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TiCNp/TiCp增强15Cr系亚共晶高铬铸铁及组织与性能研究

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TiCNp/TiCp增强15Cr系亚共晶高铬铸铁及组织与性能研究

作者：钟斯远湖南大学

学位级别：硕士

高铬铸铁作为继白口铸铁及镍硬铸铁之后当代热门的第三代耐磨材料,因其Cr元素含量较高,组织中形成了特有的CrC型碳化物,显微硬度值高达1300～1800HV,为高铬铸铁的高硬度、高耐磨特性提供了有效的支撑,组织中还存在着大量的马氏体使材料... 详细信息

高铬铸铁作为继白口铸铁及镍硬铸铁之后当代热门的第三代耐磨材料,因其Cr元素含量较高,组织中形成了特有的CrC型碳化物,显微硬度值高达1300～1800HV,为高铬铸铁的高硬度、高耐磨特性提供了有效的支撑,组织中还存在着大量的马氏体使材料也具备了较好的韧性和强度,所以高铬铸铁在矿山、机械、电力、运输等各类磨损领域被广泛使用。由于铸造法制备的高铬铸铁因组织中的碳化物颗粒粗大、边角尖锐,对材料组织的连续性造成了严重的割裂,使材料的强韧性被大幅削减,减少了磨损件的使用寿命,难以满足工业使用需求。粉末冶金法制备的高铬铸铁碳化物呈细杆状,颗粒细小、分布均匀,材料的韧性强度得到了很大的改善,但硬度及耐磨性能仍难以胜任工业中剧烈磨损的场景。本文选用15wt.%Cr高铬铸铁粉末作为基体材料,加入TiCN/TiC陶瓷颗粒强化相,通过粉末冶金技术和超固相液相烧结（super solid line liquid phase sintering technology,SLPS）工艺法制备新型耐磨复合材料,并研究材料制备工艺、TiCN/TiC添加量、TiC颗粒尺寸对复合材料的烧结致密化行为、显微组织演变、物相分析、力学性能表现的影响,在此之后选用不同颗粒尺寸TiC增强的高铬铸铁进行静载滑动磨损及冲击载荷磨粒磨损测试,研究在不同尺寸TiC下复合材料的耐磨性能及磨损机理。本文所作工作的结论如下:（1）使用SLPS技术可以制备出全致密的TiCN/TiC增强15Cr高铬铸铁复合材料,在增强颗粒相总量为30wt.%和TiCN/TiC为1:2时可取得最佳力学性能指标;其相对密度96.5%,硬度71.2HRC,冲击韧性3.38J/cm2,抗弯曲强度1259MPa。（2）烧结TiCN/TiC强化15Cr高铬铸铁复合材料由马氏体、M7C3碳化物、TiC、TiCN和少量残余奥氏体构成,显微组织为TiCN/TiC呈网络状包围孤立小岛形态的高铬铸铁基体,MC碳化物析出于其中。颗粒相总量保持30wt.%条件下,随TiCN加入量增多,硬度逐步上升,冲击韧性和抗弯曲强度先上升后降低。（3）在TiC增强相全部采用纳米颗粒时复合材料获得最高硬度71.2HRC,而采用部分常规粒度TiC进行替代时,随着其加入量增多,材料的硬度和冲击韧性下降,抗弯强度则先下降后上升。（4）当增强颗粒相总量为30wt.%和TiCN/TiC为1:2时,在静载滑动摩擦工况下常规粒度TiC的加入量会显著影响复合材料的抗磨性能。载荷为50N时常规粒度TiC加入量增多使得摩擦系数更低和抗磨性能更好,而在80N载荷下其加入量应控制在5～10%。在冲击载荷磨粒磨损工况下复合材料仅适用于低冲击功条件,而且采用双粒度TiC增强相时能够获得更加优秀的抗磨性能。

关键词：复合材料高铬铸铁 TiCNp TiCp 显微组织耐磨性能

TiCN_(p)增强高铬铸铁复合材料的制备与性能

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材料导报 2023年第13期37卷 191-195页

作者：赵吉康肖平安顾景洪钟斯远湖南大学材料科学与工程学院长沙410082

本工作以TiCN_(p)和20Cr高铬铸铁粉末为原料,采用压制和超固相液相烧结(SLPS)工艺,制备含10%~30%(质量分数,下同)TiCN_(p)的高铬铸铁复合材料,系统研究了增强相含量和烧结温度对复合材料致密化行为、显微组织、物相组成和力学性能的影... 详细信息

本工作以TiCN_(p)和20Cr高铬铸铁粉末为原料,采用压制和超固相液相烧结(SLPS)工艺,制备含10%~30%(质量分数,下同)TiCN_(p)的高铬铸铁复合材料,系统研究了增强相含量和烧结温度对复合材料致密化行为、显微组织、物相组成和力学性能的影响规律。研究结果表明,通过真空液相烧结可以制备出相对致密度均达到97.5%以上的各成分复合材料,物相主要由TiCN、Cr_(7)C_(3)碳化物、马氏体和少量奥氏体组成;随着增强相添加量逐步增加,TiCN_(p)沿晶界分布,逐渐形成网状分布结构,而Cr_(7)C_(3)越来越多地在烧结过程中没有熔化的合金基体中析出和粗化;这使得复合材料的硬度线性上升,而抗弯强度和冲击韧性则降低。当TiCN_(p)添加量为30%时复合材料的力学性能可以达到硬度87.8HRA,抗弯强度1304 MPa,冲击韧性2.35 J/cm^(2)。

关键词：复合材料 TiCN_(p) PM高铬铸铁力学性能显微组织

变温超固相线液相烧结工艺对15Cr系高铬铸铁显微组织及性能的影响

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粉末冶金技术 2022年第1期40卷 13-21页

作者：古思敏肖平安顾景洪吕蓉赵吉康钟斯远湖南大学材料科学与工程学院长沙410082

为解决常规定温超固相线液相烧结出现的烧结温度窗口狭窄和产品力学性能对烧结温度波动敏感的问题,采用变温超固相线液相烧结工艺制备了粉末冶金高铬铸铁,研究了变温超固相线液相烧结的高温阶段工艺参数对15Cr系高铬铸铁显微组织和力学... 详细信息

为解决常规定温超固相线液相烧结出现的烧结温度窗口狭窄和产品力学性能对烧结温度波动敏感的问题,采用变温超固相线液相烧结工艺制备了粉末冶金高铬铸铁,研究了变温超固相线液相烧结的高温阶段工艺参数对15Cr系高铬铸铁显微组织和力学性能的影响,并与定温超固相线液相烧结制备的合金进行了对比。研究发现,变温超固相线液相烧结制备的合金由M_(7)C_(3)型碳化物、马氏体及少量奥氏体组成,通过高、低温两个阶段的烧结能够实现高效致密化和对显微组织的有效调控,制备出相对密度超过98.96%的高性能合金材料,烧结温度窗口相较于定温超固相线液相烧结扩展了15℃。在1225~1245℃、5~10 min的高温阶段窗口,随烧结温度升高与保温时间延长,合金显微组织逐渐粗化;当高温阶段烧结保温时间控制在10 min以内时,合金晶粒尺寸低于26.98μm,组织粗化程度可接受。变温超固相线液相烧结高铬铸铁的硬度和冲击韧性优于定温超固相线液相烧结高铬铸铁,且冲击韧性在烧结窗口内保持稳定,平均值达12.10 J·cm^(−2)。在1~3 J·cm^(−2)冲击功下,变温超固相线液相烧结试样的抗冲击磨粒磨损性能优于定温超固相线液相烧结试样,随着冲击功提高,合金的抗冲击磨粒磨损性能提升从9.70%提高到19.83%。

关键词：高铬铸铁超固相线液相烧结显微组织硬度冲击韧性冲击磨粒磨损

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梯级水库下游最不利洪水地区组成法

水科学进展 2024年第3期35卷 430-439页

作者：钟斯睿郭生练何彦锋谢雨祚王俊武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072

梯级水库运行调度显著改变了下游洪水的时程分配,而现有洪水地区组成法没有考虑对工程设计和防洪调度最不利或最恶劣的情景。本文基于灾害风险理论,根据未控区间洪量及地区组成概率,提出一种最不利洪水地区组成法。雅砻江梯级水库实例... 详细信息

梯级水库运行调度显著改变了下游洪水的时程分配,而现有洪水地区组成法没有考虑对工程设计和防洪调度最不利或最恶劣的情景。本文基于灾害风险理论,根据未控区间洪量及地区组成概率,提出一种最不利洪水地区组成法。雅砻江梯级水库实例分析表明:最不利地区组成法分配给下游未控区间流域的洪量总是大于同频率组成法和最可能组成法;最不利组成法推求的雅砻江出口断面1 000年一遇设计洪峰、3 d和7 d洪量分别为16 700 m^(3)/s、41.6亿和85.1亿m^(3),均大于其他洪水地区组成法估计值。理论推导和统计试验表明最不利地区组成法可合理分配洪量并兼顾下游防洪风险,具有深入研究和应用的价值。

关键词：设计洪水梯级水库洪水地区组成洪量分配雅砻江

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具有同时到达约束的多无人机任务规划研究

北京航空航天大学学报 2024年

作者：任斯远王松陈功邓晨潘正宵成都智能空中无人系统创新中心成都流体动力创新中心

针对无人机集群执行任务的问题，考虑无人机任务分配和航迹规划相互耦合的特性以及禁飞区约束，提出了一种能使无人机群以最短时间同时到达目标位置的任务规划算法。该方法通过Dubins曲线规划路径，使用引入粒子群变异的改进粒子群算法... 详细信息

针对无人机集群执行任务的问题，考虑无人机任务分配和航迹规划相互耦合的特性以及禁飞区约束，提出了一种能使无人机群以最短时间同时到达目标位置的任务规划算法。该方法通过Dubins曲线规划路径，使用引入粒子群变异的改进粒子群算法对任务分配方案进行优化，并采用“盘旋等待+动态速度调整”的方法同步各无人机到达目标时间。最后，在基于无人机六自由度动力学模型和动态逆控制模型的仿真环境中对算法有效性进行评估验证。仿真结果表明，相比传统粒子群算法，提出的改进粒子群算法能够有效跳出局部最优，获得更优的分配方案。在所提方法的控制下，多无人机间飞行时间最大偏差仅有0.5%，满足饱和打击要求。

关键词：多无人机粒子群算法同时到达航迹规划航迹跟踪 Dubins曲线

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面向新时期新需求的三峡水库运行方案研究

水利学报 2024年第4期55卷 379-388页

作者：郭生练王俊谢雨祚钟斯睿胡挺李帅武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心湖北宜昌443133

本文回顾三峡水库设计洪水、特征水位、运行方案变化调整过程,综述三峡水库运行调度关键技术研究进展和分析来水来沙变化情况。分别采用最可能洪水地区组成法和非一致性洪水频率分析两种途径,推求考虑上游水库群调蓄影响的三峡水库运行... 详细信息

本文回顾三峡水库设计洪水、特征水位、运行方案变化调整过程,综述三峡水库运行调度关键技术研究进展和分析来水来沙变化情况。分别采用最可能洪水地区组成法和非一致性洪水频率分析两种途径,推求考虑上游水库群调蓄影响的三峡水库运行期设计洪水及特征水位。结果表明:近10年三峡入库泥沙量比初设成果减少了84.4%,宜昌站水文情势IHA-RVA综合指标为74%、发生了重度改变,三峡水库运行期1000年一遇7~15 d洪量减少了约81.5亿~142.8亿m^(3),初设确定汛限水位的主要制约因素(防洪、泥沙)发生了很大的变化。原单站设计洪水及确定的三峡水库175-155-145 m运行方案,已无法满足新时期水资源高效利用和生态环境保护的新需求。建议把三峡水库运行方案调整为175-160-155 m,主汛期水位在155~160 m区间动态控制运行,长江中下游梅雨结束后应考虑提前蓄水,8月底蓄至163 m左右,9月底蓄至165 m,10月底蓄满。该方案在保证大坝和下游防洪安全的前提下,汛期减少弃水并增加枯水期补水量,预计可增发10%左右的发电量;抬高运行水位也有利于库区航运和减少消落带;9月份尽量不蓄水或少蓄水,可减少蓄水期对下游河道及两湖生态环境的不利影响,具有巨大的经济、社会和生态环境等综合利用效益。当预测预报长江流域可能发生流域性大洪水时,尽快将库水位消落至汛限水位145 m,确保大坝和下游防洪安全。

关键词：三峡水库设计洪水特征水位运行方案动态控制提前蓄水洪水资源高效利用

金下～三峡～葛洲坝梯级水库联合优化调度方案比较研究

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水力发电学报 2024年

作者：谢雨祚郭生练钟斯睿汪芸向鑫武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室

依据水库调度图进行模拟调度，以检验设计值的合理性并作为方案比较的基准。分别建立金沙江下游和三峡～葛洲坝6座梯级水库联合调度和多目标优化调度模型，采用基于Gaussian径向基函数的“参数化-模拟-优化”框架和Borg算法求解优化模型... 详细信息

依据水库调度图进行模拟调度，以检验设计值的合理性并作为方案比较的基准。分别建立金沙江下游和三峡～葛洲坝6座梯级水库联合调度和多目标优化调度模型，采用基于Gaussian径向基函数的“参数化-模拟-优化”框架和Borg算法求解优化模型的Pareto前沿。对比研究结果表明：6库设计年发电量合理可靠，联合调度需考虑回水顶托影响；联合（优化）调度方案与单库调度方案对比，6库年均弃水量分别降低20.38%（30.44%），增发电量4.01%（5.45%），其中溪洛渡、向家坝和葛洲坝水库增发电量最大；发电量与蓄满率互相制约，三峡水库9月10日起蓄面临着枯水年难以蓄满的问题，建议进一步优化三峡水库汛期运行水位并考虑提前蓄水。

关键词：梯级水库调度图联合调度多目标优化径向基函数金沙江下游三峡水库

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基于预测校正思想的气动数据融合方法

飞行力学 2024年

作者：邓晨陈功敖厚军任斯远成都智能空中无人系统创新中心成都流体动力创新中心

针对气动数据融合研究中不确定度加权融合算法和基于建模的融合算法两类算法难以提高数据准度和依赖模型精准度的局限性，提出了一种基于预测校正思想的气动数据融合方法。该方法通过输入变量离散全排列的方式来类比时间项，有效地将基... 详细信息

针对气动数据融合研究中不确定度加权融合算法和基于建模的融合算法两类算法难以提高数据准度和依赖模型精准度的局限性，提出了一种基于预测校正思想的气动数据融合方法。该方法通过输入变量离散全排列的方式来类比时间项，有效地将基于时间序列的预测校正算法应用于气动数据融合上。在此基础上提出了基于集合卡尔曼滤波的数据融合算法，并与传统的Co-Kriging建模融合算法相比。结果表明，相比于单源数据建模结果，两种融合算法的预测准度都有较大提升，证明了此类算法的适用性；相比于Co-Kriging建模融合算法，基于集合卡尔曼滤波融合算法的全局性更好，适用性更强，有效解决了现有气动数据融合算法鲁棒性较差的问题。

关键词：预测校正数据融合集合卡尔曼滤波时间序列

考虑历史洪水资料的三峡水库运行期非一致性设计洪水估算

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水利学报 2024年第6期55卷 643-653页

作者：谢雨祚郭生练熊立华王俊钟斯睿杨媛婷武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072

水利水电工程规划设计采用单站的天然年最大洪水系列资料和P-Ⅲ型适线法推求设计洪水,确定水库特征水位。然而上游水库的建成运行,破坏了下游洪水资料系列的一致性假定。本文通过构建非一致性洪水频率分析时变矩模型,计算了长江上游重... 详细信息

水利水电工程规划设计采用单站的天然年最大洪水系列资料和P-Ⅲ型适线法推求设计洪水,确定水库特征水位。然而上游水库的建成运行,破坏了下游洪水资料系列的一致性假定。本文通过构建非一致性洪水频率分析时变矩模型,计算了长江上游重点水库群的水库系数;并根据连续型随机变量分布函数单调递增的特性,提出了基于Q-Q图的时变P-Ⅲ型适线法;推求出考虑历史洪水资料的三峡水库运行期非一致性设计洪水,并与极大似然法的估算成果进行比较。结果表明:①水库系数作为时变P-Ⅲ型分布的协变量,可以反映洪水系列的非一致性变化规律;②时变P-Ⅲ型适线法侧重考虑历史洪水点据的拟合,拟合效果优于极大似然法;③相较原设计成果,三峡水库运行期1000年一遇设计洪峰Q m、洪量W 3d和W 7d削减18%左右,洪量W 15d和W 30d削减14%左右,长江上游水库群的调蓄作用直接影响三峡水库运行期的防洪库容和特征水位。

关键词：设计洪水非一致性不连序系列时变矩法水库系数 P-Ⅲ型适线法极大似然法三峡水库

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