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电火花沉积技术研究与应用进展

材料导报 2023年第21期37卷 217-230页

作者：张建斌朱程兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

电火花沉积(ESD)技术是一种材料表面改性与修复技术,具有热输入低、涂层与基体结合强度高、柔性加工性好的特点,在新材料、电力、航空、军工等行业中得到广泛应用。本文首先介绍了电火花沉积技术的发展历程和沉积机理,综述了电参数、物... 详细信息

电火花沉积(ESD)技术是一种材料表面改性与修复技术,具有热输入低、涂层与基体结合强度高、柔性加工性好的特点,在新材料、电力、航空、军工等行业中得到广泛应用。本文首先介绍了电火花沉积技术的发展历程和沉积机理,综述了电参数、物理参数和环境变量三类影响电火花沉积过程和沉积质量的主要因素。电参数即电源系统,包括沉积电压、沉积电容和沉积频率,通过热输入表征;物理参数包括沉积角度、沉积压力、电极旋转速度和比沉积时间,通过沉积过程中的沉积材料转移和电弧行为表征;环境变量包括电极直径、保护介质和沉积基材,通过沉积界面行为表征。其次,聚焦于电火花沉积技术制备传统涂层和先进材料涂层修复电厂设备、模具以及军事装备等的应用。最后,针对电火花沉积技术存在自动化程度不高和结果重复性差等不足,提出了未来研究方向,展望了发展前景。

关键词：电火花沉积电参数物理参数环境变量

双频调制脉冲TIG打底焊电弧-熔池行为分析

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机械工程学报 2023年第12期59卷 245-252页

作者：张刚徐梓龙石玗朱明樊丁兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

为提高中厚板核容器焊接制造效率、质量稳定性及满足无衬板打底单面焊双面成形的工艺新要求,设计小角度、大钝边Y型坡口平板对接焊接结构,建立双频调制脉冲TIG焊接试验控制系统,开展多组低频脉冲和双频调制脉冲焊接工艺对比试验,获得坡... 详细信息

为提高中厚板核容器焊接制造效率、质量稳定性及满足无衬板打底单面焊双面成形的工艺新要求,设计小角度、大钝边Y型坡口平板对接焊接结构,建立双频调制脉冲TIG焊接试验控制系统,开展多组低频脉冲和双频调制脉冲焊接工艺对比试验,获得坡口角度60°、钝边5mm的试板对接可靠打底单面焊双面成形焊缝。进一步研究分析双频调制脉冲电弧、熔池动态行为变化及熔池表面温度场的演化规律,探究讨论双频调制脉冲电流作用下焊缝熔深增加的原因。结果表明,双频调制脉冲电弧因高频脉冲电磁压缩作用具有更高的能量密度和更强的电弧穿透力,使熔池底部极易形成液态金属薄膜并穿透形成熔孔;同时,双频调制脉冲电弧减弱了熔池顶底部液态金属能量波动,增强熔池热惯性,有效降低熔池凝固速率,增加了焊缝熔深,为熔池单面焊双面成形提供良好的热力动态平衡条件。

关键词：脉冲TIG 电弧形态熔池单面焊双面成形打底焊

电解质及其交互作用对A356铝合金微弧氧化膜耐蚀性的影响

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中国有色金属学报 2023年第2期33卷 549-564页

作者：王占营马颖梁志龙安凌云兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

采用回归正交旋转组合试验设计,建立A356铝合金微弧氧化膜点滴及电化学耐蚀性关于Na_(2)SiO_(3)、NaOH及KF浓度的回归方程,通过方差分析(ANOVA)对回归模型的显著性进行检验,结合响应面图进一步分析电解质对膜层微观形貌、物相组成及耐... 详细信息

采用回归正交旋转组合试验设计,建立A356铝合金微弧氧化膜点滴及电化学耐蚀性关于Na_(2)SiO_(3)、NaOH及KF浓度的回归方程,通过方差分析(ANOVA)对回归模型的显著性进行检验,结合响应面图进一步分析电解质对膜层微观形貌、物相组成及耐蚀性的影响。结果表明:所建立的回归模型显著,失拟不显著,且回归模型的拟合度及预测精度都比较高。帕累托分析显示,主盐Na_(2)SiO_(3)对膜层点滴、电化学耐蚀性的影响都比较大,NaOH的影响次之,且NaOH与Na_(2)SiO_(3)之间存在明显的交互作用。响应面分析显示,高浓度的Na_(2)SiO_(3)搭配低浓度的NaOH才有利于涂层耐蚀性的提高。通过Pearson相关分析可知,膜层的点滴耐蚀性主要受膜层厚度的影响,而电化学耐蚀性主要依赖膜层的致密度及孔隙率。膜层点滴、电化学耐蚀性的腐蚀机制不同是导致电解质对两指标影响有所不同的主要原因。

关键词： A356铝合金微弧氧化电解液回归建模响应面法

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高温下前驱膜形成机制的研究进展

材料工程 2022年第5期50卷 1-10,F0002页

作者：刘禄朱文琦林巧力兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

本文综述了高温下前驱膜的形成机制,即表面扩散机制、蒸发-凝结机制、皮下渗透机制和快速吸附-薄层漫流机制。在实验表征的金属/金属润湿体系中,最有可能的机制为皮下渗透机制,其形成与表观接触角、接触半径、固体金属与氧化膜的间隙大... 详细信息

本文综述了高温下前驱膜的形成机制,即表面扩散机制、蒸发-凝结机制、皮下渗透机制和快速吸附-薄层漫流机制。在实验表征的金属/金属润湿体系中,最有可能的机制为皮下渗透机制,其形成与表观接触角、接触半径、固体金属与氧化膜的间隙大小有关。在金属/陶瓷体系中,前驱膜的形成通常为快速吸附-薄层漫流机制。前驱膜为吸附机制时,需要满足液/固界面的相对惰性和高亲和力这一矛盾体。同时介绍了高温反应润湿体系中,前驱膜的另一种可能的机制,即薄膜传输机制;指出研究前驱膜的难点在于前驱膜的不可预测性和不稳定性,其发展方向应趋于系统化,并建立相应的理论模型。

关键词：润湿性润湿脚润湿晕圈扩散带

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金属电弧增材成形控制关键技术及研究现状

材料导报 2022年第12期36卷 131-138页

作者：石玗朱珍文张刚李璐鹏兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

金属电弧增材制造是一种高效、低成本的快速净成形工艺,非常适合大尺寸金属零部件的整体成形制造。但电弧增材过程中热积累、散热边界条件及沉积层表面状态等非平衡时变使得成形件尺寸精度较低,直接影响沉积件的工程化应用。为此,本文... 详细信息

金属电弧增材制造是一种高效、低成本的快速净成形工艺,非常适合大尺寸金属零部件的整体成形制造。但电弧增材过程中热积累、散热边界条件及沉积层表面状态等非平衡时变使得成形件尺寸精度较低,直接影响沉积件的工程化应用。为此,本文以电弧增材成形过程稳定性控制为考察对象,详细调研分析了国内外相关研究机构的研究成果与技术优势,归纳总结了通过提高电弧增材成形过程稳定性来提高尺寸精度和表面质量需解决的关键科学技术问题,并讨论了以控制电弧增材成形过程稳定性提升成形精度的研究发展方向,以期为电弧增材过程稳定性调控和提高成形尺寸精度提供参考。

关键词：丝材电弧增材制造近净成形熔池动态行为稳定性控制

送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响

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焊接学报 2022年第9期43卷 31-37,I0004,I0005页

作者：李璐鹏张刚朱珍文任自友石玗樊丁兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题,提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)电弧增材制造方法.基于此方法建立增材成形试验系统,开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验.利用同步采集的熔... 详细信息

针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题,提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)电弧增材制造方法.基于此方法建立增材成形试验系统,开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验.利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律.结果表明,前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池;相比前送丝增材过程,后送丝方式下焊丝熔化效率和熔滴过渡频率明显增加,熔滴尺寸变小,熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小;高频脉冲电弧使熔池体积略微增加,热稳定性明显增强,直壁墙沉积件成形精度明显提高.

关键词：步进填丝双脉冲TIG 电弧增材制造熔滴过渡熔池行为成形精度

内生非晶复合材料组织与力学性能调控研究进展

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材料工程 2022年第5期50卷 78-89页

作者：翟海民马旭袁花妍欧梦静李文生兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征,使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能,在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时,原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高... 详细信息

非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征,使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能,在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时,原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高度局域化剪切带,局域化剪切带由于缺乏介质的阻碍会发生失稳扩展,导致非晶合金极易发生室温脆断,特别单轴拉伸时基本无塑性。为克服这个缺憾,研究者们提出将微米级尺寸的晶体相引入非晶来抑制剪切带的失稳扩展,使得内生第二相增韧非晶复合材料具有了明显的拉伸塑性能力,因此倍受材料学界的关注。近年来,研究者们陆续通过成分设计、制备技术、热处理工艺等方法来实现非晶复合材料的塑性变形能力的提升,使得非晶复合材料有望走向实际的工程应用。本文围绕内生第二相增韧非晶复合材料的微观组织调控这一关键科学问题,从影响非晶复合材料微观组织结构的因素(合金成分设计、制备工艺参数、微观结构构筑等)到微观组织对其室温力学性能的影响机制两方面的研究成果进行了系统总结,重点阐述了近10年来内生第二相增韧非晶复合材料领域组织调控及其室温力学性能关联性方面的研究进展,并且对内生非晶复合材料研究领域目前的存在的问题和挑战进行了展望,以期为高强高韧内生第二相增韧非晶复合材料的设计与制备提供理论参考。

关键词：非晶复合材料微观组织调控制备技术力学性能剪切带

Al和Fe对Cr20Ni80电热合金性能影响的第一性原理研究

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材料导报 2022年第11期36卷 155-160页

作者：李亚敏张瑶瑶周生睿刘洪军兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

采用第一性原理和实验相结合的方法探究了Al和Fe掺杂对Cr20Ni80电热合金弹性性能和电性能的影响。构建了Cr20Ni80超晶胞模型,确定了Al和Fe在超晶胞中的占位,并对模型的准确性进行了验证,计算了体系掺杂前后的形成热、结合能及能带结构,... 详细信息

采用第一性原理和实验相结合的方法探究了Al和Fe掺杂对Cr20Ni80电热合金弹性性能和电性能的影响。构建了Cr20Ni80超晶胞模型,确定了Al和Fe在超晶胞中的占位,并对模型的准确性进行了验证,计算了体系掺杂前后的形成热、结合能及能带结构,预测了Al和Fe掺杂对合金性能的影响趋势,并采用拉伸试验、X射线衍射以及电阻率测试等方法进行了验证。结果表明,Al和Fe的掺杂没有改变合金的物相,但导致合金的晶格发生了畸变,原子之间电子云的重新分布降低了合金的强度但提高了其塑性;掺杂使合金导带的能量范围变窄,合金的电阻增大。实验结果与第一性原理计算预测结果一致。

关键词： Cr20Ni80电热合金 Al和Fe掺杂第一性原理弹性性能电性能

N和O元素引入对GPCA-TIG焊焊缝冲击韧性的影响

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焊接学报 2022年第5期43卷 83-89,I0008,I0009页

作者：黄勇郭卫王艳磊兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

通过外层气体引入O和N元素,气体熔池耦合活性TIG焊(gas pool coupled activating TIG welding)可以实现深熔深、高质量和连续焊接.为了研究清楚O和N元素引入对焊缝冲击韧性的影响规律和机理,针对SUS304不锈钢分别测试了外层气体为O_(2),... 详细信息

通过外层气体引入O和N元素,气体熔池耦合活性TIG焊(gas pool coupled activating TIG welding)可以实现深熔深、高质量和连续焊接.为了研究清楚O和N元素引入对焊缝冲击韧性的影响规律和机理,针对SUS304不锈钢分别测试了外层气体为O_(2),N_(2)和O_(2)+N_(2)时的焊缝低温冲击韧性,并从焊缝组织成分、析出物种类及形态以及晶粒取向等方面分析了其影响机理.结果表明,外层气体引入对GPCA-TIG焊焊缝低温冲击韧性影响较大,单独引入O_(2)时将明显降低,单独引入N_(2)时降低较少,而同时引入O_(2)和N_(2)将增加焊缝金属低温冲击韧性.O和N元素同时引入增强GPCA-TIG焊缝金属低温冲击韧性的机理主要在于:焊缝组织较细,金属中的O和N元素含量和所形成的非金属夹杂物的增加程度和铁素体数量的下降程度都较少,却增加了奥氏体晶粒大角度晶界数量以及铁素体晶粒与奥氏体晶粒之间位向关系的匹配性,从而使得裂纹不易扩展,韧性增强.

关键词：不锈钢 O元素 N元素气体熔池耦合活性TIG焊冲击韧性