气体雾化过程中涉及颗粒形貌和空心颗粒形成的金属液滴变形和破碎数值模拟

采用考虑液滴冷却和凝固的流体体积(VOF)方法模拟金属液滴在气体雾化过程中的变形和破碎。建立典型粉末形貌和液滴破碎行为之间的相关性,以指导球形粉末颗粒的制备。结果显示,当增加液滴的气动力与黏性力的比值时,球形颗粒的形成得到加强;然而,当减小这个比值时,预期的液滴破碎模型将被改变或仅仅只发生液滴的变形。从空心颗粒的形成和演变过程的数值模拟中观察到几种典型的情况,例如,开放的空心液膜的形成、液膜封闭、气泡的离心和气泡的脱离。通过提高气体速度或液滴温度,实现较高的非平衡拉普拉斯压力或较低的粘性力,促使气泡从液滴内部分离。

微米级选区激光熔化316L不锈钢拉伸变形中Σ3^(n)特殊晶界的分布

利用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了微米级选区激光熔化制备316L不锈钢横向拉伸试样和法向拉伸试样在8%、18%和28%拉伸应变下的晶界特征分布.结果表明,随着拉伸应变的增加,横向试样和法向试样的Σ3晶界比例显著增加,Σ9+Σ27晶界比例明显降低.Σ3晶界有效隔断了一般大角度晶界的贯通性.通过微矩形截面法对Σ3特殊晶界的共格/非共格特征进行测定,其中,横向试样在18%拉伸应变下以Σ3IC为主,约占60%,而法向拉伸试样在同样条件下以Σ3C为主,约占73%.进一步分析指出,非共格Σ3IC晶界的迁移并与Σ9晶界的汇合是促进拉伸应变过程中Σ3特殊晶界比例升高的原因.

镁合金电弧增材制造技术的研究进展

镁合金作为最有发展前景的轻质结构材料之一,具有良好的铸造性、可加工性、生物相容性和优异的力学性能,已广泛用于汽车制造、航空航天以及生物医学等多个领域。随着轻量化发展,开发镁合金整体构件已成为其应用趋势。但是,整体构件通常具有规模大、结构复杂的特点,相较于传统制造工艺,电弧增材制造具有沉积速率高、成本低、材料利用率高等特点,为制备大型镁合金构件提供可能性。因此,镁合金电弧增材制造得到了不同程度的研究,本文主要从3个方面对镁合金电弧增材制造的研究进展进行综述。首先,介绍了电弧增材制造技术不同工艺方法;其次,介绍了镁合金电弧增材制造的研究现状包括成型质量和组织性能;最后,总结了镁合金电弧增材制造可能面临的挑战,为镁合金电弧增材制造技术的进一步研究与应用提供参考。

基于PSO-LSSVM算法的隧道掘进机掘进参数预测方法

为了规避隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进参数人为设定的主观性,提出了一种基于粒子群-最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)的TBM掘进参数预测方法。通过从海量TBM工程掘进数据中探寻参数变化规律,降低了TBM主司机设定掘进参数的主观性,辅助其合理选择掘进参数,有利于提高掘进效率、规避工程风险,经实验和工程数据验证,PSO-LSSVM算法通过对样本粒子全局迭代寻优来优化参数,提升了预测算法泛化能力和预测精度,对推力、扭矩和推进速度参数预测数值偏差满足要求,可辅助指导主司机设定掘进参数。

基于ReliefF算法的钛合金电弧增材沉积层尺寸与光谱特性的相关性分析

电弧增材制造具有沉积效率高、成本低、沉积形状和尺寸不受限制等优点,而目前电弧增材制造成型件的成型精度难以精确保证。沉积层尺寸作为评价构件成型质量的标准之一,对判断加工质量以及缺陷补偿至关重要。实时监测电弧增材制造过程中沉积层尺寸的变化状态,对于优化工艺参数,确保增材制造构件的成型质量具有重要意义。电弧光谱信息可以反映电弧状态,电弧状态与成型质量密切相关,因此研究电弧光谱与沉积层尺寸的关系具有重要意义。以钛合金(TC4)材料作为基板和焊丝,电弧等离子体光谱信号为研究对象,研究GTAW增材电弧光谱特性与沉积层尺寸的相关性。搭建光谱采集系统,采集熔池上方、熔池外围、钨极下方不同位置的电弧光谱信号。基于谱线分离性高原则,分别选取波长为404.20 nm的TiⅠ谱线、波长为416.36 nm的TiⅡ谱线、波长为420.20、434.81、480.50和487.98 nm的ArⅡ谱线以及波长为696.54和794.82 nm的ArⅠ谱线,提取其谱线的峰强特征,结合ReliefF算法分别挖掘不同谱线强度特征与沉积层尺寸的相关性。结果表明,三组位置的所有谱线中熔池上方的波长为404.03 nm的TiⅠ元素谱线、416.36 nm的TiⅡ元素谱线以及794.82 nm的ArⅠ元素谱线谱峰强度特征与沉积层尺寸具有较强的相关性。分别研究相同位置的不同谱线峰强特征与沉积层尺寸的相关性差异,结果表明熔池上方与沉积层尺寸相关性最大特征谱线为波长696.54 nm的ArⅠ谱线、熔池外围和钨极下方与沉积层尺寸相关性最大的特征谱线为波长794.82的ArⅠ谱线。为减小随机误差,采用PCA算法将三个电弧光谱采集位置上与沉积层尺寸相关性最大的谱线对应的强度特征进行融合,获得新的融合特征,结合K近邻算法建立沉积层尺寸预测模型,分别计算这四个特征预测样本类别的准确率,发现融合特征预测样本所属的沉积层尺寸的准确率更高。基于此新特征结合阈值分割法实现动态监测沉积层尺寸变化。

铝合金与镁合金的夹锡电阻点焊

采用电阻点焊对铝合金A6061与镁合金AZ31B进行了焊接,并针对异种金属焊接特点,在两者焊接过程中添加锡金属层以调控接头性能。利用扫描电镜及拉伸机等设备对所得接头的组织、性能进行观察、检测。研究了电阻点焊三大工艺参数(焊接电流、时间及电极压力)对A6061/Sn/AZ31B接头中熔核的形貌及接头力学性能的影响。结果表明:镁合金侧的熔核边界区域生成了Al_(12)Mg_(17)柱状晶反应层(约10μm),铝合金侧的熔核边界区域生成了Al_(3)Mg_(2)和(Al)的共晶组织层(约3.5μm);随以上工艺参数的增大,A6061/Sn/AZ31B接头的抗剪载荷均先增大,达到最大值然后减小;且当焊接电流为30 kA、焊接时间为20 cyc、电极压力为2.1 kN时接头的抗剪载荷达到最大,约4.6 kN。

Q960E焊接粗晶区组织的再热脆化与软化分析

为了精确获得不同温度梯度条件下焊接热影响区的组织和性能,采用焊接热模拟的方式对一种低碳当量Q960E及其对比钢进行了两次模拟热循环试验,并获得了一次热模拟后的CGHAZ,以及二次热模拟后的未变粗晶热影响区(UA CGHAZ)、过临界粗晶热影响区(SCR CGHAZ)、临界粗晶热影响区(ICR CGHAZ)和亚临界粗晶热影响区(SR CGHAZ)的显微组织,开展了组织分析、冲击韧性测试和硬度表征.结果表明,低碳当量Q960E和高碳当量对比钢的ICR CGHAZ和SR CGHAZ均有再热脆化敏感性,在-40℃下对比钢的SR CGHAZ的冲击韧性低至9 J,其晶界点状和条状碳化物分布是再热脆化的主要原因;低碳当量Q960E的SR CGHAZ软化最为严重,其原因是细晶强化、位错强化和析出强化联合丧失造成的.

微米级选区激光熔化316L不锈钢的拉伸力学性能

为辅助理解金属材料高精密增材制造成形机理,本工作利用微米级选区激光熔化(micro-selective laser melting,M-SLM)技术制备了316L不锈钢,对其拉伸性能及断裂行为进行了研究,并对断后横向和纵向拉伸试样显微组织和断口形貌进行了表征与分析,对近断面塑性变形区的晶粒取向、晶界特征分布等进行了电子背散射衍射(EBSD)分析。结果表明:M-SLM制备316L不锈钢晶粒内部存在尺寸为100~300 nm的胞状组织结构,拉伸断口呈韧窝状,窝口直径80~500 nm,这使得316L不锈钢的横向平均抗拉强度达692.1 MPa,纵向平均断后延伸率达54.6%,明显优于传统SLM技术制备的316L不锈钢。M-SLM制备316L不锈钢在拉伸过程中奥氏体Σ3孪晶界的出现与晶粒取向有关,其在取向接近<111>的晶粒中较易出现。进一步分析指出,Σ3晶界的出现阻断了特殊晶界网络的连通性。通过基于EBSD的矩形截面法对共格Σ3(Σ3_(c))和非共格Σ3(Σ3_(ic))晶界进行了统计分析,显示316L横向拉伸试样近断口区的Σ3_(c)和Σ3_(ic)晶界数量百分比分别约为43%和57%,而纵向拉伸试样近断口区的Σ3_(c)晶界数量百分比提高至约70%。Σ3_(c)孪晶界的增加使得总晶界能降低,是导致M-SLM制备316L不锈钢纵向拉伸强度普遍低于横向拉伸强度的原因。

带相变热流固耦合问题的数值方法及金属增材制造仿真

本文提出了一种带相变的热流固强耦合问题的数值求解方法,即热耦合最优输运无网格(HOTM)方法.该方法结合了最优输运无网格方法(OTM)和热流固变分本构模型,能够解决多介质耦合问题中常见的极大变形、大温度梯度、高加热/冷却速率、包括熔化、气化和固化在内的多相变和多相混合等问题.该方法用节点和物质点进行空间离散,同时求解动量和能量守恒方程来获得材料的变形、温度和局部状态.HOTM方法已被用于金属粉末床激光选区熔融工艺(SLM)和超高速激光熔覆技术(EHLA)的直接数值模拟,本文在数值模拟中量化了SLM中粉末颗粒尺寸分布对成型材料孔隙度的影响,并计算了EHLA中金属涂层的近似孔隙率,模拟与实验结果高度吻合.该方法有助于对金属增材制造工艺中控制成品质量加深理解.