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超声振动在激光熔覆中的作用机制及研究进展

材料导报 2024年第16期38卷 214-221页

作者：李占明王宏宇孙晓峰王梦璐王瑞宋巍陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072 东北大学材料科学与工程学院沈阳110819 陆军装甲兵学院装备保障与再制造系北京100072

超声波在液态金属中传播时具有独特的声学效应和空化作用,在液态金属凝固过程中施加超声振动,可以使凝固组织从粗大的柱状晶转变成均匀细小的等轴晶,成分偏析现象得到明显改善,气孔、夹杂等缺陷也能够大幅减少,在解决不同合金材料铸造... 详细信息

超声波在液态金属中传播时具有独特的声学效应和空化作用,在液态金属凝固过程中施加超声振动,可以使凝固组织从粗大的柱状晶转变成均匀细小的等轴晶,成分偏析现象得到明显改善,气孔、夹杂等缺陷也能够大幅减少,在解决不同合金材料铸造、焊接、熔覆难题方面均具有很大的发展潜力和广阔的应用前景。本文介绍了超声振动处理对镍基合金、不锈钢等激光熔覆层性能的提升效果,分析了超声振动处理对激光熔覆熔池金属结晶过程的作用机制,揭示了超声振动改善激光熔覆层性能的微观机理,构建了振动处理工艺、熔覆层组织结构和性能之间的对应关系;获取科学合理的超声振动施加方式和能量精准控制方法是超声振动处理在激光熔覆领域中拓展应用急需解决的问题和重要的研究方向。

关键词：激光熔覆超声振动作用机制

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磁场对合金材料服役性能影响的研究进展

材料导报 2024年第10期38卷 196-208页

作者：周安阳郭伟玲黄艳斐王志远王海斗邢志国陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨150001 陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072

随着我国海洋工程、运载火箭、天地往返等重大战略工程的实施,合金作为各种装备的主要材料,在苛刻工况下的服役性能提升尤为迫切,如合金材料在海洋大气、深海、高原严寒等复杂环境中的防腐性能提升,在高温、重载环境中关键部件的长寿命... 详细信息

随着我国海洋工程、运载火箭、天地往返等重大战略工程的实施,合金作为各种装备的主要材料,在苛刻工况下的服役性能提升尤为迫切,如合金材料在海洋大气、深海、高原严寒等复杂环境中的防腐性能提升,在高温、重载环境中关键部件的长寿命可靠服役,在航空航天、地质钻探环境中的减摩,在高速、高压环境中的力学性能提升等问题,使得实现合金材料高性能、高可靠的研究成为近年来的热点话题。磁场处理区别于传统合金加工方法,为提高合金材料性能提供了新的途径和方法,具有无接触、清洁、降低资源能耗等特点,对合金材料的制备以及加工工艺而言具有极其重要的意义。本文首先从固态和熔融态合金两条路线出发归纳了磁场不同的典型作用机理及其研究进展,梳理分析了磁场处理下凝固过程中的晶体结构以及磁场对固态合金微观组织(包括磁畴、相变和位错)的影响;其次针对磁场对合金性能影响的问题,从力学、摩擦、疲劳性能、耐腐蚀四个方面来阐述,对比分析不同类型、强度、方向的磁场对合金性能的影响效果差异;最后展望了磁场处理合金的未来发展趋势,并提出了亟待解决的问题。

关键词：磁场处理合金机理微观组织性能

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搅拌摩擦沉积增材技术研究现状

机械工程学报 2024年第7期60卷 374-384页

作者：杜文博李晓亮李霞胡深恒朱胜陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 哈尔滨工程大学机电工程学院哈尔滨150001

作为一种新兴固相增材制造技术,搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)因其能够形成类似锻造微观结构而引起学者们广泛研究。目前,研究成果多集中于工艺机理、工艺特征和应用等方面。在工艺机理方面,AFSD工艺过程... 详细信息

作为一种新兴固相增材制造技术,搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)因其能够形成类似锻造微观结构而引起学者们广泛研究。目前,研究成果多集中于工艺机理、工艺特征和应用等方面。在工艺机理方面,AFSD工艺过程中过渡区与沉积区的材料流动机制、热量的产生与传递机制、微观结构演变机制和工艺参数-材料流动-热场演变相互作用机制等得到揭示。在工艺特征方面,研究发现AFSD具有固相、近净成型和界面混合等宏观特征,细化和等轴微观特征,这些特征深刻影响AFSD试件在硬度、拉伸等力学性能方面的表现。在应用方面,AFSD适用金属材料在不断拓展,在增材制造、涂层和复合材料制造、修复等领域表现出广泛潜力。综合工艺机理、工艺特征和应用等方面的研究进展,可知对AFSD的探索仍处于初级阶段,其高效率、高质量和低能耗的增材特性赋予其巨大的发展潜力。

关键词：增材制造固相增材制造搅拌摩擦沉积增材制造工艺机理工艺特征应用

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齿槽表面多级微织构构筑及其润湿机理

表面技术 2024年第10期53卷 207-215,229页

作者：李旭航王海斗朱丽娜底月兰朱凯悦中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 陆军装甲兵学院再制造国家工程研究中心北京100072 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072

目的使外科手术器械表面具有超疏水功能,有效防止感染,解决医疗器械的清洁问题,降低设备维护成本。方法通过电火花线切割(WEDM)复合纳秒激光烧蚀在3Cr13不锈钢表面制备了亚毫米/微米多级复合织构表面,随后在表面上制备了1H,1H,2H,2H-全... 详细信息

目的使外科手术器械表面具有超疏水功能,有效防止感染,解决医疗器械的清洁问题,降低设备维护成本。方法通过电火花线切割(WEDM)复合纳秒激光烧蚀在3Cr13不锈钢表面制备了亚毫米/微米多级复合织构表面,随后在表面上制备了1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液(PFDS)自组装超疏水涂层。利用台式扫描电镜和激光共聚焦显微镜观察复合织构表面形貌特征,使用接触角测量仪对水滴与复合织构表面的接触状态进行观察,并测量水滴的接触角与滚动角。利用表界面张力仪对多级织构表面黏附力进行表征。结果微米沟槽在亚毫米齿槽斜面上均布且不同高度的沟槽形状一致,方向与齿槽平行。水滴与齿槽阵列表面为Wenzel模型接触,水滴与多级结构表面为Cassie-Baxter模型接触。齿槽阵列试样最大黏附力为164.1μN,最小黏附力为123.5μN,多级织构试样的黏附力分别为77.2、47、24.1μN。结论微米沟槽的存在改变了水滴接触状态,在亚毫米尺度上水滴与表面的接触状态由Wenzel状态转为Cassie-Baxter状态,有效改善了水滴的接触性能与滚动性能。多级织构试样齿槽顶角的减小,有效减小了固液接触面积,水滴接触角最大为163.2°。

关键词：多级复合织构激光超疏水齿槽接触状态黏附力

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Inconel 718合金激光增材修复关键工艺优化

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焊接学报 2024年第6期45卷 30-38页

作者：王梦璐李占明孙晓峰宋巍王瑞东北大学材料科学与工程学院沈阳110819 陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072

为了进一步优化制备试样的成形质量并延长其服役寿命,首先探究了工艺参数对激光增材修复Inconel 718合金成形质量及力学性能的影响,采用正交设计试验方法进行Inconel 718合金单道沉积层熔覆试验,观察了不同工艺参数下单道熔覆层的表面... 详细信息

为了进一步优化制备试样的成形质量并延长其服役寿命,首先探究了工艺参数对激光增材修复Inconel 718合金成形质量及力学性能的影响,采用正交设计试验方法进行Inconel 718合金单道沉积层熔覆试验,观察了不同工艺参数下单道熔覆层的表面形貌并测量其宽度和高度,通过极差值与排序结果,分析工艺参数对单道熔覆层几何形状的影响规律,得到3个主要的工艺参数对单道熔覆层形貌的影响排序,从而获得最优的工艺参数组合;之后,利用调控后的工艺参数成功制备出无裂纹、孔隙等缺陷的块状Inconel 718合金试样,选择激光功率为主要探究因素,研究激光功率对熔覆块状Inconel 718合金显微组织、硬度、抗拉强度和断后伸长率的影响,构建工艺参数,显微组织与力学性能间的联系.结果表明,激光功率和粉末供给速率分别为影响熔覆高度和宽度的主要因素;当激光功率为1600 W,扫描速度为12.5 mm/s,送粉速率为8 g/min时,由于温度梯度和冷却速度的影响,熔覆试样的微观组织致密、晶粒细小,枝晶间距适当,具有优异的抗拉强度和断后伸长率.

关键词： Inconel 718 激光增材修复工艺优化

激光增材制备Ti-6Al-4V/TiC金属陶瓷熔覆层组织与性能强化

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材料工程 2024年第5期52卷 83-92页

作者：范战争任维彬方世源王玉江江苏理工学院机械工程学院江苏常州213001 北京特种工程设计研究院北京100076 陆军装甲兵学院北京100072

Ti-6Al-4V合金因具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及可焊性,在航空航天以及化工装备制造领域具有广泛应用,但其硬度以及耐磨性不高等性能短板,一定程度上限制了其摩擦磨损工况下的服役寿命。本研究基于激光熔覆优化工艺方法,增材... 详细信息

Ti-6Al-4V合金因具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及可焊性,在航空航天以及化工装备制造领域具有广泛应用,但其硬度以及耐磨性不高等性能短板,一定程度上限制了其摩擦磨损工况下的服役寿命。本研究基于激光熔覆优化工艺方法,增材制备具有TiC添加相的Ti-6Al-4V合金同质金属陶瓷熔覆层,表征并验证TiC增强相对熔覆层组织以及基本力学性能的强化作用。结果表明:熔覆层主要物相包括α-Ti,β-Ti以及TiC,其中TiC在熔覆层内过饱和析出,且受熔覆层不同位置过冷度差异影响,析出的TiC在熔覆层顶部以细小的颗粒状为主,而在熔覆层中部则主要呈树枝及花瓣状析出,熔覆层底部新增了麦穗状的析出形状,而稀释区则未见明显TiC析出。熔覆层平均显微硬度为530HV0.5,较基体提升了61%;在35 N载荷下,熔覆层平均摩擦因数为0.3583,较基体降低了11%,体积磨损率约为基材的87%,磨损形式为黏着磨损和磨粒磨损。

关键词：激光熔覆 Ti-6Al-4V TiC 熔覆层组织与性能

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冷喷涂温度对Cu-Ti_(3)AlC_(2)复合涂层微观组织及摩擦学性能的影响

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材料导报 2024年第15期38卷 207-215页

作者：王慧鹏李鹏王喜茂郭伟玲马国政王海斗江西理工大学机电工程学院江西赣州341000 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072

为改善铜合金运动部件表面的摩擦学性能,采用冷喷涂技术在铜合金基体上制备了Cu-Ti_(3)AlC_(2)复合涂层,并探究了喷涂温度对涂层微观组织及性能的影响。使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对涂层表面与截面微观组织进行了表征,使用电... 详细信息

为改善铜合金运动部件表面的摩擦学性能,采用冷喷涂技术在铜合金基体上制备了Cu-Ti_(3)AlC_(2)复合涂层,并探究了喷涂温度对涂层微观组织及性能的影响。使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对涂层表面与截面微观组织进行了表征,使用电子万能试验机、纳米压痕试验仪、往复式摩擦试验机分别测试了涂层的结合强度、显微硬度和摩擦学性能。研究表明,随着喷涂温度从600℃升高至800℃,Cu-Ti_(3)AlC_(2)复合涂层内部颗粒的变形量不断增大,颗粒间结合状态明显改善,结合强度提升约4倍,孔隙率降低23%,硬度增加71%,涂层磨损率降低53%。在800℃制备的Cu-Ti_(3)AlC_(2)复合涂层表现出最优的摩擦磨损性能,对其磨损机制进行了具体分析。结果表明,适当升高喷涂温度可有效提高涂层的致密度、力学性能和耐磨性能。

关键词：冷喷涂铜基陶瓷复合涂层微观结构力学性能摩擦学性能

原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料的制备及其摩擦学性能

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摩擦学学报（中英文） 2024年第3期44卷 280-291页

作者：宋占永王红美于鹤龙尹艳丽周新远郭永明陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 天津大学材料科学与工程学院天津300072

以Ti、Al、B和凹凸棒石矿物粉体为原料,利用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料,借助扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、显微硬度计和纳米压痕仪等研究了凹凸棒石矿物对原位Ti基... 详细信息

以Ti、Al、B和凹凸棒石矿物粉体为原料,利用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料,借助扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、显微硬度计和纳米压痕仪等研究了凹凸棒石矿物对原位Ti基复合材料微观组织、物相结构、增强体形态与分布以及微纳力学性能的影响,采用SRV滑动磨损试验机考察了其在油润滑条件下的摩擦学性能,探讨了凹凸棒石改善原位Ti基复合材料力学及摩擦学性能的作用机制.结果表明,SPS工艺制备的原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料组织致密,原位自生TiB增强体分布均匀,凹凸棒石矿物对复合材料基质相具有明显的细晶强化作用.在摩擦过程中复杂的物理和化学作用下,凹凸棒石矿物与复合材料中的Ti、Al以及对偶钢球的Fe等元素发生摩擦化学反应,在摩擦表面形成了由金属氧化物、二氧化硅、石墨和凹凸棒石矿物等构成的减摩自修复层,从而使钛基复合材料表现出优异的摩擦学性能.

关键词：原位TiB 凹凸棒石钛基复合材料放电等离子烧结摩擦学性能

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钛合金表面主-被动抑菌改性方法研究进展

表面技术 2024年第1期53卷 1-14页

作者：朱凯悦朱丽娜底月兰王海斗段天南中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072

钛合金材料具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和生物相容性,被广泛用于医疗领域,特别是可植入器械。医疗器械的型号多样、结构复杂、局部尺寸较小,且在使用过程中会接触多种媒介,极易黏附污渍,导致微生物的聚集,引发器械感染,安全、可靠的... 详细信息

钛合金材料具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和生物相容性,被广泛用于医疗领域,特别是可植入器械。医疗器械的型号多样、结构复杂、局部尺寸较小,且在使用过程中会接触多种媒介,极易黏附污渍,导致微生物的聚集,引发器械感染,安全、可靠的医疗器械是提高救治效率的关键。从细菌生长机制出发,将现有金属材料表面抑菌改性方法归纳为两大类:依靠抗菌涂层主动杀菌的改性方式和控制表面润湿性的被动抑制细菌黏附的改性方式。采用主动改性方式,虽然能从根本上杀死细菌,但是在实际应用中这些杀菌剂存在耐药性、成本高、生物毒性等问题。被动改性方式无法直接杀死细菌,一旦表面被细菌定植,就会失去抑菌效果。为了实现医疗器械表面高效、长时、安全的清洁,研究者提出主–被动协同抑菌改性方法,将化学杀菌方法与抗黏附抑菌方法相结合,充分发挥2种方法的优势,这是未来研究的重点。

关键词：钛合金医疗器械表面改性抑菌超疏水表面纳米粒子