Physico-chemical properties and microstructure of hydroxyapatite-316L stainless steel biomaterials

Sintering shrinkage, compressive strength, bending strength, metallurgical morphology, microstructure and chemical composition diffusion of hydroxyapatite-316L stainless steel(HA-316L SS) composites were investigated. The results show that the sintering shrinkage of HA-316L SS composites decreases from 27.38% to 8.87% for cylinder sample or from 27.18% to 8.62% for cuboid sample with decreasing the volume ratio of HA to 316L SS, which leads to higher sintering activity of HA compared with that of 316L SS. The compressive strength of HA-316L SS composites changes just like parabolic curve (245.3→126.3→202.8 MPa) with reducing the volume ratio of HA to 316L SS. Bending strength increases from 86.3MPa to 124. 2 MPa with increasing the content of 316L SS. Furthermore, comprehensive mechanical properties of 1.0∶3.0 (volume ratio of HA to 316L SS) composite are optimal with compressive strength and bending strength equal to 202.8 MPa and 124.2 MPa, respectively. The (microstructure) and metallurgical structure vary regularly with the volume ratio of HA to 316L SS. Some chemical reaction takes place at the interface of the composites during sintering.

316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

TIG熔覆是经济高效的表面修复方法,与传统的预置粉末法相比,同轴送粉法具有优良的适应性,但是试验研究相对较少.自主设计制造了环状同轴送粉TIG熔覆焊枪,与管状同轴送粉TIG熔覆焊枪相比,制造的熔覆层不存在熄弧位置凹坑、焊缝不够平直以及焊缝熔宽不一致等问题,而且具有更高的熔覆效率.结果表明,采用优化的焊接热输入、送粉量和SiC含量参数匹配,在316L不锈钢表面进行环状同轴送粉TIG熔覆,获得了外观优良的单层单道熔覆层、单层多道熔覆层.对熔覆层进行显微硬度测量、微观组织及元素成分分析、宏观电化学腐蚀试验、微区电化学腐蚀试验以及耐磨性能测试,并与母材进行了比对,环状同轴送粉TIG熔覆导入的SiC粉末有效地提升了熔覆层的耐蚀性与耐磨性.

盐湖大气环境下316 L仪表管点蚀深度预测研究

为提高316 L仪表管在盐湖大气环境下点蚀深度的预测精度,采用变阶平均弱化缓冲算子、积分背景值和新陈代谢对分数阶累加灰色模型FGM(1,1,r)进行改进,首先通过改进Tent混沌映射、莱维飞行和区间自适应反向学习策略提高黏菌算法(SMA)的寻优能力和收敛速度,随后利用改进黏菌算法(ISMA)对FGM(1,1,r,ρ)中的参数r和ρ进行寻优,最后构建仪表管ISMA-FGM(1,1,r,ρ)点蚀深度预测模型。研究结果表明:经优化的新模型比原模型误差更小、拟合度更高,在仪表管点蚀深度预测方面具有更好的性能。研究结果可为仪表管道系统的完整性评价和风险预警提供参考。

316L钢氩弧焊焊接接头超声检测可行性试验研究

结合某水电工程50 mm板厚的316L钢氩弧焊焊接接头的超声检测开发需求,通过实验手段开展焊接接头的超声检测可行性试验研究。参考标准设计直径2 mm的侧横孔试块,详细分析侧横孔回波信号幅值与探头频率、波形和侧横孔位置等因素的相关性。研究结果表明,316L钢焊接接头采用纵波检测为主、横波检测为辅是可行的。该研究工作可为316L钢超声检测工艺的制定提供参考。

20钢/316L复合管固液复合制坯工艺研究

双金属复合管在石油运输行业中应用前景广阔,结合性能是考察复合管是否合格的重要指标之一。为了能在轧制成形过程中得到高品质的复合管材,在复合管制坯过程中要求实现界面处的冶金复合。以20钢和316L为原材料,基于结合温度及元素扩散情况,采用固液复合方式,并且结合界面的温度模型及通过Pro CAST软件模拟,获得了外模最佳预热温度为1050—1100℃。通过现场试制界面处实现了冶金复合,在最佳温度范围既保证了固态20钢和液态316L之间能达到冶金复合,又能使元素有充分的扩散时间而增强了界面结合强度,同时又可以防止因元素过渡扩散而导致316L腐蚀性能下降。该方法为后续复合管连轧提供了优良的管坯,可实现高品质复合管的现场生产。

基于激光重熔的SLM成形316L不锈钢温度场仿真及工艺优化

SLM成形过程中激光重熔可改善冶金质量和提高性能,但是目前激光重熔对温度场的影响尚不清楚。本工作利用有限元方法建立316L不锈钢模型,对比未重熔与激光重熔的温度场特征,分析不同重熔工艺参数下的温度结果和不同重熔工艺参数下所制备样品的致密度和孔隙尺寸。结果表明,激光重熔有较好的预热效果,单层成形最低温度提高了约69%,多层成形因热量扩散影响预热效果仅将温度提高10%。激光重熔工艺对激光第一次扫描的最高温度没有影响,但可提高第二次扫描的温度。重熔激光能量密度从29 J/m升至117 J/m,最高温度上升了36.40%,最低温度上升了12%。致密度的改善不明显,但孔隙尺寸有明显的减小。当激光重熔能量密度为50 J/m时,致密度高达99.95%,孔隙的深度和宽度下降了64.9%和35.2%。

含油海洋环境下316L仪表管点蚀深度预测模型研究

为了提升316L不锈钢仪表管在含油海洋大气环境下点蚀深度的预测精度,建立了基于改进粒子群算法优化的直接离散灰色点蚀深度预测模型[SCPSO-DDGM(1,1,λ)]。首先以暴露实验点蚀数据为例,建立DDGM(1,1)模型,并利用新信息变权弱化缓冲算子、等维灰数递补对模型进行动态改进;后采用非线性变化惯性权重和正弦余弦学习因子提高粒子群算法(PSO)的寻优能力和收敛速度,引入高斯扰动策略增强PSO跳出局部最优的能力,进而用SCPSO对改进后的DDGM(1,1,λ)模型中的权重参数λ进行寻优;最终在MATLAB中进行仿真计算,分析对比SCPSO-DDGM(1,1,λ)模型与GM(1,1)、DDGM(1,1)、PSO-DDGM(1,1,λ)模型的预测结果。结果表明:在研究的时间区间内,经优化的新模型预测深度与实际深度高度吻合,较于对比模型性能更优。证明SCPSO-DDGM(1,1,λ)模型能够有效预测仪表管点蚀深度,为仪表管的腐蚀研究提供了新的思路与方法。

316L电阻增材成形过程应力场数值分析

针对不同速度、不同压力及不同电流情况下应力场的变化情况,采用控制变量和热力间接耦合的方法,建立电阻增材制造316L不锈钢应力场模型,分别截取每一组参数中第1~10层的第1步和最后一步中应力场作为参考数据,对316L不锈钢电阻成形工艺中的应力场进行研究,得出不同参数对应力场的影响规律。通过对仿真结果的分析可知:当移动速度降低时,应力场也随之减小;当压力增大时,应力场也增大;当电流增大时,应力场也增大。该规律为其在实际生产中的应用提供了依据。

316L不锈钢焦耳热3D打印过程变形量数值分析

针对316L不锈钢焦耳热3D打印成形中的变形问题,采用控制变量的方法,根据不同速度、不同压力和不同电流的变化,总结出不同参数的改变对316L不锈钢焦耳热3D打印过程变形量的影响规律。改变参数后分别截取每一组参数中每一层的第一步和最后一步变形量作为参考数据。结果表明:当电流增大时,变形量也增大;当速度减小时,变形量也随之减小;当压力增大时,变形量也增大。通过对316L不锈钢焦耳热3D打印过程变形量分析,可以准确、有效地总结出材料在各种情况下的变形分布情况,为其在实际生产中的应用提供依据。

316L不锈钢非比例循环硬化特性的数值模拟

在等效应变范围为0.7%条件下,对316L不锈钢进行室温应变控制拉-扭疲劳试验,研究了比例应变路径(单轴路径和比例路径)和非比例应变路径(十字路径和圆路径)下的循环硬化特性;采用AF-OW随动硬化模型结合Chaboche各向同性硬化准则以及将非比例度嵌入到各向同性硬化准则中的改进模型对各路径下的循环特性进行模拟,并进行试验验证。结果表明:316L不锈钢在各路径下的循环初期均产生了循环硬化现象,在单轴、比例、十字和圆路径下的硬化率分别为5.2%,4.5%,38.2%,44.6%,在非比例应变路径下,该钢产生明显的附加强化;AF-OW模型结合各向同性硬化准则可以准确地模拟单轴和比例路径下的循环硬化特性,但对十字和圆路径下的模拟效果较差,模拟得到的正应力-正应变滞回环与试验结果之间的最大相对误差均大于20%;改进模型可以准确地描述十字和圆路径下的循环硬化特性,正应力-正应变滞回环的最大相对误差分别为1.3%和3.2%,最大等效峰值应力的相对误差分别为1.9%和1.2%。

Cr_(3)C_(2)对激光选区熔化316L合金组织及力学性能的影响

目的研究添加Cr_(3)C_(2)颗粒对激光选区熔化316L合金的硬度、强度及耐磨性能的影响。方法采用激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制备316L合金及10%(质量分数)Cr_(3)C_(2)颗粒增强316L合金(Cr_(3)C_(2)/316L),通过X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、维氏显微硬度计、双立柱电子万能试验机和摩擦磨损试验机分别对2组合金试样的组织结构、硬度、拉伸性能以及耐磨性能进行测试与分析。结果316L合金主要由γ-Fe相组成,Cr_(3)C_(2)/316L合金中除γ-Fe相外,还存在Cr_(23)C_(6)和Cr_(3)C_(2)相。316L和Cr_(3)C_(2)/316L合金的显微组织均由柱状晶和等轴晶组成,Cr_(3)C_(2)/316L的组织中等轴晶比例增多,且组织产生了细化。Cr_(3)C_(2)/316L合金的显微硬度为327HV0.1,相比316L合金(265HV0.1)增加了23%。Cr_(3)C_(2)/316L合金的屈服强度和抗拉强度分别为687 MPa和1029 MPa,较316L合金均提高了约50%。Cr_(3)C_(2)/316L合金的磨损率相比316L合金减小了50%。结论在SLM过程中,由于添加的Cr_(3)C_(2)颗粒在激光选区熔化316L合金过程中所产生的非自发形核和提高过冷度的作用,促使了316L合金组织发生明显细化和等轴化。添加的Cr_(3)C_(2)颗粒所产生的细晶强化、沉淀强化和固溶强化作用,使316L合金的硬度、强度和耐磨性都得到有效提升。

增材制造316L不锈钢球形破片的弹道性能

为探索增材制造316L不锈钢球形破片的弹道性能,采用选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制造316L不锈钢材料毛坯,通过机加工、抛光等操作得到了直径12 mm的增材制造316L不锈钢球形破片。开展打印态316L不锈钢材料的显微计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)和静动态力学试验研究,获得了打印态316L不锈钢在材料沉积方向的Johnson-Cook(JC)模型参数,进行了增材制造和传统冷轧工艺制造的316L不锈钢球形破片侵彻6 mm厚Q235钢靶的弹道试验。研究结果表明:增材制造球形破片的弹道极限速度比传统冷轧制造破片低2.5%左右,弹道性能有小幅提升,暗示了增材制造工艺用于制造战斗部预制破片的潜力;开展的数值仿真研究获得了与试验结果一致的剪切冲塞穿靶机理,仿真与试验穿靶速度数据比较吻合,弹道极限速度误差仅为1.4%左右,仿真结果也表明JC模型用于描述增材制造316L不锈钢材料穿靶行为的可行性。

316L不锈钢薄板焊缝成形及力学性能研究

目的减少1 mm厚度316L不锈钢薄板在焊接生产过程中出现的缺陷等问题,并提高不锈钢薄板焊缝成形质量和焊接接头力学性能。方法采用脉冲激光焊接技术实现对厚度1 mm的316L不锈钢薄板的精确焊接,并利用金相显微镜、维氏硬度计、万能拉伸试验机和扫描电镜对焊缝的表面形貌、微观结构、力学性能、断口形貌进行表征分析。结果当激光功率为403 W、输出电流为150 A、焊接速度为150 mm/min、离焦量为−5.525 mm时,焊缝正反面的形貌规则无缺陷。焊缝区内的微观结构主要由δ-铁素体和奥氏体2种晶粒构成,相较于母材及热影响区,焊缝区晶粒尺寸更细小均匀,平均硬度为156HV,表现出更高的硬度特性。焊接接头的抗拉强度和屈服强度均值分别达到643.28 MPa和305.95 MPa,相对于母材的强度分别提高了7%和49%;平均断后伸长率为37.2%,达到原始母材伸长率的55%;断裂呈现韧性断裂的塑性变形和延展性特征。结论优化调整焊接工艺参数后,1 mm厚度316L不锈钢薄板的焊缝成形质量提高,无缺陷且微观组织分布均匀,焊接接头强度显著提高。

热处理工艺对激光熔覆316L温度场与应力场的影响规律

为研究不同热处理工艺对激光熔覆残余应力的调控作用,利用ANSYS有限元分析软件建立了热力耦合模型,对不同温度(22~900℃)的熔覆前预热处理、不同温度(200~1000℃)的熔覆后退火处理以及熔覆前后协同热处理条件下的激光熔覆316L不锈钢温度场和应力场进行了数值模拟。研究结果表明:预热对熔池温度影响最大,熔池温度随预热温度的增高而增高;退火处理对激光熔覆残余应力的改善效果最好,800℃退火处理可使残余应力减小约50%,其次是熔覆前后协同热处理,可使残余应力减小约35%,预热处理对激光熔覆残余应力有一定改善,其中预热500℃可使残余应力减小约20%。

选择性激光熔化成形(SLM)增材制造重熔次数对316L构件表面粗糙度及磨损性能的影响

重熔次数对选择性激光熔化增材制造构件表面粗糙度及耐磨性能有重要影响,研究其影响机理及确定经济重熔次数对发展选择性激光熔化增材制造技术具有重要意义。采用选择性激光熔化增材制造设备制备316L样件,在样件制备过程中分组进行0、1、2、3次激光重熔,对不同激光重熔次数下的样件表面利用三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜等进行表征,利用高速往复摩擦磨损试验机对样件进行摩擦磨损试验,利用电子分析天平测定磨损前后的质量,对表征及磨损性能进行分析。结果表明:SLM增材制造样件表面粗糙度随重熔次数的增加而逐渐减小,重熔后的平均表面粗糙度Sa、Sq、Sv、Sz值分别从0次重熔(正常打印)的8.437、11.88、82.68、252.2μm降低到三次重熔的6.18、7.735、37.597、104.36μm,分别降低26.75%、34.89%、54.53%、58.62%;随重熔次数的增加,平均摩擦因数逐渐增大,质量磨损量逐步减小;2、3次重熔样件在磨损试验的后半段瞬时最大摩擦因数出现了大于1的情况,这是由于在明显滑动之前出现“接点增长”,接点面积不断增大,致使摩擦力超过正压力。表面粗糙度及摩损性能出现上述变化的原因是,每次重熔会使表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷,直至消失,相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制,孔隙和球化等缺陷逐渐被修复,表面变得更加平整。研究发现不同重熔次数对表面粗糙度和磨损改变的程度不同;定义了经济重熔次数概念,1、2、3次重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率分别为ζ_(1)=26.61%、ζ_(2)=43.60%、ζ_(3)=23.68%,确定了经济重熔次数为2;根据研究成果,给出经济重熔次数在矿山机械上的应用实例。提出经济重熔次数概念,并给出经济重熔次数的应用实例,可为提高增材制造构件表面质量和耐磨性能提供新思路。

滚抛磨块材质对SLM成型316L不锈钢表面滚磨光整效果影响的实验研究

为了深入研究不同材质滚抛磨块对选择性激光熔化(selective laser melting, SLM)成型316L不锈钢表面滚磨光整效果的影响,选用氧化铝、白陶瓷和棕刚玉3种滚抛磨块进行滚磨光整加工,研究不同材质滚抛磨块对SLM成型316L不锈钢在水平面和垂直面上的表面粗糙度、材料去除率、显微硬度及物相组成的影响。结果表明:棕刚玉磨块的加工效率最高,能显著降低水平面及垂直面的表面粗糙度,其中水平面的表面粗糙度下降率达到68.69%,垂直面的表面粗糙度下降率达到87.53%,并能提高材料去除率、增强显微硬度与残余压应力;相比之下,白陶瓷磨块在保持表面完整性的同时,可有效去除SLM成型缺陷,满足特殊表面需求;氧化铝磨块加工效果位于二者之间。

羟基磷灰石混粉电火花铣削加工316L的效果研究

316L不锈钢是一种制作人体植入物的重要材料。经过调研提出一种羟基磷灰石混粉电火花铣削加工方式,通过因素和水平的变化探究羟基磷灰石混粉电火花铣削加工与混粉电火花成形加工两种加工工艺蚀除316L不锈钢的趋势与不同。试验结果发现,混粉电火花铣削加工能够提高材料去除率,降低电极损耗率、表面粗糙度和表面接触角。证明了该加工方式具有研究意义,并通过单因素试验进一步探究该加工方式正负极性下所呈现的不同加工特性及形成原因。极性试验结果显示,正极性加工能够实现更高的材料去除率,负极性加工则呈现更低的电极损耗率、表面粗糙度和表面接触角。

316L不锈钢/CK22碳钢爆炸焊接管的数值模拟

为研究不同炸药量对爆炸焊接不锈钢316L/碳钢CK22复合管的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件结合ALE流固耦合算法对不同炸药内径下复合管的爆炸焊接过程进行数值模拟,建立316L/CK22双金属管可焊接窗口,利用后处理软件LS-PrePost导出焊接过程中碰撞压力、塑性变形、碰撞速度等动态参数。结果表明:炸药厚度小于0.505 cm时碰撞速度在可焊接窗口外,在复合时发生回弹焊接失败,药厚大于0.505 cm时均能较好复合,模拟与实验吻合,证明焊接窗口对爆炸焊接实验的较好指导意义;模拟碰撞速度与理论值误差在3.2%~9.5%,证明数值模拟爆炸焊接复合管的可靠性。

冷轧变形程度对316L不锈钢硬度和强度比例关系的影响

采用两辊轧机对粗晶态316L不锈钢进行不同变形程度的轧制,研究不同冷变形程度对316L不锈钢硬度-屈服强度比例关系的影响。结果显示:随着冷轧变形程度的增加,材料中出现大量的位错、变形孪晶等形变缺陷,同时,马氏体相含量也增加。随着变形程度的增加,硬度与屈服强度的比值逐渐趋向于3,这主要是由于冷变形极大地削弱了316L不锈钢原有的加工硬化能力。

扫描间距对选区激光熔化316L不锈钢组织及硬度的影响

在激光功率180 W、扫描速率800 mm/s、层厚0.03 mm、旋转角度45°参数下,改变激光扫描间距进行选区熔化成形,研究了扫描间距的改变对选区激光熔化成形316L不锈钢试样表面形貌、微观缺陷、显微组织与硬度的影响。结果表明:随着扫描间距的增大,试样表面质量逐渐变差,试样中的孔洞、熔合不良等微观缺陷的数量与尺寸发生改变。当扫描间距为0.09 mm时,SLM成形316L不锈钢试样中的微观缺陷最少。随着扫描间距的增大,试样中晶粒形貌由柱状晶向等轴晶转变。晶粒的显微亚结构分为柱状亚结构和胞状亚结构两种类型。胞状亚结构基本上位于几个熔池的交界处。扫描间距对试样的硬度影响较小,硬度值在210~220 HV。