基于C17200与34CrNiMo6材料的摩擦磨损特性与数值模拟研究

目的 探究干摩擦下载荷与速度对于C17200与34CrNiMo6材料摩擦学特性的影响,以探寻C17200材料作为风力机制动闸片的可行性,开展考虑表面粗糙度和接触压力分布不均因素的磨损深度的数值模拟。方法 以C17200与34CrNiMo6材料组成销–盘摩擦副,基于风力发电机的制动工况,利用试验探究其摩擦学特性与磨损机理。在ABAQUS中建立三维销–盘平面/平面磨损模型,设置不同载荷与速度,基于销–盘摩擦副理论模型与UMESHMOTION子程序,结合ALE自适应网格技术,对不同工况下的表面磨损深度进行数值计算,通过试验验证提出的理论模型的合理性。结果 在载荷为3 MPa时,随速度的增加,平均摩擦系数先减小、后增加,速度为125.664 mm/s时,平均摩擦系数取最小值0.575;在速度为62.832 mm/s时,随载荷的增大,平均摩擦系数近似线性增大。载荷为1.5MPa时,平均摩擦系数取最小值0.509。C17200与34CrNiMo6试样的磨损量随速度与载荷的增大而增大,但转速对于磨损量的影响更大。C17200与34CrNiMo6的磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损。C17200材料磨损深度的模拟结果与试验结果的最大误差为4.7%。结论 C17200材料作为风力机主轴制动闸片材料具有可行性。提出的销–盘磨损理论模型的模拟结果与试验结果的最大误差小于5%,应用提出的销–盘磨损模型更加符合实际磨损状态,在保证计算效率的同时具有较高精度,对类似销–盘摩擦副材料磨损量的计算与预测具有一定参考意义。

热处理工艺对C17200合金耐磨性的影响

采用化学成分分析、低倍检验、扫描电镜及摩擦磨损性能检测等方法研究了C17200合金热处理温度对其组织和耐磨性的影响,测试了C17200合金锻件经不同工艺热处理后的力学性能和耐磨性。结果表明:合金经不同温度热处理后,材料的组织和力学性能发生变化。采用CETR UMT-3型摩擦磨损机,在相同的实验条件下,合金的硬度与耐磨性不成正比例关系;合金经780℃固溶+595℃时效热处理,其耐磨性最好。

时效态C17200合金的组织与性能

采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨电子显微镜(HRTEM)等分析手段研究C17200合金时效过程中微观组织演变,测试不同时效工艺处理后合金的硬度和电导率等性能。结果表明:合金经320℃时效1 h后,基体(200)主峰的左侧出现比较明显的低角度边带峰,即合金发生调幅分解,使得在基体的(100)面上形成圆盘状结构的GP区。合金在时效过程中存在两种析出方式:晶界不连续析出和晶内连续析出,且连续析出序列为α过饱和固溶体→GP区→γ′→γ。调幅分解和γ′相析出是C17200合金在时效过程中硬度升高并达到峰值的主要原因。

C17200铍铜合金脉冲激光焊接头组织性能分析

以C17200铍铜合金为母材进行脉冲激光焊接,用金相显微镜观察焊接接头金属的微观组织,并测试了其显微硬度,分析脉冲能量对焊缝横断面尺寸的影响。研究结果表明:随着脉冲能量增加,焊缝横断面呈"钉"型的趋势越明显;焊缝区金属组织为单相α过饱和固溶体,晶粒尺寸比母材金属的小;焊接热影响区中γ相以线条状及块状沉淀析出,局部严重球化聚集;焊缝和热影响区金属的硬度均低于母材金属的硬度,焊接热影响区出现了严重的软化现象。

C17200铍铜合金表面等离子制备Ta涂层的组织及耐腐蚀性能

用双层辉光等离子渗金属技术在C17200铍铜合金表面制备Ta涂层,以提高其抗腐蚀性能。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、划痕仪等分别研究Ta涂层组织结构、成分以及与基体的结合强度,并用三电极体系测量C17200合金及其制备Ta涂层后的腐蚀性能。研究表明,保温0.5~3 h后,在C17200表面形成表面Ta沉积层/Ta-CuBe过渡层的复合Ta涂层,该复合涂层由Ta、Ta2Be、Cu(Be)等相组成。涂层由岛状组织融合生长,Ta涂层随保温时间的延长而增厚。保温2 h的Ta涂层表面平整致密,与基体结合良好,在10%H2SO4溶液中较未处理C17200基材的自腐蚀电位升高,自腐蚀电流下降,腐蚀速率降低,表现出良好的耐蚀性能,有效地保护铍铜基体不受腐蚀液侵蚀。

C17200含钴铍铜合金带材的研制

国内生产的铍铜带材均以添加少量Ni为主,而以Co为主的铍铜带材却依赖进口.为开发新型铍铜带材,以ASTMB194—96标准为基础,根据Cu-Be合金相图,同时添加微量Co作为合金元素,通过熔炼、半连续浇铸、轧制、热处理、酸洗和时效等工艺试验,确定了该工艺过程的控制参数及其对铍铜带材性能的影响.实验表明:铍铜合金中加入微量的Co能够起到很好的合金化作用,而且生产的产品力学性能符合ASTMB194—96标准.

表面强化对随钻测井设备用C17200铍青铜基体组织和性能的影响

针对C17200铍青铜随钻测井设备早期疲劳失效案例,研究两种表面强化工艺对铍青铜基体组织和性能的影响,探究失效机理,确定适合的强化工艺。采用激光熔覆和超音速火焰喷涂(HVOF)陶瓷涂层的适配头,对比分析有涂层和无涂层部位的组织和性能。采用光学显微镜(OM)+扫描电镜(SEM)表征基材显微组织,用高分辨场发射电镜(FESEM)+能谱仪(EDS)表征铍青铜过时效组织晶界和晶内的相组成;用硬度计和材料试验机测试力学性能。结果表明,激光熔覆的热输入对铍青铜基材的组织和力学性能产生不利影响,基材局部温度达到350℃,组织发生过时效,晶界反应量增多出现大量γCu88Be12节瘤组织,基材软化,硬度最低值仅为12 HRC,强度下降。HVOF对基材的组织和性能没有造成影响,未出现过时效组织,采用HVOF喷涂陶瓷涂层可提高适配头的使用可靠性和安全性,适合C17200铍青铜随钻测井设备的表面强化。

C17200合金时效早期相变行为

采用XRD与TEM分析手段研究了C17200铜合金早期时效相变行为及其对合金性能的影响。结果表明,该合金固溶处理后320℃时效,时效1 h内,铍原子借助铜基体中的空位进行上坡扩散,形成富铍区,造成了(200)主峰的左侧出现了比较明显低角度边带峰。合金发生了调幅分解,沿基体的(100)面上形成了圆盘状结构的GP区。利用Daniel-Lipson公式可得出,随时效时间的延长,成分调幅波长先增大后减小;同时,GP区则不断长大,且逐渐转化成板条状的γ'相。调幅分解和γ'相的析出是合金在时效过程中强度、电导率升高的主要原因。

C17200合金热变形行为及热加工图

采用Gleeble-1500D数控动态热力模拟试验机,对C17200(Cu-1.9Be-0.3Co)合金进行了热压缩试验,研究了该合金在变形温度为600、650、700、750和800℃,应变速率为0.01、0.1、1、5和10 s-1,总压缩应变量为50%条件下的热变形行为。结果表明:合金的峰值应力随应变速率的增加和温度的降低而升高,C17200合金为热(负温度)敏感型和正应变速率敏感型合金,应变速率为1 s-1、5 s-1和10 s-1时,合金软化机制以动态回复为主,应变速率为0.01 s-1和0.1 s-1时,合金软化机制以动态再结晶为主,且高温低应变速率有利于促进合金发生动态再结晶;基于Arrhenius双曲正弦本构关系得到了C17200合金的峰值流变应力本构方程;基于MATLAB平台编程构建了应变量为0.1~0.6时C17200合金的热加工图,在实验范围内获得安全加工区的热加工工艺参数区间为:变形温度750~800℃,应变量0.4~0.6,应变速率0.1~0.2 s-1。

拉拔变形对铍铜微细丝组织和性能的影响

通过多道次连续冷拉拔制备44%、80%和95%变形量的铍铜微细丝,研究拉拔变形对铍铜微细丝的微观组织、拉伸强度和导电率的影响规律。结果表明,随着拉拔变形量的增加,铍铜丝晶粒组织不断细化,晶粒沿拉拔方向被拉长,呈现片层状。晶粒细化和位错等缺陷的大量引入导致铍铜丝强度提升和导电率下降。固溶态铍铜丝经95%拉拔变形后,晶粒尺寸从~13μm细化至100nm以下,抗拉强度从530MPa提升至1570MPa。

海上钻具硬连接堵头应力腐蚀断裂失效分析

某海上作业平台发生一起钻井工具硬连接堵头断裂失效故障,故障共涉及到铍青铜六方螺母和高温合金外壳的断裂,查找肇事件、确定失效模式和失效机理是研究的重点。通过开展断口宏观分析、微观形貌观察及能谱微区分析、显微组织、显微硬度测定等试验,确定出六方螺母因应力腐蚀断裂成为肇事件,并连带外壳一次性韧性断裂。铍青铜材料过时效处理,导致组织异常,力学性能降低,是造成六方螺母发生应力腐蚀断裂的主要原因,而内表面腐蚀坑和加工刀痕形成的应力集中均是应力腐蚀断裂的诱发因素。

材料性能对毛纽扣的回弹和接触电阻的影响

通过对C17200铍铜、Mo和Ni80Cr20丝的拉伸性能和导电性能测试,结合三种丝制备的0.5/4毛纽扣的回弹性能和接触电阻,研究了材料性能对未电镀毛纽扣室温回弹和接触电阻的影响。研究结果表明C17200铍铜丝制毛纽扣经20次20%压缩后的回弹失效比例为1.1%,回弹性能优于Mo丝和Ni80Cr20丝。毛纽扣的回弹性能随材料弹性模量的降低而提高,这是由于弹性模量低的材料在相同变形量条件下承受的应力较小,越难发生屈服变形,表现出更好的弹性。导电率较低的Ni80Cr20丝材制备的毛纽扣的接触电阻明显高于C17200和Mo丝。