15-5PH不锈钢表面类石墨碳基多层膜结构设计及摩擦学行为

针对马氏体沉淀硬化不锈钢15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)在海水环境中易腐蚀磨损的问题,采用直流磁控溅射的方法在15-5PH钢样片上制备调制周期分别为940、375和234nm的掺杂Cr的类石墨碳基多层膜(分别标记为Cr/GLC-S1、Cr/GLC-S2和Cr/GLC-S3),采用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、MFT-5000多功能摩擦磨损试验机等仪器设备系统考察三种类石墨碳基多层薄膜的结构及摩擦学性能。研究结果表明:不同调制周期的类石墨多层膜表面均呈现“菜花状”形貌,随着调制周期的减小,“菜花状”颗粒逐渐减小,膜层变得致密;sp2键含量逐渐增大,石墨化程度加剧,机械性能更加优异。在干摩擦条件下,调制周期适中的Cr/GLC-S2薄膜具有良好的减摩耐磨性能,磨损形式以磨粒磨损为主,而调制周期较大的Cr/GLC-S1和调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜,在高载荷下均发生不同程度的脆性剥落,导致其摩擦学性能劣化。在人工海水环境中,Cr/GLC-S1和Cr/GLC-S2薄膜在中低载荷下的摩擦学性能较好,磨损形式仍以磨粒磨损为主,在高载荷下三种多层膜均发生不同程度的脆性剥落,特别是调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜已失效。针对不同的工况,设计合理的调制周期是提高GLC薄膜摩擦学性能的关键,结果可为类石墨碳基薄膜在海洋防护中的实际应用提供一定参考。

基于响应曲面法的15-5PH不锈钢铣削参数优化研究

由于15-5PH沉淀硬化不锈钢属于难加工材料,其加工时会产生较大切削力和极大的塑性变形。所以需要对其切削参数进行优化从而优化切削过程。文章以主轴转速、进给速度、轴向切深和径向切深为优化设计变量,以切削力、表面粗糙度和材料去除率作为响应性能指标,设计曲面响应法方案,建立高速铣削沉淀硬化不锈钢的响应分析模型,分析并得到关于优化设计变量的响应函数解析式,研究了各优化设计变量的交互作用对优化目标的影响规律。得到高速铣削沉淀硬化不锈钢条件下降低切削力和粗糙度,提高切削效率的最优选择组合,为v_(c)=100 m/min,f_(z)=0.02 mm/z,a_(p)=1.5 mm,a_(e)=0.4 mm。

15-5PH不锈钢的时效硬化行为及耐蚀性能

利用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、洛氏硬度、动电位极化曲线和交流阻抗等方法对15-5PH不锈钢时效后的组织转变、时效硬化行为及其在Cl-溶液中的耐蚀性能进行研究。结果表明:时效温度较低(低于450℃)时,析出的富Cu相与基体保持共格关系,其硬度和耐腐蚀性能都较高。当时效温度达到550℃时,富Cu相长大,出现了逆变奥氏体,且随时效时间的延长而增多,导致硬度下降,但耐蚀性能有所提高;当时效温度升高至620℃时,富Cu相呈短棒状,且失去与基体的共格关系,逆变奥氏体继续增多,强化效应完全消失,但耐蚀性能得到改善。

民用大飞机15-5PH不锈钢内侧圆角铣削试验研究

针对15-5PH不锈钢内侧圆角加工切削力超值突变严重、加工困难等问题,通过正交试验设计方法,开展了内侧圆角铣削试验研究,对各种工况下加工时横向切削力Fy和表面粗糙度进行了测量。运用极差分析方法,确定了各切削参数对横向切削力和表面粗糙度的影响程度,得出每齿进给量和径向切深分别是影响横向切削力和表面粗糙度的主要因素。同时,采用偏最小二乘分析,建立了横向切削力和表面粗糙度预测模型。通过对比预测值和试验值,得到该模型的相对误差较小,验证了其构建的合理性和有效性。

15-5PH不锈钢圆弧面铣削试验研究

针对15-5PH不锈钢圆弧面加工后表面粗糙度值过大问题,通过正交实验设计,开展了15-5PH不锈钢圆弧面加工试验研究。运用极差分析方法对表面粗糙度数据进行处理,确定各切削参数对圆弧面表面粗糙度的影响程度,并分析了单个因素对表面粗糙度的影响规律,得出主轴转速是影响表面粗糙度的主要因素。同时,基于BP神经网络建立了表面粗糙度的预测模型。通过对比试验值和预测值,得出该模型的相对误差较小,验证了模型构建的合理性和准确性。

15-5PH不锈钢深孔枪钻加工切屑成形的机理分析

深孔枪钻加工过程中,被加工孔直径小、孔深长,切屑形貌是影响其加工质量的一个重要因素,并且切屑的成形机理和与工艺参数之间的关系也一直是深孔加工研究的难点。本研究以15-5PH不锈钢为研究对象,通过对切屑的流动过程分析,研究枪钻加工螺旋形切屑成形的过程和影响因素。借助扫描电镜检测切屑断面不同点的形貌,研究15-5PH不锈钢枪钻加工切屑的断裂机理。通过改变切削速度、进给量和油压的试验,分析了不同工艺参数下的切屑变形规律。借助ANSYS-FLUENT仿真软件,分析不同油压枪钻前刀面刃口的流体压力和湍流动量,阐述了切屑变形与油压的影响关系。研究发现15-5PH不锈钢深孔枪钻加工切屑属于“准解理断裂”,切屑形貌与枪钻工艺参数选择密切关联;本研究的结果对15-5PH不锈钢深孔枪钻加工工艺参数和冷却液油压的优化选择具有指导意义和参考价值。

15-5PH不锈钢多元渗氮层的钝化处理

15-5PH马氏体不锈钢,经过多元渗氮形成α-Fe的饱和固溶体和氮化络合物,其表面硬度高达60 HRC,耐磨性能大为提高,但耐腐蚀性不强。钝化处理就是通过化学过程在材料表面形成一层氧化膜,提高其耐环境腐蚀的能力。多元渗氮后15-5PH材料表面成分中的活性铬被氮化铬取代,给钝化处理带来困难。本文就15-5PH材料多元渗氮后钝化处理的工艺方法进行验证。

15-5PH不锈钢等离子弧焊工艺优化及接头力学性能

采用单变量试验对15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢进行等离子弧焊接,通过焊缝观察及力学性能测试,研究焊接电流、氩气流量、焊接速度等工艺参数对焊缝成形及接头力学性能的影响,并通过正交试验法来优化工艺参数.结果表明:焊接电流及氩气流量与15-5PH钢的焊缝成形及接头力学性能有密切关系,适当增加焊接电流及氩气流量,有利于增强电弧穿透力、防止未焊透、避免气孔缺陷,进而改善接头综合力学性能;提高焊接速度,会导致焊接线能量下降,减小焊缝熔宽,增加正面余高.优化后的焊接工艺参数为:焊接电流220 A,氩气流量3.0 L/min,焊接速度400 mm/min,其焊缝成形良好,接头抗拉强度、冲击韧性和延伸率分别达到1100 MPa、20.5 J和8.0%.

15-5PH不锈钢长时效时间对组织和力学性能的影响

利用XRD、SEM、TEM、EDS、金相显微镜、拉伸试验等方法研究了15-5PH不锈钢经400℃长期时效后组织及力学性能。随着时效时间延长,板条状马氏体逐渐变得细小,发生Spinodal分解,分解为富Cr相及富Fe相;大量ε-Cu相呈弥散析出;逆变奥氏体的量逐渐增多;粗大的析出相沿板条马氏体晶界分布;未溶解的NbC颗粒逐渐长大。随着时效时间的延长,抗拉强度先升高后下降,在1 000 h时达到最大值1 554 MPa;伸长率先下降后上升,在1 000 h时下降到最小值4.8%;断面收缩率逐渐减小,试样断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变。

航空15-5PH不锈钢钻削参数优化

针对15-5PH不锈钢难加工问题且存在信息封锁的特点,开展其钻孔试验研究,并构建了以主轴转速、进给速度及孔深为变量的孔径预测模型。同时基于遗传算法,通过300步的迭代得到了机床主轴转速和进给速度的最优值。最后对圆整后的优化结果进行了试验验证,体现了预测和优化方法的准确性和合理性。

激光选区熔化成型15-5PH不锈钢动态力学性能研究

为了研究激光选区熔化(SLM)成型15-5PH不锈钢的动态力学性能,对SLM成型15-5PH不锈钢试件开展动、静态压缩力学试验,获取力学性能参数,拟合其动态本构模型,并与锻造15-5PH不锈钢进行对比。结果表明:SLM和锻造15-5PH不锈钢准静态屈服强度分别为1418 MPa和1295 MPa,SLM成型15-5PH不锈钢提高了9.5%,并且加工硬化更显著;SLM成型工艺有助于15-5PH钢抵抗温度软化效应,提高动态屈服强度峰值;SLM技术应用于15-5PH不锈钢具备可行性。

15-5PH不锈钢CCT曲线与固溶冷却方式研究

利用热膨胀法测定15-5PH不锈钢加热与冷却过程的相变点及CCT曲线,并对固溶处理后不同冷却方式所得到的力学性能进行研究。结果表明:15-5PH不锈钢的相变点为Ac1:593℃、Ac3:752℃、Ms:202℃、Mf:81℃。不论冷却速度如何变化,15-5PH不锈钢只会发生马氏体相变,并且Mf点处于室温以上,说明该钢固溶处理后的残余奥氏体含量极少。15-5PH不锈钢经过1040℃固溶处理1h后以空冷、油冷、水冷的方式冷却至室温,再进行同一时效处理550℃×4h后,发现固溶处理后水冷的方式下强度与韧性最高。

C72900铜合金与15-5PH不锈钢的动态力学性能及本构关系

采用霍普金森压杆试验研究了C72900铜合金与15-5PH不锈钢在不同应变速率下的动态力学性能;基于Johnson-Cook本构方程对应变-应力曲线进行拟合以确定材料参数,应用ABAQUS软件对压缩试验进行模拟以验证本构方程的准确性。结果表明:试验测得随着应变速率的增大,C72900铜合金和15-5PH不锈钢的流变应力显著增大,二者的流变应力行为相近;模拟得到C72900铜合金与15-5PH不锈钢在塑性变形阶段的真应力-真应变曲线与试验结果相吻合,相对误差小于3%,表明所建立的Johnson-Cook本构方程较好地描述了C72900铜合金和15-5PH不锈钢的流变应力特征;C72900铜合金替代15-5PH不锈钢应用于C919大飞机保险销垫片是可行并可靠的。

15-5PH不锈钢深腔薄壁耳片槽车削加工工艺

从材料和结构入手介绍了15-5PH不锈钢材料深腔薄壁耳片槽的车削加工特点,总结了实际车削过程中影响加工精度的因素。基于工装、刀具材料及参数、切削余量和工艺流程等方面,研究减少切削加工中变形和振动的方法,设计了一套夹具和刀具,总结出一套加工方案。实际生产表明:此方案能有效保证深腔薄壁耳片槽的槽宽尺寸及槽壁表面质量,并且能提高装夹和加工效率。

15-5PH不锈钢内侧圆角铣削加工参数优化研究

针对15-5PH不锈钢在加工内侧圆角存在横向铣削力大、表面质量差等问题,开展了基础实验研究。构建了以主轴转速、进给速度、切削深度等为变量的铣削力和表面粗糙度的预测模型,并构建了优化数学模型,采用粒子群算法对铣削参数进行了优化,得到了较好的结果。通过对优化后的参数进行铣削实验,验证模型构建及优化方法的合理性和正确性。

15-5PH不锈钢深孔加工试验研究

针对民用大飞机的制造需求,开展了15-5PH不锈钢深孔加工的实验研究。运用极差分析方法,阐明了主轴转速、进给速度及孔深对出口处孔径偏差的影响程度和影响规律。并采用多元回归分析,建立了出口处孔径的指数预测模型。实验及分析结果显示,孔深是影响通孔出口处孔径偏差的主要因素。同时,通过对比预测值和实验值,验证了孔径预测模型构建的合理性和有效性。

影响15-5PH沉淀硬化不锈钢硬度的因素

炼制了两炉化学成分不同的15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢并制备了试样。对试样进行了1040℃保温90 min油冷的固溶处理及铣削、钻削、磨削试验和分别在400~620℃时效1.5、4、8和12 h。随后检测了试样的硬度和显微组织。结果表明:切削加工对15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢的硬度无明显影响;在450℃时效,随着时效时间延长至4 h,15-5PH钢的硬度提高,并达到了44~46 HRC的硬度要求;15-5PH钢的最佳时效工艺为450℃保温4 h。

热处理对SLM成形15-5PH不锈钢组织和力学性能的影响

分别对激光选区熔化(SLM)成形的15-5PH不锈钢试样进行620℃×4 h时效处理和1030℃×1 h固溶+550℃×4 h时效处理,比较不同状态SLM成形15-5PH不锈钢试样的微观组织及力学性能。结果表明,相对于SLM成形态试样,当不同热处理试样抗拉强度相当时,时效态试样显微组织主要为细小的树枝状晶粒,为马氏体、片状珠光体和铁素体的混合组织;固溶+时效态试样的显微组织主要由回火马氏体+铁素体+部分逆转变奥氏体组成,晶粒内部的树枝状结构基本消失,晶粒长大。与时效态相比,固溶+时效态试样的屈服强度、屈强比分别提高了33%、32%;冲击吸收能量、断后伸长率及断面收缩率分别降低了72.0%、35.5%、18.7%。

固溶处理对15-5PH不锈钢马氏体相变的影响

采用DIL805A膨胀仪测定15-5PH不锈钢马氏体相变点,通过LEICA DMIRM金相显微镜观察固溶后的组织及其原奥氏体晶粒形貌,用D8 ADVANCE XRD分析固溶处理后的物相组成及基体的晶格常数。研究表明,固溶温度的提高会造成马氏体相变点下降、原奥氏体晶粒的长大;固溶时间的延长造成Ms点先下降后上升,及原奥氏体晶粒的长大。固溶60 min时晶格常数最大,Ms点最低;固溶90 min时晶格常数降低,Ms点上升,并有NbC、Nb2C及CrNiFe等相析出。

时效温度对15-5PH不锈钢组织及耐蚀性的影响

对15-5PH不锈钢经不同温度时效后的结构及耐蚀性进行研究。利用金相显微镜、XRD、SEM及TEM观察其组织并对相结构进行分析;采用化学浸泡、极化曲线和电化学阻抗谱等方法研究其耐蚀性能。结果表明:随时效温度的增加马氏体组织逐渐细化,马氏体板条间析出NbC颗粒;当时效温度达到550℃时有球状富Cu相析出。580℃开始有较弱的奥氏体衍射峰出现,即在时效中发生了马氏体向奥氏体的逆转变,620℃时,富Cu相由共格相转变为非共格相并聚集长大呈短棒状;随着时效温度的升高,腐蚀失重率逐渐增大,自腐蚀电位依次降低,电化学阻抗值不断减小,耐蚀性降低。