表面毛化铝箔集流体的力学性能

针对铝箔集流体表面改性的要求,基于激光毛化技术轧制13μm厚的1070铝箔,研究表面毛化参数对铝箔的力学性能和作为锂离子电池正极集流体的加工性能的影响。表面毛化铝箔的表面粗糙度Ra达到0.71.0μm,为常规铝箔的7.49.7倍,表面毛化坑诱导的应力集中效应使铝箔的屈服强度和拉伸强度降低4%10%,而表面毛化坑造成的铝箔局部减薄和板型变化对伸长率的影响更加显著。采用相互分离的低密度毛化坑(分布参数140μm×140μm)时,表面毛化铝箔的伸长率仅降低约10%。而采用相切的高密度毛化坑(分布参数70μm×70μm)时,表面毛化铝箔的伸长率降低约50%。两种表面毛化铝箔制成的正极极片的LiCoO2涂层剥离强度均达到常规铝箔极片的1.6倍,分散性仅为常规铝箔极片的16%32%。毛化铝箔的表面粗糙度Ra值在0.7μm附近存在临界点,继续增大不能有效地提高涂层对铝箔集流体的剥离强度,反而损失其力学性能。模拟锂离子电池正极极片的辊压和烘干工艺后,表面毛化铝箔(分布参数140μm×140μm)的力学性能与常规铝箔的相当,但铝箔表面毛化坑诱导的应力集中现象能够促进铝箔均匀变形,抵抗局部损伤能力强,提高电池卷芯对整形压力的宽容度,有助于避免最内层极片的局部断裂现象。

热障涂层皱曲现象的数值模拟研究

对装机使用后的热障涂层叶片进行观察,发现电子束物理气相沉积涂层和等离子喷涂涂层表面均出现皱曲,不同于通常意义上的陶瓷层/粘接层界面皱曲。为了解释这种皱曲伴生的涂层断裂以及与皱曲特征参数的关系,利用ANSYS进行了数值模拟,表明皱曲波长对涂层断裂位置产生影响。短波长时面层凹陷处等效应力更大,属危险点。长波长时面层凸起处应力更大,在面层/底层界面处属危险点。

EB-PVD热障涂层皱曲问题研究进展

热障涂层皱曲是指在高温循环载荷下陶瓷表层/粘结层界面甚至陶瓷层表面发生的凸起或凹陷现象。综合国内外最新的有关皱曲现象的报道,系统地介绍了电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层皱曲行为。综述了皱曲的特点、研究历史和研究进展,从微观机理、研究方法和皱曲对涂层性能影响3个方面进行了分析,指出了可行的研究发展方向。

激光打孔工艺参数对孔型影响的二维数值模拟研究

针对孔型随激光工艺参数变化的特点,建立了具有光束传输和强度分布的激光打孔瞬态二维有限元模型,对孔型演化进行了数值模拟研究。模型考虑了激光束空间分布和材料相变潜热对孔的影响,给出了小孔的温度场瞬态分布和界面演化过程。结果表明,打孔速度随激光与材料作用时间增加而增大,钻孔速度大约在1 m/s量级,而孔径在打孔初期增大之后变化不大。比较了不同参数下各种孔型,包括直筒型、倒锥型和正锥型等,横截面的仿真结果与试验观测值吻合较好。仿真方法可以准确地模拟激光打通孔的过程,为实际工艺研究提供参考。

激光熔覆Ta-W合金涂层工艺方法研究

采用预置涂层和同轴送粉激光熔覆方法,分别以Ta/W混合粉末和纯W粉末为熔覆材料,纯Ta为基底,在Ta板上制备Ta-W合金涂层,对难熔金属材料的激光熔覆工艺方法进行了对比研究。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及显微硬度计对两种方法所制备熔覆层的微观组织和显微硬度进行了分析。结果表明,预置粉末法激光熔覆层厚度均匀,稀释率低,涂层内部为粗大的Ta-W合金固溶体组织,熔覆层平均硬度为1500HV,高于基底10倍。同轴送粉法激光熔覆层与基底呈良好的冶金结合,熔深较大,涂层内部为致密细小的树枝状Ta-W合金固溶体,均匀分布于Ta中。涂层平均硬度为800HV,为基材的5倍。

冲压模具激光表面强化的搭接工艺研究

针对激光相变强化搭接带存在的回火软化等问题,对激光强化的球墨铸铁材料QT700-2搭接区的显微硬度、表面粗糙度、物相变化等进行了测试,并分析了强化机理。结果表明:选用合理的搭接率等工艺参数,球墨铸铁激光搭接强化后的硬度可达到50HRC以上,调节搭接宽度可以避免搭接区的回火软化问题。多道搭接强化后表层的马氏体组织呈区域性交错分布,材料表面形成非均匀、多尺度强化结构,强化后的表面具有良好的耐磨性和耐疲劳性。通过上述结果,对材料激光搭接强化的工艺参数进行了合理的优化。

YAG激光诱导放电表面离散强化形貌实验研究

实验研究了YAG激光诱导放电(LGD)表面离散强化形貌,包括强化点的表面形貌和横截面形貌。利用放电过程中的电弧压力,对强化点表面进行造型。大电流、倾斜放电容易将熔凝物吹起形成凹坑和突起,表面起伏更加明显,而小电流、垂直放电则能得到平坦的表面,有利于增大强化深度。随脉冲宽度的增加,强化点的径深比逐渐变小,在相同强化深度下,小电流、长脉冲宽度可以获得小径深比、厚深状的强化点,而大电流、短脉冲宽度可以获得大径深比、扁平状的强化点。在现有实验条件下,在电流150 A,脉冲宽度9.83 ms下得到最大强化深度为0.479 mm,径深比为3.9。

激光对7N01铝合金复合焊焊接接头组织性能的影响

采用激光-MIG复合焊的方法,对高铁用7N01铝合金进行了焊接工艺试验,对复合焊过程中激光的作用进行了研究。给出了激光对焊缝成形的改善效果,测定并分析了接头的硬度分布,讨论了激光的加入对接头微观组织的影响。试验表明:激光的加入能够抑制驼峰,可以增大熔深,并且在文中所给参数下,不会对热影响区造成显著影响。本文最后探讨了激光-MIG复合焊过程中,激光作用的机理。

铝合金激光-MIG复合焊中两种焊接方向对焊缝的影响

以高铁用6N01铝合金为试验材料,采用激光-MIG复合焊接方法,进行了焊接工艺试验,对两种不同的焊接方向进行了对比研究。对比分析了不同焊接方向下,焊缝形貌的变化、焊缝硬度和组织的改变;对两种条件下的焊缝进行了拉伸强度测试;经过X射线探伤,讨论了不同的焊接方向对气孔数量和分布的影响。结果表明:不同焊接方向下焊缝的成形、熔合区的晶粒生长取向、气孔分布不同,而硬度和拉伸强度差别不大。

激光熔覆Fe-W合金涂层的组织及性能

以纯钨粉末为熔覆材料,采用同轴送粉激光熔覆技术,在Q235A钢表面制备了Fe-W合金耐磨涂层.利用X射线衍射(XRD)、光学显微镜、扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)对熔覆层的显微组织进行了分析,用显微硬度计和摩擦磨损试验机对熔覆层的硬度和耐磨性进行了测试.结果表明,熔覆层与基底冶金结合,无明显裂纹或气孔,涂层内部由致密的粗大树枝状和短棒状Fe7W6增强相以及弥散分布的细小颗粒状Fe2W相组成,其均匀分布在α-Fe固溶体中.熔覆层平均硬度700 HV,为基材Q235A钢的3.5倍,同时耐磨性能也得到了显著提高.

车轮表面宏观形貌取向对高速轮轨水润滑黏着系数的影响

轮胎和沥青都属于低弹性模量材料,即使运动速度较低,流体动压导致的水膜也足以产生润滑作用.对于列车轮轨这类高弹性模量材料,只有当运行速度达到200 km/h以上,水的润滑作用才体现出来,使轮轨黏着系数大幅降低,给高速列车运行带来重大安全隐患.增大表面粗糙度一般能够提高轮轨黏着系数,然而研究表明,在表面粗糙度基本相同的条件下,表面形貌取向对混合润滑状态下的黏着系数有显著影响.文中用统一雷诺方程模型,计算了在水润滑状态下,具有纵纹、横纹、菱形等特定形貌取向的车轮在高速运动时(最高500 km/h)对黏着系数的影响,并将计算结果与平均流量模型计算的结果和已有的实验结果进行了比较.结果表明:各种形貌下,轮轨黏着系数都随速度的增大而减小,其中菱形的黏着系数大于横纹的,而横纹的黏着系数又大于纵纹的,影响黏着系数的主要因素是固体接触压力与总压力之比.在轮轨点接触椭圆率k<1时,接触区的侧流效应不可忽略,用平均流量模型计算会导致谬误.

低功率激光辐照对弯曲成形件表面残余应力的影响

目的针对航空铝合金构件维修加工后存在残余拉应力,进而影响部件使用寿命的难题,研究一种基于低能量输入激光辐照消减构件表面残余应力的方法。方法采用激光辐照材料残余应力集中区域,通过激光热作用诱导弹性内能转化为塑性功,从而降低残余应力。为了验证该方法的可行性,对2A12铝合金试样进行四点弯曲加载,通过不均匀塑性变形产生残余应力,再通过激光扫描应力集中区域诱导表面残余应力局部释放。结果采用X射线衍射法测量表面残余应力的结果表明,激光扫描后,试样表面的残余拉应力完全消除,当激光功率增大到95 W时,残余应力可以消除77%左右。通过理论分析和微观形貌对比,发现材料在激光辐照前后并没有相变。通过分析材料Al(311)晶面X射线衍射峰半高宽的变化,发现激光辐照使材料表面位错密度下降,随着激光功率增大,位错密度下降幅度增大,这也是残余应力降低的原因之一。结论在不改变材料微观组织的前提下,采用低功率激光辐照可以显著降低材料表面残余应力分布。

铸铁表面激光熔覆哈氏合金C276组织及性能

目的提高铸铁表面耐磨、耐腐蚀性能。方法采用激光熔覆技术在铸铁表面制备哈氏合金C276涂层,采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)研究其显微组织、化学成分、相组成。通过摩擦磨损试验机和电化学试验站,对基体和熔覆层的摩擦磨损性能及耐腐蚀性能进行测试。结果熔覆层中有析出性气孔,未见裂纹。在激光高温热源的作用下,熔覆层中的合金元素扩散到了铸铁基体中,且过渡平稳,形成了良好的冶金结合,在界面处形成了马氏体和莱氏体。熔覆层主相为γ-Ni及Ni_6Mo_(6C)、M_(6C)(Ni_(3)Mo_(3C)、Ni_(2)W_4C)等碳化物。熔覆层从底部到顶部依次形成了平面晶、胞状晶、柱状树枝晶、发达树枝晶、胞状树枝晶和少量等轴树枝晶。熔覆层的平均硬度为370HV_(0.2),平均摩擦系数为0.28,1 h的磨损量为0.081 g,自腐蚀电位E_(corr)为-0.32 V,自腐蚀电流密度J_(corr)为8.51×10^(-7) A/cm^(2)。基体的耐磨性较差,腐蚀倾向较大,平均硬度为180HV_(0.2),平均摩擦系数为0.34,1 h的磨损量为0.318 g,自腐蚀电位E_(corr)为-0.79 V,自腐蚀电流密度J_(corr)为3.31×10^(-6)A/cm^(2)。结论在铸铁表面采用激光熔覆技术制备C276哈氏合金涂层,成形效果良好,耐磨性能和耐腐蚀性能显著提高。

32Cr3Mo1V钢表面激光离散Cr合金化的热疲劳性能

为了研究增强32Cr3Mo1V铸轧辊套材料的热疲劳性能的方法,使用连续Nd:YAG激光制备表面离散Cr合金化试样。使用激光扫描加热模拟实际辊套的表面温度和分布,测试试样的热疲劳性能。通过对试样的准原位观察,发现疲劳裂纹在氧化膜点蚀处萌生并扩展。通过SEM观察和EDAX分析,发现在热循环300周次时,基体中的Cr元素已经耗尽,形成疲劳裂纹,而合金化区和热影响区的组织保持完整。合金化区中Cr含量达到10.41%,含氧量仅为基体的2.8%;热影响区的Cr元素含量为3.41%,含氧量为基体的7.2%。结合金属高温氧化理论和材料疲劳理论分析,认为高Cr含量在试样表面形成薄且致密的氧化膜,抑制氧化膜的点蚀现象,避免裂纹的萌生;而热影响区中显微组织的高Cr含量和残余压应力结合阻滞疲劳裂纹的扩展,使裂纹扩展速率降低近一个量级。

基于无量纲工艺图的激光熔化沉积制备Ti6Al4V工艺与性能研究

如何高效获取合适的工艺参数进行激光熔化沉积(LMD)制造高性能零件是一项艰巨的挑战。提出了一种有效进行参数选择的方法,建立了基于LMD工艺的无量纲参数组,利用文献中获取的LMD工艺数据构建无量纲工艺图,确定了本试验LMD制备Ti6Al4V的工艺范围。利用正交试验研究了不同激光功率q、扫描速率v和扫描间距h组合下的无量纲等效能量密度E;对LMD制备Ti6Al4V块状试样组织和性能的影响。结果表明,LMD制备的试样呈现出明显的柱状晶外延生长特点,柱状晶的宽度随E;增加而增大。在通过无量纲工艺图确定的最优参数E_(0)^(*)=3.74下LMD制备的Ti6Al4V试样无熔合缺陷,硬度为391.7 HV,抗拉强度为963 MPa,延伸率为13.4%。结果表明,利用构建的无量纲工艺图缩小工艺参数范围,可以获得综合力学性能优良的样件。

柱形件在边角受压下的三向起皱行为

塑性失稳、分叉引起的起皱是材料加工和成形工艺中的常见现象,起皱的出现将影响零部件的成形质量和性能。已有的工作主要集中在一维和二维的起皱行为,为对开模挤压成形初期以及某些低刚度零件的装配过程中出现的三向起皱现象有更深的认识,设计一种通过改变锥模角度以获得皱曲特征的试验方案,得到局部应力集中下的三向皱曲形貌,描述各个方向起皱的特点,系统地分析锥模角度和试样晶粒大小对皱曲的影响。结果表明:柱面凸起高度、凸起距离和起皱波延伸距离随挤压角度的增大而增大;端面凸起高度和起皱波长、延伸距离均随着挤压角度的增大先增加后减小,凸起距离随角度增大单调减小;波长越长时对应起皱延伸越远;试样表面层晶粒越大,起皱波长和延伸距离越大,起皱形貌越明显。

线状点阵分布整形光束研究

为了提高激光表面硬化的加工效率，可采用线状点阵分布光束取代原始单点高斯分布光束作为加工光源。利用均匀采样的Dammann光栅设计了线状点阵分布整形光束，对比了三种评价函数参数修订下的设计输出，其中一种修订方法得到较均匀输出，其他两种修订方法得到低零级的输出结果。设计并制作了一种非均匀线状多点阵分布整形光束用于实际表面硬化，得到的加工效果与设计要求相一致。

特定强度分布脉冲激光表面强化实验

激光硬化层均匀性受光束空间强度分布和作用时间的影响。采用二元光学变换技术得到光束中心线强度比值为1∶2∶3、3∶2∶1和1∶1∶1的5×5点阵光斑,研究这三种强度分布光斑对Q235钢脉冲激光硬化后表面形貌、硬化层形状、硬度及耐磨性的影响。结果表明,激光光斑的空间强度分布对Q235钢硬化层均匀性影响很大,1∶2∶3强度分布光斑作用下的材料表面形貌、硬化层均匀性、硬度均匀度均优于1∶1∶1强度分布光斑。

送粉式激光熔覆中瞬态温度场与几何形貌的三维数值模拟

针对送粉式激光熔覆的特点,基于生死单元法建立了一种可以同时计算瞬态温度场及熔覆层几何形貌的三维数值模型,模型中考虑了送粉过程中激光能量的衰减和粉末颗粒的温升。基于该模型对送粉式激光熔覆过程中的温度场分布和几何形貌特点进行了分析。结果表明,在熔覆开始较短时间后,工件的瞬态温度分布与熔覆层几何形貌基本保持稳定。进行了不同送粉速率下的送粉式激光熔覆试验,对比了熔覆层横截面几何形貌的试验结果和计算结果,熔覆层表面轮廓线与试验结果基本保持一致,熔覆层的宽度、高度和熔深与试验结果基本吻合,说明了所建立的激光熔覆层几何形貌计算模型的有效性和可靠性。

不锈钢激光搭接焊接头温度场数值模拟及分析

温度场是影响激光焊接焊缝成形质量的关键因素。针对非熔透型激光搭接焊接头焊缝成"钉头"状的特点,通过分析焊接时材料吸收激光能量的分布情况,提出了高斯面热源加线性递增式柱热源的复合体热源模型。模型考虑板间接触热阻的影响,并将计算结果和试验结果进行了对比,发现模拟出的焊缝形状和试验吻合较好;此外基于本模型对焊缝各处的热循环与焊缝组织形貌及显微硬度的关系进行了分析。结果表明,焊缝组织形貌及显微硬度除与加热和冷却速率有关外,峰值温度对其也有重要影响;在热循环基本一致的情况下焊缝的性能相似。该模型较准确地模拟了薄板激光深熔焊接熔池温度场,对研究激光深熔焊接温度场问题和激光工艺参数的优化选择具有参考价值。