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钢轨钢的层流等离子体束表面淬火过程仿真模型

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工程科学与技术 2021年第6期53卷 185-193页

作者：余德平张斌宋文杰郭达彭科铭四川大学机械工程学院四川成都610065

采用层流等离子体束对钢轨钢进行表面淬火可提高其服役寿命,但目前处理参数的选取只能依靠实验方法,费时费力,若能建立表面淬火过程仿真模型,快速预测表面淬火过程温度场变化及淬火后硬化区的硬度分布,可实现最优处理参数的快速选取。... 详细信息

采用层流等离子体束对钢轨钢进行表面淬火可提高其服役寿命,但目前处理参数的选取只能依靠实验方法,费时费力,若能建立表面淬火过程仿真模型,快速预测表面淬火过程温度场变化及淬火后硬化区的硬度分布,可实现最优处理参数的快速选取。作者基于有限元方法建立了层流等离子体束表面淬火过程的温度场仿真模型,通过表面淬火实验所得硬度分布确定碳扩散极限值;借助JMATPRO确定各升温速率下奥氏体转变速率,建立了金相组织预测模型。温度场仿真模型能够计算表面淬火过程中温度场分布变化,通过选取大于相变温度(如U75V钢轨钢为745℃)的节点可预测硬化区的宽度与深度,仿真得到的宽度、深度与实验所得宽度、深度误差在8%以内;通过提取硬化区中节点的温度变化曲线,代入金相组织预测模型可计算硬化区各节点位置处的奥氏体和马氏体转变情况,并预测硬化区截面硬度值;通过改变层流等离子体束表面淬火处理参数(包括电弧电流、阳极口径、扫描速度等)进行表面淬火实验,发现仿真模型得到的硬度值与实际硬度值有很好的吻合性,验证了所提钢轨钢层流等离子体束表面淬火过程仿真模型的正确性。

关键词： U75V钢层流等离子体束数值模拟表面淬火奥氏体化

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基于层流等离子体束的单点织构功能表面的可控制备与磨损行为研究

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基于层流等离子体束的单点织构功能表面的可控制备与磨损行为研究

作者：张斌四川大学

学位级别：硕士

工业领域中,铁路轮轨等关键零部件在服役过程中承载着复杂交变载荷,其金属接触表面易出现各类磨损或疲劳失效问题。随着高能束的发展,织构化热处理技术通过在金属接触表面上构建离散硬质织构点,形成织构功能表面,提升工件的耐磨性而不... 详细信息

工业领域中,铁路轮轨等关键零部件在服役过程中承载着复杂交变载荷,其金属接触表面易出现各类磨损或疲劳失效问题。随着高能束的发展,织构化热处理技术通过在金属接触表面上构建离散硬质织构点,形成织构功能表面,提升工件的耐磨性而不明显降低其疲劳性能,这为综合金属接触表面磨损性能与疲劳性能提供了新的研究方向。然而,目前依旧存在以下问题抑制着该技术的发展及应用:一是织构功能表面制备参数难以选取,需要依靠预实验摸索,费时费力,无法满足不同工况下可控制备织构功能表面的需求;二是在典型滚滑接触工况下,基于层流等离子体束构建的织构功能表面的磨损行为未知,且织构点服役后往往在单侧产生裂纹,而其损伤机理未被清晰揭示。针对以上问题,本文以单点织构功能表面为例,首先构建了基于层流等离子体束的织构化热处理系统;随后针对单点织构功能表面可控制备方法开展了研究,构建了硬化区尺寸在线预测模型;最后研究了单点织构功能表面在滚滑接触工况下的磨损行为及损伤机理。本文主要研究内容及结论如下:(1)搭建包含层流等离子体射流在线监测系统及热处理控制系统的织构化热处理系统。该系统能够实现的功能包括:(1)能够通过本文所提的射流稳定性判据(电压均值波动小于±0.5 V,方差小于0.2;电流方差小于5;且射流无绿光)判断射流状态。(2)能够通过Lab VIEW上位机对射流图像和电信号进行实时监控及数据保存。(3)能够通过PLC控制伺服电机及电磁阀,实现织构化热处理流程。凭借以上三者,该系统能够在工件表面制备出硬化点大小一致、间隔均匀的单点织构功能表面。(2)研究单点织构化热处理后硬化区尺寸在线预测方法。通过开展不同参数下的织构化热处理实验及温度场仿真分析了处理参数对热流密度及热处理结果的影响。研究发现:(1)随着电弧电流和阳极喷嘴高度的增大,热量总效率系数将不断减小,而有效热源半径基本不随电弧电流、阳极喷嘴高度而变化,可认为是一定值(本文为5.865 mm);(2)随着热流密度峰值和加热时间的不断增大,热处理的最大温度和硬化区尺寸将不断增大,但实际的热处理最大温度需控制在奥氏体化温度与材料熔化温度之间。(3)结合实验与仿真结果,构建了硬化区尺寸在线预测模型,能够在线计算热流密度峰值、最大温度、硬化区尺寸。不同热处理参数下的验证实验表明,预测模型能够较准确地预测织构化热处理效果,且预测尺寸与实验尺寸基本一致,误差在20%以内。(3)研究单点织构功能表面的滚滑接触磨损行为与损伤机理。在U75V钢轨试样表面构建了多种单点织构功能表面,并模拟重载铁路工况开展了滚滑接触磨损试验,对单点织构功能表面的磨损行为进行了分析,通过建立接触仿真模型计算了磨损过程织构表面的应力应变分布情况,揭示了织构点的损伤机理。研究发现:(1)所构建单点织构功能表面的耐磨性相较于未处理表面提升了1.26-1.75倍,且表面损伤减轻。其原因包含两方面:Ⅰ.织构点硬度为800 HV,相较于基材提升了2.4倍;Ⅱ.织构点间基材的塑性变形会被织构点所抑制,导致分层磨损被抑制。(2)仿真结果表明织构点在服役过程中承受的应力大于基材,而基材在服役过程中承受的应变大于织构点;进入侧的剪应力方向背离织构点,而背离侧的剪应力朝向织构点。(3)织构点在磨损后出现较特殊的损伤形式:在进入侧,织构点出现严重裂纹和碎裂现象,而在背离侧,织构点基本无损伤。该特殊损伤形式与是否织构点和基材交界处存在应变差密切相关。

关键词：层流等离子体束单点织构功能表面 U75V钢轨钢在线预测模型磨损行为损伤机理

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层流等离子体射流冲击基板的流动与传热特性

工程热物理学报 2022年第9期43卷 2501-2511页

作者：宋文杰余德平张斌彭科铭吴淦炀四川大学机械工程学院成都610065

层流等离子体射流冲击基板是等离子体喷涂、等离子体表面处理等典型制造工艺中的关键共性过程,但其涉及的流动和传热特性尚未完全揭示,使得工艺参数的确定缺乏依据。本文根据电信号分析了氮氩混气层流等离子炬的弧压和功率特性,再结合... 详细信息

层流等离子体射流冲击基板是等离子体喷涂、等离子体表面处理等典型制造工艺中的关键共性过程,但其涉及的流动和传热特性尚未完全揭示,使得工艺参数的确定缺乏依据。本文根据电信号分析了氮氩混气层流等离子炬的弧压和功率特性,再结合图像分析方法研究了层流等离子体射流的流动特性,最后结合相变硬化法研究了射流撞击基板的传热特性。结果表明:增加电弧电流会少量增加发生器的实际输出功率和射流的速度和温度,略微减少空气的夹带和增加射流高温区长度,但传输到基板的热能变化不大,总的传热效率降低;增加气流量和氮气比例可以大幅提高射流的功率,提高射流出口的速度和温度,减少空气的夹带,增大高温区的半径和长度,提高传输到基板的热流密度和总的传热效率,除此之外,改变工作参数对热影响区半径的影响不大。

关键词：层流等离子体束射流冲击传热特性热流密度

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层流等离子体制备球形氧化铝粉末的实验研究

强激光与粒子束 2018年第7期30卷 164-168页

作者：江汇余德平吕程熊志强姚进四川大学制造科学与工程学院成都610065

为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力,使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备,以载气送粉的方式,对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理,并采用均匀设计法,研究等... 详细信息

为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力,使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备,以载气送粉的方式,对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理,并采用均匀设计法,研究等离子体发生器和送粉器不同的工作参数对氧化铝粉末球化率的影响规律。结果表明,实验所采用的直流非转移弧层流等离子体发生器能有效制备球化率接近100%的高球化率球形氧化铝粉末。实验发现,高球化率、高分散性和粒径大小均匀的球形氧化铝粉末可在不同工艺参数组合下制备,并证明了采用非转移弧分段式阳极层流等离子体发生器可实现较低功率下制备较高球化率球形氧化铝的可行性。实验还通过XRD与PDF卡片索引技术对球化前后的氧化铝粉末进行了物相定性分析,发现η相的氧化铝粉末经射流作用转化成了Corundum型的氧化铝粉末。

关键词：层流等离子体束等离子体球化球形氧化铝粉末高球化率物相定性分析

基于层流等离子束的金属接触表面可控强化及其对服役性能的影响研究

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基于层流等离子束的金属接触表面可控强化及其对服役性能的影响研...

作者：郭达四川大学

学位级别：硕士

铁路钢轨、模具、轴承等关键零件在各种复杂接触工况下极易出现表面损伤问题,而接触工况的不同必然使得表面损伤的类型存在差异。以轮轨为代表的典型滚滑接触工况,表面损伤类型往往为磨损和滚动接触疲劳破坏;而在以注塑模具钢为代表的... 详细信息

铁路钢轨、模具、轴承等关键零件在各种复杂接触工况下极易出现表面损伤问题,而接触工况的不同必然使得表面损伤的类型存在差异。以轮轨为代表的典型滚滑接触工况,表面损伤类型往往为磨损和滚动接触疲劳破坏;而在以注塑模具钢为代表的典型纯滑动和腐蚀工况下,腐蚀磨损、热疲劳和机械疲劳损失占据主要地位。不同工况下的表面损伤均会降低零件的服役精度和寿命,导致高昂的维护和更换成本。为提高这些关键零件的综合服役寿命,需要对不同工况下的金属接触表面进行表面强化处理。层流等离子束(LPJ)表面硬化是一种有效的表面强化手段。为提高不同工况下机械零件的综合服役寿命,需要深入研究LPJ表面硬化对不同工况下金属接触表面服役性能的影响规律和影响机理。此外,为在金属接触表面可控制备具有理想几何尺寸、微观组织和硬度分布的硬化层,需要明确层流等离子束表面硬化的硬化机理。针对上述问题,本文使用LPJ对典型滚滑接触工况的U75V钢轨钢和典型纯滑动和腐蚀工况下的P20模具钢进行了表面硬化处理,结合ANSYS热仿真和材料表征手段揭示了LPJ表面硬化参数对硬化层几何尺寸、微观组织和硬度分布的影响机理。其次,通过实验研究探索了LPJ表面硬化对上述两种工况下的金属接触表面的服役性能的影响规律和影响机理。本文的主要研究内容和结论如下:(1)研究了LPJ表面硬化中电弧电流、阳极口径、扫描速度等参数对硬化层几何尺寸、微观组织和硬度分布的影响规律。研究结果显示:在硬化层几何尺寸的调控方面,通过增大电弧电流或减小扫描速度,可获得较大尺寸的硬化层。其次,通过设置一个小的阳极喷嘴,可以产生更深且更窄的硬化层从而实现对硬化层几何形状的调控。因此,可以通过改变LPJ表面硬化的工作参数来调整硬化层的尺寸和形状。通过LPJ表面硬化,可以在U75V钢轨钢中有效地制备出具有硬度梯度的硬化层。硬化层由完全硬化层和过渡层组成。其中,由完全马氏体组成的完全硬化层硬度约为800 HV,而过渡层的硬度在380HV～780 HV之间,显微组织为马氏体、珠光体、铁素体和碳化物的混合物。为获得硬度呈梯度分布的硬化层,应选择较大的阳极喷嘴、设置合适的电弧电流并且使用较小的扫描速度。(2)利用ANSYS有限元仿真对LPJ表面硬化的温度场进行仿真分析,揭示了层流等离子束表面硬化的硬化机理。仿真结果显示:控制在临界奥氏体化温度范围上的热影响区尺寸大小是调整硬化层几何尺寸的关键。通过改变电弧电流或阳极喷嘴来调节施加在工件表面的层流等离子束热流密度的半高宽(FWHM),或通过改变扫描速度来调节加热时间,可以改变热影响区的温度分布。低于临界奥氏体化温度的相对较慢的冷却速率是产生具有硬度梯度分布的过渡层的关键。较慢的冷却速度导致硬化层中出现了马氏体、珠光体和铁素体的混合物。(3)通过滚动摩擦磨损试验探索了LPJ表面硬化对以轮轨为代表的典型滚滑接触工况下的金属接触表面服役性能的影响规律,研究结果表明,LPJ离散表面硬化处理提高了滚滑接触工况下金属接触表面服役性能。在本文的研究中,双排点状处理处理后的钢轨试样磨损率是未处理钢轨试样的0.48倍,耐磨性最好。单排24°点状处理轮轨对的总磨损率最低,是未处理轮轨对的0.87倍。LPJ离散表面硬化处理获得的硬化区为硬度极高的马氏体,马氏体组织有着极高的抗塑性变形能力,使硬化区的耐磨性大幅增加。硬化区的存在更能缓解试样中未被处理到的区域的塑性变形。经过LPJ离散表面硬化处理后,点状硬化区周围未处理基材表面区域的塑性变形深度最多降低到未处理轨试样表面区域塑性变形深度的0.116倍。LPJ离散表面硬化处理提高了滚滑工况下钢轨试样表面的抗塑性变形能力,从而使得其耐磨性大幅提升。(4)通过球平面摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验的方式对以P20注塑模具钢为代表的典型纯滑动加腐蚀工况下,LPJ表面硬化处理后的金属接触表面服役性能进行了研究。研究结果显示:由于层流等离子束表面硬化处理的超快冷却速率,层流等离子束表面硬化处理后,P20模具钢的组织由回火马氏体转变为致密的板条状马氏体,硬度从300 HV提高到600 HV左右,表面残余压应力从-255.01增加到-752.34 Mpa。在奥氏体化过程中,大量板状碳化物(FeC)和球形碳化物(MC,M=Cr,Mn,Mo)溶解,导致Cr元素的分布更加均匀。层流等离子束表面硬化处理能显著提高预硬化P20模具钢的耐磨性。与未处理样品相比,层流等离子束处理样品的平均摩擦系数(COF)降低了约1.7倍,磨损率降低了约2.3倍。处理后的试样的磨损机理由磨粒磨损结合黏着磨损转变为轻度氧化磨损。由于层流等离子束表面硬化处理后,工件表面形成了致密的板条马氏体组织和Cr元素分布均匀化,处理试样的耐蚀性明显高于未处理试样。未处理试样的腐蚀速率为0.2427 mm/年,而处理试样的腐蚀速率仅为0.06

关键词：层流等离子体束表面硬化钢轨钢模具钢磨损腐蚀

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织构化热处理对钢轨钢耐磨性和寿命的影响

表面技术 2019年第11期48卷 131-139页

作者：段亚洲余德平邱吉尔郭达姚进四川大学

目的减小钢轨钢表面因离散硬化产生的硬化区与基材边界处的硬度突变,从而消除磨损过程中硬化区与基材边界处因材质不连续而产生的早期碎裂现象,进一步提高钢轨钢的耐磨性和寿命。方法提出了一种基于层流等离子体束离散硬化的表面织构化... 详细信息

目的减小钢轨钢表面因离散硬化产生的硬化区与基材边界处的硬度突变,从而消除磨损过程中硬化区与基材边界处因材质不连续而产生的早期碎裂现象,进一步提高钢轨钢的耐磨性和寿命。方法提出了一种基于层流等离子体束离散硬化的表面织构化热处理方法。与之前的离散圆点状硬化不同,通过调节等离子体束在试样表面的运动速度,改变试样表面的加热时间,在硬化区与基材之间人为地附加了一个过渡区。为了揭示织构化热处理对钢轨钢滚滑性能的影响,在摩擦磨损试验机上进行了磨损试验。磨损后的试样经切割、打磨、抛光和腐蚀,在光学显微镜和扫描电子显微镜下进行了观察,以分析试样的磨损过程和织构化热处理提高试样耐磨性的机理。结果由于附加过渡区的存在,相变区的一边被拉长,形状变为泪滴状。硬化区到基材的硬度变化率由3500 HV/mm降低至200 HV/mm,在圆点状硬化中可观察到的硬度突变消失。同时,在磨损实验中,泪滴状硬化试样的磨损量较圆点状硬化试样降低了27%,边界碎裂消失。结论具有附加过渡区的试样比圆点状硬化的试样具有更好的耐磨性和抗塑性变形能力,该方法对提高钢轨钢的使用寿命具有一定的应用前景。

关键词：织构化热处理层流等离子体束钢轨过渡区耐磨性碎裂