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增材制造TiAl合金的研究进展

金属学报 2024年第1期60卷 1-15页

作者：陈玉勇时国浩杜之明张宇常帅哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室哈尔滨150001

轻质耐热的TiAl合金是航空航天和民用工业等领域最具潜力的高温结构材料之一。然而,由于其低的延展性和断裂韧性,制造TiAl零部件具有挑战性。目前,增材制造工艺被认为是制造TiAl零件具有前途的技术之一。本文在介绍增材制造技术原理和... 详细信息

轻质耐热的TiAl合金是航空航天和民用工业等领域最具潜力的高温结构材料之一。然而,由于其低的延展性和断裂韧性,制造TiAl零部件具有挑战性。目前,增材制造工艺被认为是制造TiAl零件具有前途的技术之一。本文在介绍增材制造技术原理和特点的基础上,综述了激光金属沉积(LMD)、选区激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)制备TiAl合金的工艺-组织-性能关系,并对该技术未来的发展趋势进行了展望。

关键词： TiAl合金激光金属沉积选区激光熔化电子束熔化

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海洋微生物膜层激光清洗表面轮廓有限元计算

中国科学：技术科学 2024年第1期54卷 165-178页

作者：冯俊华毕思源雷正龙付伟杰薛跃文哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

本文以高强钢表面海洋微生物膜层为研究对象,开展了激光清洗试验与数值模拟研究.基于激光清洗常用的数值建模思想建立激光辐照模型,并改进了材料的去除过程从而建立了激光烧蚀模型,采用两种模型计算比较了功率200~800 W,频率10和20 kHz... 详细信息

本文以高强钢表面海洋微生物膜层为研究对象,开展了激光清洗试验与数值模拟研究.基于激光清洗常用的数值建模思想建立激光辐照模型,并改进了材料的去除过程从而建立了激光烧蚀模型,采用两种模型计算比较了功率200~800 W,频率10和20 kHz下激光清洗的温度场和清洗轮廓,并分析了不同光斑搭接率对清洗质量的影响.结果表明:功率为600 W时激光辐照模型计算的清洗宽度达906μm,明显超过了光斑直径900μm,而激光烧蚀模型仅有882μm且功率增大到800 W也没有超过光斑直径. 200 W功率下激光清洗实验测得的最高温度约为423.5 K,激光烧蚀模型计算值为432 K,而激光辐照模型计算值高达2441 K. 200 W功率下激光清洗实验测得的清洗深度约为33.7μm,激光烧蚀模型计算值约为32.6μm,而激光辐照模型计算值高达63.9μm;因此结合试验和理论计算分析结果表明激光烧蚀模型相较激光辐照模型精确度更高.此外,采用激光烧蚀模型对5~10 kHz频率激光清洗表面进行模拟,结果显示:在采用经典高斯能量分布激光束进行激光清洗时,应保持光斑搭接率在50%以上,以保证清洗质量均匀一致.

关键词：海洋生物膜层处理激光清洗表面轮廓数值模拟

基于高强高韧焊丝的脉冲GMAW焊缝金属强韧化机理研究

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机械工程学报 2024年第4期60卷 326-334页

作者：崔桂涵杨春利哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

采用新型高强高韧钢焊丝对10Ni5Cr Mo V钢进行脉冲气体保护焊接,对焊缝金属的微观组织、力学性能和强韧化机理进行分析。结果表明,焊缝金属微观组织主要由板条贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体和细晶铁素体组成。贝氏体组织内部的高密度... 详细信息

采用新型高强高韧钢焊丝对10Ni5Cr Mo V钢进行脉冲气体保护焊接,对焊缝金属的微观组织、力学性能和强韧化机理进行分析。结果表明,焊缝金属微观组织主要由板条贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体和细晶铁素体组成。贝氏体组织内部的高密度位错相互作用,对于提高焊缝金属强度具有很大的作用。焊缝金属中存在的少量的M-A组元,在铁素体基体上弥散分布并阻碍裂纹扩展,一定程度上提高了焊缝金属的强度和韧性,但其强化作用十分有限。焊缝金属中存在的少量非金属夹杂物,一方面细化晶粒,另一方面促进针状铁素体形核,提高了焊缝金属强度和韧性,少量的非金属夹杂物并不会大幅损害焊缝金属的韧性。焊缝金属的平均屈服强度为793 MPa,伸长率17.2%,-50℃KV2冲击功131 J,焊缝金属的强韧性匹配良好。

关键词：焊缝金属强韧性微观组织

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外加能场辅助搅拌摩擦焊研究现状

焊接学报 2024年第4期45卷 109-119,I0009,I0010页

作者：孙广达闫中宪周利高福洋吕逸帆哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室威海264209 中国船舶重工集团公司第七二五研究所洛阳471000

搅拌摩擦焊作为先进固相连接技术,广泛应用于航空航天等领域,轻质高强材料及异种材料连接对常规搅拌摩擦焊的发展提出了新的挑战.近年来,外加能场辅助搅拌摩擦焊技术的兴起有效地解决了异种材料连接中塑化程度不匹配和界面金属间化合物... 详细信息

搅拌摩擦焊作为先进固相连接技术,广泛应用于航空航天等领域,轻质高强材料及异种材料连接对常规搅拌摩擦焊的发展提出了新的挑战.近年来,外加能场辅助搅拌摩擦焊技术的兴起有效地解决了异种材料连接中塑化程度不匹配和界面金属间化合物导致接头脆化的问题.同时,这一技术也为解决高熔点材料流变应力大、塑性变形能力差以及焊具磨损严重、焊接效率低等问题提供了新的思路.文中综述了外加能场辅助搅拌摩擦焊的研究现状,包括感应加热、激光加热、电流加热、电弧加热和超声辅助等,从过程产热、材料流动、组织性能调控和耦合作用机制等方面分析了热能和机械能对接头微观组织和性能的影响规律,同时对未来的研究方向进行展望.

关键词：高熔点材料异种材料能场辅助搅拌摩擦焊塑性材料流动

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超声波钻谐振控制算法设计及试验验证

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 73-82页

作者：全齐全金亦康张秋葵唐德威邓宗全机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150001

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,... 详细信息

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,驱动钻具高频破碎岩石,具有极低钻压力的显著优势,尤其适用于弱引力小天体的钻进锚固作业。针对超声波钻的驱动,对超声波钻的谐振控制算法进行研究。首先,建立超声波钻换能器的等效电路模型,在等效模型基础上研究换能器的阻抗特性、负载特性、温度特性和滞后特性。其次,根据超声波钻的工作特性研究谐振频率识别算法、谐振频率跟踪算法和恒电流控制算法,针对谐振频率跟踪算法研究了基于递归最小二乘估计的频率跟踪算法和基于模糊控制的频率跟踪算法,并对实际控制效果进行对比分析。最后,进行常温常压和高低温环境下钻进试验,试验结果表明,在不同温度环境和不同的钻进对象条件下,所设计的谐振控制算法能够实现对超声波钻的稳定驱动。研究结果表明,所提出的模糊控制和恒流控制能够有效的在低钻压力以及不同温度下实现有效钻进。

关键词：小行星附着锚固超声波钻谐振控制递归最小二乘法模糊控制

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面向在轨建造的空间机器人末端执行器及适配接口设计与验证

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机械工程学报 2024年第3期60卷 1-10页

作者：赵亮亮刘子毅赵京东段启帆王梓睿刘宏哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出... 详细信息

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出了设计指标。制定了末端执行器机械结构、电气系统的总体方案,并设计了三种适配接口;针对容差需求,分析了对接过程的容差条件和力学条件,优化了关键部件几何参数;针对锁紧需求,建立了锁紧过程运动学、力学模型,并采用组合运动规律,优化了圆柱凸轮曲线槽。通过仿真及试验,验证了容差、锁紧设计的正确性,并进行在轨装配、在轨攀爬的地面模拟试验,进一步验证了末端执行器及适配接口的性能,为大型空间设施的在轨建造奠定了基础。

关键词：在轨建造空间机器人末端执行器适配接口对接锁紧

基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法

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机械工程学报 2024年第7期60卷 22-33页

作者：杨晓航赵智远李云涛徐梓淳赵京东哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要,一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数,优化该指标是一个巨大的挑战,为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先,通过一种... 详细信息

在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要,一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数,优化该指标是一个巨大的挑战,为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先,通过一种新的多层次同时最小化方案将位置级别的非线性优化问题转化到速度级别和加速度级别,在加速度水平重构最大化可操作度问题。其次,引入最小化速度指标保证系统的稳定性,并使关节角速度维持在较低水平。然后,结合关节的物理极限,将上述问题表述为标准的二次规划(QP)形式进行求解。以SSRMS构型冗余空间机械臂为例进行仿真验证,实验结果表明ALMM方法可以在完成轨迹跟踪任务的同时实现可操作度优化,对比实验证明ALMM方法的有效性和优越性。

关键词：冗余机械臂逆运动学可操作度二次规划

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钛/钢异种金属焊接研究进展综述

机械工程学报 2024年

作者：孙清洁陶玉洁刘一搏冯吉才哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨工业大学(威海)特种焊接技术省重点实验室

钛/钢异种金属结构件不仅可以发挥钛合金比强度高、耐蚀性好等优点，还可以兼顾钢材优异的焊接性和性价比，在石油化工、海洋工程及航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，由于Ti、Fe之间的物理及化学性能差异较大，实现钛/钢结构件... 详细信息

钛/钢异种金属结构件不仅可以发挥钛合金比强度高、耐蚀性好等优点，还可以兼顾钢材优异的焊接性和性价比，在石油化工、海洋工程及航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，由于Ti、Fe之间的物理及化学性能差异较大，实现钛/钢结构件的可靠焊接极具挑战。界面脆性化合物的生成以及接头内部较大的残余应力是制约接头性能提高的主要因素。从界面能量调控、中间层冶金调控以及能场辅助热源调控三个角度出发，综述了焊接工艺、中间层种类以及辅助能场在钛/钢异种金属焊接领域的国内外研究进展，总结对比了合金元素、工艺参数等因素对接头宏观成形及界面微观组织形貌的影响，分析了工艺-成形-组织-性能之间的内在关联。在此基础上，对钛/钢异种金属连接进行了总结与展望，拟为未来钛/钢连接的研究方向与技术突破提供参考。

关键词：钛/钢异种金属焊接能量调控中间层调控能场辅助组织性能

响应型固体功能表面的浸润性可逆调控研究进展

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机械工程学报 2024年第7期60卷 144-173页

作者：吴春亚孙瑞江侯博李曦光吴佳昊刘畅陈明君哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室哈尔滨150080 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面,可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题,更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表... 详细信息

浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面,可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题,更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表面浸润性能主观调控中关键技术的发展态势,综述分析了响应型固体表面的类型特征、制备方法和应用前景。根据外部刺激类型,将响应型功能表面归纳为基于化学组成和基于微观结构两大类,重点围绕光响应型、温度响应型、pH响应型和磁场响应型等功能表面的响应材料、响应原理、调控机制及性能特点展开系统分析,聚焦于两类响应功能表面制备方法,梳理其基本原理、技术特色及其优劣性,并深入探讨了两类表面在可控油水分离、微液滴/流体操控等领域的潜在应用价值。最后指出了浸润性可逆调控表面在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题,希望能为后续人工响应型功能表面研究工作的大规模推进提供参考。

关键词：功能表面可逆调控浸润性响应类型制备方法应用前景