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2018年 23卷 3期
出版日期：2018-06-20
理论研究
229
基于CFD技术的超音速喷嘴两相流破碎机制研究
朱玲玲, 吴建军, 刘明翔, 隋大山, 崔振山
采用CFD(computational fluid dynamics,计算流体力学)软件系统研究超音速气雾化喷嘴两相流的雾化过程。利用VOF(volume of fluid,流体体积)函数两相流模型模拟验证金属液不同质量流率下的2种初级破碎模式,并研究雾化压力和液体表面张力对金属液初级破碎过程的影响。模拟结果表明：金属液质量流率较小(0.053 kg/s)时,初级破碎模式为液膜破碎,金属液质量流率较大(0.265 kg/s)时,初级破碎模式为“微型喷泉”破碎;随雾化压力从0.5 MPa增加到1.5 MPa,初级破碎程度加剧,但雾化压力过高反而会削弱雾化效果;将金属液表面张力由1.2 N/m降至0.4 N/m,初级破碎时能够获得尺寸更细小的液滴,通过随后的二次破碎形成更加均匀细小的液滴,从而获得高质量的沉积锭。
2018 Vol. 23 (3): 229-237 [
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238
铅对铜基固体自润滑材料的润滑机理
甘子旸, 刘咏, 吕信群, 谭彦妮, 邹俭鹏
以固溶强化的铜锡合金作为基体,以石墨和铅作为固体润滑剂,采用粉末冶金方法制备高速、重载条件用新型固体自润滑材料,研究铅对材料的高温力学性能和摩擦学行为的影响,通过分析摩擦表面和亚表面的微观形貌与结构探讨铅与石墨的协同润滑机理。结果表明：在铜-石墨材料中添加铅可显著提高材料的硬度和室温拉伸强度;铅的添加可提高铜-石墨材料300 ℃以下的高温压缩强度,Cu-9Sn-9Pb-10C在300 ℃的高温压缩强度为215.3 MPa;添加铅可显著提高铜-石墨材料在高速、重载条件下的摩擦稳定性,并略微降低平均摩擦因数。
2018 Vol. 23 (3): 238-245 [
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工艺技术
246
共沉淀法制备超细Cu-Fe-Sn-Ni铜基预合金粉及其烧结胎体的抗弯强度
肖长江, 窦志强
以CuCl
2
·2H
2
O、FeCl
2
·4H
2
O、SnCl
2
·2H
2
O和NiCl
2
·6H
2
O为原料,用H
2
C
2
O
4
·2H
2
O作为沉淀剂,采用共沉淀法制备Cu-Fe-Sn-Ni四元铜基预合金粉,并用真空热压法制备Cu-Fe-Sn-Ni铜基胎体结块和胎体/金刚石结块。研究加料顺序、溶液pH值、陈化时间、反应温度和混合金属盐溶液的浓度对前躯体粉末粒度的影响,优化工艺参数。用X 射线衍射仪和扫描电镜分析粉末的物相和形貌,并与采用混合单质粉末制备的节块抗弯强度进行对比。结果表明：共沉淀法制备Cu-Fe-Sn-Ni四元铜基预合金粉的最佳工艺为采用并加的加料方式、陈化时间为40 min、反应温度为50 ℃以及混合金属盐溶浓度为1.0 mol/L。前驱体粉体经过煅烧和氢气还原后,得到粒度约为500 nm 的超细Cu- Fe-Sn-Ni四元铜基预合金粉,热压后的胎体抗弯强度达到1 302 MPa,胎体/金刚石结块的抗弯强度为853 MPa,高于采用混合单质粉末制备的铜基胎体结块和胎体/金刚石结块抗弯强度(分别为992.5和 782.5 MPa)。
2018 Vol. 23 (3): 246-251 [
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252
熔渗制备B
4
C-MgSi复合材料的熔渗动力学、微观结构及力学性能
邹志欢, 曾凡浩, 刘吉安, 李漪, 古一, 张福勤
采用真空熔渗法在1 000 ℃的温度下向多孔碳化硼基体中熔渗Mg-Si共晶合金制备碳化硼-镁基合金(B
4
C- MgSi)复合材料。理论计算表明,1 000 ℃下,熔融Mg在多孔碳化硼中的熔渗深度随时间延长而增加,熔渗速度先快后平稳,60 min可达2.2 cm以上,相同条件下MgSi合金比纯Mg渗透得更深。采用X射线衍射仪对B
4
C-MgSi复合材料的相组成结构进行分析,采用SEM对B
4
C-MgSi复合材料的显微组织结构进行观察,并对B
4
C-MgSi复合材料的力学性能进行研究。结果表明：B
4
C-MgSi复合材料主要由B
4
C、SiC、Si和Mg
2
Si相组成,B
4
C-MgSi复合材料熔渗前具有许多连通的孔隙,熔渗后孔隙被充分填充,致密度达到98%以上。复合材料的洛氏硬度高达71.3±3.3 HRA,抗弯强度为285.81±11.32 MPa,断裂韧性比单一碳化硼提高1倍,达到5.27±0.53 MPa·m
1/2
。B
4
C-MgSi复合材料的断裂方式是一种脆性断裂与韧性断裂相结合的混合断裂模式,不再是碳化硼基体单一的脆性断裂。
2018 Vol. 23 (3): 252-260 [
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261
料层厚度对粉末冶金用铁粉氢还原的影响
郭培民, 赵沛, 孔令兵, 王磊
为了研究海绵铁粉料层厚度对钢带炉氢还原铁粉的影响,采用FeO还原及还原气体氧化相耦合的动力学,建立氢还原铁粉扩散还原动力学模型,用于计算带式还原炉内不同区域的铁粉还原分数分布。以实际生产数据为例,平均粒度为0.2 mm的海绵铁粉,残余氧含量0.74%,铺料厚度30 mm,加热时间1 h,温度850~900 ℃,氢气流量30 Nm
3
/(t·h),实际产品残余氧含量为0.25%,计算得到的产品残余氧含量为0.27%,二者相吻合。铁粉中残氧很容易被氢还原,氢还原炉内的氢气向铁粉层内部渗透,铁粉向下逐层被还原。铺粉厚度为30 mm时,氢气穿透物料深度约为25 mm,靠近底部的5 mm几乎没有被还原。随铺料厚度加大,产品残氧升高、氢气利用率和产量都降低。将料层厚度从3 cm降低到2 cm,还原时间可缩短50%,产量提高33%,氢气用量降低50%。
2018 Vol. 23 (3): 261-265 [
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266
氧化阶段混酸处理对多壁碳纳米管化学镀铜的影响
王鑫华, 郭柏松, 倪颂, 易键宏, 宋旼
采用化学镀的方法在多壁碳纳米管(CNTs)表面均匀地镀覆纳米铜颗粒,研究混酸处理时间及混酸预处理对CNTs表面镀铜的影响。研究表明混酸处理主要对CNTs表面无定型碳层的剥离程度有一定影响,恰当的混酸处理时间可使CNTs表面的无定型碳层部分被剥离,从而达到良好的镀铜效果。混酸预处理对CNTs管壁有一定的腐蚀效果,但只有硫酸浓度达到一定值时才能对CNTs的管壁产生有效且显著的腐蚀,其临界值为HNO
3
:H
2
SO
4
=1:3。当硫酸浓度低于这一临界值时只能有效清除CNTs表面的无定型碳层而不能对CNTs的管壁产生明显的腐蚀效果。本研究表明,采用HNO
3
:H
2
SO
4
=3:1处理5 h可在CNTs管壁上镀覆均匀分布的纳米铜颗粒。
2018 Vol. 23 (3): 266-273 [
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274
Al-3P变质Al-18Si合金的显微组织与力学性能
杨威, 陆晓旺, 刘亚, 吴长军, 王建华, 苏旭平
用Al-3P作为变质剂对Al-18Si合金进行变质处理,利用光学显微镜、Image Pro Plus 6.0软件、扫描电镜和万能电子试验机等研究变质剂加入量
w
(Al-3P)(0~1.0%)和变质温度(750~850 ℃)对合金显微组织与拉伸性能的影响。结果表明,变质处理后,初晶硅的尺寸减小,面积分数增大。当变质温度为800 ℃时,随
w
(Al-3P)增加,初晶硅的尺寸先减小后增大,初晶硅的面积分数先增大后减小,
w
(Al-3P)为0.6%时初晶硅尺寸最小,平均尺寸为14 μm,
w
(Al-3P)为0.8%时初晶硅面积分数达到最大值14.4%。当
w
(Al-3P)为0.8%时,随变质温度升高,Al-18Si合金中的初晶硅面积分数减小,初晶硅尺寸先减小后增大,变质温度为800℃时初晶硅尺寸最小,约为15 μm。与未变质的Al-18Si合金相比,在800 ℃加入0.8%Al-3P变质处理后,合金的抗拉强度和伸长率分别提高17.6%和109%,拉伸断口呈现明显的韧性断裂特征。
2018 Vol. 23 (3): 274-280 [
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281
球磨时间对石墨烯/ODS铜基复合材料组织与性能的影响
杨长毅, 刘允中, 余开斌
在铜粉中加入0.1%氧化石墨烯与0.5%超细氧化铝颗粒(均为质量分数)进行混合机械球磨,然后真空热压致密化,并同时实现氧化石墨烯的热还原,从而在ODS(oxide dispersion strengthened,氧化物弥散强化)铜基复合材料中引入石墨烯作为第二增强相,制备出石墨烯/ODS铜基复合材料。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman spectra)、力学和物理性能测试等,研究球磨时间对复合粉末及其烧结后的组织与性能的影响。结果表明,随球磨时间增加(0~8 h),复合材料的力学性能和物理性能都提高。当球磨时间为8 h时,石墨烯在铜基体中有较好的结合与分布,材料综合性能最佳,石墨烯/ODS铜基复合材料的压缩屈服强度为324 MPa,比ODS铜合金的屈服强度(250 MPa)提高29.6%;抗弯强度为621 MPa,非常接近ODS铜合金(629 MPa),弯曲断口为韧性断裂;维氏硬度(HV)为100;电导率达到87.23%IACS;热导率为385 W/(m·K)。
2018 Vol. 23 (3): 281-291 [
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292
数值模拟研究浇口方式对粉末注射成形铣刀粉体分布的影响
刘飞, 李文明
针对金属注射成形工艺制备立铣刀,设置具有不同数量和位置的4种浇口方式,结合Cross-WLF粘度模型,采用moldflow2017软件,研究浇口方式对粉体浓度分布的影响。结果表明,浇口位置和浇口数量都会影响充模过程中粉末浓度的分布。在喂料的充模过程中,压力对粉末浓度分布影响不大。浇口方式不同,喂料在充模过程中发生较大剪切速率的变化,进而导致粉末浓度分布出现较大差异。采用2个浇口从刀柄端面两侧注射的浇口方式注射成形时,粉末浓度的波动在±0.5%范围内,粉末分布均匀且充模时间短,满足注塑成形工艺要求,是最优的浇口方式。
2018 Vol. 23 (3): 292-297 [
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298
热处理对选区激光熔化成形AlSi10Mg合金显微组织及力学性能的影响
余开斌, 刘允中, 杨长毅
采用选区激光熔化成形法制备AlSi10Mg合金,然后分别进行退火、固溶以及T6处理,研究热处理工艺对合金显微组织与力学性能的影响,优化其热处理工艺。结果表明：选区激光熔化成形AlSi10Mg合金的物相主要为α-Al基体和共晶Si。共晶体组织[α-Al+单质Si]在α-Al基体上呈连续网络状分布。XOY和XOZ截面的组织均有粗晶区、细晶区和热影响区。经退火处理后,连续网络状分布的共晶Si发生部分溶解和断裂,合金的强度降低,但硬度略微升高。经T6处理后,共晶体呈规则几何形状零散地镶嵌在α-Al基体上,合金的抗拉强度下降,但屈服强度略有提升,塑性明显增强。综合比较,T6处理更适合作为选区激光熔化成形AlSi10Mg合金的后续热处理。
2018 Vol. 23 (3): 298-305 [
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306
铍材的显微组织对其纳米压痕行为的影响
余永新, 肖代红, 刘文胜, 马运柱
本文对具有不同显微组织的热等静压(HIP)金属铍材进行金相观察、扫描电子显微镜分析及纳米压痕测试。通过测量不同加载速率的纳米压痕载荷-位移(
P
-
h
)曲线,研究金属铍材的蠕变特征。结果表明,金属铍材的蠕变行为有明显的加载速率相关性,且随加载速率的增加蠕变量增大。另外,通过对测得的载荷-位移曲线进一步拟合分析发现,铍材的显微组织特征,包括气孔和氧化铍含量,对金属铍的纳米压痕行为有一定的影响,主要是由于铍材中的气孔和BeO颗粒可改变样品的位错与颗粒之间的相互作用力,因而改变了铍材的纳米压痕行为。
2018 Vol. 23 (3): 306-311 [
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312
雾化压力对电极感应熔炼气雾化TC4粉末形貌与性能的影响
金莹, 刘平, 史金光, 翁子清, 顾小龙
采用电极感应熔炼气雾化工艺,在3.5~7.0 MPa压力下制备高品质球形TC4合金粉末,利用激光粒度仪、扫描电镜、霍尔流速计、真实密度仪等,研究雾化压力对粒度<53 μm的细粉收得率、平均粒径、微观形貌、空心粉以及松装密度和流动性的影响。结果表明：在3.5~6.0 MPa压力范围内,随雾化压力增大,粉末的平均粒径逐渐减小,细粉收得率增加。当雾化压力为3.5 MPa时,粉末球形度较好,卫星球较少,平均粒径为69.4 μm,细粉收率为23.0%,相对密度为99.1%,松装密度为2.40 g/cm
3
,流动性为22.4 s/50 g。当雾化压力提高到6.0 MPa时,TC4合金粉末的平均粒径为48.6 μm,细粉收得率为40.8%。进一步增大雾化压力时,粉末的平均粒径反而变大,细粉收得率降低,卫星球颗粒逐渐增多,球形度变差。粉末松装密度和流动性都随雾化压力增大而降低。
2018 Vol. 23 (3): 312-317 [
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318
回流次数和Ag含量对(Au-20Sn)-
x
Ag/Cu焊接界面组织与剪切强度的影响
刘文胜, 陈柏杉, 马运柱, 唐思危, 黄宇峰
以(Au-20Sn)-
x
Ag(
x
=0,0.5,1,2)作为焊料,将2块纯铜板进行回流焊接,研究回流次数与焊料中的Ag含量对(Au-20Sn)-Ag/Cu焊接界面的组织与剪切强度的影响。结果表明：一次回流焊接后,焊接界面组织由(Au,Ag,Cu)
5
Sn组成,回流次数增加到50次时,界面出现CuAu层,当回流次数增加到100次时,在靠近基板一侧出现Cu
3
Au层。添加Ag元素可抑制焊接界面金属间化合物层的生长。一次回流焊接的界面剪切强度随焊料中Ag含量增加而逐渐提高,(Au-20Sn)-
x
Ag/Cu(
x
=0,0.5,1,2)界面的剪切强度分别为92.14,93.59,95.65和98.43 MPa。剪切强度随回流次数增加而降低,降低的幅度随Ag含量增加而减小。
2018 Vol. 23 (3): 318-327 [
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328
占空比对多弧离子镀TiAlN涂层表面形貌和性能的影响
周军, 李涛, 樊湘芳, 李怀林
采用多弧离子镀技术在不同的占空比条件下于锆合金表面制备TiAlN涂层。利用扫描电子显微镜观察涂层的表面和截面微观形貌;利用能谱分析涂层的表面元素成分;利用箱式电阻炉测试涂层在800 ℃空气中持续进行3 h的高温氧化性能;利用自动划痕仪在常温下测试涂层的膜基结合力;利用X射线衍射仪分析涂层的物相组成。结果表明：占空比可显著影响TiAlN涂层的表面和截面的微观形貌、元素成分比例、高温抗氧化性、膜基结合力及物相组成。随占空比增大,TiAlN涂层表面的大颗粒数目减少,表面质量得到改善,涂层的沉积速率先增大后减少,致密性一直增加;能谱分析表明Al元素与Ti元素质量比逐渐减小,Al元素与Ti元素的质量比值最大为2.437;占空比为50%时所制备涂层的高温抗氧化性能最好,膜基结合力最大,为32 N;占空比为30%时,TiAlN涂层中Ti
3
AlN表现出(111)晶面、AlN在(100)晶面择优取向,随占空比增加,物相无择优取向现象。以50%占空比的工艺参数镀TiAlN涂层表面质量较好,膜基结合力较强,高温抗氧化性能优良。
2018 Vol. 23 (3): 328-334 [
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335
磁控溅射功率对NiAl涂层成分及显微组织的影响
贺殿民
为了研究溅射功率对涂层化学成分及微观组织演变的影响,通过磁控共溅射法在Si晶片上制备Ni-Al合金镀层。采用XRD、SEM及TEM等测试手段对涂层的物相组成及显微组织进行分析。结果表明：在高溅射功率下,可观察到亚稳态(Ni,Al)基体和Ni
3
A l析出物的显著结晶特征微观结构,在较低溅射功率下,沉积的涂层表现出固溶体多晶结构,(Ni,Al)基体和Ni
3
Al沉淀的涂层表现出比单一(Ni,Al)相更高的硬度。在溅射过程中,随着高能量的输入,NiAl涂层逐渐形成了(Ni,Al)纳米晶和Ni
3
Al相。随Al溅射功率增大,Ni-Al涂层中Al的浓度增加,晶粒尺寸减小。磁控共溅射Ni-Al涂层的硬度变化可归因于晶粒尺寸和微观结构的演变。
2018 Vol. 23 (3): 335-340 [
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