工艺参数对球墨铸铁和低碳钢激光焊接的影响

为了提高球墨铸铁和低碳钢焊接接头力学性能,解决容易开裂的问题,采用激光焊接的方法对球墨铸铁和低碳钢进行焊接,研究了工艺参数对其焊接接头的组织和性能影响。结果表明,随着激光功率逐渐增加或焊接速率的逐渐变缓,试验件抗拉强度呈现出先增大后减小的变化趋势;当焊接功率为4250 W和焊接速率为2.4 m/min时,试样件焊接接头的强度处于极值400 MPa;在球墨铸铁侧热影响区内形成3种壳体结构(双壳结构、单壳结构和无核结构);焊缝区组织主要由树枝晶组织、少量的马氏体和莱氏体组织构成;焊缝区存在微裂纹,通过添加镍基材料可获得无裂纹焊缝,并提升抗拉强度约40 MPa,达到母材的95%。该研究对后续球墨铸铁与低碳钢高功率激光焊接工艺优化是有帮助的。

WC对激光熔覆层组织及耐磨耐冲击性的影响

激光熔覆Ni基合金涂层具有良好的综合性能,但耐磨与耐冲击性能仍有待提高。分别采用含微米与纳米WC颗粒的Ni基粉末激光熔覆制备WC/Ni涂层,研究两种WC颗粒对Ni基涂层组织及耐磨耐冲击性的影响。利用SEM与XRD对涂层进行微观组织分析,利用高速摄像机分析熔覆过程中的熔池形态。采用磨损试验机、夏比冲击试验机对涂层进行耐磨性与耐冲击性测试。纳米WC对熔池流动的促进作用强于微米WC,并使涂层组织得到更显著的细化。由于微米WC与Ni45涂层结合紧密,磨损试验中能有效抵抗配磨件微凸体的切削,最终显著增强涂层耐磨性,磨损率较Ni45涂层降低88.38%。但微米WC的高脆性不利于涂层耐冲击性的提高,冲击韧性仅为Ni45涂层的91.28%。由于纳米WC在细化晶粒的同时会弥散分布于晶界与共晶区,在磨损过程中阻碍位错运动,抑制晶粒塑性变形,进而减弱配磨件对涂层的切削,提高涂层耐磨性,磨损率较Ni45涂层降低53.43%。由于在晶界与共晶区的纳米WC会阻碍裂纹扩展并改变扩展方向,进而提高形成贯穿裂纹的能量,增加涂层断裂所需的冲击功,使涂层耐冲击性得到显著提高,冲击韧性较Ni45涂层提高13.37%。通过有限元分析可知,在冲击过程中涂层中的高脆性微米WC会形成高应力集中,证明其对涂层耐冲击性具有不利影响。而纳米WC能降低位错的不均匀滑移,缓解位错堆积,进而有效分散涂层在冲击过程中形成的应力集中,证明其能显著提高复合涂层的耐冲击性能。研究证明,纳米WC能实现涂层耐磨性与耐冲击性的同步提升。

脉冲频率对激光熔覆层微观组织与性能的影响

激光熔覆层内粗大的晶粒与硬质析出相会对涂层耐腐蚀性能与耐冲击性能产生不利影响。采用脉冲激光熔覆技术研究了脉冲频率对涂层微观组织及性能的影响。利用扫描电镜形貌表征涂层微观组织,采用高速摄像机与数值仿真方法分析熔池形貌与温度变化;使用显微硬度计、磨损试验机、夏比冲击试验机及电化学腐蚀仪分别对涂层进行硬度、耐磨性、耐冲击性及耐腐蚀性测试。结果表明,涂层组织随脉冲频率的增大而粗化,同时,脉冲激光会使涂层内部析出相数量先减后增;涂层耐磨性随脉冲频率增大而降低,频率为20 Hz时涂层组织细化且存在细小硬质析出相,耐磨性最佳;涂层耐冲击性与耐腐蚀性随脉冲频率增大会先升后降,频率为80 Hz时涂层硬质相数量明显减少,此时具有最佳的耐冲击性与耐腐蚀性。

微纳卫星相机主承力构件轻量化设计与增材制造

针对20kg微纳遥感卫星相机主承力构件的轻量化需求,以转接环、次镜环和主背板3个主承力构件为研究对象,开展面向选区激光熔化增材制造技术的结构设计与制造关键技术研究。结果表明,设计的0.5mm折边结构具有良好的抗压缩和扭转等力学性能,在实现轻量化的同时可显著提升构件的支撑强度。通过45°斜壁与微桁架结构,实现了无辅助支撑增材制造。从能量输入、结构微调及加快热传导三方面入手,有效解决了打印过程尖角变形难题。最终获得了质量分别为89g、87g和546g的3个轻量化主承力构件。搭载原理样机开展系统装调与地面力学试验,通过8 g重力加速度测试,实现了卫星相机大型复杂结构主承力构件的高承载和轻量化制造。

面向选区激光熔化增材制造的多孔结构设计与力学性能分析

面向选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造轻质高强多孔结构的需求,采用拓扑优化设计方法,通过调节孔隙率和载荷施加位置对正六面体进行结构优化,得到了点、线和面拓扑多孔结构,并利用SLM技术制备了AlSi10Mg多孔结构试样。通过压缩试验测试多孔结构的力学性能,采用有限元法分析多孔结构的破坏机理。结果表明,随着孔隙率的增加,点、线和面拓扑多孔结构的屈服强度和弹性模量逐渐降低。有限元分析表明,面拓扑多孔结构的应力分布是最均匀,在相同压缩位移下,面拓扑多孔结构的力学性能最佳,线拓扑多孔结构次之,点拓扑多孔结构的力学性能最差。该结果证明了面拓扑优化是三种优化方式中最理想的一种。采用经典的Gibson-Ashby模型建立了力学性能与几何参数之间的数学关系,可用来预测三种多孔结构的孔隙率与力学性能关系,为多孔结构的应用提供了理论依据。

激光熔覆耐磨耐冲击复合涂层组织与性能研究

为提高大型主动轮齿圈齿面的耐磨与耐冲击性能,以齿圈所用ZG42CrMoA材料为研究对象,采用5 kW CO2激光器、四轴联动数控机床及载气式同轴送粉系统等设备在其表面激光熔覆制备夹层式与匀质复合涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计及光学显微镜等分析、测试仪器对两种复合涂层进行微观组织表征。利用摩擦磨损试验机、夏比冲击试验机对高频感应淬火ZG42CrMoA、夹层式与匀质复合涂层进行磨损率、冲击韧性测试。结果表明,匀质复合涂层组织细化均匀且包含γ-Ni、Ni3B、M23C6、WC及W2C等物相。夹层包含γ-Ni、M23C6、Ni Mo及NiMo4等物相,其组织以等轴晶为主且出现Mo元素偏析并阻碍Cr元素析出。夹层式与匀质复合涂层磨损率较基材与高频淬火试样分别降低64.71%和56.84%。夹层式复合涂层冲击韧性较匀质复合涂层与高频淬火试样分别提高8.21%和14.67%,并达到基材的65.37%。通过数值模拟可知,夹层能显著缓解复合涂层的应力集中,表明其能有效提高复合涂层的耐冲击性能。

板式换热器激光密封焊接关键技术研究

针对薄壁冲压结构热交换板片激光焊接过程中存在的焊接变形大、缺陷多和性能不稳定等技术难题,开展换热器板片激光密封焊接关键技术研究。采用有限元数值模拟、装夹方案设计与试验验证相结合的方法,经济、快捷、有效地解决了大尺寸复杂冲压结构薄板片激光焊接变形难题,为焊接式热交换板片高效组装及产品无渗漏可靠工作提供了有效的前提保障条件。在焊接工作台上设计了结构新颖、功能实用的异形凸台与凹槽结构,并与通气孔相结合,简洁而有效地解决了多种材料、大幅面、非平整表面热交换板片焊接过程中快速安装定位、施焊处可靠压合及焊缝底部的保护气体调控难题,实现了激光焊接辅助工装多功能一体化。通过仿真结构优化设计的双层复合焊接嘴,有效解决了在焊接空间窄小、焊缝轨迹复杂条件下高效焊接与气体保护同步难题。采用系统工艺试验与性能测试相结合方式,在对大量试验数据进行对比优化处理基础上,获得了板式换热器常用板材激光焊接工艺参数与焊缝形貌、拉伸强度及耐腐蚀性能复合关系图,并优化出最佳焊接工艺窗口。科学、全面、直观、简便地解决了焊接能力、性能与效率之间兼容的难题。