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Dynamic evolution of oxide scale on the surfaces of feed stock particles from cracking and segmenting to peel-off while cold spraying copper powder having a high oxygen content

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Journal of Materials Science & Technology 2021年第8期67卷 105-115页

作者： Xiao-Tao Luo Yi Ge Yingchun Xie yingkang wei Renzhong Huang Ninshu Ma Chidambaram Seshadri Ramachandran Chang-Jiu Li State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials Xi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China The Key Lab of Guangdong for Modem Surface Engineering Technology Guangdong Institute of New MaterialsGuangzhou510651China Joining and Welding Research Institute Osaka UniversityOsaka567-0047fapan Department of Materials Science and Engineering The State University of New York at Stony BrookNew York117942275USA

The oxide scale present on the feedstock particles is critical for inter-particle bond formation in the cold spray(CS)coating process,therefore,oxide scale break-up is a prerequisite for clean metallic contact which greatly improves the quality of inter-particle bonding within the deposited *** general,a spray powder which contains a thicker oxide scale on its surface(i.e.,powders having high oxygen content)requires a higher critical particle velocity for coating formation,which also lowers the deposition efficiency(DE)making the whole process a challenging *** this work,it is reported for the first time that an artificially oxidized copper(Cu)powder containing a high oxygen content of 0.81 wt.%with a thick surface oxide scale of 0.71μm.,can help achieve an astonishing increment in DE.A transition of surficial oxide scale evolution starting with crack initiations followed by segmenting to peeling-off was observed during the high velocity particle impact of the particles,which helps in achieving an astounding increment in ***-particle deposit observations revealed that the thick oxide scale peels off from most of the sprayed powder surfaces during the high-velocity impact,which leaves a clean metallic surface on the deposited *** makes the successive particles to bond easily and thus leads to a higher ***,owning to the peeling-off of the oxide scale from the feedstock particles,very few discontinuous oxide scale segments are retained at inter-particle boundaries ensuring a high electrical conductivity within the resulting *** of the oxide scale threshold thickness for peeling-off during the high velocity particle impact was also investigated.

关键词： Cold spray Deposition efficiency Oxide scale fragmentation Inter-particle bonding Electrical conductivity

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增材制造金属晶格夹层结构研究现状与应用

中国有色金属学报 2024年第4期34卷 1022-1051页

作者：王岩屈栋刘世锋魏瑛康杨鑫汤慧萍西安建筑科技大学冶金工程学院粉末冶金与增材制造研究所西安710055 浙大城市学院先进材料增材制造创新研究中心杭州310015

金属晶格夹层结构具有优异的力、声、电、热综合性能。增材制造基于“离散+堆积”思想,层层堆叠制造,能够解放复杂金属晶格结构设计思路,为仿生设计和拓扑优化提供了更高的自由度,为后续开发出超轻、超强多功能晶格夹层结构提供了更多... 详细信息

金属晶格夹层结构具有优异的力、声、电、热综合性能。增材制造基于“离散+堆积”思想,层层堆叠制造,能够解放复杂金属晶格结构设计思路,为仿生设计和拓扑优化提供了更高的自由度,为后续开发出超轻、超强多功能晶格夹层结构提供了更多的可能。本文综述了增材制造金属晶格夹层结构的工艺,深入分析讨论了其结构设计、工艺优化、缺陷控制、性能调控和应用背景,总结了研究现状并展望了未来的发展前景。

关键词：晶格夹层增材制造仿生学拓扑优化轻量化

热处理对选区激光熔化制备17-4PH空蚀性能影响

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钢铁 2023年第10期58卷 140-150页

作者：王岩魏钢魏瑛康王建勇张亮亮贾文鹏刘世锋西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

17-4PH(precipitation hardening)不锈钢作为水翼、水轮机等过流部件的常用材料,受到严重空蚀破坏,引发诸多安全问题。传统工艺制备异形、复杂结构零部件存在局限。相比之下,增材制造技术是加工该类零件非常有效的方式。采用选区激光熔... 详细信息

17-4PH(precipitation hardening)不锈钢作为水翼、水轮机等过流部件的常用材料,受到严重空蚀破坏,引发诸多安全问题。传统工艺制备异形、复杂结构零部件存在局限。相比之下,增材制造技术是加工该类零件非常有效的方式。采用选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)制备17-4PH不锈钢,研究固溶+时效处理(1040℃/1 h+480℃/4 h)和离子渗氮处理对SLM制备17-4PH不锈钢显微组织和空蚀性能的影响规律。结果表明,由于SLM快速冷却、定向凝固的特点,沉积态保留大量残余奥氏体,包含熔池内部沿构建方向的柱状晶和细小胞状结构。固溶+时效处理后,原熔池边界消失,组织为等轴晶,并且有强化相析出。离子渗氮处理后,试样表面形成约20μm的氮化物硬质层。离子渗氮处理后,试样的残余奥氏体相对含量由沉积态的13.1%降低至7.5%。除此之外,氮渗入基体材料还导致晶格发生畸变,因此在衍射峰上出现了明显的偏移。空蚀破坏时,裂纹优先在熔道搭接处萌生、扩展。固溶+时效处理后由于熔池、熔道边界消除和强化相析出,经过8 h空蚀破坏,空蚀质量从沉积态7.4 mg减少为5.9 mg;渗氮处理后可在试样表面形成氮化硬质层进一步改善抗空蚀性能,空蚀破坏对试样表面造成损伤较小,导致材料脱落现象最少,空蚀质量损失仅为5.5 mg。

关键词： SLM 17-4PH 固溶时效离子渗氮空蚀

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冷喷连接铝铜异质接头的组织结构和力学性能

机械工程学报 2018年第10期54卷 93-102页

作者：付斯林李成新魏瑛康雒晓涛杨冠军李京龙李长久西安交通大学金属材料强度国家重点实验室西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室

针对铝铜间的物理性能差异以及熔化焊过程中易产生脆性相的特点,提出一种铜铝异质金属冷喷连接的新方法,该方法将纯铝粉末以固态形式高速撞击具有一定坡口的铜铝母材表面,通过粒子与母材、粒子与粒子间的累加成形将铝板和铜板在低于其... 详细信息

针对铝铜间的物理性能差异以及熔化焊过程中易产生脆性相的特点,提出一种铜铝异质金属冷喷连接的新方法,该方法将纯铝粉末以固态形式高速撞击具有一定坡口的铜铝母材表面,通过粒子与母材、粒子与粒子间的累加成形将铝板和铜板在低于其熔点的情况下实现连接。为了提高接头的力学性能,采用不锈钢颗粒辅助强化方法,利用氮气为加速气体,气体预热温度为270℃,压力为2.4 MPa,Al/Cu冷喷连接接头的力学性能测试结果表明:拉伸断裂在铝母材,接头平均拉伸强度为63 MPa,结合区与铝结合界面平均剪切强度为42 MPa,结合区与铜结合界面平均剪切强度为38 MPa。接头与母材主要通过机械咬合方式连接,不锈钢颗粒的夯实效应使粒子塑性变形增加,提高了接头的致密度和强度,不锈钢颗粒在母材的嵌入钉扎作用可有效提高结合界面的剪切强度。

关键词：冷喷连接冷喷涂异质金属接头冷焊

Fe-Mn-Al-C轻质高强钢析出相研究进展

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钢铁研究学报 2024年第4期36卷 407-423页

作者：王岩郑浩魏瑛康王建勇张亮亮刘世锋西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

Fe-Mn-Al-C轻质钢具有低密度和优良的力学性能,在交通运输、能源化工和航空航天领域有广阔的应用前景。该系列钢种包含多种析出相如:κ-碳化物((Fe,Mn)_(3)AlC)、β-Mn、B2(FeAl)和DO_(3)(Fe_(3)Al)等,这些析出相直接决定了其综合性能... 详细信息

Fe-Mn-Al-C轻质钢具有低密度和优良的力学性能,在交通运输、能源化工和航空航天领域有广阔的应用前景。该系列钢种包含多种析出相如:κ-碳化物((Fe,Mn)_(3)AlC)、β-Mn、B2(FeAl)和DO_(3)(Fe_(3)Al)等,这些析出相直接决定了其综合性能和服役寿命。综述了Fe-Mn-Al-C轻质钢析出相的种类、析出机制,探讨了合金元素和热处理制度对析出相影响规律,为Fe-Mn-Al-C钢中的析出相调控和强韧化提供指导。

关键词： Fe-Mn-Al-C低密度钢析出相 κ-碳化物 β-Mn 有序相强韧化

电子束选区熔化成形M2高速钢组织和磨损性能的研究

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中国材料进展 2023年第11期42卷 902-910页

作者：魏瑛康齐山权王岩张亮亮王建勇刘世锋西安建筑科技大学冶金工程学院粉末冶金与增材制造研究所陕西西安710055

M2高速钢是使用最广泛和最具代表性的工具钢。采用电子束选区熔化(selective electron beam melting,SEBM)增材制造技术成形M2高速钢能有效避免传统铸造组织粗大、碳化物偏析等问题,有望大幅改善高速钢力学、磨损等性能。通过使用不同... 详细信息

M2高速钢是使用最广泛和最具代表性的工具钢。采用电子束选区熔化(selective electron beam melting,SEBM)增材制造技术成形M2高速钢能有效避免传统铸造组织粗大、碳化物偏析等问题,有望大幅改善高速钢力学、磨损等性能。通过使用不同扫描参数与2种粉床预热温度在316L不锈钢基板上制备了M2高速钢块体试样,重点研究了扫描参数和粉床预热温度对成形M2高速钢致密度及晶粒尺寸、碳化物等显微组织的影响。在最优化参数下,成形M2高速钢致密度达99.7%,平均晶粒尺寸在3~6μm,碳化物细小且分布较为均匀。通过维氏硬度试验和摩擦磨损试验分析了SEBM成形M2高速钢的硬度与磨损性能。结果表明,在最优化参数下成形的M2高速钢维氏硬度可达1034.2HV_(0.2),远高于商用M2高速钢刀具(815HV_(0.2)~845HV_(0.2)),同时磨损率仅有(3.58±0.36)×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),较回火态锻造母材降低了13.7%。此外,SEBM成形M2高速钢的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损。

关键词： M2高速钢电子束选区熔化扫描参数微观组织耐磨性

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激光粉末床熔融温度场模拟研究

中国材料进展 2024年第11期43卷 1035-1042页

作者：王岩刘雨萌刘世锋刘江伟魏瑛康王建勇张亮亮西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 山东大学能源与动力工程学院山东济南250061

激光粉末床熔融具有不受结构限制、近净成形和效率高等优点,广泛应用于航空航天、医疗以及核电领域。其成形过程中涉及多种复杂的且对构件质量有较大影响的物理现象,对材料加工参数的探索建立在高成本和低效率的大量的试错实验上。为了... 详细信息

激光粉末床熔融具有不受结构限制、近净成形和效率高等优点,广泛应用于航空航天、医疗以及核电领域。其成形过程中涉及多种复杂的且对构件质量有较大影响的物理现象,对材料加工参数的探索建立在高成本和低效率的大量的试错实验上。为了解决上述问题,提出了一种介观尺度物理模型,联合使用EDEM、Gambit以及FLOW-3D软件对激光粉末床熔融成形过程中离散粉末床和粉末熔融进行介观尺度温度场模拟,探究扫描速率对温度场的影响规律、熔池形貌和尺寸的影响,阐明了温度场演变规律。结果表明:激光功率P=215 W下,扫描速率V=900 mm·s^(-1)为最优工艺参数,熔道较为平直均匀,颈缩和球化缺陷最不明显,成形过程中未发生飞溅和过熔等对构件质量产生不利影响的现象。采用实验对模型进行验证,得到了良好的一致性。模拟结果可为激光粉末床熔融成形过程中工艺参数的探索提供一定的理论支撑。

关键词：激光粉末床熔融介观尺度数值模拟温度场熔池尺寸

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增材制造技术在金刚石工具制备中的应用研究进展

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粉末冶金技术 2024年第6期42卷 652-664,673页

作者：魏瑛康李嘉旭王岩王建勇张亮亮武玺旺刘世锋西安建筑科技大学冶金工程学院西安710055 河南黄河旋风股份有限公司长葛461500

金刚石具有较高硬度和良好的耐磨性,是制备切削等加工工具的理想材料。相比传统制造技术,增材制造技术能从根本上解决复杂结构件创新设计和高效成型的问题,是高性能金刚石工具制造的潜在有效方法。本文介绍了选择性激光烧结、选择性激... 详细信息

金刚石具有较高硬度和良好的耐磨性,是制备切削等加工工具的理想材料。相比传统制造技术,增材制造技术能从根本上解决复杂结构件创新设计和高效成型的问题,是高性能金刚石工具制造的潜在有效方法。本文介绍了选择性激光烧结、选择性激光熔化、立体光固化、浆料直写成型及熔融沉积成型烧结等主流增材制造技术的基本原理和特点,分析了不同增材制造技术在制备金刚石砂轮、金刚石钻头和金刚石锯片工具方面的适用性及工具服役性能,总结了增材制造金刚石工具在成型过程中存在的典型问题并给出了相应的解决思路。

关键词：增材制造金刚石切削工具服役性能

时效温度对Fe-30Mn-12Al-0.9C轻质高强钢组织和硬度的影响

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热加工工艺 2024年第11期53卷 121-124,128页

作者：刘世锋黄睿魏瑛康王建勇张亮亮贾文鹏王岩西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

针对高Al、高Mn含量的轻质高强钢Fe-30Mn-12Al-0.9C,研究了时效温度对该钢相组成、组织和硬度的影响,通过OM、XRD等分析了不同时效温度下其微观组织的演变规律。结果表明:在低温时效时,该钢的时效组织和固溶组织差异较小,主要为奥氏体+... 详细信息

针对高Al、高Mn含量的轻质高强钢Fe-30Mn-12Al-0.9C,研究了时效温度对该钢相组成、组织和硬度的影响,通过OM、XRD等分析了不同时效温度下其微观组织的演变规律。结果表明:在低温时效时,该钢的时效组织和固溶组织差异较小,主要为奥氏体+铁素体,晶内存在纳米级别κ-碳化物,硬度变化幅度较小;500℃时效时,组织中出现β-Mn,硬度开始升高;当时效温度为650℃时,组织发生明显改变,晶界出现大量β-Mn,硬度明显升高;当时效温度达到700℃时,奥氏体彻底分解为铁素体和κ-碳化物,伴随着晶界处β-Mn和κ-碳化物的聚集长大,材料的硬度达到最大值66.3 HRC。

关键词：轻质高强钢时效温度显微组织洛氏硬度