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关键词： 等离子弧   Ti-20Zr-6.5Al-4V   重熔   TiN涂层   磨损  

摘要： 随着我国经济的飞速发展,对石油天然气的需求日趋增加。在石油与天然气开发过程中,通常要面临高温高腐蚀等苛刻环境中的材料失效问题,为减少资源浪费,高比强度及耐腐蚀的钛合金在该领域的应用逐渐增加,但钛合金同时具备硬度低,耐磨性差的缺点,通常需要对其表面改性以满足工程需求,如天然气井口阀板与阀座的表面氮化处理。Ti-20Zr-6.5Al-4V合金是近年来开发的新型钛合金,较传统TC4合金具有更优异的综合性能,然而这种新型钛合金同样存在耐磨性较差的特点。本文中采用等离子弧设备对其进行不同的表面改性工艺,有望改善其表面耐磨性,拓展其工程化应用。 本文通过设计等离子弧重熔、等离子弧重熔氮气合金化、等离子弧喷焊涂层三种改性工艺以探讨不同工艺中对应参数对样品组织变化及耐磨性能的影响,借助扫描电镜、XRD、维氏硬度计等对不同表面改性工艺处理后的合金组织、物相及硬度进行了表征,得到如下研究结果: 重熔试验中,重熔区物相均为α相与β相,热影响区为α"马氏体。经重熔试验后的快速冷却,重熔区组织发生了不同程度的细化,以低电流作用下的细化作用最为明显,80 A电流对应样品表面硬度最高,摩擦磨损实验中同样以低电流样品耐磨性提升更优,试验中未引入其他强化相,耐磨性提升有限,磨损率最高降低25.89%。 为使合金耐磨性进一步提升,设计重熔过程中的合金化试验以引入强化相。重熔氮气合金化试验中,以送粉气气路输送氮气,合金化反应生成的TiN枝晶分布在合金化重熔区的表层及内部,对比保护气的单一生成在表层效果更好。随后以氮气流量为变量探究其对重熔合金化的影响,结果表明不同氮气流量下,重熔合金化的重熔区均有团絮状TiN枝晶存在,且在摩擦磨损测试中表现出的减磨效果差距不大,TiN的枝晶数量及分布可控性较差。 为使重熔区的强化相数量及分布更加可控,将重熔合金化试验改进,以不同氮气流量输送钛粉在合金表面进行喷焊涂层。喷焊涂层内物相为TiN、TiN和α-Ti,随试验氮气流量的增加,TiN逐渐消失,TiN数量逐渐增加,涂层硬度也逐渐上升。摩擦磨损测试中,450 L/h氮气流量下的喷焊涂层表现出最好的减磨效果,且在低载荷时更加明显,10 N载荷下磨损率下降97.4%。 本文的研究结果表明,对Ti-20Zr-6.5Al-4V合金进行不同工艺的等离子弧表面改性均能获得厚度可观的冶金结合改性层,重熔工艺因晶粒细化导致硬度提升,耐磨性提升较小。重熔合金化工艺中,重熔区生成TiN,耐磨性进一步提升,但其生成数量及分布均匀性难以控制。氮气输送钛粉喷焊涂层的工艺中,随氮气流量增加,整体表现为喷焊涂层内TiN的数量与分布均匀性逐渐改善,样品耐磨性大幅提升,为三种工艺中的最优方案。

关键词： 轨道用贝氏体钢   腐蚀   磨损   疲劳   氢  

摘要： 轨道用贝氏体钢因其综合性能优异而倍受青睐,然而在其服役过程中遇到的腐蚀、环境疲劳以及环境磨损等诸多问题急需解决。在其实际生产中,存在的异常组织也在一定程度上影响其环境服役性能。鉴于此,本文以轨道用贝氏体钢为研究对象,利用先进的微观分析技术探究显微组织以及轧制变形量等因素对腐蚀以及磨损等性能影响规律,并深入研究了环境氢的渗透以及氢对轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳损伤以及磨损的影响机理,得到如下主要结论:经过不同温度盐浴以及油淬热处理工艺,分别得到不同板条厚度的无碳化物贝氏体以及马氏体显微组织的轨道用贝氏体钢。显微组织以及力学性能测试的结果表明,随着盐浴温度由320℃升高到395℃,轨道用贝氏体钢的孪晶密度以及位错密度增加,冲击韧性、断裂韧性降低,疲劳裂纹扩展门槛值呈现降低趋势。经过油淬处理后,轨道用贝氏体钢的孪晶宽度、孪晶密度以及位错密度最大,强度最高、塑韧性最差以及疲劳裂纹扩展门槛值较低。经过320℃盐浴处理后,轨道用贝氏体钢的贝氏体铁素体板条更加细小、残奥含量较低、腐蚀电流以及盐雾腐蚀增重大大降低;经395℃盐浴处理后,试样盐雾腐蚀增重最大,腐蚀坑较大较深。与HSO以及Na OH溶液相比,在Na Cl溶液中,轨道用贝氏体钢的腐蚀电流密度、磨损失重以及摩擦系数最大。经过轧制变形后,轨道用贝氏体钢的腐蚀电流减小,说明轧制变形有效的改善了其腐蚀性能。在接触应力为1.7 GPa时,轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳中值寿命约为8.1×10r,安全寿命约为4.6×10 r。在滚动接触疲劳过程中,表面产生严重的塑性变形层及纳米晶层,其滚动接触疲劳失效形式为浅层剥落,遵循纳米晶层的“产生—剥落—产生”的循环过程。纳米晶的形成机制为动态低温回复及再结晶。经过滚动接触疲劳后,其表面的硬度显著升高、摩擦系数以及弹性模量降低。随着盐浴温度由320℃升高到395℃,有效氢扩散系数逐渐降低,经过油淬处理后,有效氢扩散系数最大,为5.55×10 cm/s。随着变形量的增加,320℃盐浴的轨道用贝氏体钢的氢陷阱数量大幅增加,有效氢扩散系数从4.16×10 cm/s降低到1.06×10 cm/s。研究了充氢后轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳性能。在接触应力为1.7 GPa时,充氢3 h后的轨道用贝氏体钢的滚动接触疲劳中值寿命约为2.4×10 r,安全寿命约为0.3×10 r。在滚动接触疲劳过程中,氢降低了轨道用贝氏体钢表面的位错密度、抑制低温动态回复及再结晶,致使轨道钢表面的贝氏体板条组织仅产生碎化、阻碍了表面纳米晶层的产生、加速了表面疲劳裂纹的形成,恶化了滚动接触疲劳性能。但是,氢促进试样表面的残余奥氏体加速转变为马氏体,提高了硬度,从而增加了耐磨性。

关键词： 轴承套圈   电磁无心夹具   磨削力   力诱导误差   砂轮磨损  

摘要： 轴承套圈在磨削加工时,磨削力大小反映砂轮去除工件材料体积的能力,以及砂轮钝化程度,同时也影响工件表面的加工质量和接触状态。准确检测磨削力和磨削比是感知砂轮-工件接触状态,确定砂轮修整时间,避免磨削烧伤的有效途径。本文研究轴承套圈磨削过程中磨削力测量方法,感知工件磨削状态,砂轮的磨损钝化状态,提出砂轮自动修整控制策略。 分析了轴承套圈磨削原理。分析了轴承套圈的加工过程和外圆磨削方法,阐述了磨削原理,确定了切入式磨削的外圆磨削方式和所用夹具类型。对电磁无心夹具的原理进行了详细阐述,确定了轴承套圈支外磨外的定位形式。分析了工件在电磁无心夹具上定位时的受力,表明支撑力和磨削力之间密切相关。 提出了在电磁无心夹具的前、后两个支撑上分别安装测力传感器,测量计算磨削力的方法。当轴承套圈被磨削加工时,测力传感器精确测量轴承套圈所受支撑力,通过对轴承套圈在砂轮未接触和接触磨削后两种平衡状态下的受力分析,建立磨削前后受力平衡方程,推导出了磨削时轴承套圈所受的法向和切向磨削力计算公式。 对磨削力测量方法进行了试验验证,并研究支撑力测量系统对工件产生的力诱导误差。试验表明基于支撑力的磨削力和磨削力的理论数学模型与磨削参数之间的变化关系一致,说明了所提出磨削力测量方法的可行性。将基于支撑力的磨削力数据和基于砂轮功率的磨削力数据对比分析,基于支撑力的切向磨削力与基于砂轮功率的切向磨削力之间存在较小误差,且整体变化趋势一致,表明磨削力测量方法的有效性。通过分析无心磨削过程中支撑与工件的位置关系,推导出测力传感器受力变形导致支撑发生变形偏移引起的力诱导误差的计算公式,分析磨削前和磨削过程中的力诱导误差变化,表明测力传感器微小变形不会影响套圈的加工精度。 应用建立的支撑力测量系统,确定砂轮自动修整控制策略,制定了砂轮-工件接触感知方法。分析砂轮磨损全程中磨削力信号的变化规律和磨削参数变化对磨削力信号的影响,确定磨削比作为判断砂轮磨损状态的特征信息。建立了磨削比随去除工件材料体积变化的理论关系,并使用电子放大镜观察砂轮表面形貌,将基于支撑力的磨削比数据与砂轮表面形貌对比分析,表明磨削比作为评价砂轮磨损状态的指标,能够表征砂轮的磨损状态变化。通过分析砂轮磨损全程不同磨损阶段磨削比的变化,设置砂轮修整阈值,提出一种砂轮自动修整时间预报方法。试验表明,在磨削接触时支撑力以较大幅度增大,确定支撑力可以感知砂轮-工件的初始接触状态。提出支撑力增大为未磨削时支撑力的9%,作为砂轮-工件接触的判断阈值。

关键词： 微动磨损   磨损机理   镍铝青铜   超声滚压表面处理   数值模拟  

摘要： 微动磨损被称为“现代工业之癌”,是在机械振动、疲劳载荷及电磁振动等交变载荷作用下,发生在接触表面极小位移幅值的相对运动造成的损伤。微动磨损具有隐蔽性,不容易被察觉,但容易造成连接松动等严重后果,危害极大。本文以可调距螺旋桨毂材料—镍铝青铜(NAB)为研究对象,围绕其微动磨损性能的损伤机制、演变规律和防护方法,采用实验分析和数值模拟相结合的方法开展相关研究。论文主要工作和成果如下:针对结合桨毂结合面服役工况下磨损严重问题,尝试采用超声滚压强化技术改善镍铝青铜材料的物理、化学和机械性能,进而提升其耐磨性和耐腐蚀性。利用切向微动磨损试验平台,首先对比分析了超声滚压表面处理前后镍铝青铜的微观组织、表面粗糙度和表面硬度,然后通过实验研究了不同位移幅值、循环次数和润滑条件下材料的耐磨性和耐腐蚀性。结果表明,超声滚压表面处理使表面粗糙度降低了58.0%,表面硬度提高了61.8%,晶粒得到细化,摩擦和磨损性能得到提升。研究不同润滑条件下的磨损机制发现,超声滚压处理表面耐磨性能的提升在干摩擦条件下主要是由于表面硬度的提高,在油润滑条件下主要是由于固体润滑剂硫化物生成速率的提高,在海水润滑条件下主要是由于生成更稳定的Cu取代Cu。开展了不同法向载荷、位移幅值、循环次数等参数下的微动磨损有限元仿真研究。首先A建立了三维球面接触模型,然后利用Fortran引入UMESHMOTION用户子程序建立微动磨损分析模型,并实验验证了模型的正确性。仿真分析表明:部分滑移和混合滑移的磨损轮廓会从“W”型逐渐向完全滑移的“U”形进行转变。在相同的位移幅值下,随着法向载荷的增加,微动运行状态从完全滑移向部分滑移转变,在此过程中,磨损深度会出现一个极值。由此可以推断,通过控制工况,使微动发生在低法向载荷下的完全滑移或高法向载荷下的部分滑移,有利于减轻表面磨损。

关键词： 碳滑板   弓网接触   电弧侵蚀   高寒   覆冰   摩擦磨损性能  

摘要： 随着速度与运营里程的提高,电力机车装备水平、技术标准以及旅客出行的安全要求也在增高。而弓网接触系统作为机车的主要受流系统,其运行环境受到诸多外界因素的影响,如高寒、冰雪、低氧和雨雾等。其中高寒覆冰环境对机车受流系统的影响逐渐变大,主要引起弓网系统异常磨损如电弧烧蚀等。因此,探明接触线覆冰环境下弓网系统服役性能变化,对于提高列车弓网系统不同环境下的载流能力以及覆冰下抗电弧侵蚀的能力,提供相应的技术参考。本文以弓网系统常用的碳滑板与接触线材料为研究对象,在具有低温发生装置的多功能往复式载流摩擦磨损试验机上研究了不同工况下的电弧侵蚀对弓网配副载流摩擦磨损性能的影响。主要结果如下:(1)通过分析3种碳滑板与铬锆铜接触线作为弓网配副材料时的载流摩擦学结果对比情况,综合比较不同摩擦副材料电弧侵蚀后覆冰条件下的载流摩擦磨损性能,发现纯碳滑板的磨损率虽然最低,但是接触电阻高,而东南佳的浸铜碳滑板的磨损率、摩擦系数与接触电阻较低,因此具有较好的耐磨性能与载流效率,综合来看东南佳的浸铜碳滑板的性能最优,且碳滑板表面材料转移程度也较低。由于电弧侵蚀碳滑板表面的氧化程度较高,通过扫描电镜结果可知试验后碳滑板表面存在许多白亮区域,经能谱分析其主要是氧化物。综合来看,东南佳的浸铜碳滑板/铬锆铜接触线这一配副材料组合具有良好的抗电弧侵蚀与载流摩擦磨损性能。(2)常温与低温环境下,研究了不同电弧侵蚀电流试验条件下配副载流磨损性能,研究发现:两种温度工况下的摩擦系数均值变化规律均呈先上升后下降的趋势,电弧侵蚀电流在50A附近时二者的摩擦系数均值均达到最大。低温工况下的摩擦系数普遍小于常温工况并且低温工况下的摩擦系数变化曲线波动较大,且低温工况下接触电阻大多小于常温工况下,得出接触副的载流质量与环境温度和接触质量相关,且随着接触质量的恶化而升高。低温下碳滑板材料的磨损率要远高于常温。常温工况下磨损率随着电弧侵蚀电流的增大并未呈线性关系,低温工况下磨损率随着电弧侵蚀电流的增大先有小幅度的降低然后再升高,在60A～70A上升值最为明显。从常温与低温试验的对比结果来看,低温下配副的摩擦系数、接触电阻大多低于常温,碳滑板摩擦率低温高于常温。随着电弧侵蚀电流强度增加,碳滑板表面的Cu缺失更加严重,同时留下不规则电弧侵蚀坑、熔焊层和扩展裂纹。对比温度变化与电流增加来看,温度变化是影响电弧侵蚀后载流磨擦磨损的主要因素。(3)在不同的滑移里程(循环次数)实验中,随着实验循环次数增加环境温度的影响更为明显,两者呈现不同的变化规律。常温下各个工况的摩擦系数高于低温,并且随着循环次数增加逐渐平稳。接触电阻在15000转时低温数值发生突变且高于常温,并且在20000转时两种温度工况下的摩擦系数与接触电阻的均值都相对较高,低温的接触电阻上升值最为明显。同时也得出电弧侵蚀后的碳滑板载流质量随着循环次数增加有所好转。对于磨损率和磨损质量来说,在同一滑移总里程的前提下,常温工况下总是高于低温,在25000转与30000转之间上升值为最大。且碳滑板在达到一定服役里程时,导致接触副磨损更为严重碳滑板磨耗会有异常增加。(4)碳滑板表面磨损机理主要有磨粒磨损、氧化磨损与粘着磨损,并伴随材料转移。由于低温,电弧侵蚀后的界面容易发生块状剥落和脆性断裂,而且持续的低温有效地抑制了界面的电阻热积累。

关键词： 高速重载   齿轮振动   齿面磨损   可靠性  

摘要： 介绍齿轮振动与磨损可靠性分析的相关技术，进行齿轮振动激励分析及有限元仿真，对时变齿轮啮合刚度解析计算。通过MATLAB软件设计出齿轮的二维图，利用Creo生成齿轮的三维模型，利用ANSYS对齿轮进行分析与仿真，得出随机参数对齿轮啮合振动传递误差可靠性和灵敏度。为齿轮的振动与磨损研究奠定基础。

关键词： HNBR   机械性能   磨损   溶胀行为  

摘要： HNBR具有卓越的力学性能以及耐磨性能而被广泛应用在石油开采领域。运用宏观的实验手段研究HNBR的各项性能已经开展了深入研究,但是从微观分子层面去揭示相关性能原理的研究仍然有进步的空间。本文基于分子动力学原理,旨在研究交联程度对HNBR溶胀及磨损行为的影响,阐明相应的微观机理。具体内容如下:(1)分析交联反应发生时的主要结构,根据物化特性建立99%氢化度的HNBR硫化模型,设立5个不同交联密度的模型。随后计算其玻璃化转变温度及机械性能,提取粒子移动轨迹得到均方位移。结果表明玻璃化转变温度随交联密度增大而升高,耐热性能提高。MSD随交联密度的提升而下降,交联密度较大的两个模型的轨迹趋势相同,说明交联密度已经达到最优,分子流动性受到了限制。机械性能随交联密度先增大后减小,交联密度超过30%后,则会导致晶格内应力集中,晶胞内产生不均匀变形,此时性能开始下降。(2)以验证模型的准确性为目的,测定HNBR胶料的交联密度。测定结果表明DCP能增加HNBR分子的交联密度,测定的玻璃化转变温度,与模拟值吻合良好,都在文献记录的合理范围之内。其宏观的力学性能表征参数都随着交联密度的增加而增大,但在DCP的用量达到6phr以后,各项力学性能的指标开始下降,实验值与模拟结果的变化趋势一致。导热系数和热分解稳定性都随着交联密度的增大而增大,在30%时的性能最佳。(3)选择各项模拟性能较好的交联密度30%的HNBR模型,填充环己烷(C6H12)分子,建立了不同溶胀体积的HNBR高分子聚合物模型,计算了各个模型的玻璃化转变温度以及机械性能,从微观层面分析溶胀行为对HNBR聚合物的影响机理。结果表明溶胀体积越大,玻璃化转变温度越小,分子链的移动活性也越强,油性分子可以减弱分子间作用力,限制被削弱,橡胶基体发生塑化,机械性能变差,抗形变的能力恶化,摩擦系数与磨损量都随着溶胀体积上升而增大。(4)建立橡胶金属摩擦副模型,从相对原子浓度分布和原子温度分布、均方位移三个不同的层面揭示溶胀行为发生后的摩擦磨损微观机理。结果表明,30%的模型径向分布函数最大,为39.87,对比0%溶胀体积的模型,数值提高了22%温度的升高使HNBR聚合物软化,对胶体微观结构的破坏程度变大,附着在铁原子层的HNBR聚合物原子变多,相互作用面积增大,磨损量随之提高,严重影响了HNBR的使用寿命。