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基于激光诱导击穿光谱的增材制造成分梯度不锈钢样品的成分分布研究及应用

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光谱学与光谱分析 2020年第7期40卷 2289-2295页

作者：刘宗鑫沈学静李冬玲赵雷钢铁研究总院北京100081 金属材料表征北京市重点实验室北京100081 钢研纳克检测技术股份有限公司北京100081

增材制造由于加工速度快,精度高,无需模具成形常用于制备复杂的金属部件,成分梯度样品的制备更是金属增材制造中的热门,由于该技术目前尚未成熟,工件中往往存在较多缺陷,匹配的成分分布分析方法的研究对成品质量监测具有重要意义。宏观... 详细信息

增材制造由于加工速度快,精度高,无需模具成形常用于制备复杂的金属部件,成分梯度样品的制备更是金属增材制造中的热门,由于该技术目前尚未成熟,工件中往往存在较多缺陷,匹配的成分分布分析方法的研究对成品质量监测具有重要意义。宏观的成分分布表征手段主要有激光诱导击穿光谱原位统计分析技术(LIBS-OPA)和火花源原子发射光谱原位统计分布分析技术(Spark-OPA)两种, Spark-OPA由于激发斑点较大不适用于增材制造样品的逐层分析, LIBS-OPA具有多元素同步定位分析、空间分辨率高、分析尺度较大、样品损伤量小等诸多优势,可以实现金属块体材料的高精度成分分布表征。采用激光诱导击穿光谱法对增材制造成分梯度不锈钢样品的成分分布表征方法进行了研究。通过对仪器参数和分析条件进行优化,保证了分析的灵敏度以及信号的稳定性,确定最佳的测试条件为:激光灯电压1.32 kV,调Q延时280μs,样品室氩气气压6 300 Pa,光斑直径200μm, 0次预剥蚀,积分15次剥蚀,并在该条件下绘制Cr 298.9 nm, Ni 218.5 nm, Mn 293.3 nm, Mo 203.8 nm, Si 212.4 nm, P 178.3 nm, C 193.1 nm, Co 384.5 nm等元素的工作曲线,大部分元素判定系数超过0.99。使用LIBS-OPA对不同的多路送粉增材制造工艺制备出的两块成分梯度不锈钢样品进行了面扫描,得到样品沉积面上8种元素的成分分布信息,分析结果同火花源原子发射光谱原位统计分布分析技术(Spark-OPA)具有良好的一致性,其定量准确性也通过火花直读光谱仪进行了验证。该研究实现了增材制造样品的逐层分析,并通过成分分布结果对样品的制备工艺提供了指导,同时也对两种工艺制造出的样品中重复出现沿打印方向的裂纹带的成因进行了分析,该研究对于增材制造工艺的改进和完善具有指导意义。

关键词：激光诱导击穿光谱(LIBS) 成分分布增材制造成分梯度不锈钢原位统分布分析技术

火花源原位统计分析技术对涡轮盘的成分分布分析

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光谱学与光谱分析 2019年第1期39卷 14-19页

作者：李冬玲卢毓华金呈冯光李福林沈学静北京材料基因工程高精尖创新中心北京100081 金属材料表征北京市重点实验室北京100081 钢研纳克检测技术股份有限公司北京100081

火花源原子发射光谱原位统计分布分析技术(OPA)是近十几年发展起来的一种大尺度金属截面的高通量成分分布分析技术,具有分析速度快、多元素信号同时定位采集、统计解析信息量大等独特优势,已被广泛应用于中低合金钢铸坯中的成分分布分... 详细信息

火花源原子发射光谱原位统计分布分析技术(OPA)是近十几年发展起来的一种大尺度金属截面的高通量成分分布分析技术,具有分析速度快、多元素信号同时定位采集、统计解析信息量大等独特优势,已被广泛应用于中低合金钢铸坯中的成分分布分析。采用火花源OPA技术对铸&锻变形FGH96高温合金航空发动机涡轮盘纵剖面中的主要合金元素Al,Cr,Co,Ti,W,Mo和Nb进行了成分分布分析,并通过适宜的校准曲线的拟合实现了七种合金元素的定量统计解析。采用直读光谱仪对纵剖面轮毂至轮缘的不同部位进行了定点分析,两种方法具有较好的一致性。结果表明,经过新的铸&锻工艺生产的变形FGH96涡轮盘中除了含量较低的Nb元素外,大部分元素的统计偏析度都小于5%。由于涡轮盘不同部位冷却方式的差异,导致轮毂和轮缘上某些元素分布的差异,其中Ti,Nb等碳化物形成元素在轮缘处存在一定的偏析,含量有所升高,而W,Mo和Co则在轮中部分布较不均匀,采用扫描电镜结合能谱分析的方法也观察到了轮缘处了大颗粒的Ti和Nb的碳化物的存在,进一步证实了涡轮盘边缘Ti和Nb偏析的存在。大尺度涡轮盘的元素成分分布分析结果对于FGH96合金涡轮盘新型铸&锻变形工艺的改进和性能提高具有重要的指导作用。

关键词：火花源原子发射光谱原位统计分布分析技术涡轮盘 FGH96高温合金成分分布

同方期刊数据库

基于微束X射线荧光光谱的单晶叶片枝晶成分分布定量统计研究

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光谱学与光谱分析 2023年第7期43卷 2112-2118页

作者：周晴晴李冬玲蒋立武万卫浩曾强薛鑫王海舟钢研纳克检测技术股份有限公司北京100081 钢铁研究总院有限公司北京100081 北京科技大学国家材料服役安全科学中心北京100083 钢铁研究总院高温材料研究所北京100081

镍基单晶高温合金是含有10~15种元素的复杂合金,具备优良的高温强度和耐腐蚀性。目前,先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力,是工况条件最为... 详细信息

镍基单晶高温合金是含有10~15种元素的复杂合金,具备优良的高温强度和耐腐蚀性。目前,先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力,是工况条件最为恶劣的航空零件,被誉为“工业王冠上的明珠”,研制发展更耐高温的叶片材料以及改进叶片的冷却技术是提高涡轮进口温度的关键手段。新一代的单晶叶片中添加大量难熔元素(如Ta,W和Re等)用来提高承温能力,但这些元素在凝固过程中存在严重的枝晶偏析,导致组织内成分分布不均匀。通常采用复杂的多级热处理来溶解非平衡组织,减小偏析。枝晶间成分的详细表征对优化热处理工艺和叶片设计具有重要的意义。微束X射线荧光光谱是一种无损检测技术,制样简单,无需镀导电膜,可对样品进行多元素同时检测,多用于生物和考古领域,定量表征成分复杂的金属材料存在一定困难,应用案例较少。单晶高温合金具有特殊的十字枝晶组织,尺寸约为几百微米,微束X射线荧光光谱可以满足单晶叶片枝晶成分的详细表征和大区域面积的成分分布定量统计需求。本实验基于微束X射线荧光光谱技术,建立了镍基单晶高温合金枝晶成分定量统计分布表征方法,并应用于新型单晶涡轮叶片的全域枝晶组织成分定量分布表征,探讨了单晶涡轮叶片叶冠到榫头的成分演变规律,获得了不同部位主元素的一次偏析比和二次偏析比。结果表明,Re,W和Ta元素偏析严重,随着叶片截面尺寸的增加及与冷却铜盘距离的增加,叶片叶冠到榫头各元素的偏析程度降低;Cr,Co和Mo元素偏析比接近于1,偏析变化不明显,分布较均匀。通过对单晶叶片枝晶成分的定量统计解析,获得了单晶叶片成分的演变规律,为叶片的设计和凝固工艺的改进提供数据支撑。

关键词：单晶高温合金涡轮叶片微束X射线荧光光谱枝晶偏析成分分布

同轴送粉金属激光3D打印熔池流动、成分分布以及组织生长数值模拟的研究进展

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材料导报 2018年第21期32卷 3743-3753页

作者：安晓龙吕云卓覃作祥陆兴大连交通大学材料科学与工程学院大连116028

在"中国制造2025"、美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下,金属激光3D打印融合了计算机... 详细信息

在"中国制造2025"、美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下,金属激光3D打印融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术,以数字化模型文件为基础,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品,该技术日益成为国内外专家学者的研究热点。它与传统的对原材料进行切削、组装的加工模式不同,是通过材料累加的原理,从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点,使得它受到全球的广泛关注,将可能会给传统的制造业带来一系列深刻的变革。其中同轴送粉式金属激光3D打印技术因具有成形尺寸大、可利用材料范围广、成形件的材料性能优异等特点,在航空航天、交通、医疗与能源等领域有着广阔的应用前景,成为金属增材制造主流的工艺技术。3D打印熔池中存在着传热、对流、传质、气-液界面冶金反应以及固-液界面扩散等复杂的动态物理冶金过程。熔池的流体力学行为直接影响材料组织的均匀性以及致密性,因此,如何通过流体力学方法对熔池的流体动态过程进行模拟,建立熔池温度和流场的三维非稳态模型,并定量分析浮力、表面张力、粉末冲击力以及综合作用对3D打印过程温度场、速度场和熔池形态的影响是需要解决的关键问题。数值仿真模拟是研究同轴送粉式金属激光3D打印熔池动力学过程的重要手段之一。目前,在关于同轴送粉式金属激光3D打印数值模拟和激光焊的数值模拟研究中,已包含较为全面的多尺度数值模型,例如光-粉耦合作用数值模型、熔池气-液界面和固-液混合区界面追踪模型、熔池瞬时变化的热场和流场分析模型、熔池中合金元素的分布过程介观模型以及基于相场法的熔池形貌和显微组织凝固元胞自动机模型等。本文主要阐述国内外研究学者对同轴送粉式金属激光3D打印仿真模拟的研究进展,主要集中在3D打印过程中熔池瞬时变化的热场和流场分析、合金元素的分布过程以及熔池形貌和显微组织凝固等方面。由于数值模拟方法具有一定的通用性,为了更全面地介绍与同轴送粉式金属激光3D打印技术相关的数值模拟方法,本文也涉及了少量送粉式激光熔覆以及激光电弧填粉焊接等过程的数值模拟工作。

关键词：同轴送粉3D打印熔池流动成分分布数值模拟

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高脱渣率烧结焊剂熔渣晶体类型及其成分分布

焊接学报 2013年第11期34卷 109-112,118页

作者：徐国梁郑振太刘鹏飞张立胜王涛河北工业大学材料科学与工程学院天津300132 洛阳船舶材料研究所洛阳471023

通过均匀设计方法,以脱渣性为目标,对高碱度MgO-Al2O3-CaO渣系进行优化,并试验测定了脱渣率.在此基础上分别采用SEM观察熔渣晶体微观组织形貌及其特征、EDAX测定熔渣不同微区的成分含量、XRD确定熔渣的物相组成.发现脱渣率较高的10号焊... 详细信息

通过均匀设计方法,以脱渣性为目标,对高碱度MgO-Al2O3-CaO渣系进行优化,并试验测定了脱渣率.在此基础上分别采用SEM观察熔渣晶体微观组织形貌及其特征、EDAX测定熔渣不同微区的成分含量、XRD确定熔渣的物相组成.发现脱渣率较高的10号焊剂的熔渣主要由含Zr,Mg,Ca,Al及Si元素的复合岩石相构成,熔渣不同微区的元素含量差别很大,形成了锆型雪花晶、镁型十字晶及钙型树枝晶.锆型和钙型晶体能够阻碍镁型晶体的生长,锆还起到细化镁型晶体的作用.结果表明,通过提高焊剂中大理石及锆英砂的含量使熔渣中镁型晶体微观组织的连续性和方向性发生改变,是改善脱渣性的一种有效途径.

关键词：烧结焊剂微观组织成分分布脱渣性

铝合金等离子体基离子注入氮/钛改性层成分分布

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哈尔滨工业大学学报 2002年第1期34卷 44-48页

作者：廖家轩夏立芳孙跃哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

用X射线光电子能谱 (XPS)研究了工艺参数 (注入电压或能量、注入时间或剂量、磁控靶溅射电流 )对铝合金LY12 (即 2 0 2 4 )等离子体基离子注入氮 +离子注入钛形成的改性层成分分布影响 .结果表明 ,氮在注入层呈高斯分布 ,而钛沿注入方... 详细信息

用X射线光电子能谱 (XPS)研究了工艺参数 (注入电压或能量、注入时间或剂量、磁控靶溅射电流 )对铝合金LY12 (即 2 0 2 4 )等离子体基离子注入氮 +离子注入钛形成的改性层成分分布影响 .结果表明 ,氮在注入层呈高斯分布 ,而钛沿注入方向逐渐减少 .钛的注入使已注入的氮的分布有所拓宽 .随着注入电压和时间的增加 ,钛的注入深度及含量有所增加 ;存在一个注入时间或 /和磁控靶溅射电流阈值 ,在低于该值下注入钛主要表现为注入效应 ,没有钛沉积层出现 ,在高于该值下注入钛由注入效应逐渐表现为沉积效应。

关键词：铝合金等离子体基离子注入改性层 X射线光电子能谱工艺参数氮钛成分分布

对流作用下Al-4.7%Cu合金枝晶生长的形貌特征和成分分布的数值模拟

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航空材料学报 2016年第4期36卷 1-9页

作者：周靖超李日杨莹莹赵朝阳河北工业大学材料学院天津300130

建立了用于模拟Al-4.7%Cu(质量分数)单相固溶体合金凝固过程温度场、流场、溶质场以及微观组织模拟的元胞自动机-格子玻尔兹曼方法(CA-LBM)数值模型,分析对流作用下枝晶生长的形貌与成分变化。模型处理溶质场计算中固液(S/L)界面处溶质... 详细信息

建立了用于模拟Al-4.7%Cu(质量分数)单相固溶体合金凝固过程温度场、流场、溶质场以及微观组织模拟的元胞自动机-格子玻尔兹曼方法(CA-LBM)数值模型,分析对流作用下枝晶生长的形貌与成分变化。模型处理溶质场计算中固液(S/L)界面处溶质的分配过程,使浓度场的变化和实际的传输过程更加相符。计算结果表明,与不计入流动过程的纯扩散型合金凝固过程相比较,对流对合金枝晶形貌的影响显著,呈现非对称生长形貌。在强制对流条件下,枝晶晶粒大小呈均匀化趋势,枝晶间的局部区域的成分更加均匀,在整体凝固区域内的成分呈现出上游到下游的一定的梯度化趋势。

关键词：合金凝固微观组织模拟 CA-LBM 成分分布枝晶形貌

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连铸方坯凝固过程成分分布数值模拟

中国稀土学报 2004年第Z1期22卷 259-264页

作者：于艳翟启杰陈金保胡汉起宝钢股份技术中心上海201900 上海大学材料学院上海200072 北京科技大学材料学院北京100083

从传热、传质和动量传输原理出发,建立定量描述连铸坯凝固过程的统一数学模型,将连铸坯凝固过程的三个区(固相区、固液两相区、液相区)的三个场(温度场、流场、溶质场)的定量描述统一在用同一组方程,实现了连铸批凝固过程的成分分布的... 详细信息

从传热、传质和动量传输原理出发,建立定量描述连铸坯凝固过程的统一数学模型,将连铸坯凝固过程的三个区(固相区、固液两相区、液相区)的三个场(温度场、流场、溶质场)的定量描述统一在用同一组方程,实现了连铸批凝固过程的成分分布的数值模拟.根据生产的实测结果,初步证明本文建立的统一模型和编制的软件是比较合理可靠的.

关键词：连铸凝固数值模拟成分分布

过热器三元组合焊接接头高温力学性能及成分分布

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热加工工艺 1999年第4期28卷 6-7页

作者：韩培德孟庆森太原理工大学

为提高火力发电厂电站锅炉过热器管铁素体钢和奥氏体钢焊接接头的使用寿命，提出并研制了铁素体钢／镍基焊缝／奥氏体钢三元组合接头，通过对两种焊接接头热模拟对比分析，三元组合接头对改善接头应力分布。

关键词：异种钢接头成分分布力学性能过热器电站锅炉