【摘要】：柱狀微結(jié)構(gòu)在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,例如用于強(qiáng)化傳熱、作為微支撐結(jié)構(gòu)等,而微弧火花沉積作為一項(xiàng)再制造和綠色制造技術(shù),具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值。目前,微弧火花沉積制備柱狀微結(jié)構(gòu)還鮮有報(bào)道,基礎(chǔ)工藝和沉積理論尚待研究。本文基于微弧火花沉積技術(shù),制備柱狀微結(jié)構(gòu),采用正交試驗(yàn)法,進(jìn)行了工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn),基于統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化,使用SEM、EDS、XRD、顯微硬度計(jì)和壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)等系統(tǒng)對(duì)形貌、組織及性能進(jìn)行分析,并從單脈沖沉積理論出發(fā),提出了柱狀微結(jié)構(gòu)沉積模型。主要研究?jī)?nèi)容和所獲結(jié)論如下:(1)微弧火花沉積技術(shù)能夠制備不銹鋼、鎳基、鈷基和復(fù)合結(jié)構(gòu)柱狀微結(jié)構(gòu)。通過(guò)截面金相觀察發(fā)現(xiàn),柱狀微結(jié)構(gòu)是由眾多沉積薄層交錯(cuò)堆疊而成,與基體呈良好的冶金結(jié)合,內(nèi)部無(wú)明顯裂紋、氣孔和未熔合缺陷,顯微組織以定向生長(zhǎng)柱狀晶為主,柱體頂部有等軸晶出現(xiàn)。(2)微弧火花沉積前期,柱狀微結(jié)構(gòu)高度與時(shí)間呈正比,30~80 s內(nèi)高度達(dá)到最大值,由于柱體增高后,限制了頂部熔池的散熱,導(dǎo)致凝固速率降低,產(chǎn)生嚴(yán)重飛濺,使得柱體高度隨后小幅度降低。工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明,放電功率對(duì)柱體高度影響顯著,兩者呈正相關(guān),而電極直徑對(duì)柱體直徑影響顯著,兩者也呈正相關(guān)。(3)保護(hù)氣氛中氧含量對(duì)沉積過(guò)程有重要影響。氧含量為0.04~0.06 vol%時(shí),單脈沖和多脈沖沉積斑邊緣呈放射狀飛濺,而氧含量為0.4~0.6 vol%和1.4~1.6 vol%時(shí),沉積斑表面光滑,邊緣無(wú)飛濺,呈圓餅型。同時(shí)發(fā)現(xiàn)氧含量為0.4~0.6 vol%時(shí),質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)最高,其值為87.3~92.7%。(4)304不銹鋼、Inconel 625和Stellite 6柱狀微結(jié)構(gòu)的顯微硬度分別為320 HV_(0.05),340 HV_(0.05),630 HV_(0.05)。而柱狀微結(jié)構(gòu)的抗壓性能測(cè)試發(fā)現(xiàn),三者柱狀微結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度分別約為1980 MPa、2166 MPa和2290 MPa。這表明利用微弧火花沉積技術(shù)制備的柱狀微結(jié)構(gòu)具有較好的承受抗壓載荷的能力。本文對(duì)微弧火花沉積制備柱狀微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究,后續(xù)可通過(guò)開(kāi)發(fā)精密自動(dòng)化的沉積設(shè)備,并與其他技術(shù)結(jié)合進(jìn)一步提高柱狀微結(jié)構(gòu)的沉積質(zhì)量與效率。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG661
【圖文】：

熱和作為微支撐結(jié)構(gòu)等方面。當(dāng)今社會(huì)，節(jié)能與環(huán)保越來(lái)越受到人們的重視，而強(qiáng)化傳熱技術(shù)作為一種節(jié)能技術(shù)引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。增加表面擾動(dòng)和流體湍動(dòng)度等方法，由于操作簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于被動(dòng)式強(qiáng)化換熱技術(shù)中，并得到廣泛研究。由于粗糙元能夠增加表面擾動(dòng)并提高流體換熱，而受到學(xué)者的普遍關(guān)注[13]。Gulielmini 和 Misale[14]在直徑 30 mm 的圓銅表面，使用 EDM 線切割加工出了高為3 mm，截面分別為 0.4 mm 0.4 mm 和 0.8 mm 0.8 mm 的方柱狀表面微結(jié)構(gòu)，對(duì)比研究了方柱表面和光滑表面的傳熱效果。實(shí)驗(yàn)表明，由于方柱狀結(jié)構(gòu)的面積遠(yuǎn)大于光滑表面，因而傳熱效果大大增強(qiáng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)豎直方向比水平方向的沸騰傳熱效果更好。Yu 和 Lu[15]使用電火花線切割在 10 mm 10 mm 的高純度無(wú)氧銅表面加工出 4 4、5 5、6 6 的方柱形陣列表面，方柱間距分別為 2 mm、1 mm、0.5 mm，使用 FC-72 為工質(zhì)在常壓下進(jìn)行了沸騰換熱測(cè)試。結(jié)果表明，方柱間距為 0.5 mm，高度為 4 mm 時(shí)，表面氣體的逸出阻力最大，但傳熱效果最好，極限熱流密度（CHF）可達(dá) 98 W/cm2，為光滑表面的 5 倍以上。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出了不同參數(shù)方柱結(jié)構(gòu)的臨界熱通量，如圖 1-1 所示。

圖 1-2 燒結(jié)多孔柱狀結(jié)構(gòu)表面[16]魏進(jìn)家和日本九州大學(xué) Honda 教授等人[18-20]利用系列尺寸的微米級(jí)柱狀微結(jié)構(gòu)，研究了其對(duì)換熱的重力下，柱狀結(jié)構(gòu)的沸騰曲線斜率較大，臨界熱通的 3~4.2 倍；對(duì)于流動(dòng)沸騰、射流沖擊等換熱形式界熱通量可達(dá) 167 W/cm2。

圖 1-2 燒結(jié)多孔柱狀結(jié)構(gòu)表面[16]學(xué)魏進(jìn)家和日本九州大學(xué) Honda 教授等人[18-20]利用干一系列尺寸的微米級(jí)柱狀微結(jié)構(gòu)，研究了其對(duì)換熱的影微重力下，柱狀結(jié)構(gòu)的沸騰曲線斜率較大，臨界熱通量面的 3~4.2 倍；對(duì)于流動(dòng)沸騰、射流沖擊等換熱形式都臨界熱通量可達(dá) 167 W/cm2。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2755788