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表面微结构对轴向柱塞泵滑靴润滑特性的影响

表面微结构对轴向柱塞泵滑靴润滑特性的影响

引用

第十一届全国摩擦学大会

作者：魏超胡纪滨薛冰赵红梅北京理工大学车辆传动国家重点实验室

滑靴表面微结构对依靠流体静压和流体动压效应工作的轴向柱塞泵滑靴的影响很大。为了深入说明表面微结构对润滑特性的影响,本文建立了滑靴润滑模型。模型考虑到滑靴表面微结构,并联立压力控制方程、速度变化方程和油膜厚度方程进行耦合... 详细信息

滑靴表面微结构对依靠流体静压和流体动压效应工作的轴向柱塞泵滑靴的影响很大。为了深入说明表面微结构对润滑特性的影响,本文建立了滑靴润滑模型。模型考虑到滑靴表面微结构,并联立压力控制方程、速度变化方程和油膜厚度方程进行耦合求解。通过与平滑表面的滑靴模型对比,分析了所建模型的压力场分布,油膜承载力,抗倾覆力矩等润滑特性。研究结果表明滑靴表面微结构能显著提高滑靴的承载和抗倾覆特性。

关键词：柱塞泵滑靴表面微结构

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表面微结构防污薄膜的研究初探

表面微结构防污薄膜的研究初探

引用

2011年全国高分子学术论文报告会

作者：靳钊余浩杰海洋化工研究院

＜正＞采用凹版涂布—UV固化工艺,在双向拉伸聚酯薄膜表面涂布一层具有表面微结构的低表面能涂层,从而得到表面微结构防污薄膜。

关键词：表面微结构防污涂布

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基于微铣削加工的聚合物表面微结构疏水性研究

基于微铣削加工的聚合物表面微结构疏水性研究

引用

作者：陆岳托湖南大学

学位级别：硕士

疏水与超疏水表面具备的自清洁、防锈、防冰和液滴控制等优异性能,使其在生活与工程领域具有广阔的应用前景。表面微结构已被证明对材料表面具备疏水与超疏水性能有重要的作用,但微结构如何有效地影响表面疏水性仍然没有得到很好的认识... 详细信息

疏水与超疏水表面具备的自清洁、防锈、防冰和液滴控制等优异性能,使其在生活与工程领域具有广阔的应用前景。表面微结构已被证明对材料表面具备疏水与超疏水性能有重要的作用,但微结构如何有效地影响表面疏水性仍然没有得到很好的认识;此外,目前疏水性表面的制备方式主要是化学制备方法、溶胶-凝胶法、模板法等,但对于使用微铣削的机加工方式制备疏水表面依然鲜有研究。因此,本文选用微铣削加工方式进行表面微结构的制备,探讨微结构的结构参数对表面疏水的影响;设计四种微结构旨在探究表面各向同性/异性与微结构阵列方式之间的关系,并探讨每一种表面微结构的润湿机理。论文主要研究工作如下:(1)为了探究微铣削进行表面微结构加工的可能性,根据正交设计方案进行微铣削的正交实验,确定在聚合物(PMMA)表面进行微铣削加工的有效铣削参数范围,并完成制备了尺寸精度很好的9种表面微结构;(2)采用单因素实验,通过接触角测量设备进行接触角测量,研究微沟槽阵列、微方柱阵列表面的三种微结构尺寸参数对表面接触角的影响;并运用Wenzel润湿理论和Cassie-Baxter理论进行接触角预测,通过与实验值进行对比探讨预测理论在两种微结构表面的预测能力;(3)使用工业CCD相机拍摄液滴在微结构表面的液滴形态与固-液接触表面,根据液滴在回转性不同的微沟槽、微椭圆形、微方柱和微圆形阵列表面的形状与接触角值,研究表面微结构的阵列方式与表面各向同性/异性的关系;(4)设计微孔阵列研究其对表面润湿性的影响,并使其与微沟槽阵列、微方柱阵列和微圆形阵列进行组合,观测组合前后微结构表面的固-液接触现象,探讨固-液-气三相接触线、钉扎效应对表面疏水性的影响。

关键词：表面微结构聚合物疏水性接触角钉扎效应

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利用计算流体力学模拟探究表面微结构对液滴浸润的影响

利用计算流体力学模拟探究表面微结构对液滴浸润的影响

引用

作者：朱柏成北京化工大学

学位级别：硕士

表面浸润是表面科学研究中的核心问题,尤其是液滴在不同表面微结构上内部的浸润状态对纳米摩擦发电、仿生材料制备、微流控装置制造等领域有着重要影响。在本文中,采用计算流体力学模拟手段,系统研究了具有一级表面微结构、二级表面微... 详细信息

表面浸润是表面科学研究中的核心问题,尤其是液滴在不同表面微结构上内部的浸润状态对纳米摩擦发电、仿生材料制备、微流控装置制造等领域有着重要影响。在本文中,采用计算流体力学模拟手段,系统研究了具有一级表面微结构、二级表面微结构的四种模型对各自表面液滴的浸润状态、铺展长度、表观接触角等行为的调控,探索其规律,并建立阐述了相关浸润理论模型。具体研究内容包括:（1）通过模拟发现液滴在表面上的浸润会出现多种浸润状态共存的情况,一级表面微结构上的液滴会出现Cassie、Transition、Wenzel三种状态。二级表面微结构上的液滴可能出现Cassie、IFUV、IMNTH、Presence of bubble、Wenzel五种状态。弧形柱微结构会使得液滴更难实现Wenzel状态,更容易实现Cassie状态,拥有更大范围的Transition状态。二级结构的加入使得液滴在表面上更难实现Wenzel状态。（2）液滴的表观接触角和铺展运动受微结构形貌及浸润状态的影响。液滴在表面上越趋向于Wenzel状态浸润长度随速度变化越大,越趋向于Cassie状态浸润长度随速度变化越小。液滴在表面上处于Cassie状态时动态铺展收缩震荡越明显。相同条件下液滴在弧形柱上比方形柱上拥有更大的最大铺展因子,随二级结构的增加最大铺展因子减小。相较于方形结构,弧形柱微结构上液滴的表观接触角小,随着二级结构的加入,液滴将获得更大的表观接触角。粗糙表面上液滴的接触角与理想方程预测值存在差距。（3）单组微结构缝隙间的不同浸润状态与气液界面上的受力有关,当>_(（2）>时液相处于Cassie状态,_(（2）>>时液相处于Transition状态,_(（2）>>时液相处于Wenzel状态。表面微结构上多种浸润状态的共存与液滴撞击表面时液相密度、压力场、速度场的变化有关。微结构的形貌及微结构上二级结构的数量对表面上液滴的浸润状态、表观接触角及其动态铺展过程有着重要影响。四种微结构模型上液滴的浸润模拟结果可为表面自清洁、液滴浸润性调控等领域提供帮助。

关键词：表面微结构浸润性润湿状态计算流体力学模拟

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CMP抛光垫表面微结构设计与抛光性能研究

CMP抛光垫表面微结构设计与抛光性能研究

引用

作者：宋沛鸿长安大学

学位级别：硕士

化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing,CMP）是超精密加工技术中最具代表性的工艺方法之一,在半导体芯片、光学元件等高端制造领域应用极为广泛。CMP技术通过抛光工具与加工对象之间的化学反应与机械行为协同作用去除材料,以获... 详细信息

化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing,CMP）是超精密加工技术中最具代表性的工艺方法之一,在半导体芯片、光学元件等高端制造领域应用极为广泛。CMP技术通过抛光工具与加工对象之间的化学反应与机械行为协同作用去除材料,以获得高精度、高质量的加工表面,现有研究表明:抛光垫表面结构及微结构设计是影响CMP抛光结果的重要因素。为了改善工件与抛光垫接触表面压力分布均匀性、改善接触区域的抛光液流动性,提升加工质量与加工效率,本研究主要针对CMP抛光垫表面结构设计优化及加工性能验证开展了深入研究,具体研究内容如下: 首先,研究了CMP抛光垫表面结构设计对加工表面压力分布及抛光液流动性的影响规律。在CMP反应器理论的基础上,引入流体动压力参数,建立了基于Preston经典方程的材料去除效率的半经验预测模型,明确了抛光垫表面结构及微结构通过干涉抛光液流动方向及速度改变流体动压力,进而对加工效率产生影响。为CMP抛光垫表面结构设计对抛光性能的影响研究奠定了理论基础。然后,针对CMP过程中工件与抛光垫接触区域抛光液的流动性问题建立了计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）数值仿真模型,分析了基圆半径分别为40 mm、50 mm、60 mm的渐开线沟槽抛光垫在接触区域内抛光液的流动特性。仿真结果表明,当渐开线沟槽基圆半径为60 mm时,工件与抛光垫接触区域内抛光液体积分数≥0.540,抛光液分布均值提升15.66%,压力分布方差降低18.53%。通过对烧结Si C工件的CMP实验验证了渐开线沟槽抛光垫的加工性能,实验结果表明,相同工艺参数下,采用基圆半径为60 mm的抛光垫进行CMP加工,能够使烧结Si C材料去除速率提升18.87%,并且获得的加工表面粗糙度降低15.10%。进一步的,结合反刍类动物臼齿齿形特征仿生设计对渐开线沟槽抛光垫表面微结构进行了优化。通过有限元仿真方法验证了表面仿生微结构设计抛光垫与工件接触区域的压力分布均匀性,结合流体动力学仿真分析了接触区域内的抛光液流动性。结果表明,结合渐开线沟槽分布与臼齿仿生微结构设计的抛光垫在抛光压力为4 N压力时,工件加工表面压力分布均匀性有所改善;以仿生特征单元模块为限定区域,抛光液在受限空间入口流速2.40 m·s-1时,出口平均流速提升29.45%,有效提升了接触区域内抛光液的流动性。最后,通过Box-Behnken Design（BBD）响应面法设计了CMP平面抛光实验,引入了形貌值k,用于描述各平面抛光垫表面形貌结构对加工效率及加工质量的量化影响,对理论分析与仿真结果进行了验证。使用NSGA-Ⅱ算法确定了最佳的工艺参数组合为转速56.86 r?min-1,压力5.35 N,抛光垫形貌值0.88,在该参数组合下对铝合金工件表面进行CMP加工能够获得的最优表面粗糙度为0.1322μm,最优材料去除率为2.2204μm?min-1。

关键词：化学机械抛光抛光垫表面微结构仿生设计流体动力学分析

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类单晶硅表面微结构构建的研究

类单晶硅表面微结构构建的研究

引用

作者：李军南京工业大学

学位级别：硕士

类单晶硅作为一种最新兴起的太阳能电池材料，其在太阳能电池生产中有着广泛的应用，进一步了解类单晶表面绒面结构对太阳能电池的转换效率有着非常重要的影响。本论文主要利用湿法化学工艺研究类单晶表面绒面结构，分析制绒（酸制绒和... 详细信息

类单晶硅作为一种最新兴起的太阳能电池材料，其在太阳能电池生产中有着广泛的应用，进一步了解类单晶表面绒面结构对太阳能电池的转换效率有着非常重要的影响。本论文主要利用湿法化学工艺研究类单晶表面绒面结构，分析制绒（酸制绒和碱制绒）对类单晶表面微结构的影响，并研究如何用酸，碱制绒来获得反射率低，色差较小的类单晶绒面结构，并且提高其光电转换效率。\n 类单晶硅某些区域呈现许多类似多晶硅的小结构，本文中称之为多晶区域，而其他区域则自成类似单晶硅的大晶粒结构，本文中称之为单晶区域。这种独特的表面结构既不能完全适用一般多晶硅的酸制绒，也不适用于一般单晶硅的碱制绒。针对上述问题，本文使用金属银离子辅助化学刻蚀先对类单晶硅表面进行处理，再采用酸制绒和碱制绒对类单晶硅作最后的扩孔反应。通过分析样品的反射率曲线和SEM图发现，通过酸制绒的类单晶硅表面所有区域皆呈现出蜂窝状孔结构，蜂窝结构大小可实现从200 nm-1μm可调控，同时类单晶硅表面反射率也可以实现10-25％可调控;通过碱制绒形成的类单晶硅表面存在两种结构，单晶区域成倒金字塔结构，多晶区域呈现出三角斜孔结构，同样碱制绒也可以实现一定范围内反射率和形貌尺寸的调控。实验结果表明，用金属辅助化学刻蚀处理再进行酸制绒或碱制绒，能够得到色差较小，反射率较低的类单晶硅绒面。\n 本文进一步研究了酸制绒中类单晶硅预处理片不同区域结构随反应的溶液浓度、反应时间和反应温度的变化。通过对样品的反射率曲线和SEM图进行分析，我们可以发现:1）类单晶硅的表面反射率会随着溶液浓度的升高而增大，形成的表面蜂窝结构尺寸也随着其浓度的升高显著增大。2）单、多晶区域的反射率会随反应时间的延长而略微上升，蜂窝结构随着反应时间的延长逐渐形成。3)反应温度在6-18℃范围内，类单晶硅的反射率变化很小，说明改变反应温度对类单晶反射率的影响较小，而类单晶硅表面会随温度的升高逐渐形成蜂窝结构。\n 本文同时研究了碱制绒中类单晶硅预处理片不同区域结构随反应的溶液碱浓度、反应时间和反应温度的变化。通过对样品的反射率曲线和SEM图进行分析，我们得到了如下结论:1）类单晶硅单、多晶区域的反射率随着碱浓度的升高而升高，碱浓度低于0.5mol/L时，二者的反射率值较为接近;单晶区域的结构随着NaOH溶液浓度的升高逐渐形成倒金字塔结构。而多晶区域刚开始形成带有多孔结构的四棱锥结构，随着NaOH溶液浓度的升高，该表面多孔结构逐渐被刻蚀掉，形成较浅的三角斜孔结构，同时其反射率大幅度升高。2）单晶区域的表面反射率随其反应时间的延长而出现上升-下降-上升的过程，这是由反应过程中单晶区域的表面结构变化引起的。3）单晶区域的表面反射率随其反应温度的升高而升高，而反应温度的变化对多晶区域的表面反射率变化影响不大。\n 本文最后测试了两种制绒方法得到的电池片与产线常规制绒的电池片的电性能，结果表明:1）酸制绒的类单晶硅电池平均效率为17.1％，比常规制绒的类单晶硅电池高0.3％;碱制绒的类单晶硅电池平均效率达17.25％，比常规制绒的类单晶硅电池高0.45％;2）相比常规制绒的类单晶硅电池，碱制绒的类单晶硅电池的短路电流(ISC)提高了约200mA，酸制绒的类单晶电池的短路电流(ISC)提高了约150mA;3）酸制绒及碱制绒的类单晶硅电池的外量子效率(EQE)高于常规制绒类单晶硅电池，且二者的电池片反射率皆低于常规制绒的类单晶硅电池片反射率。

关键词：类单晶硅酸制绒碱制绒表面微结构光电转换效率

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基于光干涉法的超精密车削表面微结构在位检测技术研究

基于光干涉法的超精密车削表面微结构在位检测技术研究

引用

作者：张敬大哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超精密车削的表面微结构广泛应用于清洁能源、光学成像等领域,其表面形貌的完整性对提高发电装置的转化效率、改善光学系统的质量具有重要意义。对于已加工的微结构表面形貌的测量,目前普遍采用商品化的离线检测设备,但是其只能实现小... 详细信息

超精密车削的表面微结构广泛应用于清洁能源、光学成像等领域,其表面形貌的完整性对提高发电装置的转化效率、改善光学系统的质量具有重要意义。对于已加工的微结构表面形貌的测量,目前普遍采用商品化的离线检测设备,但是其只能实现小范围微结构的形貌测量。因此,针对超精密车床研发配套的在位检测系统,实现表面微结构在位及大范围测量,进而改进工件表面加工质量,提高生产效率。为了实现表面微结构三维形貌的在位及大范围测量,本文以搭建的垂直扫描光学干涉在位检测系统为依托,围绕超精密车床光学在位检测系统的研制、微结构表面三维形貌的重构、微结构表面三维形貌的拼接方法、在位检测系统的性能评价及表面形貌在位拼接实验等关键问题展开研究。本文的主要工作有:根据待测表面微结构形貌的特点,基于超精密车床设计一套光学干涉在位检测系统。根据光学干涉的发生条件,确定系统的硬件部件型号及性能参数。利用VS2010软件,设计集成系统驱动控制及图像采集软件。综合干涉系统软硬件条件,实现干涉图像的实时采集存储,为后续微结构三维形貌的重构提供数据支持。根据光源的差异,分析单色光相移干涉与白光干涉的特点。基于光学干涉原理,建立几种常用的白光干涉条纹峰值提取算法。针对干涉系统采集到的干涉图像数据,利用MATLAB软件对其进行滤波处理并编写峰值提取算法程序。结合超精密车床的运动,确定待拼接形貌数据的获取模式及单次拼接中的误差。针对单次拼接中平移变换误差,利用快速模板匹配法,解决存在平移变换图像配准问题。基于MATLAB软件仿真,确定快速模板匹配法和扩展相位相关法的配准精度。通过MATLAB的仿真,修正三维形貌面外偏差。利用AFM标定的微米级沟槽,评价在位检测系统的性能及精度。利用标准栅格聚焦图像,基于图像边缘检测技术,标定干涉图像的像素尺寸,确定了单口径视场范围。建立并对比轮廓仪径向刻划截线及三步相移法重构的微结构三维形貌径向截线拟合方程,评价了单口径微结构形貌在位重构的精度。结合超精密车床导轨及主轴精密运动,完成表面微结构三维形貌大范围在位拼接实验。

关键词：表面微结构在位检测白光干涉图像拼接

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钛合金表面微结构的微细加工及水溶液摩擦学特性研究

钛合金表面微结构的微细加工及水溶液摩擦学特性研究

引用

作者：王宪良南京航空航天大学

学位级别：硕士

利用电火花技术（电火花线切割和电火花成形技术）在钛合金的表面制备了沟槽、网纹、正方形和菱形四种微结构,并且对微结构的宽度和深度进行了优化设计。在去离子水和模拟人体体液中研究微结构的存在对摩擦特性的影响,并且研究了微结构... 详细信息

利用电火花技术（电火花线切割和电火花成形技术）在钛合金的表面制备了沟槽、网纹、正方形和菱形四种微结构,并且对微结构的宽度和深度进行了优化设计。在去离子水和模拟人体体液中研究微结构的存在对摩擦特性的影响,并且研究了微结构深度和宽度以及网纹微结构夹角的变化对摩擦特性的影响。利用PVD技术在微结构表面沉积了DLC薄膜,在去离子水和模拟人体体液中,研究耦合表面对摩擦特性的影响。研究发现电火花线切割采用0.1mm的镀锌铜丝制备沟槽和网纹平面以及紫铜凸起电极,在电参数E273和E279情况下,把紫铜电极微结构复制到了钛合金表面。通过摩擦磨损试验发现,在载荷为3N滑行速度为0.4m/s,与Si3N4小球对磨的情况下,微结构的存在可以有效的降低摩擦因数,并且发现宽度0.2mm的沟槽微结构所对应的摩擦因数随着沟槽深度的减小而减小;网纹微结构在宽0.15mm深0.1mm情况下减摩效果最好,并且发现网纹微结构的夹角变化对摩擦特性影响较大,摩擦因数基本上是随着夹角的增大而增大;正方形和菱形微结构可以有效的降低摩擦因数,但是摩擦因数随着深度的变化不大,在宽度为0.2mm时摩擦因数随着正方形和菱形的深度的增大而增大;但是沉积了DLC的微结构中,宽0.15mm深0.1mm的网纹微结构和宽0.25mm深0.05mm的沟槽微结构降低了摩擦因数,其余的耦合表面都增大了摩擦因数并且导致摩擦因数波动较大,特别是正方形和菱形微结构所对应的摩擦因数几乎与光滑平面相等,但是波动较大。在载荷0.5N滑行速度0.1m/s,与Al2O3小球对磨的情况下,微结构的减摩作用不明显,沟槽和网纹微结构有一定的减摩作用,摩擦因数随着网纹夹角的增大呈现先增大后减小的变化,而正方形和菱形微结构的减摩效果不好,多种尺寸都增加了摩擦因数;在模拟人体体液中,宽度较小（宽0.15mm）的沟槽和网纹微结构表现出好的减摩作用,而宽度较大（宽0.25mm）的微结构所对应的摩擦因数高于光滑平面,网纹夹角15°时摩擦因数最小;正方形微结构所对应的摩擦因数和光滑平面差不多,菱形微结构可以起到降低摩擦因数的作用。制备了DLC薄膜以后,在去离子水中微结构可以降低摩擦因数,而在模拟人体体液中微结构增大了摩擦因数。

关键词：钛合金电火花加工摩擦磨损表面微结构

来源：评论

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基于表面微结构的高速磁浮列车气动减阻研究

基于表面微结构的高速磁浮列车气动减阻研究

引用

作者：陈明亮五邑大学

学位级别：硕士

磁浮交通是轨道交通领域里的明日之星,随着磁浮交通技术的不断发展,磁浮列车的行驶速度不断提高。气动阻力是制约磁浮列车提速的重要原因,对高速磁浮列车进行气动减阻研究成为当下重要的研究课题,为了进一步提升高速磁浮列车行驶速度和... 详细信息

磁浮交通是轨道交通领域里的明日之星,随着磁浮交通技术的不断发展,磁浮列车的行驶速度不断提高。气动阻力是制约磁浮列车提速的重要原因,对高速磁浮列车进行气动减阻研究成为当下重要的研究课题,为了进一步提升高速磁浮列车行驶速度和减小列车能耗,本文结合表面微结构前沿减阻技术,对时速400 km/h的高速磁浮列车进行气动减阻研究,主要完成以下工作:(1)首先采用基于SST k-ω湍流粘性模型的CFD数值计算方法对高速磁浮列车的外部流场进行了模拟,并分析了高速磁浮列车的气动阻力占比情况,结果表明:3车编组情况下,尾车是整车气动阻力占比最大的部分,头车次之。其次,基于三维造型软件Rhinoceros和插件Grasshopper可视化编程功能,实现对高速磁浮列车头尾部表面微结构的设计与建模。(2)探究球窝微结构的深度、布置间距、半径参数改变时对局部位置流场的变化影响,结果表明:球窝会改变局部位置的压力分布,由于逆向压差力作用气流会在球窝内部倒流甚至形成涡旋,形成涡垫效应。(3)当球窝微结构布置在高速磁浮列车头车表面时,头车的摩擦阻力会因为球窝的涡垫效应得以减小,但球窝内部的倒流气流会额外消耗能量,使头车的压差阻力增大。布置在头车的球窝增大的压差阻力要大于减小的摩擦阻力,因此头车不是布置表面微结构的理想位置。(4)当球窝微结构布置在高速磁浮列车尾车表面时,布置在尾车表面的球窝会阻滞尾车表面的气流流动,通过对比尾车的湍流强度云图和湍动能云图,发现球窝弱化了尾车表面的湍流强度和湍动能,从而降低壁面附近流体的能量损耗;通过对比尾车后方的湍流强度云图和压力分布云图,发现球窝减少了轨面上方两负压区域的强度及作用面积,由于球窝缓化了列车尾车截面发生变化带来的压差阻力作用,因此减小了尾车气动阻力。(5)最后采用响应面法,对列车气动阻力系数与表面微结构参数之间的关系进行了分析,建立了两者之间的函数表达式,得到气动阻力系数对表面微结构参数的敏感显著程度:球窝深度>球窝布置间距>球窝半径,并且发现球窝布置间距与球窝半径具有显著的交互作用;得到最佳的球窝参数组合:球窝半径20.0 mm,球窝深度15.8 mm,布置间距149.8 mm的球窝布置在高速磁浮列车尾车的流线型区域,可使尾车减阻7.05%,整车减阻2.54%。

关键词：高速磁浮列车表面微结构气动减阻数值模拟

来源：评论

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基于表面微结构和预置AlSi12中间层调控的铝/钢异种金属激光熔钎焊接头强化研究

基于表面微结构和预置AlSi12中间层调控的铝/钢异种金属激光熔钎...

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作者：李兆艳桂林电子科技大学

学位级别：硕士

经济的高速发展,使节能减排成为全球当下亟待解决的问题。用较为轻质的铝合金代替部分钢,通过降低车身重量来降低能耗实现节能减排,是当下一种十分可行的方法。然而,由于铝和钢在熔沸点等诸多热物理性能方面存在着较大的差异,在焊接过程... 详细信息

经济的高速发展,使节能减排成为全球当下亟待解决的问题。用较为轻质的铝合金代替部分钢,通过降低车身重量来降低能耗实现节能减排,是当下一种十分可行的方法。然而,由于铝和钢在熔沸点等诸多热物理性能方面存在着较大的差异,在焊接过程中,极易生成大量脆性化合物而导致裂纹的产生,对接头的力学性能带来了极大的影响。因此,对铝/钢异种金属焊接工作展开研究,探讨提高焊接接头质量的有效方法十分必要。本文以1mm厚的A6061铝合金和1.2mm厚的DP600双相钢为研究对象,提出了一种基于改变表面微结构和预置Al Si12粉末的调控方式,来提高铝/钢异种金属焊接接头力学性能的新方法。其核心思想是:通过光纤激光在钢表面制备一定的微结构并预置Al Si12粉末,通过毛细力作用和Si元素提高液态铝合金的润湿铺展性,形成“钉扎”结构进一步加强机械啮合作用,并通过Si元素调控金属间化合物层(IMC层)的微观组织结构和厚度。本文采用铝在上钢在下的激光搭接熔钎焊方法进行研究。主要内容包括三个方面:一、采用COMSOL有限元分析软件建立分析了A6061铝合金和DP600双相钢的三维瞬态温度场模型。对比分析了不同工艺参数下铝/钢焊接接头的温度场分布及热循环曲线特征,为后续实验提供了理论支撑。二、探索了不同工艺参数对焊缝形貌及焊接质量的影响规律,获得了适用于本实验的最佳工艺参数。分析了接头的断裂机制以及界面IMC层结构形态、组成对接头力学性能的影响。三、通过制备钢表面微结构和预置粉末的调控方法,对接头的焊缝成形、界面微观组织及力学性能展开了系统研究。首先,本文通过单因素法探究了不同工艺参数对焊缝形貌的影响规律,其次利用正交实验法进一步确定最佳工艺参数组合。得到本实验的最佳工艺参数组合为:激光功率405W,焊接速度6mm/s,离焦量+0.9mm,保护气体为氩气且流量为10L/min。在此工艺参数下,接头最大力学性能可达116.7N/mm。对其界面进行SEM观测,发现在界面处形成了一层厚度约为10μm左右的IMC层,主要由靠近双相钢的Fe2Al5“层状”化合物和靠近铝合金的Fe Al3“针状”化合物层组成,这也说明了IMC层的生长方向是由双相钢向铝合金一侧的。基于改变表面微结构和预置Al Si12粉末的调控方法,分别采用万能拉伸试验机、电子显微镜、SEM、EDS、XRD等方法对接头焊缝成形、金相显微组织、力学性能、界面IMC层的微观组织形貌、成分、主要物相、元素扩散及断裂机制进行研究分析。结果表明:Si元素的添加能够细化焊缝显微组织,提高液态铝合金的润湿铺展性,在界面处发生偏聚并优先与Fe、Al反应生成Fe-Si二元化合物和Fe-Al-Si三元化合物,从而抑制脆性Fe-Al化合物的产生。添加Al Si12粉末,焊接件表面成形良好,无气孔、裂纹等明显缺陷,焊缝截面有效连接宽度变宽,润湿角变小,铝溶液的流动性得到提高。Si元素与Fe、Al发生冶金置换反应,在抑制Fe-Al金属化合物产生的同时生成了Al0.5Fe3Si0.5、Fe3Si、Al8Fe2Si等新相,增加了接头的韧性,降低了界面IMC层的厚度,焊接接头平均线载荷达到136.7N/mm,相比未添加粉末增加了17.1%。而在添加粉末的基础上添加结构,力学性能有了进一步的提高,在沟槽线间距为200μm时达到最大值145.1N/mm。分析认为,这是由于添加结构后,界面金属间化合物生长由平直状态变为沿着凹槽生长的弯曲状态。由于凹槽的存在阻碍了裂纹的进一步扩展。流入凹槽的液态铝合金冷却凝固后,形成“钉扎效应”,不仅增加了铝-钢界面的连接面积,也增强了铝钢之间的机械啮合作用,进一步提高了力学性能。

关键词：激光熔钎焊 Fe/Al异种金属表面微结构界面调控金属间化合物力学性能

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