钴的脱除工艺对聚晶金刚石复合片性能的影响

聚晶金刚石复合片(PDC)是一种用于油气钻采、矿物开采的超硬复合材料，需要通过脱除金刚石层中的钴来提高耐磨性和抗冲击性能。本文以盐酸、硫酸和路易斯酸(FeCl₃)作为脱钴试剂，使用加压化学沉淀法对金刚石复合片进行脱钴，研究脱钴试剂的原料配比、脱钴反应压力、脱钴反应时间对金刚石复合片脱钴效率及性能的影响。结果表明，使用加压化学沉淀法可以高效脱除PDC中的钴。将1片PDC和60 mL脱钴试剂进行反应，脱钴试剂中HCl浓度为6 mol/L，硫酸加入量为60 mL/L、路易斯酸加入量为50 g/L，反应温度为160℃，反应压力控制在0.8 MPa为最优脱钴工艺条件，反应时间72 h，脱钴深度可达580μm，达到了1.2 mm金刚石复合片脱钴要求(脱钴深度>0.5 mm)。使用加压化学沉淀法比常规酸浸出法脱钴效率更高，脱钴后金刚石复合片耐磨性更高，抗冲击韧性更好。     

喷丸对23Co14Ni12Cr3Mo超高强度钢 表面性能的影响

针对23Co14Ni12Cr3Mo超高强度钢材料，研究喷丸强化对其表面性能的影响。采用扫描电镜、白光干涉仪等设备，分析喷丸强化对试样表面形貌、粗糙度、硬度、残余应力、元素含量等的影响。结果表明:喷丸强化后，试样表面留有大量弹坑，产生明显塑性变形；表面粗糙度增大，算术平均粗糙度为1.33 μm；硬度显著增大，最表层硬度由喷丸前的HV 476增加至HV 497，硬化层深度约150 μm；试样表层的残余压应力值由375 MPa增加至475 MPa，最大残余压应力值约518 MPa，位于距表面50 μm深度处，喷丸形成的残余压应力层深度约为134 μm；喷丸后试样中C、Si、Cr等各元素的质量分数均略有增加。喷丸在一定程度上改善了23Co14Ni12Cr3Mo钢材料的表面性能，有利于提高其疲劳抗力和耐腐蚀性。     

PCD刀具高速铣削TC4钛合金的工艺参数优化

用PCD铣刀平面精铣TC4(Ti-6Al-4V)钛合金，再用三坐标测量机、表面粗糙度仪、显微维氏硬度计和便携式X射线残余应力分析仪测量钛合金加工后的平面度、平行度、表面粗糙度、表面硬度及表面残余应力，分析不同铣削工艺参数对TC4钛合金质量和表面形貌的影响。结果表明:在主轴转速16 000 r/min，切削深度0.2 mm，每齿进给量0.06 mm/z的最佳铣削工艺参数下，PCD铣刀寿命较长，TC4钛合金工件的表面质量和形貌较好，其平面度为0.26 μm，平行度为0.64 μm，表面粗糙度为0.63 μm，表面显微硬度为3 080 N/mm2，表面残余应力为-250 MPa。      

热处理对表面纳米化工业纯锆疲劳性能影响研究

采用表面机械研磨处理(SMAT)对工业纯锆进行表面强化,使材料表面组织细化并引入残余压应力,通过热处理(HT)使表层残余压应力释放而纳米晶尺寸保持不变。利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)对试样表层显微组织进行表征,利用X射线应力仪测试距试样表面不同深度处残余应力,通过四点弯曲疲劳实验对热处理前后试样疲劳性能进行测试,利用扫描电子显微镜(SEM)对疲劳断口形貌进行观察,探讨晶粒细化及残余压应力对疲劳性能的影响。结果表明：SMAT使工业纯锆表层形成150μm左右变形层且最表面晶粒细化至35 nm左右,并得到深度为334 μm最大应力为-695.5MPa的残余压应力层;热处理后SMAT处理工业纯锆表层残余压应力场深度减至115μm、最大压应力降为-148.8MPa,残余压应力场的变化对裂纹源位置及材料的疲劳极限影响明显。SMAT处理使工业纯锆疲劳极限较未处理试样提升23%;通过热处理使其表层残余压应力释放后,其疲劳极限较未SMAT处理试样疲劳极限提高13%。     

强流脉冲电子束表面合金化热应力耦合场数值模拟

根据强流脉冲电子束表面合金化的特点,建立了相应的数学物理模型,以3Cr2W8V模具材料为基体,以Al为合金化元素,对电子束照射材料表面所产的热应力进行了数值模拟,并将数值模拟分析结果与实验结果进行了对比分析,结果表明:有限元模拟显示3Cr2W8V电子束合金化Al样品(Al层厚度t=2 μm)冷却后的表层4μm范围内的点残余拉应力达到材料的屈服极限750 MPa,理论上材料将发生屈服.通过金相观察,样品表面有大量熔坑形貌,但并未出现明显裂纹,说明3Cr2W8V样品表面屈服形式主要为熔坑.另外,3Cr2W8V材料表层10 μm范围内主要受残余拉应力,残余拉应力大小约为650 ～ 750 MPa.随着深度的增加,残余拉应力值急剧减小,并在距离表层20μm处受最大残余压应力,最大残余压应力值约为120 MPa,并随着深度的继续增加,残余压应力值缓慢减小.     

航空发动机钛合金叶片喷丸强化残余应力研究

目的 研究航空发动机钛合金叶片残余应力场,掌握叶片喷丸后和使用后的残余应力分布规律,为评估叶片的安全性和可靠性提供依据,为预测叶片剩余寿命提供数据支持.方法 利用X射线衍射技术测试并研究航空发动机钛合金风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力场、喷丸后残余应力沿层深的分布规律和使用后的残余应力衰减规律.结果 喷丸后风扇叶片残余应力的90%分布在-600~-800 MPa,其残余应力均值为-682 MPa;压气机叶片残余应力的90%分布在-500~-700 MPa,其残余应力均值为-603 MPa.喷丸后风扇叶片和压气机叶片的表面残余应力约为-610 MPa,在次表面层11μm和13μm处存在一个最大残余压应力,分别为-739 MPa和-683 MPa,随后残余压应力随着深度的增加而逐渐减小.风扇叶片使用300 h后应力分布在-460~-720 MPa,使用600 h后应力分布在-430~-700 MPa;压气机叶片使用300 h后应力分布在-470~-670 MPa,使用600 h后应力分布在-360~-620 MPa.结论 喷丸后钛合金叶片表面存在较大的残余压应力且分布较为均匀;喷丸后钛合金叶片残余压应力随层深的增加先增大后减小,残余应力场深度约为50μm;使用后的钛合金叶片残余应力有衰减趋势,而且随着使用时间的增加,残余压应力衰减量逐渐增加.     

喷丸强度对TA15钛合金型材表面完整性影响的数值和实验研究

利用有限元模拟和喷丸实验研究了喷丸强度对TA15钛合金热挤压型材表面完整性的影响规律。对比了由数值模拟和喷丸实验得到的表面粗糙度和残余应力分布结果,验证了所建立的喷丸有限元模型的可靠性;研究了喷丸强度对材料表层显微硬度和微观组织的影响。实验结果表明,喷丸处理在TA15钛合金型材表层产生了最大数值为558~764 MPa且深度为115~151 μm的残余压应力层,材料表层发生塑性变形,位错密度增大,晶粒细化,表层硬度提高,形成了深度为100~150 μm的硬化层,同时表面粗糙度增大。最大残余压应力、压应力层深度和表层硬度随喷丸强度的增大而增大,但强度超过0.188 mmA后增加不明显,材料表面出现裂纹,且在0.222 mmA强度下,材料表面因折叠缺陷而发生残余应力松弛,降低了材料表面完整性。     

超声波光整强化40Cr工件表面残余应力的研究

研究了超声波光整强化工艺对40Cr表面粗糙度及残余应力的影响,实验发现,初始粗糙度为2.48μm的轴件处理后可以降为0.04μm。采用盲孔法对表面残余应力进行测试,结果表明:未经处理的部分表面残余应力整体为拉应力,其中σ1值稳定在30 MPa左右,为拉应力;σ2随着层深增加由压应力转变为拉应力,且数值在10 MPa以下。经过处理后的表面残余应力均为压应力,该工艺对材料的影响层深度介于1至1.5 mm之间,主应力σ1和σ2值近似且稳定于160至170 MPa之间,随着钻孔深度的增加,残余压应力测试值有略微降低的趋势。     

磁力研磨工艺提高叶片表面质量的试验研究

目的 提高航空发动机涡轮叶片的服役年限。方法 应用磁力研磨工艺提高涡轮叶片表面质量,包括降低叶片表面粗糙度、去除飞秒激光制孔过程中产生的棱边毛刺以及降低叶片表面残余应力,建立神经网络模型确定最佳工艺参数,在最佳工艺参数下对叶片进行研磨加工。使用JB-8E触针式表面粗糙度测量仪、超景深显微镜和X''Pert Powder残余应力测试分析系统,分别对叶片表面粗糙度、孔口形貌以及叶片表面残余应力进行分析。结果 叶片在最佳工艺参数下完成研磨加工,叶片表面粗糙度从3.08 μm下降到0.19 μm,叶片气膜孔棱边毛刺基本去除,且存在倒圆迹象,研磨后叶片晶格更加致密,受力状态从残余拉应力(324.7 MPa)转变为残余压应力(132.8 MPa)。结论 应用磁力研磨工艺可以有效降低叶片表面粗糙度,去除叶片气膜孔的棱边毛刺,对气膜孔的棱边进行倒圆加工,提高飞秒激光制气膜孔的表面质量,同时还可以将叶片的残余拉应力转化为残余压应力,使得叶片晶格排布更加紧密,在提高叶片强度和耐磨性的同时不会引入新的缺陷,增加叶片的服役寿命。     

基于正态分布的GCr15轴承钢强化研磨残余应力场数值模拟

目的 探索强化研磨不同工艺参数下定点喷射对GCr15轴承钢残余应力场的影响规律。方法 采用图像处理技术分析了不同工艺参数下强化研磨定点喷射表面覆盖率的分布特征。采用二维正态分布函数描述强化研磨定点喷射下钢珠的分布特征,运用Python/Opencv确定了在不同工艺参数下有限元模型所需的钢珠数量,基于Abaqus/Python构建出强化研磨正态分布有限元模型。运用所建立的正态分布模型分析不同喷射速度、钢珠直径及覆盖率对残余应力场的影响。结果 当喷射速度从45 m/s增加到70 m/s时,表面残余压应力从-683.5 MPa增加到-902.4 MPa,最大残余压应力从-981.6 MPa增加到-1330.6 MPa,残余压力层厚度从89μm增加到151μm,最大残余压应力深度从30μm移动到70μm。当钢珠直径从0.4 mm增加到1.0 mm时,表面残余压应力先增大后减小,最大残余压应力从-1063.5MPa增加到-1240.7MPa,最大残余压应力深度从30μm增加到60μm,残余压应力层厚度从103μm增加到147μm,其中钢珠直径从0.8 mm增加到1.0mm,最大残余压应力保持不变...     

Effect of cobalt content on the performance of polycrystalline diamond compacts

Cobalt was an indispensable role in the damage of a PDC cutter due to its inevitable adverse thermal effect like thermal catalysis, thermal expansion and thermal oxidation in the welding and drilling process, while the quantitative studies on its serial thermal damage effect were still seldom reported. In order to understand the damage mechanism of a PDC cutter and therefore design better products, it was quite necessary to study the roles of cobalt in the PDC cutter by a quantitative means. In present study, the total cobalt content of the PCD layer of polycrystalline diamond compacts were adjusted by blending different amount of microsized cobalt powder in the mixed diamond grains and the infiltrated cobalt from the cemented carbide cylinder during the HTHP sintering process. The sintered PDC cutters were examined by XRD, SEM, EDX, vertical lathe tests, and impact tests, and it was found that the abrasive ratios of the fabricated PDC cutters were strongly dependent on the cobalt content of sintered diamond layers. The PDC cutter without adding cobalt powder exhibited the best resistance to the abrasion, while the PDC cutters sintered by adding 4% mass of cobalt powder demonstrated the worst abrasive ratio, which was the direct proof confirming that by decreasing the content of residual cobalt in the PCD layer the resistance of the PDC cutter to the abrasion would be improved significantly. A non-destructive characterization method was adopted based on the statistical calculation was proposed by using Matlab and Image-J software to quantitatively explore the relationship between the cobalt content as well as the average size of residual cobalt in the PCD layer and the abrasion performance, which opened a new technical route for the disclosure of cobalt-dependent abrasion resistance for the PDC cutter analysis. Moreover, a cobalt-rich narrow zone was found to appear in the interface of PCD/cemented carbide, which was deduced to be the main reason to cause the delamination of PCD layer from the cemented carbide. It was also interesting to find that the percentage of added cobalt powders seemed no adverse effect on the impact performance of the PDC cutters. The conclusion of present study about the cobalt role in the PDC performance was quite good for understanding the PDC damage modes and helped for the better design and fabrication of PDC.     

Micro-Raman and X-ray diffraction stress analysis of residual stresses in fatigue loaded leached polycrystalline diamond discs

Polycrystalline diamond (PCD) cylindrical tool-bits used in oil well drilling are susceptible to fracture due to the hostile environment of randomly occurring high impact loads. These tool-bits generally comprise of a PCD layer sintered onto a Co-cemented tungsten carbide substrate. The cobalt metallic phase primarily aids the formation of the diamond to diamond bonds, however during application the same cobalt expands much quicker than the diamond, breaking the very same bonds it helped to form in the first place, leading to premature failure of the tool bits. As the PCD is virtually a two-phase material comprised of cobalt and diamond, substantial volumes of the metallic phase can be removed through a leaching process without compromising the cohesiveness of the diamond matrix, with reported improved wear resistance and thermal stability. X-ray diffraction and Raman spectroscopy techniques were used to investigate residual stresses in leached polycrystalline diamond disc samples. A systematic investigation and evaluation of the average in-plane residual stress fields using the Raman technique showed a progressive shift of the residual stress state from a compressive stress state to an average tensile stress state as a function of increasing number of loading cycles. In contrast the X-ray diffraction method recorded compressive stresses for all the measurements even at the highest number of loading cycles. The apparent disagreement between the two sets of results were satisfactorily explained by considering the probing beam size and sampling depth for the two different but complementary techniques.     

18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮不同喷丸处理后的齿根表层应力分布

对模数20 mm的18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮经不同喷丸处理后的齿根表层应力分布进行测试,并与未喷丸时进行了对比。结果表明,在喷丸前后18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮齿根最表层均为压应力状态,从表至里均呈先升高后降低的变化趋势。未喷丸时最表层残余应力约为-75 MPa,最大残余应力出现在次表层110~120 μm处,约为-250 MPa;喷丸处理可使齿根表层残余压应力提高4~5倍,最表层残余应力在-350 MPa左右,最大残余应力出现在次表层90～110 μm处,为-900~-1000 MPa。     

超声表面滚压改善45#钢表层特性及疲劳性能的研究

目的研究超声表面滚压处理(Ultrasonic Surface Rolling Process,USRP)对45#钢表层特性及疲劳性能的影响。方法利用超声表面滚压设备处理45#钢,观察分析处理前后试样的表层特征、状态、微观结构,采用旋转弯曲疲劳试验研究试样疲劳性能,通过升降法测取疲劳极限值。结果 USRP处理后,试样表面形貌显著改善,表面粗糙度由之前的3.2μm降低到0.23μm,显微组织细化,晶粒取向趋于随机分布,表层显微硬度相比心部提高56%左右,强化层厚度可达400μm,残余压应力由-180 MPa提高到-532 MPa,疲劳极限值由296 MPa提高到403 MPa。结论通过USRP处理,试样的表层特性及表面性能得到强化改善。疲劳性能的提高主要归因于USRP处理使材料表面粗糙度降低,晶粒细化,显微硬度与残余压应力提高。     

湿法炼锌净化渣酸浸的动力学

对湿法炼锌净化渣的浸出动力学进行了研究,并探讨了硫酸浓度、反应温度、粒度等对钴、锌浸出率的影响规律。从动力学的角度分析了整个浸出过程,得到优化条件：液固比50：1(mL/g),硫酸浓度100 g/L,反应温度70°C,粒度75~80μm,反应时间20 min。在此优化条件下钴的浸出率为99.8%,锌的浸出率为91.97%。结果表明：在硫酸体系中钴的浸出符合不生成固体产物层的“未反应收缩核”模型。通过 Arrhenius 经验公式求得钴和锌表观反应活化能分别为11.693 kJ/mol和6.6894 kJ/mol,这表明浸出过程受边界层扩散控制。     

水射流喷丸对渗碳钢表层组织与裂纹扩展性能的影响

对低碳钢渗碳淬火试样进行表面水喷丸处理,研究水喷丸对渗层表面组织结构及其疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:添加细玻璃丸的水喷丸处理能显著细化表层亚结构,提高小角度晶界密度,并为渗层带来有效的残余压应力。在300 MPa水压及600 mm/min扫描速率工艺下,可实现100 μm左右深度,最高达1244 MPa的残余压应力,其表面粗糙度R_a=0.195 μm。疲劳裂纹速率试验结果显示,经过水喷丸处理后裂纹扩展速率da/dN有增加的趋势,这主要是因为表面压应力形成,增加了心部拉应力,且表层的变形强化降低了裂纹尖端塑性区。     

7A75铝合金板材厚度方向的微观结构及性能

研究了热轧态7A75铝合金固溶处理后不同厚度处的微观组织演变和力学性能变化规律。采用光学显微镜和扫描电镜表征了微观组织演变、裂纹扩展路径和断口形貌,采用XRD测试了微观织构构成和残余应力情况,采用万能拉伸试验机测试了力学性能。试验结果表明:沿厚度方向,表面层、1/4厚度层和中心层的屈服强度分别为200、200和185 MPa,抗拉强度分别达到345、335和325 MPa,伸长率分别为20%、19.5%和22%,即中心层的强度最低而伸长率最高。表面层、1/4厚度层和中心层的晶粒平均尺寸分别为24.5、24.8和25.5 μm,均在24~26 μm的尺度范围内,差异不明显。表面层存在明显的平面应变织构,沿β取向线分布,1/4厚度层的织构构成主要为Copper织构{112}<111>,中心层呈现弱化的β取向线织构。表面层、1/4厚度层和中心层的残余应力分别为-18.5、-3.5和7.5 MPa,表面层和1/4层承受压应力,中心层承受拉应力。