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高频脉冲电流辅助镁/铝合金一步轧焊复合板制备及界面接合机理

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机械工程学报 2024年第4期60卷 305-315页

作者：张婷婷许振波王艳卞功波王涛王文先太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

针对传统热轧制备镁/铝合金复合板大下压率复合时异种金属协调变形差、界面氧化膜去除困难和金属间化合物层(Intermetallic compounds,IMCs)生成不易控制的问题,提出采用高频脉冲电流辅助一步轧焊成形制备镁/铝合金复合板的新方法。探讨... 详细信息

针对传统热轧制备镁/铝合金复合板大下压率复合时异种金属协调变形差、界面氧化膜去除困难和金属间化合物层(Intermetallic compounds,IMCs)生成不易控制的问题,提出采用高频脉冲电流辅助一步轧焊成形制备镁/铝合金复合板的新方法。探讨30 kHz、400 A、50%占空比的脉冲电流通电120 s作用,不同压下率复合板界面的结构形貌及结合强度。结果表明:压下率为16.8%时,复合板剪切强度最高,达到27.87MPa;不同压下率复合板横截面界面处均出现不同程度的熔融液相金属液珠挤出的现象,当压下率较小时(压下率为16.8%和22.3%)界面IMCs较厚,约为7.8μm,且界面呈现明显的“齿状”结构形貌;随着压下率的增大,IMCs逐渐减薄且界面形貌趋于平直。综合分析发现,高频脉冲电流辅助作用可实现镁/铝合金复合板的小压下率复合;其界面结合机理可归纳如下:镁/铝合金连接界面局部高温导致的界面微区部分母材金属熔化的熔钎焊接和原子扩散连接的冶金结合机理。分析其原因主要是连接界面微区局部高温并超过Mg-Al相图共晶温度形成的共晶液相,而界面局部高温一方面是异种金属连接界面待复合微区的局部接触电阻增大导致的瞬时高温;另一方面是高频脉冲电流在待连接界面微区的集肤和邻近效应导致的。

关键词：镁/铝合金复合板高频脉冲电流轧焊复合成形部分母材金属熔化冶金结合机理

基于气−水两相流的注热CO_(2)增产CH_(4)数值模拟研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 115-128页

作者：张林峰杨艳国穆永亮范楠刘康姚文军太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024

注CO_(2)增产煤层气技术(CO_(2)−ECBM)可以降低温室气体排放,具有清洁能源生产和环境保护的功能。为研究气−水两相流条件下,在含水煤层中注CO_(2)增产CH_(4)的排采规律以及不同初始含水饱和度、不同CO_(2)注入条件对CH_(4)产量、CO_(2)... 详细信息

注CO_(2)增产煤层气技术(CO_(2)−ECBM)可以降低温室气体排放,具有清洁能源生产和环境保护的功能。为研究气−水两相流条件下,在含水煤层中注CO_(2)增产CH_(4)的排采规律以及不同初始含水饱和度、不同CO_(2)注入条件对CH_(4)产量、CO_(2)储存和储层渗透率的影响,构建了竞争吸附、温度变化、煤体变形以及水运移的流−固−热耦合模型,通过与现场数据、已有试验以及现有模型的数值解结果,对比证明了模型有较高的准确性并对模型的优势做出具体阐述,随后利用COMSOL开展了CO_(2)−ECBM数值模拟。结果表明:注CO_(2)可以提升CH_(4)产气速率和产气量,这表明了注CO_(2)增产的可行性。随着CO_(2)持续注入,储层CH_(4)浓度降低,CO_(2)浓度升高,注气井附近温度升高,生产井附近温度降低且从注气井到生产井的温度缓慢下降;注气抽采期间,水相相对渗透率逐渐减小,气相相对渗透率逐渐增大。由于有效应力、基质收缩/膨胀共同作用,储层渗透率呈现“降低—升高—降低”的趋势;煤层初始含水饱和度越大,CH_(4)产量越低,渗透率下降幅度越小。累计CH_(4)产量最大下降15.19%,忽略煤层中水的影响会高估CH_(4)产量,在进行数值模拟时要考虑煤层水的影响;CO_(2)注入温度与注入压力越大,CH_(4)产量越大,渗透率下降幅度越大。累计CH_(4)产量分别增加13.27%、39.77%,渗透率分别下降20.4%、46.14%,提高CO_(2)注入温度和注入压力有利于提高CH_(4)产量。

关键词：煤层气增产流−固−热耦合模型气−水两相流含水饱和度注入温度注入压力渗透率 CO_(2)封存

镁/铝复合板热轧过程轧制力和厚度预测与分析

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中国有色金属学报 2024年第8期34卷 2627-2640页

作者：苏军郝平菊刘元铭王振华王涛太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024 海安太原理工大学先进制造与智能装备产业研究院海安226600

热轧镁/铝复合板各层厚度直接决定了它能否满足不同环境条件下的使用要求,因此,研究决定各层厚度的轧制力和厚度预测模型对轧制过程控制和产品的性能提升具有重要的意义。本文建立了AZ31B镁合金和5052铝合金在轧制过程中变形抗力的PSO-B... 详细信息

热轧镁/铝复合板各层厚度直接决定了它能否满足不同环境条件下的使用要求,因此,研究决定各层厚度的轧制力和厚度预测模型对轧制过程控制和产品的性能提升具有重要的意义。本文建立了AZ31B镁合金和5052铝合金在轧制过程中变形抗力的PSO-BP预测模型,高精度地表征其在不同温度、应变和应变速率下的变形特性。结果表明:镁合金对应模型的的R2、RMSE和AARE分别为0.99165、3.4251和0.56%,铝合金对应模型的R2、RMSE和AARE分别为0.99496、2.8092和1.43%,验证了PSO-BP模型用于描述两种金属材料的准确性和可靠性。在镁/铝复合板轧制过程中,轧制力随着压下率和入口总厚度的增加而增大,随着入口厚比的减小,轧制力呈增大的趋势。镁/铝复合板出口厚比随着压下率和入口总厚度的增大而减小,随着入口厚比的减小,出口厚比也呈减小的趋势。

关键词：镁/铝复合板 PSO-BP神经网络变形抗力轧制力各层厚度

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地应力约束下米级油页岩高温蒸汽压裂与渗流-传热特征

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中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 68-78页

作者：王磊张睿赵阳升杨栋孟巧荣张红鸽康志勤太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西晋中030600

为了探明高温蒸汽原位压裂油页岩的过程与机理,评价高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中温压时空演变规律,以大尺寸(米级)油页岩作为研究对象,采用实验室物理模拟的方法研究了在地应力约束下油页岩储层在高温蒸汽持续作用下表现的宏观压... 详细信息

为了探明高温蒸汽原位压裂油页岩的过程与机理,评价高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中温压时空演变规律,以大尺寸(米级)油页岩作为研究对象,采用实验室物理模拟的方法研究了在地应力约束下油页岩储层在高温蒸汽持续作用下表现的宏观压裂-渗流-传热特性.试验结果显示:高温蒸汽压裂需要克服地层应力和热应力叠加的约束作用,起裂压力值高,可达地应力的2倍;油页岩顶底板致密低渗,可以对压裂矿层起到较好的保温和隔热作用,热解区域完全靠蒸汽的流动规律控制;高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中,蒸汽压力(最大0.97 MPa)要远低于地层应力(3.82 MPa),当蒸汽沟通注热井和生产井时,二者的压力表现出协同一致的变化特征.在低地应力油页岩原位注热开采过程中,可以采用高温蒸汽压裂技术,压裂后矿层渗流通道良好,在矿层中注入较低压力的蒸汽便可实现大范围热解,通过注热井和生产井的轮换和调控,可以快速控制热解区域的走向.

关键词：油页岩蒸汽压裂渗流传热热破裂

热压制备Ni/Al微叠层复合板的协调变形行为和气压胀形成形性

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第3期34卷 786-797页

作者：鲁羽鹏殷宏亮席先铮孟令健林鹏梁伟太原理工大学材料科学与工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024

为了制造NiAl合金复杂薄壁构件,采用真空热压法制备一种新型Ni/Al微叠层复合板(NAMCS)。基于不同温度的单向拉伸试验,研究Ni/Al微叠层复合板的力学性能。为了阐明Ni/Al微叠层复合板的单向拉伸协调变形机制,通过扫描电子显微镜对不同拉... 详细信息

为了制造NiAl合金复杂薄壁构件,采用真空热压法制备一种新型Ni/Al微叠层复合板(NAMCS)。基于不同温度的单向拉伸试验,研究Ni/Al微叠层复合板的力学性能。为了阐明Ni/Al微叠层复合板的单向拉伸协调变形机制,通过扫描电子显微镜对不同拉伸应变下的变形组织进行表征。结果表明,在5%应变、室温和300℃条件下,NiAl_(3)层和Ni_(2)Al_(3)层中形成了一些裂纹。在600℃和20%应变条件下,在NiAl3层观察到一些微孔。样品在78.7%的拉伸应变断裂时,Ni_(2)Al_(3)层也未出现裂纹,表现出良好的协调变形能力。Ni/Al微叠层复合板的高温自由气压胀形试验表明,600℃时其极限胀形比(极限胀形高度与凹模直径之比)达到33.3%,表现出良好的成形性。

关键词： Ni/Al微叠层复合板力学性能协调变形机制气压胀形成形性

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钛合金电致塑性本构方程及多物理场耦合分析

机械工程学报 2024年第9期60卷 421-433页

作者：韩建超张孟非王斌国生辉贾燚王涛太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024 海安太原理工先进制造与智能装备产业研究院海安226600 北京星航机电装备有限公司北京100074

脉冲电流激发的电致塑性效应能够显著提高钛合金的成形能力,而电塑性效应是融合“电-热-结构”多物理场综合作用的结果,构建电辅助有限元模型对于分析其塑性变形行为及优化成形工艺参数具有重要意义。以Ti-6Al-4V合金为研究对象进行不... 详细信息

脉冲电流激发的电致塑性效应能够显著提高钛合金的成形能力,而电塑性效应是融合“电-热-结构”多物理场综合作用的结果,构建电辅助有限元模型对于分析其塑性变形行为及优化成形工艺参数具有重要意义。以Ti-6Al-4V合金为研究对象进行不同电流密度、温度及应变速率下的电辅助拉伸试验;基于Johnson-Cook模型建立一个考虑热效应与非热效应的本构模型,其相关系数R^(2)均高于0.95,平均相对误差低于2%;基于此模型对电脉冲辅助拉伸过程中物理场进行有限元分析,当电流密度为4.19 A/mm^(2)时,随着试样拉伸至颈缩,电流密度相较于初始值升高21.96%,导致标距段内温度梯度明显增大,温差由68.69℃增至95.52℃,与同温度350℃高温试验相比,在应变场上表现为整体均匀程度降低,由于非热效应的作用峰值应力降低了49 MPa,模型预测的应力-应变结果与试验数据相比呈现较高的拟合精度,为进一步研究电辅助成形工艺及电致塑性机理提供了理论方法。

关键词：钛合金电致塑性效应电辅助本构方程多物理场耦合建模

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脉冲电场辅助碳素钢极薄带拉伸变形的本构模型和微观组织演变

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机械工程学报 2024年第6期60卷 245-260页

作者：任忠凯李赫许雅楠程前冯浩王涛太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024 中国重型机械研究院股份公司西安710018

08AL碳素钢极薄带材在微机电及微系统领域有着广泛的应用前景,但随着厚度的减小其塑性变形能力成为掣肘其应用的痛点。将脉冲电场集成到08AL碳素钢极薄带拉伸试验中,探究拉伸变形中电致塑性效应对极薄带变形能力和微观组织演变的影响规... 详细信息

08AL碳素钢极薄带材在微机电及微系统领域有着广泛的应用前景,但随着厚度的减小其塑性变形能力成为掣肘其应用的痛点。将脉冲电场集成到08AL碳素钢极薄带拉伸试验中,探究拉伸变形中电致塑性效应对极薄带变形能力和微观组织演变的影响规律。基于试验结果,建立一种改进的Johnson-Cook本构模型,用来定量分析电致塑性效应中焦耳热效应和非热效应对材料流动应力的影响规律。基于材料硬化子程序VUMAT开发电场辅助拉伸有限元模型,分析不同成形参数下的应力和应变特性,并确定试样微观结构表征的位置。试验结果表明,在施加1.50 A/mm^(2)的电流时,试样抗拉强度较室温拉伸降低16.5%,伸长率提高32.1%。此外,微观表征结果表明,在平均电流密度为1.50 A/mm^(2)的条件下,极薄带在塑性变形阶段不断细化晶粒并促进晶内和晶界处位错滑移,使其变形抗力降低,塑性性能提高。因此,脉冲电场辅助08AL碳素钢极薄带变形,有望显著提高其成形极限,拓宽其应用领域。

关键词： 08AL碳素钢脉冲电流 Johnson-Cook本构模型微观表征抗拉强度

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AZ31B镁合金板材纵波与平辊轧制宏观织构演变

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稀有金属材料与工程 2024年第7期53卷 1928-1936页

作者：郑仁辉刘江林贾睿杨冬冬杨磊张健壮梁建国太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心山西太原030024

为探究纵波轧制(LR)对AZ31B镁合金板材基面织构的影响,对AZ31B镁合金板材进行400℃/20min和450℃/20 min热处理以及振幅0.35 mm,周期4 mm的纵波波纹辊和平辊轧制。采用XRD对热处理及轧制后的板材进行宏观织构表征,运用极图及ODF对织构... 详细信息

为探究纵波轧制(LR)对AZ31B镁合金板材基面织构的影响,对AZ31B镁合金板材进行400℃/20min和450℃/20 min热处理以及振幅0.35 mm,周期4 mm的纵波波纹辊和平辊轧制。采用XRD对热处理及轧制后的板材进行宏观织构表征,运用极图及ODF对织构演变进行了分析,同时对金属在轧制变形区的变形行为进行了仿真分析。结果表明:板材热处理后,400℃下的{0002}极图中极密度最大值由11.21降到8.41,450℃下降到7.08,450℃下热处理后的织构强度弱于400℃;LR后板材的基面织构显著弱化,大量晶粒向RD、TD方向发生了偏转,其中向RD方向最多偏转30°,向TD方向最多偏转40°,400℃下的{0002}峰值织构强度降到4.33,450℃下降到5.62,400℃下LR的织构弱化效果比450℃更明显;二道次轧制后的板材,450℃下的基面织构强度要弱于400℃。分析表明:LR使得晶粒的c轴取向由ND向TD、RD方向发生了偏转,这是由于LR过程中存在类似于异步轧制过程中的“搓轧区”,其中产生的剪切力使晶粒沿RD方向发生偏转,弯曲和挤压复合变形下金属流动和剪切促进晶粒TD取向。

关键词： AZ31B镁合金板材纵波-平辊轧制有限元宏观织构

高频脉冲电流辅助轧焊AZ31B镁合金复合板界面连接机理

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稀有金属材料与工程 2024年第1期53卷 169-177页

作者：许振波张婷婷王艳卞功波王涛王文先太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心山西太原030024 太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 太原理工大学材料科学与工程学院山西太原030024

为探究高频脉冲电流作用下金属板复合机理,设计了高频脉冲电流辅助轧焊复合预制缺口镁合金复合板试验。对比不同加载频率(25、50、75 kHz)参数下复合板连接界面和近界面组织演变特征及复合板的力学性能;通过金相显微镜观察近界面微观组... 详细信息

为探究高频脉冲电流作用下金属板复合机理,设计了高频脉冲电流辅助轧焊复合预制缺口镁合金复合板试验。对比不同加载频率(25、50、75 kHz)参数下复合板连接界面和近界面组织演变特征及复合板的力学性能;通过金相显微镜观察近界面微观组织形貌特征;采用纳米压痕仪和维氏硬度计表征连接界面特征微区和横截面硬度分布规律;采用拉伸试验机和扫描电子显微镜进一步对镁合金板材的抗拉强度和断口形貌进行表征分析。结果表明,随着频率的增大,连接界面复合效果呈现先升高后下降的趋势;当高频电流频率为50 kHz时,镁合金复合板的抗拉强度和延伸率最优,分别达到292.52MPa和25.7%。究其原因主要是基于高频脉冲电流的集肤效应、邻近效应、焦耳热效应及界面微区的接触电阻与轧制力耦合作用的结果。

关键词：镁合金焊合高频脉冲电流集肤效应拉伸性能