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2021年 第42卷  第9期

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研究论文
高熵非晶材料及其增材制造技术研究进展
舒凤远, 牛司成, 何鹏, 隋少华, 张小东
2021, 42(9): 1-8. doi: 10.12073/j.hjxb.20201203001
摘要:
高熵非晶合金具有独特的物理、化学和力学性能以及更好的热稳定性,因而其制备技术成为国内外重要的研究热点之一. 然而利用传统技术制备高熵非晶材料时会产生晶粒粗大及材料浪费等缺点,难以满足工艺生产需要. 而增材制造技术的精准制造和快速冷却等特点可以解决这一问题,制备出各项性能优越的高熵非晶合金. 简要介绍了高熵非晶材料的研究体系和常用制造方法,着重阐述了高熵非晶材料的断裂强度、耐腐蚀性和热稳定性的研究,对增材制造技术的工艺特征和优势,以及利用增材制造技术制备高熵非晶合金的科学难点作出了总结. 结果表明,利用增材制造技术有利于获得致密均匀的高熵非晶材料,但对于非晶相形成的解释仅限于高熵合金4大效应.最后阐述了近年来利用常用的两种增材制造手段制造高熵非晶合金的研究,并对增材制造技术制备高熵非晶材料的发展趋势提出了展望.
空心钨极TIG焊电弧特性数值模拟
雷正, 朱宗涛, 李远星, 陈辉
2021, 42(9): 9-14, 27. doi: 10.12073/j.hjxb.20210131003
摘要:
建立了内径2 mm的空心钨极TIG焊电弧数值模型,用Fluent软件用户自定义函数(UDF)功能加载了氩气电导率、动量方程和能量方程的源项,计算了稳态下焊接电流为60 A时电弧的温度场、流场以及电弧压力,并与相同条件下实心钨极TIG焊电弧作了对比. 结果表明,空心钨极TIG焊电弧呈钟罩形,空心钨极圆环放电和钨极中心气流的冷却作用使得电弧温度分布云图顶部下凹;电弧等离子体在钨极下方运动速度较快,阳极表面电弧压力呈柱状分布,弧柱区空间压力分布比较均匀;与相同电流条件下TIG焊相比,空心钨极TIG焊电弧峰值温度降低17.3%,钨极下方2 mm位置处峰值温度降低27%,等离子体最大运动速度降低40%,电弧压力峰值降低57%,堆焊焊缝熔宽增加30%,熔深减小27.9%.
热模拟MHC/GH4099扩散钎焊接头的组织与力学性能
车洪艳, 郑天明, 王恒霖, 董浩, 闫英杰, 曹睿
2021, 42(9): 15-20. doi: 10.12073/j.hjxb.20210221001
摘要:
采用NiCrSiB中间层在热模拟机上成功实现了难熔合金钼-铪-碳(MHC)与镍基高温合金GH4099的真空扩散连接;通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对接头的微观组织进行表征;同时研究了不同连接温度对接头组织和力学性能的影响. 结果表明,在950,1000和1 050 ℃保温600 s时均可获得可靠的焊接接头;MHC/GH4099接头主要由γ-Ni基固溶体、CrMo固溶体、NiMo,CrB以及Ni3Si等相组成;在1 050 ℃焊接时,接头室温抗剪强度最高,可达116 MPa. MHC侧焊接热影响区存在较大的焊后应力集中,是引起接头发生脆性断裂的主要原因.
T形接头承载角焊缝根部裂纹扩展角度
杜亚芳, 王东坡, 刘秀国, 龚宝明, 邓彩艳
2021, 42(9): 21-27. doi: 10.12073/j.hjxb.20210119001
摘要:
针对Q355B低合金钢T形接头承载角焊缝根部疲劳失效的扩展路径问题,提出了一种基于受力分析计算的等效应力强度因子法(KEQ法)预测根部裂纹的扩展角度. 经有限元模拟验证,其求解应力强度因子的最大误差小于5%. 与基于有限元分析计算的最大周向应力法(MCS法)和有效结构应力法(ETS法)相比较,并结合3种不同应力水平下弯曲疲劳试验结果发现,基于等效应力强度因子法、最大周向应力法与有效结构应力法求解的裂纹扩展角度分别为25.6°,25.9°和32.2°,相较于实际疲劳试验的根部裂纹扩展角度24°,误差分别为6.67%,7.92%和34.17%. 结果表明,基于KEQ法求解裂纹扩展角度准确度最高,更适于预测承受弯曲疲劳载荷下T形接头角焊缝根部裂纹的扩展角度.
X80管线钢多道激光-MIG复合焊残余应力分析
严春妍, 张浩, 朱子江, 张可召, 顾正家, 王宝森
2021, 42(9): 28-34, 41. doi: 10.12073/j.hjxb.20210312001
摘要:
采用试验和数值模拟结合的方法对X80管线钢多道激光-MIG复合焊焊接过程的温度场和焊接残余应力场进行了研究,分析了激光功率对复合焊接头的显微组织、温度分布和残余应力分布的影响规律. 结果表明,激光功率增加,熔池最高温度明显上升,焊后冷却速度下降;粗晶热影响区组织中粒状贝氏体、针状铁素体增加,条状贝氏体减少. X80管线钢激光-MIG复合焊接头残余应力水平较高,纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力的拉应力峰值均出现在焊缝区. 激光功率在2.0 ~ 3.5 kW范围时,等效残余应力、纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力的峰值随着激光功率增加均出现下降趋势. 但激光功率从3.5 kW上升至4.0 kW时,各应力的峰值有所上升.
镁合金铸件氦-氩保护TIG焊修复工艺
陈怡, 郭龙涛, 祁同福, 杨春利
2021, 42(9): 35-41. doi: 10.12073/j.hjxb.20201223001
摘要:
镁合金因其较高的比强度而在诸多领域发挥重要的减重作用,且多为铸造构件,但镁合金铸件的缺陷问题成为制造瓶颈. 对镁合金铸件修复工艺进行研究,采用非熔化极惰性气体保护焊(TIG焊)探究此工艺下不同保护气体对TIG焊修复焊道的成形、组织特征及性能的影响,并通过不同氦-氩含量的保护气体下TIG焊电弧形态及电弧电压的研究,分析氦气含量对修复焊道熔深的影响. 结果表明,调整镁合金铸件TIG焊修复工艺保护气体中的氦气比例,会改善焊道形貌;增加保护气体中的氦气比例,将有效提高焊道熔深和深宽比;保护气体中氦气含量的改变对修复焊道组织、硬度无显著影响. 模拟缺陷修复试验结果表明,镁合金铸件氦-氩保护TIG修复工艺可以满足铸件浅层缺陷修复需求,增加保护气体中氦气含量可提高熔深,提高此工艺的适用性.
TiB2基陶瓷/42CrMo合金层状梯度材料力学测试与结构设计
鲁明远, 韩保红, 赫万恒, 赵忠民
2021, 42(9): 42-48, 73. doi: 10.12073/j.hjxb.20210405001
摘要:
在以往超重力场合成梯度材料的基础上,制备出组分含量TiB2-TiC-Fe呈连续梯度变化的TiB2基陶瓷/42CrMo合金梯度材料. 对材料进行XRD,SEM,硬度测试以及三点弯曲强度测试,并采用电测法获取陶瓷基体部分的弹性模量,并在此基础上,对中间过渡区的弹性模量进行拟合,最后再采用解析方法计算梯度材料的应力应变分布. 结果表明,TiB2基陶瓷/42CrMo合金相界呈连续梯度变化,硬度自陶瓷顶部至合金底部呈梯度递减.三点弯曲测试发现TiB2基陶瓷/42CrMo合金材料具有类似于金属的塑性变形特征,从而出现明显的失效延迟行为. 采用电测法得出纯陶瓷组分的弹性模量约为560 GPa,参数拟合得出中间过渡区的弹性模量变化形式更趋近于三角函数,计算得出的应力表示自金属底部出现损伤,而后裂纹向陶瓷顶部方向扩展,与该材料试验现象契合.
热、振及热振耦合条件下塑封球栅阵列含铅焊点失效分析
安彤, 陈晓萱, 秦飞, 代岩伟, 公颜鹏
2021, 42(9): 49-54. doi: 10.12073/j.hjxb.20190417001
摘要:
对塑封球栅阵列封装器件进行了热循环、随机振动以及热振耦合试验,在3种试验条件下测试Sn37Pb焊点的寿命,并对3种载荷条件下失效焊点位置的分布规律以及焊点的失效模式进行对比分析. 结果表明,塑封球栅阵列封装焊点在热振耦合试验中的寿命明显小于热循环以及随机振动试验的寿命结果. 热循环、随机振动条件下越靠近测试板中心位置,器件的焊点越容易发生破坏,而热振耦合试验中不同位置上器件的失效焊点数比较接近. 此外,热循环条件下破坏模式主要表现为钎料内部的韧性断裂,随机振动条件下主要为界面金属间化合物层内的脆性断裂,而热振耦合条件下这两种破坏模式均有发生.
基于响应面法7A52高强铝合金FSW接头抗拉强度预测及优化
范文学, 陈芙蓉
2021, 42(9): 55-60. doi: 10.12073/j.hjxb.20210322001
摘要:
为了研究7A52铝合金搅拌摩擦焊的焊接速度、搅拌头转速及轴肩压深对接头抗拉强度的影响,采用响应面法的中心复合试验设计法设计20组试验,并建立抗拉强度响应函数关系式. 为了验证响应函数关系式的精确性,通过方差分析和回归分析确定该回归模型为显性,相关性系数R2的偏差为3.17%. 通过单一焊接参数因素和双因素焊接参数对抗拉强度的影响分析,进一步验证了模型的准确性,最后通过拉伸试验验证. 结果表明,基于响应面法拟合的搅拌摩擦焊焊接速度、搅拌头转速及轴肩压深与接头抗拉强度响应函数关系式能精确的预算不同焊接参数组合所对应的接头抗拉强度,并获得接头最佳参数组合为焊接速度110 mm/min、搅拌头转速1 436 r/min和轴肩压深0.55 mm,得到最大预测抗拉强度为380 MPa.
基于SPH法的爆炸焊接边界效应二维数值模拟
缪广红, 艾九英, 胡昱, 马宏昊, 沈兆武
2021, 42(9): 61-66. doi: 10.12073/j.hjxb.20210203002
摘要:
为了揭示造成爆炸焊接边界效应的机理,文中借助LS-DYNA软件,采用无网格的SPH法分别对复板厚度为2 mm、基板厚度为16 mm的Q235/Q235、TA2/Q235、304不锈钢/Q235复合板进行爆炸焊接边界效应的二维数值模拟. 观察不同组模拟过程中的复板飞行姿态,复板撕裂均发生在与基板碰撞之前. 当基板保持一致,炸药分别为乳化炸药与膨化铵油混合炸药,复板为TA2时均比复板为Q235钢以及304不锈钢的撕裂尺寸更大;当基板、复板均为Q235钢,乳化炸药条件下比膨化铵油混合炸药条件下复板的撕裂尺寸更大. 结果表明,在复板、炸药变化的情况下,爆炸焊接的边界效应依旧存在,只是产生的边界效应的严重程度有所不同;复板极限抗拉强度越低或炸药爆轰速度越高,边界效应现象越严重.
超薄板脉冲微束等离子弧焊温度场动态分布特征及成形控制
何建萍, 陶旭阳, 吉永丰
2021, 42(9): 67-73. doi: 10.12073/j.hjxb.20200423001
摘要:
在模拟计算100 μm超薄不锈钢板脉冲微束等离子弧焊过程的基础上,研究了实际热源动态脉冲加载下的熔池温度场动态过程及脉冲参数对该动态过程的影响机制;研究了脉冲参数对焊缝成形的影响,对模拟计算的结果进行验证,并探讨了脉冲参数和焊接速度的匹配与焊缝成形特征的关系. 结果表明,超薄板脉冲微束等离子弧焊接的温度场变化具有周期性的波动特征和惯性特征,脉冲频率越高或基值电流/峰值电流之比较小,温度场变化的波动幅度也越大,其相对于脉冲电流变化的惯性也越大;脉冲电流下的焊缝成形有连续和不连续两种形式,这与焊接速度、峰值电流作用时的焊缝长度、脉冲频率三者之间的匹配有关;模拟计算的熔池最高温度超过熔点的持续时间与脉冲周期的比值结果较好地解释了试验得到的焊缝成形的连续程度.
基于纵向磁场控制的大直径空心螺柱焊接工艺
张德库, 何思源, 殷宏宇, 王克鸿
2021, 42(9): 74-80. doi: 10.12073/j.hjxb.20210514002
摘要:
采用电弧螺柱焊方法对外径20 mm、内径10 mm的空心螺柱与45钢板材进行焊接,研究了旋弧磁场对接头显微组织特征及力学性能的影响. 结果表明,在纵向旋弧磁场作用下,电弧中电荷受洛伦兹力作用呈螺旋运动,接头外观成形得到改善. 受磁场控制的电弧持续搅拌熔池,改善了焊接热循环条件,影响了熔池凝固结晶过程. 接头中先共析铁素体呈有规律的网状分布,珠光体也变得细化. 接头温度梯度减小使得固态相变时间增长,母材侧热影响区马氏体数量显著下降,热影响区宽度变小. 但旋弧磁场电流过大时焊接过程飞溅倾向明显增大,焊缝中气孔增多. 在焊接时间1 400 ms、焊接电流800 A、旋弧磁场电流0.43 A时,电弧在空心螺柱端面充分燃烧,接头抗剪强度可达到325 MPa.
铸轧辊套表面超高速激光熔覆钴基熔覆层高温耐磨性能
尹燕, 李志慧, 李辉, 李治恒, 路超, 张瑞华
2021, 42(9): 81-89. doi: 10.12073/j.hjxb.20210122001
摘要:
为了提高铸轧辊辊套的使用寿命,采用超高速激光熔覆技术在32Cr3Mo1V铸轧辊辊套表面制备了钴基熔覆层.分析了熔覆层的表面形貌、显微组织及高温摩擦磨损性能,并与优选常规激光熔覆层进行了对比. 结果表明,优选的超高速以及常规激光熔覆层均表面平整,与基体结合良好,无明显裂纹、气孔等缺陷. 超高速激光熔覆层显微组织非常均匀细小,枝晶轴间距极小,很大程度上抑制了枝晶偏析的范围,使得熔覆层的元素分布更加均匀. 在700 ℃高温摩擦磨损试验中,超高速激光熔覆层产生的氧化物磨屑更小,更容易发生团聚效应,有利于釉质层的形成,熔覆层变形量更小,对釉质层进行了有效支撑,出现大面积具有减摩耐磨作用的釉质层,表现出优异的耐高温摩擦磨损性能.
纯铜表面氩弧熔覆TiB2/Ni复合涂层组织及耐磨性能
马强, 陈明宣, 孟君晟, 李成硕, 史晓萍, 彭欣
2021, 42(9): 90-96. doi: 10.12073/j.hjxb.20210202002
摘要:
通过氩弧熔覆技术在纯铜表面制备TiB2增强 Ni 基复合涂层,以改善其耐磨性能. 将钛粉、硼粉和镍粉在球磨机中充分混合,采用氩弧熔覆技术将纯铜表面预置粉末熔化制备出陶瓷颗粒增强镍基熔覆层. 采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜分析涂层的物相及涂层中陶瓷颗粒相的组成、分布及结构,利用显微硬度仪和摩擦磨损试验机测试涂层的显微硬度和耐磨性能. 结果表明,熔覆层物相主要包括γ(Ni, Cu)和TiB2;陶瓷颗粒增强相弥散分布于熔覆层中,其中颗粒相TiB2以六边形存在,熔覆层内部与基体界面处均无缺陷产生;熔覆涂层具有较高的显微硬度,当(Ti+B)质量分数为10%时,涂层显微硬度高达781.3 HV,与纯铜基体对比,熔覆层显微硬度提高约11.7倍;在相同磨损条件下,随(Ti+B)质量分数的增加,熔覆涂层的摩擦系数及磨损失重先减小后增大;氩弧熔覆原位自生TiB2陶瓷颗粒增强镍基熔覆层可显著提高纯铜表面的耐磨性能.