NbC析出,导致孔洞量增加,使得基体的抗拉强度从40 MPa降低至24 MPa,且均以脆性模式在NbNi+NbC层失效。

钛-铜-不锈钢扩散复合管界面组织与性能

采用304不锈钢钢管作为基层,工业纯钛管作为覆层,纯铜箔作为中间层,用拉拔-内压扩散方法制备钛/铜/不锈钢复合管。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪对界面组织、化学成分、断口形貌和组成相进行分析。通过硬度和剪切试验测定界面的显微硬度和剪切强度。结果表明,钛/铜、铜/不锈钢界面发生了原子互扩散,并在钛/铜界面形成了不同层次的过渡组织。850℃时,中间层铜可以有效地阻止钛、铁生成脆性金属间化合物。界面显微硬度值随着扩散温度的升高而增大;剪切强度随着扩散温度的升高先增加后降低。

铜/钢扩散复合界面分析

用扫描电镜观察、能谱分析、电子探针和显微硬度测定等方法对铜/钢双金属棒扩散复合界面附近的组织、成分和硬度进行了分析。结果表明,铜/钢双金属通过扩散复合可使界面实现良好的冶金结合。随扩散温度的提高,两种金属的结合强度大大提高;随扩散时间的延长,结合强度先增加后趋于稳定,与一定的扩散温度相对应。扩散退火过程中,界面两侧的原子发生了互扩散。从扫描电镜和电子探针结果中可以确定铜/钢界面附近的氧化物为 Fe_2O_3。

金属板材轧制-扩散复合机理研究进展

金属板材轧制-扩散复合集合了轧制和扩散连接的特点,对有塑性变形条件下中间层瞬间液相扩散连接过程进行研究,是研究轧制-扩散复合界面结合机理的关键。本文介绍了国内外对瞬间液相扩散连接机理实验、数学模型和数值模拟研究的进展和现状,讨论了存在的一些问题,并提出了解决方法。

钢/黄铜双金属管扩散复合的研究

采用扫描电镜组织观察、能谱分析和显微硬度测定等方法,对冷拔-热扩散后的钢/黄铜双金属复合管界面附近的组织、成分和硬度进行了分析,并测定了不同温度扩散退火后的界面结合强度。结果表明,钢/黄铜双金属管通过扩散复合可使界面实现良好的冶金结合。

液-固扩散焊复合连接Ti(C,N)与40Cr的界面行为与接头强度

通过预置Ti/Cu非对称中间层对Ti(C,N)基金属陶瓷与40Cr钢进行了液-固扩散焊复合连接试验,重点研究了界面组织、接头强度及其影响因素.结果表明,通过预置Ti/Cu非对称中间层液-固扩散焊,能够分别实现Ti(C,N)基金属陶瓷与铜箔,以及铜箔与40Cr钢之间的冶金结合;Ti(C,N)基金属陶瓷界面物相呈梯度分布,形成Ti(C,N)基金属陶瓷/TiAl2/Ti2Cu/TiCu/铜箔结构;Ti(C,N)基金属陶瓷一侧靠近界面区域存在较大的焊接残余拉应力,以及脆弱的TiAl2金属间化合物层,是制约焊接接头强度的关键因素;单纯以铜箔为中间层,采用常规固相扩散焊连接Ti(C,N)基金属陶瓷,即使在加热温度1 223 K、压力20 MPa条件下,也难以实现Ti(C,N)基金属陶瓷与铜箔的有效连接.

钢-Al-20Sn复合板的非均匀扩散复合研究

提出了消除钢 - Al- 2 0 Sn复合板复合界面脆化的非均匀扩散思想 ,并采用 Al- 2 0 Sn半固态浆料与钢板进行铸轧复合 ,实现了非均匀扩散 ,改变了复合界面结构 ,消除了复合板复合界面的脆化。研究结果表明 ,在 5 0 0℃钢板预热温度、10 m m/ s铸轧速度条件下 ,当半固态浆料固相率为 34.3 %时 ,复合界面由比例恰当的铁铝化合物和铁铝固溶体交替构成 ,脆化得以消除 ,相应的最大界面剪切强度为 6 9.

冷拔-液固相扩散复合法制备碳钢/不锈钢复合管

提出以铜箔为中间层材料,采用冷拔-液固相扩散复合的方法生产碳钢/不锈钢管的新工艺。通过扫描电镜、能谱分析、显微硬度试验、剪切试验等方法研究了扩散温度与时间对碳钢/不锈钢扩散复合结合区组织、成分和强度的影响。研究结果表明,以铜箔作中间层,采用冷拔-液固相扩散复合可实现碳钢与不锈钢的冶金结合;结合区发生了原子的互扩散,在碳钢/铜界面有连续的富铁相生成,且富铁相向中间层中生长。在一定温度和时间范围内,随着扩散温度和时间的增加结合区岛状组织分布量增多,使结合区硬度和强度提高。