热加工工艺杂志

热加工工艺杂志2024年第23期

• 汽车轻量化气门材料减摩改性的研究进展

  王文, 陈文刚, 王海军, 王永康,

  随着汽车工业的不断发展，对汽车性能以及节能减排的要求越来越高。气门作为发动机的重要组成部分，对发动机的效率和温室气体排放有着重要影响。发动机内部严苛的工作环境要求轻量化气门材料具有良好的耐磨性能。分析了常用表面技术包括物理强化、化学热处理、激光表面技术、表面热喷涂等技术在改善轻量化气门材料耐磨性上的应用，最后对未来气门轻量化材料减摩应用发展面临的问题提出了建议。

• Fe元素对Al-Si系再生铝合金组织性能的影响机理及其控制技术研究

  孟达, 夏岽尊, 范玉虎, 薛帅, 闫亮亮,

  Al-Si系铸造铝合金以其良好的铸造工艺性，高强度、耐磨和抗腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、船舶、交通、建筑车等具有轻量化需求的行业。同时Al-Si系铸造铝合金可多次循环利用，具有显著的经济优势。然而，铝合金在循环使用过程中的Fe元素杂质累积问题，影响了其品质和综合性能。综述了Fe含量对铝合金微观组织和性能的影响机理，并对添加元素中和法、熔体处理法以及热处理方法对Fe元素的控制进行了论述，对铝合金中Fe杂质元素的控制方法进行了展望。

• Q345B钢表面多层多道激光填丝熔覆层的组织和性能研究

  杨驰, 朱加雷, 李守根, 郭方涛, 张光亮, 赵成露, 黄钰珊, 姜成云,

  采用十字正交堆积方法对厚度为20 mm的Q345B低碳钢板进行多层多道激光填丝熔覆，研究了熔覆层的宏观形貌、微观组织、物相组成、显微硬度和耐腐蚀性能。结果表明：采用多层多道激光填丝工艺获得的熔覆层宏观成形良好，无明显气孔、裂纹等缺陷；熔覆层主要由熔覆区、搭接区、相变影响区、熔合区、热影响区组成；母材组织主要为铁素体和珠光体，熔覆层显微组织主要为铁素体、魏氏体、马氏体；受显微组织和晶粒大小的影响，熔覆层硬度整体呈阶梯状分布，熔覆层平均硬度为320.13 HV，高于母材；在3.5% NaCl溶液中，熔覆层的极化曲线出现了钝化区域，其耐腐蚀性能优于母材。多层多道激光填丝熔覆工艺可以满足实际工程对熔覆层的制备需求。

• 基于调控中间层的无裂纹Zr/Cu阴极激光熔覆制备及烧蚀行为研究

  关慰勉, 梁新增, 刘艳梅, 关峰, 金银玲, 赵英海, 刘标, 刘嘉斌,

  电弧烧蚀制约了铜阴极的服役寿命，表面强化型阴极兼具表层耐电弧烧蚀和基体高导电、导热性能的优势，能够有效延长阴极服役寿命。通过调控铜基锆覆层阴极的中间层，采用逐层激光熔覆制备了Zr#2/Zr#1/Cu、Zr/Cr/Cu和Zr/Nb/Cu三种阴极结构，表征了覆层阴极的微观组织和物相结构，根据成形质量和裂纹缺陷成因分析，明确了多层阴极的中间层选取原则。进一步地，对Zr/Nb/Cu层状阴极的空气电弧放电行为和电弧烧蚀机理进行了研究。结果表明：Zr/Nb/Cu层状阴极具备优异的耐电弧烧蚀性能，其电弧烧蚀速率为1.40 μg/C，相比纯Cu阴极降低了41.2%。这与其表面难熔氧化层关系密切。Zr/Nb/Cu层状阴极具备作为加热器阴极使用的潜能。

• 一种新型钛基钎料钎焊TiAl合金接头的界面组织及性能

  冷斌, 袁雷昕, 王一轩, 陈昱橦, 罗芬, 李力,

  采用机械球磨制备的TiH2-65Ni和TiB2复合粉末钎料对Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.15B（at%）合金进行钎焊连接，钎焊温度1190～1250℃、钎焊时间10 min。研究了TiAl合金钎焊接头界面组织及钎焊温度对接头组织与室温抗剪强度的影响。结果表明，TiAl钎焊接头由3个界面反应层组成，主要物相为α2-Ti3Al、τ3-Al3NiTi2、TiB。随着钎焊温度的升高，形成的连续α2-Ti3Al层壁垒被打破，钎料元素向母材的扩散量及母材的溶解量增加，导致钎缝厚度增加。TiAl钎焊接头抗剪强度随钎焊温度的升高先增加后减小。当钎焊温度为1230℃时，与钎缝基体具有相似的热膨胀系数的TiB晶须尺寸细化，数量增加，层Ⅲ中组织更细化、物相分布更均匀，获得的接头抗剪强度最大，为332.87 MPa。钎焊接头以准解理断裂方式脆断于以τ3-Al3NiTi2为主要物相的层Ⅱ中。

• 柴油机机身堆焊修复技术研究

  杨飞宇, 张杰, 孙玉波, 陆龙,

  针对船用柴油机机身受撞击变形需修复的情况，开展堆焊焊补方案制定和试验研究。对柴油机拆解清洗后，检测了机身尺寸。对钨极氩弧焊、脉冲冷焊和激光焊接三种工艺进行了对比分析，并对脉冲冷焊和激光焊接进行对比试验，最终确定采用激光焊接方法对变形缸孔及加工基准主轴承座孔进行堆焊。通过焊接特殊过程确认，确定了合理的工艺参数。采用机器人手臂+激光焊接的组合方式，通过工装定位，以数控程序控制焊缝轨迹及间距，使堆焊层焊缝均匀连续。焊后采用超声波时效强化等方法，消除焊接应力，得到合格的堆焊层焊缝，机身焊接变形小，未影响已加工尺寸，实现了机身焊接修复工作。该方法为机加工零件高精度修复提供了指导依据。

• 波纹板自动焊接机器人设计与研究

  周超, 蒋毅, 韩晴清, 吴佳峰,

  为了提高MARK Ⅲ型LNG薄膜舱建造的自动化水平，针对其主屏壁层波纹板的实际焊接需求，设计了一款专门用于自动焊接的机器人。对机器人各部分结构进行设计与分析，利用D-H参数建模方法对机器人运动学进行求解，采用蒙特卡罗法分析了该机器人的有效工作空间，利用MATLAB工具箱建立机器人模型，对正运动及轨迹规划进行了仿真分析；对机器人的控制系统进行了软硬件系统设计，设计了基于模糊PID的自适应轨迹跟踪系统。最后搭建机器人样机及焊接实验平台验证焊接机器人的性能。结果表明：机器人结构、软硬件系统设计合理，自动焊接运动过程中轨迹跟踪误差小于0.3 mm。随着自动焊接速度的增加，跟踪误差增大，但仍能够满足薄膜舱波纹板的实际焊接需求。

• 2A14铝合金人孔法兰环焊缝接头断裂失效分析

  淡婷, 李晓光, 佟玮, 武静, 张国庆, 王兵,

  采用断口扫描、金相检查、硬度测试等方法对某型火箭二级燃箱前底2A14铝合金人孔法兰环焊缝低压断裂开展失效分析。结果表明，断裂起源于瓜瓣小端人孔法兰环焊缝背面余高与母材过渡的焊趾应力集中区，沿法兰侧熔合线扩展撕裂。断裂部位人孔法兰环打底焊缝区存在较多焊接疏松缺陷，盖面焊缝存在大量焊接气孔；法兰侧熔合线附近基体组织流线沿着壁厚方向，与焊缝组织流线基本垂直，二者交界部位为受力薄弱处；并且此瓜瓣小端在二级燃箱前底的位置有多道焊缝等复杂结构，最终多重因素导致人孔法兰环焊缝在低压状态下开裂。

• 非均匀构型TiB增强钛基复合材料的制备及其组织性能研究

  戴昌晟, 高义民, 缪喆宇, 肖鹏, 李烨飞, 李强,

  本研究以AlB2粉末作为硼源，以纯钛（TA1）粉末、Mo粉末为基体，通过真空热压烧结制备非均匀构型TiB增强钛基复合材料。通过微观组织表征和力学性能测试，探讨了烧结时间和烧结温度的改变对复合材料组织和力学性能的影响。结果表明：烧结工艺参数的改变没有明显改变TiB增强相的形貌和分布。随着烧结时间的延长，复合材料的致密度、晶粒尺寸增加，其抗拉强度、抗压强度和基体显微硬度先增大后减小。随着烧结温度的增加，复合材料的抗拉强度、抗压强度、基体显微硬度也增加。当烧结温度为1300℃，烧结时间为60 min时，元素扩散充分，复合材料有较高的致密度和强度，其抗拉强度、抗压强度、α-Ti基体硬度分别为922.1 MPa、1960.4 MPa、425 HV。

• 高温下熔融Al在Al2O3表面的润湿性高精度测量

  郭惠惠, 于强,

  高温下熔体的润湿性对焊接工艺的改进具有重要研究意义，良好的润湿性能够提高焊缝质量，减少焊接缺陷，从而降低制造成本，提高生产效率。本研究搭建了一个低成本的由管式炉、相机、光源、真空泵和计算机构成的实验平台，利用座滴法和悬滴法开展了真空环境中不同温度条件下熔体Al在Al2O3基板上的润湿性实验，获得了边缘轮廓清晰、对比度明显的高质量图像，并采用开发的润湿性参数测量程序，计算了接触角、表面张力、热膨胀系数、铺展速度等参数。结果表明，润湿性参数的测量具有较高精度，温度升高能够促进熔体Al在Al2O3基板上的润湿，表现为接触角明显减小，铺展半径明显增大。

• 石墨烯对TiZrCr合金储氢特性的影响

  王龙刚, 何旭阳, 康田田, 韦欣婷, 焦栋茂, 陈文革,

  为了探究常温常压下Ti基储氢合金储氢量低、吸放氢迟滞效应以及吸放氢速率慢等问题，通过电弧熔炼制备TiZrCr合金块体，然后通过熔体快淬急冷得到纳米晶/非晶薄带，将其和石墨烯高能球磨得到复合粉体，分析了粉体的微观结构和储氢特性。结果表明，合金的物相由储氢前的TiCr2、ZrCr2两种Laves相和Ti相，变成储氢后的TiH1.971、TiH1.924、Ti2ZrH4和CrH2。添加石墨烯后，该粉体在25℃、4 MPa的储氢量从1.2wt%提高到1.3wt%，吸放氢速率从0.082wt%·min-1提升到0.381wt%·min-1，放氢活化能从139 kJ/mol降低到118 kJ/mol。石墨烯以混合在合金粉体中，增加了氢气扩散的通道而改善储氢性能。

• 块体硅高效氮化制备高α相氮化硅陶瓷研究

  张萌春, 张菊梅, 张腾, 牛立斌, 张国琛,

  通过直接氮化法结合高能球磨制备高α相氮化硅块体。以硅粉为原料，添加不同质量分数的α-Si3N4稀释剂混合冷压制成不同厚度的块体，在1350℃氮化不同时间制备了Si3N4块体，研究了块体硅直接氮化反应合成氮化硅块体的工艺因素，借助XRD检测手段测定氮化产物的物相组成。结果表明：含15%稀释剂（α-Si3N4）、厚度为3 mm的块体硅在流动氮气气氛下，于1350℃保温3 h的氮化效果最佳，氮化产物由3种物相组成，各物相的质量分数为88.7%α-Si3N4、10.2%β-Si3N4、1.1% Si，合成了含高α相的氮化硅块体。本研究结果可为块体高α相氮化硅的高效制备提供实验依据。

• K465高压涡轮叶片短时超温组织损伤研究

  王继成, 邹伟, 全琼蕊,

  研究了K465高压涡轮叶片经（1150～1310）℃×15 min超温热处理的组织退化规律。结果表明：随着超温温度的升高，K465高压涡轮叶片宏观晶粒颜色从黄色逐渐变为暗黄色+淡蓝色到深蓝色。枝晶间和枝晶干的γ'相、碳化物γ'膜、晶界γ'膜依次在1240℃、1250 ～1260℃、1270℃溶解；共晶相在1280℃时发生初溶，随着温度升高至1310℃，共晶相溶解，空冷后重新析出花篮状形貌。碳化物组织退化主要表现为γ'膜的溶解和M6C的回溶；晶界组织退化主要表现为γ'膜的溶解和初溶的发生。随着温度升高，枝晶干和枝晶间的γ'相发生合并-球化-溶解-重新析出细小球状相的演变，γ'相面积分数降低。

• 共晶硅对Al-Si-Cu铸造合金蠕变性能的影响

  吴翰丰, 马志军, 胥涛, 王云飞, 夏峰, 郭永春,

  铝合金以优异的性能获得越来越广泛的应用，但其高温抗蠕变性能不足限制了其高温环境的服役寿命。根据变质前后的Al-12Si-4.5Cu合金的金相照片构建了二维代表性体元有限元模型，进行蠕变行为的模拟仿真，并对Al-12Si-4.5Cu合金在350℃、15～25 MPa条件下的蠕变性能进行了测试。蠕变有限元结果表明：棒状共晶硅比球状共晶硅有更好的抗蠕变作用，未变质模型的稳态蠕变速率在15～25 MPa应力条件下比变质模型低51.4%～54.4%。试验结果表明：未变质合金的蠕变性能相较于变质后更好，表现为更低的稳态蠕变速率、更长的蠕变寿命以及更大的蠕变应变量，并且模拟计算结果与试验结果基本一致，表明采用二维代表性体元有限元模型进行蠕变模拟仿真具有一定的可行性。

• 5059高镁铝合金热变形过程中的组织演变规律研究

  王经涛, 孙宁, 余浪, 李星辉, 郭丰佳, 张佼, 韩延峰, 曾凡清, 杜敏, 王成见,

  采用Gleeble-3500热模拟试验机对高镁5059铝合金进行等温热压缩试验，通过金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及X射线衍射仪等对不同热压缩条件下5059铝合金的组织进行表征，研究了合金热变形过程中的晶粒形态、第二相含量、位错分布、织构类型以及动态再结晶演变等规律。结果表明，热压变形后，5059铝合金低温变形下呈连续网格状分布的粗大相随热压缩变形温度的升高而变得断续分布，且晶粒尺寸逐渐变大，大晶粒之间的细小亚晶粒数量逐渐减少，部分笔直的晶界发生弯曲并向锯齿状转变，晶粒由小角度晶界向大角度晶界转变；同时组织内位错缠结程度减轻，位错密度下降，组织再结晶程度不断变大。5059铝合金在热压缩变形过程中主要存在Goss织构、R织构、P织构及Brass织构、S织构，随着变形温度的升高，组织中的织构由形变织构向再结晶织构转变。

• 基于特征加权融合的热轧带钢表面缺陷识别

  周亚罗, 张健, 刘文广, 张瑞成,

  带钢是现代制造业的重要原材料，其表面缺陷严重影响了最终产品的性能。为实现热轧带钢表面缺陷的准确识别分类，本文提出了一种基于特征加权融合的带钢表面缺陷识别方法。针对6种类间差异小、类内差异大的热轧带钢表面缺陷，分别从特征提取、特征融合、特征降维三个方面改进机器学习算法，获取低维度、高信息度的缺陷特征。通过支持向量机（SVM）训练特征，实现缺陷分类。实验结果表明，融合特征较单一特征具有更强的表征能力，本文方法的缺陷识别率达到了98.33%，具有较强的实用性。

• 6082铝合金型材不同厚度处的组织和力学性能研究

  王大臣, 张航, 马琳娜, 杨健, 关晟, 曹占义, 刘国军,

  通过对不同厚度处试样的表征与测试，研究了80 mm厚的6082-T6铝合金型材典型厚度处（表层、1/4厚度层和1/2厚度层）的组织与拉伸性能变化规律。结果表明，型材在不同厚度层存在显著的拉伸性能差异，相同厚度层的不同方向（纵向、横向和45°）的拉伸性能也有较大差异。1/2厚度层具有最高的纵向拉伸强度。这主要与型材的组织分布及织构组分共同作用有关。

• 海上生产水回注管材腐蚀与缓蚀剂评价研究——以南海西部油田为例

  秦立峰,

  针对海上油田生产水回注开发过程中管道腐蚀程度难以定量描述、腐蚀严重难以控制等问题，以南海西部油田为例，基于油田工况参数，使用高温高压反应釜开展腐蚀实验，分析了3种井筒管柱钢的腐蚀情况，并合成了一种季铵盐缓蚀剂，进行了缓蚀效果评价。然后通过电化学测试、等温吸附模型和SEM等手段确定了钢材腐蚀类型并研究了缓蚀剂作用机理。结果表明：井筒管柱钢钢在生产水回注时产生严重腐蚀，且点蚀速率较高。在加入合成的缓蚀剂后所有钢材的均匀腐蚀速率均小于0.12 mm/a，有效减缓了钢材腐蚀。生产水对钢材的腐蚀为CO2/H2S腐蚀，合成的季铵盐缓蚀剂为抑制阴极反应为主的混合型缓蚀剂，其在钢表面的吸附行为符合Langmuir吸附等温式，吉布斯自由能为负值，表明该吸附过程为自发过程。该缓蚀剂通过在钢材表面形成保护膜而隔绝了腐蚀介质与钢材的接触，从而有效抑制了腐蚀，可保障海上油田注水开发时管柱的安全。

• 结构突变壳体构件倾转铸造充型模拟研究

  茄菊红, 宋和谦, 纪旭辉, 曹福洋, 张伦勇, 孙剑飞,

  以铝合金油泵壳体铸件深井位置的充型过程为研究对象，运用流体计算软件Fluent，采用自定义程序的方法，研究不同形状参数下倾转浇注过程中合金液流前沿的形态，揭示规律性氧化膜缺陷的形成原因。结果表明：增大铸件深井结构与浇口杯之间的距离造成金属液流速增大，形成涡流，造成卷气和氧化膜缺陷；结构设计时应保证深井前流道长度与深井深度呈反比关系，减小切割角，增大深井后流道高度，从而抑制紊流，减轻卷气和氧化膜缺陷的产生。该结论通过水模拟实验得到充分验证。

• 基于MAGMA的旁通阀铸件熔模铸造工艺数值模拟及验证

  匡锐, 杨国超, 杨小建, 马敏静, 李冰雪, 李丰, 徐龙,

  采用MAGMA数值模拟软件对旁通阀铸件的熔模铸造工艺进行数值模拟及优化，通过分析金属液进入型腔时的流动，预判了可能因卷气、断流等造成的气孔、冷隔等缺陷。并在此基础上重新优化了浇口杯位置，对优化后工艺的充型、凝固过程进行模拟，预测了可能出现缩孔、缩松风险的位置。结果显示：工艺优化后，充型过程中金属液流动比较稳定，实现了铸件的顺序凝固，没有出现孤立液相区，仅有发生微小缩孔缩松的风险。在实际试制时，在浇道和内浇口等位置采用包保温棉来解决可能出现的缩孔、缩松风险。对试制生产的铸件进行X射线探伤及解剖验证，未发现缩松、缩孔、裂纹等缺陷。随炉试样化学成分、力学性能等均满足技术要求，这说明优化后的旁通阀铸件熔模铸造工艺合理。

• 颗粒增强铝基复合材料往复挤压的数值模拟与实验研究

  宛琼, 李付国, 李艳锋,

  采用Deform软件对颗粒增强铝基复合材料的往复挤压过程进行数值模拟，将熵值法和逼近理想解排序法相结合对正交模拟方案进行评价。将优选出的工艺参数用于往复挤压试验。结果表明：核壳结构的钛铝金属间化合物增强颗粒在往复挤压的过程中未发生整体破碎和与基体脱离的现象，而且热压烧结时TiAl3壳体内部形成的粗大Ti晶在往复挤压后得到了有效细化。

• 400 kV/m高压直流电场对5052铝合金在NaCl溶液中干湿交替加速腐蚀行为的影响

  林德源, 蔡振才, 沈谢林, 夏晓健, 陈云翔, 邵艳群, 郑跃胜,

  沿海高温潮湿环境下高压直流电场对5052铝合金腐蚀行为的研究尚未见报导。在400 kV/m直流电场下，对5052铝合金进行干湿交替腐蚀试验，试验溶液为3.5wt% NaCl，12 h为一周期。使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、动电位极化曲线（LSV）、交流阻抗谱法（EIS）等评价直流电场对5052铝合金腐蚀形貌和腐蚀行为的影响。结果表明：在400 kV/m电场下，随着干湿交替时间延长，失重增加，失重速率减小，但失重速率均比无电场下相应时间的大。无电场时，先发生由阴极Al-Si和阳极Al构成的表面微电偶腐蚀，随后发生围绕Al-Si相的点蚀，直至出现较大腐蚀坑。Al-Si相促进了铝基体的纵深溶解。在电场作用下，腐蚀电位降低，腐蚀电流提高，钝化膜和基体构成大阴极-小阳极的电偶腐蚀，促进腐蚀。整个过程为钝化-钝化膜破裂-电偶腐蚀-剥落，与无电场的腐蚀有很大差异。

• ZrO2增强Ti基复合材料的微观组织及耐腐蚀性能研究

  赵欢, 刘靖宇,

  采用放电等离子烧结的方式制备了不同氧化锆陶瓷掺杂量的钛基复合材料，研究了氧化锆颗粒添加前后钛基复合材料的微观组织及物相组成；测试并分析了氧化锆含量对钛基复合材料硬度和电化学腐蚀性能的影响规律。结果表明：钛基复合材料主要由等轴状初生α相、β相和次生α相及弥散分布的氧化锆增强相组成；随氧化锆陶瓷颗粒含量的增多，钛基复合材料的硬度从纯钛的282.26 HV显著提升至5wt%氧化锆含量对应的484.32 HV，且复合材料的腐蚀电位正移，腐蚀电流密度降低，复合材料的耐腐蚀性能提升。5wt%氧化锆含量的钛基复合材料具有更加优异的力学性能和耐腐蚀性能。

• 激光增材制造铜/钢复合材料的组织与性能研究

  胡剑, 马迪, 魏刚, 薛飞, 张伟强, 王成辉, 王惠梅, 曹鑫,

  采用激光增材技术制备了铜/钢复合材料，对该复合材料的合金层、界面、基体显微组织进行了表征，对铜合金层及界面力学性能与摩擦性能进行了检测。结果表明：激光熔覆所导致的细晶强化与镍元素向铜合金层的扩散使得铜合金层表现出优异的力学性能，这归因于镍元素在铜锡合金中的存在生成了复杂的三元相，晶粒细化削弱了锡的偏析，同时晶界的增多使δ相分离，连续粗大的δ相的消失转变为晶内与晶界零散析出。制备的铜/钢复合材料合金层抗拉强度平均值为502.3 MPa，屈服强度平均值为356.6 MPa，伸长率平均值为11.05%，断面收缩率平均值为8.55%，弹性模量平均值为106.863 GPa，剪切强度平均值为450.9 MPa，铜合金界面结合强度为549.7 MPa，摩擦系数介于0.786～0.846。

• BP神经网络预测冲击强化45钢的中温热稳定性

  姬帅, 张佳乐, 王海丽,

  室温下采用自由落体式对正火态45钢进行冲击强化，对冲击强化正火态45钢进行中温时效处理，分别加热至450、550、650℃，每组温度均保温10、20、30、40 min，同时对各组试样进行显微硬度测试，并对加热至650℃的4种试样进行显微组织观察；以试样的实际状态参量作为学习样本对3层BP神经网络进行训练。结果表明：BPANN能够对冲击强化正火态45钢的中温热稳定性进行预测，且误差可以控制在3%～6%；BPANN的预测值均大于实测值，但是预测值的变化趋势与实测值的变化趋势一致，网络的预测精度可以通过提高误差函数的收敛速率来得到提高。通过对650℃试样显微组织的观察，可以判定网络的输入层涉及的相关内容能让BPANN的预测结果反映出材料的真实状态。本研究可以降低实验成本、减少实验数量，有助于对冲击强化正火态45钢在其他加热温度下的热稳定性进行预测。