层间冷却对电弧增材制造钛合金构件性能的影响

基于钨极氩弧焊的电弧增材制造(GT-WAAM)工艺,以6 mm厚Ti6Al4V合金为基板,直径1.2 mm的Ti6Al4V焊丝为材料,利用CO_(2)进行层间冷却,得到成形均匀的沉积结构。通过对焊接过程热循环特点、沉积形貌、硬度分布及力学性能分析,获得沉积结构质量评价。结果表明,提高冷却速率可以细化沉积结构晶粒,得到针状的α′相,从而改善材料的硬度和抗拉强度;在沉积结构中,堆积高度增加产生的热积累效应,使冷却气体中的C和O元素存在与堆积金属发生潜在的化学反应的可能。采用层间冷却控制层间温度能有效改善沉积结构质量,可使制造效率提高80%以上。

基于流固耦合的火炮身管层间冷却分析

层间冷却是火炮身管冷却的一种有效方式,分析连发时这种冷却身管的冷却特点.以某速射火炮身管为研究对象,采用ANSYS的FLOTRAN模块,应用流固耦合的方法进行温度分析.通过与空气冷却对比,层间冷却能大幅度减少冷却时间,从而减少射击规范中冷却间隔时间;冷却过程中身管截面内出现了同一半径不同温度的分布现象;冷却液流速超过一定值后,提高流速对身管的冷却差别不大.这种数值仿真方法把流固边界条件处理为内边界条件,能够较好地模拟身管冷却的过程,为层间冷却身管的设计提供了一种数值计算方法.

火炮层间冷却身管设计

探讨了强制层间冷却身管的一种工程设计方法。以降低身管内表面温度为目标,利用一维稳态导热和受迫对流换热定律分析了火炮在射击状态下从身管内表面到层间冷却系统的传热过程,解决了身管冷却槽结构尺寸的设计问题;考虑冷却槽所受剪切应力及槽深对紧缩量的影响,基于筒紧身管的最大变形理论分析了强度设计的特殊性问题。以某30mm口径火炮为例,进行了冷却结构对身管内表面温度和强度的影响分析,其结果可为层间冷却身管的设计提供参考。

层间冷却对多道焊厚板残余应力及变形的影响

基于热弹-塑性有限元原理,使用Marc通用有限元程序对厚板多层多道焊过程进行了数值模拟,计算中考虑了层间不冷却和层间冷却200 s两种工况。结果表明,两种工况下厚板整体变形的最大值分别为0.58和0.65倍板厚;对于两端固支剖面,两种工况下残余应力的峰值分别出现在焊缝中心和固支端;对于两端自由剖面,两种工况下残余应力的峰值均出现在焊缝中心。可见层间冷却主要影响两端固支剖面的残余应力分布,对两端自由剖面残余应力的分布和厚板的整体变形影响不大。

层间强制冷却对电弧熔丝增材制造钛合金温度场和流场的影响

电弧熔丝增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)工艺具有设备成本低、制造效率高等优势,广泛应用于航空航天、舰船、武器装备等制造领域,但沉积过程中的热积累容易导致结构成形效率、成形精度及成形质量下降。而层间强制冷却可以有效控制材料的沉积形貌和性能。采用数值模拟方法研究了不同冷却条件下电弧熔丝增材制造钛合金的熔池温度场和流场,分析了层间强制冷却对增材钛合金熔池的影响。结果表明,层间强制冷却可以有效降低熔池的预热温度,缓解材料沉积过程中的热量积累,降低熔池流体流动速度,从而限制流体的流动范围,影响熔池尺寸成形。

层间强制冷却对电弧熔丝增材制造钛合金温度场和应力场的影响

电弧熔丝增材制造中热量积累容易造成零部件成形质量差、沉积效率低等问题。层间强制冷却有利于提高电弧熔丝增材制造效率、改善成形质量,从而获得了一定关注。基于有限元数值模拟分析,模拟了自然对流冷却和层间强制冷却下电弧熔丝增材制造Ti6Al4V钛合金成形过程,分析了层间强制冷却对增材钛合金墙体结构温度场与应力场的影响,并通过实验结果进行了验证。结果表明:层间强制冷却可以有效增加成形过程中的散热,减小墙体结构热量积累、进一步改善成形件中的残余应力以及提升增材效率。

层间冷却对激光增材制造TC17钛合金组织和拉伸性能的影响

定向能量沉积激光增材制造逐点逐层熔化堆积的工艺特点决定了工艺参数会对成形态钛合金构件的显微组织和力学性能产生显著影响,最终决定激光增材制造钛合金构件能否达到工程应用的性能要求。以先进航空发动机整体叶盘使用量较大的TC17近β型高强钛合金为研究对象,制备了两种不同层间冷却时间下的激光增材制造TC17钛合金构件,详细研究了层间冷却对成形构件晶粒形貌、显微组织和拉伸性能的影响,探究了热处理对组织演变及拉伸性能的影响。结果表明:随着层间冷却时间的增加,激光增材制造TC17钛合金的显微组织由双态组织转变为超细α片层网篮组织,β晶粒尺寸无显著变化,α相含量增加而片层宽度下降。连续成形试样具有良好的综合力学性能,其沿沉积增高方向的抗拉强度可达到1128 MPa,断后伸长率为10.5%,断口形貌为典型的韧性断裂;层间冷却时间增加会导致沉积态试样强度提高、塑性下降,断裂机制转变为解理脆性断裂。三重热处理可以改善层间冷却时间不同造成的组织和拉伸性能的差异,但难以获得优异的综合力学性能。

层间微通道液体冷却3D-ICs的仿真研究

近年来,随着半导体工业的迅速发展,芯片特征尺寸逐渐减小逐渐接近极限,为此提出三维集成电路(3D-ICs),集成度显著提高,但同时也造成芯片功率密度成倍增加,层间微通道液体冷却因其结构紧凑、传热效果较好、压降低等优点成为备受关注的焦点。本文采用仿真工具3D-ICE建立带有层间微通道液体冷却的不同通道类型的3D-ICs模型,模拟分析层间通道的物性参数如通道壁厚/针肋直径、通道高度、制冷剂流速/达西速度对三维芯片温度分布的影响情况。结果表明,给定条件下,热点温度随通道壁厚/针肋直径的增加而减少,在50~100变化快,温降最高可达1.309℃,随后趋于稳定;热点温度随通道高度变化的变化因通道类型而异,矩形直通道Tmax在0~1间迅速降低,随后逐渐升高,线性微针肋Tmax在一定范围内较矩形直通道平缓下降,随后缓慢升高或趋于平稳;热点温度随制冷剂流速/达西速度的增加而降低,且变化逐渐平缓。

冷金属过渡电弧增材制造高强钢过程中温度场的数值模拟

基于冷金属过渡(CMT)高频熄弧的特性,在双椭球热源模型的基础上建立了动态热源模型,采用ABAQUS软件建立了高强钢CMT电弧增材制造单道十层成形件的有限元模型,对成形过程中的温度场进行模拟,并与试验结果进行对比;采用模拟方法研究了层间冷却时间(30,60,90 s)和基板预热温度(20,200,300℃)对温度场的影响规律。结果表明:模拟得到基板表面距焊道中心20.5 mm处的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,波峰和波谷温度的相对误差均在10%以内,证明了模型的准确性。沉积下一层时仅对前一层起到重熔作用;在沉积过程中,熄弧端的峰值温度高于起弧端,而在冷却过程中,两端温度差逐渐降低。随着层间冷却时间的延长,熔池最高温度降低且熔池存在的时间变短,在冷却阶段的冷却速率增大但其增大的程度降低,成形件两端温度差降低,最佳层间冷却时间为90 s;随着基板预热温度的升高,熔池的最高温度和熔池尺寸均增加,最大波谷温度差先减小后增大,在基板预热200℃条件下,成形件的最大波谷温度差最小,温度分布更加均匀。

层间叉排微针肋液体冷却3D-IC流动及换热特性

用数值模拟的方法,研究了散热面积为1cm^2带有层间微散热结构双面均热发热3D-IC内部流体层流流动与换热,对体积流量在36~290mL/min范围内,通道高度为200μm,通道间距为200μm的带有矩形微通道和叉排微针肋液体冷却3D-IC(three-dimensional integration circuit)的流动与换热进行了分析.结果表明:带有层间叉排微针肋液体冷却3D-IC具有良好的换热效果,在热流密度为1.25MW/m^2,体积流量为290mL/min时,其发热面平均温度、最大温度只有318.31,323.16K,分别最大减小了12.31,20.14K,此时的功率为250W、体积热源为8.3kW/cm^3.

两层堆叠3D-IC层间液体冷却流动及换热特性

随着电路层的垂直堆叠,三维集成电路(3D-IC)的功耗密度成倍增加。具有良好散热能力的层间液体冷却是一种非常有效的方法。采用数值模拟的方法研究了雷诺数在150~900范围内面积为1cm^2,针肋直径为100μm,通道高为200μm,通道间距为200μm的带有层间顺排微针肋两层芯片堆叠3D-IC内流体流动与换热特性。结果表明:与相应尺寸的矩形通道结构相比,带有层间顺排微针肋液体冷却3D-IC具有良好的换热效果。在雷诺数为770时,芯片的功率高达250W,其体积热源相当于8.3kW/cm^3;较矩形结构通道,顺排微针肋结构的热源平均温度和热源最大温差只有46.34,13.96K,分别减小了13.26,21.34K。

5356铝合金电弧快速成型工艺及组织性能

采用MIG焊进行5356铝合金的快速成型试验。利用万能试验机、光学显微镜、扫描电镜等设备研究5356铝合金成型件的形貌、微观组织特点及焊接电流和层间冷却时间对成型组织及力学性能的影响。结果表明,焊后成型件主要存在α(Al)、β(Mg_5Al_8)和(FeMn)Al_6相。当层间冷却时间固定时,随着焊接电流增大,成型件抗拉强度增大。当层间冷却时间为60 s时,焊接电流为90 A,达到最大抗拉强度273.57 MPa。若继续增大电流,抗拉强度降低。当焊接电流固定时,随着层间冷却时间的增加,成型件抗拉强度增大。当层间冷却时间为60 s时,成型件形貌更加美观。

工艺参数对机器人电弧增材制造成形的影响研究

目的提高电弧增材制造质量,获得更好的参数匹配。方法研究机器人焊接速度和层间冷却时间变化对增材件形貌、熔宽、余高的影响规律。选取焊接速度为30 cm/min和40 cm/min,层间冷却时间为30 s和40 s,进行两变量两个水平的全面实验。利用机器人电弧增材制造技术在5 mm厚的316L不锈钢板上进行20层的堆积;在焊道上均匀选取6个点,测得总高、熔宽和余高数据。在此基础上,分析增材件总体形貌及熔宽、余高的变化规律。结果发现当层间冷却时间达到一定值后,熔池已凝固且温度较低,熔宽、余高变化不大。随着焊接速度提升,熔池单位时间内熔化的金属量锐减,引起增材件熔宽、余高缩小。结论改变焊接速度对增材件形貌的影响更为明显,层间冷却时间达到一定值后,层间温度不再发生变化,形貌变化不大。