尼龙粉末在SLS预热温度下的离散元模型参数确定及其流动特性分析

尼龙粉末是增材制造中常用的粉体材料,温度对其流动性有重要影响. 探索尼龙粉末增材制造预热温度下的流动性是研究选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)工艺中粉体铺展成形的基础. 选取SLS技术中的尼龙粉末为原材料,采用离散元数值方法,研究尼龙粉末的流动行为,是增材制造工艺数值模拟和铺粉工艺优化的研究热点. 以Hertz-Mindlin模型为基础,基于Hamaker理论模型和库伦定律,在尼龙粉末的接触动力学模型中引入范德华力和静电力,建立预热温度下尼龙粉末流动的离散元模型(discrete element method, DEM),通过对比相应实验结果,标定了该模型的参数. 对加热旋转圆筒中尼龙粉末流动过程进行了DEM数值模拟,校核了所建模型的正确性,并研究了粉体粒径分布对尼龙粉末流动特性的影响规律. 研究表明,尼龙粉末黏附力是静电力与范德华力的共同作用结果;随着粉体粒径的增大,尼龙粉末崩塌角增大,流动性增强;相对于高斯粒径分布,粒径均匀分布的尼龙粉末颗粒流动性更强. 研究结果可指导SLS中铺粉工艺的优化.      

高温高压下C3H8/C2H4在空气中的爆炸上限

为了防控高温高压工艺流程中可燃混合气体潜在的爆炸风险,利用自行搭建的20 L球形爆炸特性实验装置,测试了初始温度20~200 ℃、初始压力0.1~1.5 MPa下C₃H₈/C₂H₄混合气体在空气中的爆炸上限,分析了温度、压力和C₂H₄体积分数对混合气体爆炸上限的影响。结果表明,随着温度和压力的升高,C₃H₈/C₂H₄混合气体爆炸上限升高。当初始压力高于0.3 MPa时,随着C₂H₄体积分数的增加,爆炸上限的上升速率明显降低。随着C₂H₄体积分数的增加,高温和高压下爆炸上限的提升幅度和速率比常温常压下更高。温度和压力的协同作用对爆炸上限的影响远大于二者单独作用的影响之和,即高温和高压协同作用下,C₃H₈/C₂H₄混合气体具有更高的爆炸风险,且随着C₂H₄体积分数的增加,爆炸风险会进一步提升。分别拟合得到了爆炸上限与温度参数、爆炸上限与压力参数以及爆炸上限与温度和压力双参数下的函数关系。

     

Ti3SiC2/Inconel718摩擦副的高温摩擦学性能

本文考察了Ti3SiC2-Inconel 718摩擦副从室温到800 ℃范围内的摩擦磨损性能.结果表明:温度的升高有利于改善Ti3 SiC2-Inconel 718摩擦副的摩擦磨损性能,在800℃时,其摩擦磨损性能优异.随着温度的升高,摩擦系数从室温的0.71降至800℃时的0.37,Ti3SiC2的磨损率从4×10-3 mm3/(N·m)降至10-5mm3/(N·m)以下.高温塑性变形和摩擦氧化物层的形成导致摩擦系数的降低,300℃以下,晶粒的断裂、拔出与脱落以及材料向合金的转移造成了Ti3SiC2高的磨损率,从400℃至800℃,Ti3 SiC2晶粒的断裂与脱落受到明显抑制,其磨损率显著降低.     

反应烧结Ti3SiC2材料的载流摩擦磨损性能

采用HST-100型摩擦磨损试验机,研究了载流条件下法向载荷和电流对Ti3SiC2材料摩擦磨损性能的影响,同时借助JSM-6700F型扫描电子显微镜研究了Ti3SiC2材料的磨损机理.结果表明:当电流为0 A时,Ti3SiC2材料磨损主要以机械磨损为主,随着载荷的增加,摩擦系数逐渐减小,在120 N时达到最小值0.32.在载流条件下,Ti3SiC2材料磨损主要以电弧烧蚀和机械磨损为主,随法向载荷的增加摩擦率逐渐减小,在120 N时磨损率接近于非载流条件下单纯的机械磨损量2.2×10-6mm3/(N.m).在高载荷和不同电流条件下,Ti3SiC2材料均表现出良好的载流摩擦磨损性能.     

钛硅碳衍生碳涂层在真空中的摩擦与磨损行为研究

采用高温氯化法(800℃,5%Cl2+Ar)制备了钛硅碳衍生碳涂层(CDC@Ti_3SiC_2).通过真空浸渍处理,将1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(LP106)浸渍到多孔层状结构的CDC@Ti_3SiC_2涂层中,得到固-液复合润滑涂层(CDC@Ti_3SiC_2-LP106).以Si_3N_4球为摩擦配副,分别考察了Ti_3SiC_2、CDC@Ti_3SiC_2和CDC@Ti_3SiC_2-LP106涂层在两种真空模式下的摩擦磨损性能.这两种真空模式分别为固定真空度(10–4Pa)和改变真空度(由105Pa逐渐减小至10–4Pa).随着真空度的增大,CDC@Ti_3SiC_2涂层的摩擦系数呈现先减小后增大的趋势.相比较而言,CDC@Ti_3SiC_2-LP106涂层的摩擦系数低且对真空度变化不敏感.在两种真空模式下,CDC@Ti_3SiC_2和CDC@Ti_3SiC_2-LP106涂层均显著减小了Ti_3SiC_2的摩擦系数,但其抗磨损性能并没有明显提高.     

Ti_3SiC_2/Cu摩擦副的载流摩擦学性能

本文中考察了Ti3SiC2/Cu摩擦副在干摩擦和微量离子液体润滑条件下的载流摩擦学特性.在干摩擦条件下,Ti3SiC2/Cu摩擦副的摩擦系数值为0.6~0.75.当滑动速度从0.11增至0.33 m/s时,接触电阻降低小,在Ti3SiC2栓磨损表面有Cu的转移膜形成.当滑动速度为0.44和0.56 m/s时,栓/盘接触不稳定并且产生电火花,表明在机械磨损和电磨损共同作用下Ti3SiC2栓发生了严重磨损.在微量离子液体润滑条件下,Ti3SiC2/Cu摩擦副处于边界润滑状态,随着滑动速度的提高,摩擦系数由0.08增至0.2.当滑动速度高于0.33 m/s时,产生长约数厘米、平均直径53μm的弯曲缠绕的铜丝,这是相对较硬的Ti3SiC2对Cu盘犁削作用的结果.铜丝将离子液体"扫离"了摩擦表面,并且对摩擦学性能和电性能造成不利影响.     

Ti_3SiC_2的加入对Ag-MoS_2-graphite复合材料力学及摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结技术制备了Ag-Mo S2-graphite和Ag-Mo S2-graphite-Ti3Si C2两种银基自润滑复合材料,考察了两种材料的致密度、硬度、弯曲强度及其在不同环境(大气和低真空)中的摩擦磨损性能.结果表明:低润湿性使得Ti3Si C2与基体界面处的孔隙增多,降低了致密度和弯曲强度,但对硬度影响不明显;摩擦过程中Ti3Si C2颗粒易于从基体材料表面剥落,阻碍了润滑膜的形成,造成Ag-Mo S2-graphite-Ti3Si C2复合材料的摩擦系数高于Ag-Mo S2-graphite复合材料;但Ti3Si C2的添加能够明显提高复合材料在大气中的耐磨性能,这主要与摩擦过程中的材料转移和摩擦化学反应有关.     

反应烧结Ti_3SiC_2/TiC复合材料摩擦磨损性能研究

采用无压反应烧结技术制备Ti3SiC2/TiC复合材料,利用XRD-7000型衍射仪、INSTRON-1195型电子万能试验机、JSM-6700F型扫描电子显微镜、HST-100型摩擦磨损试验机对Ti3SiC2/TiC复合材料烧结试样的相组成、抗弯强度、断口显微形貌和载流摩擦磨损性能进行了研究.结果表明:在1550℃下可制备得到均匀致密的Ti3SiC2/TiC复合材料;随着试样中TiC含量的增加,复合材料抗弯强度逐渐增大;当TiC质量分数达到18%左右时,抗弯强度明显增加,摩擦系数趋于稳定,磨损率快速下降;电流强度是Ti3SiC2/TiC复合材料摩擦磨损性能的主要影响因素,随着试验电流强度的增强,摩擦系数和磨损率明显增大;同时在摩擦表面生成一层熔融状氧化膜(非载流:SiO2、TiO2和FeTiO3载流:FeTiO3和Fe2.35Ti0.65O4),主要磨损形式为电弧烧蚀和氧化磨损.     

Ti3SiC2、不锈钢和NiCr合金在人工海水中的摩擦学性能

在SRV-1型摩擦磨损试验机上考察了Ti3SiC2、NiCr合金和不锈钢在干摩擦、蒸馏水和人工海水中的摩擦磨损性能,并用扫描电镜(SEM-EDS)及光电子能谱(XPS)对磨痕形貌及成分进行分析.结果表明:Ti3SiC2/Al2O3摩擦副的摩擦系数对摩擦条件变化不敏感,在液体介质中磨损稍有降低.3种摩擦条件下存在机械磨损和摩擦氧化磨损竞争,但机械磨损始终为主要磨损机制,因此摩擦和磨损较大.不锈钢/Al2O3和NiCr合金/Al2O3两摩擦副对摩擦条件变化较敏感,摩擦系数和磨损率在于摩擦、蒸馏水和海水中依次降低,其中NiCr合金降低幅度最大.干摩擦条件下两者以机械磨损为主要磨损机制,表现为黏着磨损和材料转移;蒸馏水中机械磨损和摩擦氧化磨损并存;海水中以腐蚀磨损为主导,腐蚀产物FeCl2、CrCl3或CrO22-或CrO2-等具有减摩抗磨作用.     

离子液体作为Si3N4-Ti3SiC2摩擦副润滑剂的摩擦学性能研究

采用SRV摩擦磨损试验机在室温及100 ℃下考察了两种离子液体（L-B106 和L-P106）、丙三醇、水作为Si₃N₄-Ti₃SiC₂摩擦副润滑剂的摩擦学行为,利用扫描电子显微镜（SEM）及X光电子能谱（XPS）对磨损表面进行了分析.结果表明：室温、20 N条件下,两种离子液体和丙三醇抗磨和减摩性能相当,室温、100 ℃条件下,L-P106相较于L-B106具有更好的润滑性能,且其抗磨和减摩性能均优于丙三醇,作为Si₃N₄-Ti₃SiC₂摩擦副润滑剂具有在苛刻环境条件下使用的应用前景. XPS分析结果表明：Ti₃SiC₂材料在摩擦过程中在摩擦热作用下生成了SiO_x、TiO₂,进而有效提高了Ti₃SiC₂摩擦副材料的抗磨损性能;此外,离子液体中的活性元素在Si₃N₄-Ti₃SiC₂摩擦副表面发生了复杂的摩擦化学反应,生成了由氟化钛、磷酸钛及硼酸钛等组成的具有减摩和抗磨性能的边界润滑膜.     

Al2O3/TiC基陶瓷刀具材料的高温摩擦磨损性能研究

采用UMT-2球-盘式高温摩擦磨损试验机,考察了A l2O3/TiC基陶瓷刀具材料在200℃至600℃范围内的高温摩擦磨损性能,并分别使用大景深显微镜,白光干涉仪和扫描电镜观察试验后磨痕的轮廓和微观形貌.结果表明：A l2O3/TiC陶瓷刀具的摩擦系数随环境温度的升高先升高,在600℃时开始降低,摩擦系数的数值在0.1~0.4之间;磨损量随着摩擦滑动速度的升高而降低,随着摩擦环境温度的升高而升高,磨损量的数值在4×10-7~9×10-7mm3/（N.m）之间;随着摩擦温度的升高,磨痕轮廓两侧具有明显的材料转移现象,A l2O3/TiC陶瓷材料主要磨损机理是裂纹的产生与材料的脱落.     

碳化物衍生碳涂层/氮化硅摩擦副在水润滑下的摩擦学性能

基于SiC陶瓷在水润滑条件下可能出现因摩擦界面无水或过载引起的失效问题,考察了SiC陶瓷、碳化物衍生碳(CDC)涂层在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能.研究结果表明:CDC涂层在干摩擦和水润滑条件下均具有优异的摩擦学性能,可在摩擦界面无水或过载下正常工作;在水润滑条件下,CDC涂层在宽的载荷和滑动速度下具有优异的摩擦学性能.从微结构角度分析比较了CDC涂层与商品石墨的差异,并由此讨论了其摩擦学性能的差异.讨论了加工SiC陶瓷引起的表面织构对CDC涂层在水润滑条件下摩擦学性能的影响机制.