金属材料快速凝固激光加工与成形

报道近年来在先进金属材料快速凝固激光表面改性、金属间化合物高温耐磨耐蚀涂层新材料快速凝固激光熔覆制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展, 主要内容包括:钛合金激光表面合金化及激光熔覆表面改性、激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、小面相非平衡凝固液固界面结构及生长机制、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术.      

钛合金的离子束改性

钛合金是航空航天工业常用的结构材料,它具有重量轻、强度高、抗腐蚀强等优良性能,但耐磨性较差.为提高其耐磨性,对TC4、TA7航材试件,采用溅射方法在其表面镀上钛膜,并用(N^＋＋N^＋₂)混合离子束进行动态反冲注入及单元素C^＋离子束注入两种方法,进行表面改性.精密摩擦、磨损试验及显微硬度测量结果,试件表面的滑动摩擦系数降低了64%~77%;磨损率减少了22%~48%;显微硬度提高0.3~1.4倍.证明离子注入有效地改善了合金表层的摩擦、磨损性能.对注入样品进行X射线光电子能谱(XPS)分析,发现注入后的钛合金表层,生成了大量的TiO₂,并析出TiN,TiC等金属化合物,这是降低摩擦系数,提高耐磨性的主要因素.添加C^＋离子注入的试件,其力学性能并无进一步改善,原因有待分析.     

离心力场中TiC/FeNiCr复合材料 涂层的原位反应合成

以Fe₂O₃,Cr₂O₃,CrO₃,NiO,Al,Ti粉和C粉为原料,在离心力场中在碳钢基体表面原位反应合成了TiC-FeNiCr复合材料涂层.利用X射线衍射、金相照相、扫描电镜、X射线能谱分析等手段对涂层的显微结构和组织形貌进行了研究.测试了涂层的显微硬度及干滑动磨损条件下的耐磨性能.结果表明,涂层和碳钢基体能形成冶金结合.涂层由FeNiCr奥氏体和其中弥散分布的TiC硬质相组成.TiC颗粒晶粒尺寸小于3μm,形状呈多边形或花瓣状.涂层显微硬度约为Hv 500~Hv 800,TiC含量增加,涂层的显微硬度提高.涂层较碳钢具有优异的耐磨性能.      

抽油泵缸套激光热处理

本文研究了45钢抽油泵缸套激光热处理后的显微组织和硬度的变化。在表面硬化层内,获得高度细化的马氏体组织,硬度高达HV_(0.1)880.合理选择激光处理参数,可保证表面粗糙度和尺寸精度达到规定的技术指标。经过一年多时间油田试用结果表明,激光处理缸套的使用寿命,比普通渗碳的要长。     

纳米ZnO-有机硅复合涂层的抗原子氧剥蚀性能

为了进一步提高有机硅涂层的抗原子氧剥蚀能力,采用经硅烷偶联剂处理的纳米ZnO微粒,在聚酰亚胺薄膜基材表面制备出纳米ZnO-有机硅复合涂层.通过原子氧地面模拟试验,研究了纳米ZnO-有机硅复合涂层的质量损失、表面形貌及化学成分的变化规律.结果表明:经表面处理的纳米ZnO微粒可以均匀分布在有机硅涂层中,有效消除有机硅树脂成膜过程中产生的微裂纹.经过原子氧辐照试验,没有保护涂层的聚酰亚胺基材的质量损失较大,而涂覆纳米ZnO-有机硅复合涂层具有良好的抗原子氧剥蚀性能,其质量损失和微观表面形貌变化很小,并且随着涂层中纳米ZnO含量的增加,其抗原子氧剥蚀的能力进一步增强.     

SG砂轮磨削钛合金烧伤机理

钛合金以其良好的耐热耐腐蚀性和特别高的比强度在国内外航空航天工业上得到了广泛的应用.针对钛合金在磨削加工过程中极易发生的磨削烧伤问题,采用先进的测试方法,对磨削过程中磨削力、磨削温度、工件表面粗糙度及表面形貌、表面层金相组织及显微硬度等变化规律进行了分析研究.研究结果表明,TC6钛合金在磨削温度超过600℃时即发生烧伤.表面形貌随磨削温度的升高而逐渐恶化.当发生严重烧伤时,工件表面有裂纹产生,其方向大致与磨削方向垂直.工件烧伤时材料表层的金相组织发生变化, α 相颗粒明显粗大,使得钛合金的物理机械性能下降.研究结果为寻求优化的高效、高精度钛合金磨削加工工艺提供理论及实验依据.      

钛合金表面低氧压熔结Al-Si涂层及抗氧化能力

采用低氧压高温快速熔结技术在Ti-6Al-4V合金表面成功地制备出抗高温氧化的Al-Si熔结涂层.与Si改性渗涂层相比,这种工艺相对简单,不需要经过长时间的扩散就能形成足够厚度的Al-Si熔结涂层,省时节能,且涂层中抗氧化元素铝、硅的浓度可通过调整粉末的混合比例来进行控制.X射线检测表明涂层主要由Ti₅Si₃和TiAl₃组成.在923K空气中52h循环氧化试验结果表明:低氧压熔结Al-Si涂层在前10h的氧化过程中氧化增重较快,而在随后的氧化过程中氧化增重较为缓慢,而Si改性渗涂层在氧化过程中一直保持着较高的氧化速率.      

连续加热时γ-TiAl激光快凝组织及其性能的变化

为认识超塑扩散连接机理,研究了γ-TiAl基合金表层激光快速熔凝组织在连续加热过程中的相转变规律及硬度变化.结果表明,在以10℃/min连续加热时,γ-TiAl激光表面快速熔凝组织在750℃左右发生α₂→γ相转变,在860℃左右其组织由枝晶组织转变为细小的等轴晶组织,硬度值也出现了相应变化.上述细晶组织为合金的超塑扩散连接提供了良好的基础.     

钛合金表面抗激光涂层损伤特性及热效应影响研究

实验研究了钛合金和高反射型陶瓷涂层材料抗连续型激光烧蚀的损伤及温度分布特性，并从热效应影响角度对比分析了二者在抗激光损伤效果方面的差异性。研究结果表明：相比于钛合金，高反射型陶瓷涂层材料能有效增强钛合金基底抗激光损伤的能力；在同等激光功率密度辐照下，陶瓷涂层材料能有效提升钛合金基底耐受激光辐照的时间长度。实验结果表明该陶瓷涂层材料的激光损伤阈值比钛合金高约5.8倍。实验发现陶瓷涂层温升速率高于钛合金，但由于陶瓷材料具有较高的反射特性，以及良好的热吸收和热传导特性，因此能使由激光辐照产生的热量在其表面较快地扩散，而降低向基底方向传导的程度，最终提升陶瓷涂层的抗激光损伤阈值。     

热处理温度对硬铬镀层性能的影响

研究了热处理温度对硬铬镀层性能的影响.发现经过200～300℃1*#h热处理,镀层硬度明显提高,耐磨性得到改善,但硬度和耐磨性的最优点对应不同的热处理温度.对镀层XPS分析表明,热处理过的镀层中有有机碳化物析出.对镀层的EDAX分析表明,热处理使镀层表面氧含量增高,但对镀层微裂纹数量和宽度没有明显影响.对镀层的XRD实验结果表明,热处理后镀层的晶体结构未发生改变.     

TC6钛合金的微动疲劳特性研究

钛及铁合金广泛用于燃气涡轮发动机及飞机结构。尽管这类合金在性能上有诸多优点,但其疲劳寿命对材料表面状态,特别是微动损伤极为敏感。为深入认识这一现象的成因,本文研究了TC6钛合金在室温下的微动疲劳特性。试验结果表明,和非微动疲劳相比,微动疲劳强度下降60％,这主要归因于接触面磨损造成的微动损伤,促使疲劳裂纹萌生和早期断裂。     

空间碳纤维壳结构导热增强方法试验研究

为提高空间碳纤维复合材料壳结构的导热能力,降低热控设计难度,并提高热控系统可靠性,设计了包含贴覆石墨高导热膜材料以及在外部包覆的多层隔热组件内增加高导热膜等在内的3种导热增强措施,分别按这3种方法制作了试件,并增加了对照组,进行了真空热试验。试验结果表明,贴覆石墨高导热膜材料的方法使碳纤维壳结构试件的当量导热系数增大了7倍,相较其他方法具有明显优势。若该方法与包覆含有高导热膜夹层的多层隔热组件的方法协同使用,可以取得更好的效果。     

高强度弹性合金的微孔铣削实验研究

使用超高精度加工中心进行了多组铣削3J33B高强度弹性合金微孔的铣削实验，使用Kistler 9119AA2型高精度测力仪测量铣削力，使用Keyence 3D激光显微镜测量已加工孔的尺寸，使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）测量刀具磨损。实验结果表明，在不同的切削速度条件下，主铣削力的Y方向分力（Y方向力）总是大于X方向分力（X方向力）。在铣削微孔过程中，使用高切削速度进行微细铣削成孔时，已加工孔的孔口直径尺寸误差会增大，严重影响尺寸精度。刀具磨损最严重的区域在刀尖处，并且发生磨损的区域基本集中在整个切削刃的钝圆和接近钝圆的后刀面处。当在低速切削时，磨粒磨损是刀具的主要磨损形式，然而，随着切削速度的提高，氧化磨损所占比例逐渐增大。已加工表面的弹性回复加剧了后刀面磨损，并影响切削稳定性。      

基于涂层传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属结构在服役过程中的裂纹扩展实时监测需求,提出一种现代表面技术与电位法原理相结合的疲劳裂纹监测研究方案.在结构易出现裂纹的热点部位制备了一种具有绝缘隔离层、导电传感层和封装保护层3层结构的裂纹监测涂层传感器.然后进行了疲劳裂纹监测试验,结果表明:通过分析涂层传感器电阻(电位)的变化可以实现对2A12-T4铝合金连接结构多个部位的裂纹同时进行有效监测.此外,还对表面制备涂层传感器的试样与原始试样的疲劳特性进行了对比研究.结果表明:应用现代表面技术在2A12-T4铝合金表面制备涂层传感器,对其疲劳性影响甚微.     

丝束同轴冷阴极电子束熔丝特性及TC4成形组织

针对热阴极电子束轴侧熔丝与丝束同轴冷阴极电子束熔丝方法的特点进行分析，研究了丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造熔滴过渡特点及获得滴状过渡和搭桥过渡方式需要满足的条件。采用直径2 mm的TC4钛合金丝材制备出丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造的钛合金试样，对其微观组织进行分析，结果表明:与常规热阴极电子束轴侧熔丝成形的工艺相比，丝束同轴冷阴极电子束熔丝成形试样的组织表现为等轴晶与柱状晶层层交替叠加的状态，柱状晶与等轴晶尺寸明显减小，表明成形试样的晶粒细化，力学性能得到提高。      

喷涂粉末对Al-Cu-Fe准晶涂层组织结构的影响

准晶材料具有低热导率、低磨擦系数、良好的耐磨性和抗氧化性、高硬度、高温塑性等优异性能,使之适于作为表面防护涂层.为了提高钛合金的抗高温氧化性能和耐磨性能, 采用低压等离子喷涂方法LPPS (Low Pressure Plasma Spraying)在钛合金表面制备了Al-Cu-Fe准晶涂层.通过改变喷涂粉末的成分和粒度大小,研究了喷涂粉末对制备态涂层相结构及微观形貌的影响. 由X-射线衍射XRD(X-Ray Diffraction)、扫描电镜SEM(Scanning Electronic Microscope)分析得出:采用原子比为Al70Cu20Fe10、粒度为-325目的粉末制备的涂层,在800℃下真空退火处理2?h后,结构均匀致密,二十面体准晶相(I相)含量高,并只含有少量的β相.