基于高能微弧火花沉积技术的柱状微结构制备研究

发布时间：2020-07-15 01:44

【摘要】：柱状微结构在工业中有着广泛的应用,例如用于强化传热、作为微支撑结构等,而微弧火花沉积作为一项再制造和绿色制造技术,具有显著的经济和环保价值。目前,微弧火花沉积制备柱状微结构还鲜有报道,基础工艺和沉积理论尚待研究。本文基于微弧火花沉积技术,制备柱状微结构,采用正交试验法,进行了工艺参数实验,基于统计模型进行工艺参数优化,使用SEM、EDS、XRD、显微硬度计和压力实验机等系统对形貌、组织及性能进行分析,并从单脉冲沉积理论出发,提出了柱状微结构沉积模型。主要研究内容和所获结论如下:(1)微弧火花沉积技术能够制备不锈钢、镍基、钴基和复合结构柱状微结构。通过截面金相观察发现,柱状微结构是由众多沉积薄层交错堆叠而成,与基体呈良好的冶金结合,内部无明显裂纹、气孔和未熔合缺陷,显微组织以定向生长柱状晶为主,柱体顶部有等轴晶出现。(2)微弧火花沉积前期,柱状微结构高度与时间呈正比,30~80 s内高度达到最大值,由于柱体增高后,限制了顶部熔池的散热,导致凝固速率降低,产生严重飞溅,使得柱体高度随后小幅度降低。工艺参数优化结果表明,放电功率对柱体高度影响显著,两者呈正相关,而电极直径对柱体直径影响显著,两者也呈正相关。(3)保护气氛中氧含量对沉积过程有重要影响。氧含量为0.04~0.06 vol%时,单脉冲和多脉冲沉积斑边缘呈放射状飞溅,而氧含量为0.4~0.6 vol%和1.4~1.6 vol%时,沉积斑表面光滑,边缘无飞溅,呈圆饼型。同时发现氧含量为0.4~0.6 vol%时,质量转移系数最高,其值为87.3~92.7%。(4)304不锈钢、Inconel 625和Stellite 6柱状微结构的显微硬度分别为320 HV_(0.05),340 HV_(0.05),630 HV_(0.05)。而柱状微结构的抗压性能测试发现,三者柱状微结构的抗压强度分别约为1980 MPa、2166 MPa和2290 MPa。这表明利用微弧火花沉积技术制备的柱状微结构具有较好的承受抗压载荷的能力。本文对微弧火花沉积制备柱状微结构进行了系统性的基础研究,后续可通过开发精密自动化的沉积设备,并与其他技术结合进一步提高柱状微结构的沉积质量与效率。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661
【图文】：

表面微结构,方柱

热和作为微支撑结构等方面。当今社会，节能与环保越来越受到人们的重视，而强化传热技术作为一种节能技术引起国内外研究者的关注。增加表面扰动和流体湍动度等方法，由于操作简单、效果显著等优点而广泛应用于被动式强化换热技术中，并得到广泛研究。由于粗糙元能够增加表面扰动并提高流体换热，而受到学者的普遍关注[13]。Gulielmini 和 Misale[14]在直径 30 mm 的圆铜表面，使用 EDM 线切割加工出了高为3 mm，截面分别为 0.4 mm 0.4 mm 和 0.8 mm 0.8 mm 的方柱状表面微结构，对比研究了方柱表面和光滑表面的传热效果。实验表明，由于方柱状结构的面积远大于光滑表面，因而传热效果大大增强。同时发现竖直方向比水平方向的沸腾传热效果更好。Yu 和 Lu[15]使用电火花线切割在 10 mm 10 mm 的高纯度无氧铜表面加工出 4 4、5 5、6 6 的方柱形阵列表面，方柱间距分别为 2 mm、1 mm、0.5 mm，使用 FC-72 为工质在常压下进行了沸腾换热测试。结果表明，方柱间距为 0.5 mm，高度为 4 mm 时，表面气体的逸出阻力最大，但传热效果最好，极限热流密度（CHF）可达 98 W/cm2，为光滑表面的 5 倍以上。同时，根据实验数据总结出了不同参数方柱结构的临界热通量，如图 1-1 所示。

柱状结构,表面

图 1-2 烧结多孔柱状结构表面[16]魏进家和日本九州大学 Honda 教授等人[18-20]利用系列尺寸的微米级柱状微结构，研究了其对换热的重力下，柱状结构的沸腾曲线斜率较大，临界热通的 3~4.2 倍；对于流动沸腾、射流冲击等换热形式界热通量可达 167 W/cm2。

微结构,方柱,芯片,表面

图 1-2 烧结多孔柱状结构表面[16]学魏进家和日本九州大学 Honda 教授等人[18-20]利用干一系列尺寸的微米级柱状微结构，研究了其对换热的影微重力下，柱状结构的沸腾曲线斜率较大，临界热通量面的 3~4.2 倍；对于流动沸腾、射流冲击等换热形式都临界热通量可达 167 W/cm2。

【参考文献】