热挤压核级Zr-4润滑机理研究及参数优化
发布时间：2020-12-20 07:37
核级锆合金广泛应用在水冷核反应堆中堆芯结构材料,这些结构材料大部分是由热挤压工艺加工而成。但由于锆合金在高温环境中易被氧、氮、氢等污染,在热加工时易粘模具,因此对核级锆合金润滑方式的选择至关重要。本文以某商用粘结固体润滑剂为对象,分析不同温度条件下润滑层的组分和润滑性能变化,同时设计一套实验室专用热挤压模具,来探究润滑层在热挤压中的润滑效果,并结合Deform-3D模拟对挤压件性能进行分析,为此类粘结型固体润滑层应用于核级锆合金热挤压中提供理论指导。本文通过测定润滑剂的组成成分变化,分析不同温度时涂层的润滑性能。结果表明,在200℃-600℃时,润滑层中有固体润滑材料MoS2和石墨组分存在,其中MoS2开始氧化温度为550℃左右。润滑层加热至600℃之后,由于润滑层的逐渐氧化而失效,其摩擦系数也随之升高。在700℃时润滑层已经处于失效状态,润滑层中MoS2及石墨被完全氧化,变为MoO3和钼酸盐。通过高温球盘实验可知,润滑层在400℃和600℃时依旧可以保持优异的减磨抗磨性能,其有效摩擦系数均在0.1...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
核级锆材产业体系流程
西安建筑科技大学硕士学位论文5到含量为97.44wt%的Zr。此外还有熔盐电解法、直接电脱氧法等方法制备锆及其合金，其原理是将金属氧化物作为阴极，得到杂质较少甚至纯净的金属。图1.2海绵锆制备工艺流程Fig1.2Processesofzirconiumproduction由于锆合金应用环境为核反应堆中的结构材料，需要在高温高压水、高温蒸汽中工作，所以需要有良好的耐腐蚀性、热强性和抗中子辐照性能等优异性能。核用锆合金一般为相，而-Zr对Nb、Fe、Cr等主要合金元素的固溶度十分有限，当添加到合金元素超过其固溶度时，余下的合金元素在加工制造以及服役状态时以金属间化合物形式沉淀下来，形成第二相粒子。研究表明，锆合金的耐腐蚀性能、晶粒长大行为、力学性能等均与第二相粒子密切相关，因此第二相粒子一直以来成为各国锆合金研究中的重点[17]。典型锆合金的第二相粒子信息如表1.2所示，一般来说第二相粒子在材料中均匀弥散分布有利于保持较好的性能。核级锆合金的加工工艺有轧制、挤压等，其中热挤压工艺是金属在热锻温度下，对金属进行三向压应力的挤压成形。其优点是金属材料的利用率高，且其组织性能、机械性能得到了改善[61,62]。挤压过程不仅与材料的性能关系密切，而且挤压变形形式、温度、挤压比、挤压速度、润滑条件以及模具结构等众多工艺条件对挤压过程的影响重大，各因素对制品的质量影响关系复杂[63-68]。确定挤压工艺时要求在保持模具有满意寿命的条件下制定正确的参数和流程，即要求预热温度、挤压比、挤压速度及润滑方式等多方面的配合。魏慧慧[69]、LiL[70]及娄燕[71]通过有限元分析研究发现，钛合金锭坯在挤压过程中，锭坯的温升与挤压速度、摩擦因子、挤压比和模具预热温度成正比，最高时温升可达160℃以上。MirahmadiSJ[72]综?
西安建筑科技大学硕士学位论文7图1.3塑性成形工艺示意图Fig1.3Schematicofplasticformingprocess1.3.2挤压过程中的摩擦磨损表征方法摩擦磨损机制十分复杂，而挤压过程中的摩擦磨损更为复杂，国内外对挤压中存在的摩擦学问题一直在进行研究，目前所采用的技术方法有以下两类：（1）现场实验环压缩实验[78,79]是研究金属成形过程中应用较广的测试方法之一。李峰等人[80]利用有限元方法对不同圆环压缩过程中的分流行为进行模拟研究，揭示铝合金圆环压缩过程中分流行为的产生机理，并利用罗德系数、J2应力偏量不变量等特征量对成形机理进行分析。结果表明：外侧施压时，随着高径比增大，难变形区明显扩大，向内侧流动的金属量逐渐减少，分流面位置明显左移；内侧施压时，随着摩擦因子增大，塑性区内应变类型由均一压缩类变为3种共存（内外均凸单鼓形、外凸单鼓形和外凸折皱形），此时向内侧流动的金属量增大，其流动分界面相对右移。赵乙丞等人[81]采用环压缩法和挤压-模拟法测定Zr-4合金有润滑条件下的摩擦系数，结果表明，在740℃条件下，环压缩法的摩擦系数为0.18-0.27，而挤压模拟实验的摩擦系数为0.35左右，两种测量方法所的结果相差较大，这是
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于圆环压缩和挤压–模拟法的Zr-4合金塑性成形摩擦因子测定[J]. 赵乙丞,朱广伟,齐鹏,张志豪. 工程科学学报. 2020(02)
[2]Zr-4合金与H13模具钢的界面换热行为研究[J]. 倪嘉,王练,张志豪,谢建新. 稀有金属材料与工程. 2019(05)
[3]闭式模锻成形理论及其关键技术研究[J]. 夏巨谌,张茂,金俊松,邓磊,王新云. 塑性工程学报. 2018(05)
[4]钛合金型材精密挤压技术国内外研究现状[J]. 邓同生,李尚,卢娇,刘鑫,李东升,李小强. 锻压技术. 2018(06)
[5]刍议金属压力加工中的摩擦与润滑[J]. 雷小洪. 中国金属通报. 2018(03)
[6]金属加工节能润滑技术研究[J]. 罗文敏. 山东工业技术. 2017(24)
[7]玻璃润滑剂对TC4钛合金挤压管材外表面质量的影响[J]. 万鹏,李树荣,李永林. 云南冶金. 2017(04)
[8]Sc微合金化纯铝大变形组织与强化机制[J]. 丁清,许晓静,汪成松,朱金鑫,杨帆,黄晶. 稀有金属. 2017(08)
[9]水性二硫化钼基粘结固体润滑涂层制备及其摩擦学性能[J]. 李斌,冶银平,万宏启,陈磊,陈建敏. 中国表面工程. 2017(04)
[10]锆及锆合金塑性变形加工的感应加热(下)[J]. 李韵豪. 金属加工(热加工). 2016(17)
硕士论文
[1]基于自蔓延的铝热还原氧化锆的研究[D]. 王淼.北京有色金属研究总院 2017
[2]复合固体润滑膜摩擦学性能研究[D]. 马少博.北京交通大学 2017
[3]6061铝合金热挤压过程中摩擦磨损行为等效表征研究[D]. 张明.湖南大学 2014
[4]Nb、Cu对锆合金耐腐蚀性能影响的研究[D]. 杨艳平.上海大学 2014
[5]核电用锆合金管材在加工过程中的组织及织构研究[D]. 王丽霞.重庆大学 2012
[6]耐高温硅烷偶联剂的合成及硅烷偶联剂预处理铜箔的研究[D]. 张余宝.南昌大学 2011
[7]两种固体润滑涂层转动微动摩擦学特性研究[D]. 王运动.西南交通大学 2010
本文编号：2927485
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
核级锆材产业体系流程
西安建筑科技大学硕士学位论文5到含量为97.44wt%的Zr。此外还有熔盐电解法、直接电脱氧法等方法制备锆及其合金，其原理是将金属氧化物作为阴极，得到杂质较少甚至纯净的金属。图1.2海绵锆制备工艺流程Fig1.2Processesofzirconiumproduction由于锆合金应用环境为核反应堆中的结构材料，需要在高温高压水、高温蒸汽中工作，所以需要有良好的耐腐蚀性、热强性和抗中子辐照性能等优异性能。核用锆合金一般为相，而-Zr对Nb、Fe、Cr等主要合金元素的固溶度十分有限，当添加到合金元素超过其固溶度时，余下的合金元素在加工制造以及服役状态时以金属间化合物形式沉淀下来，形成第二相粒子。研究表明，锆合金的耐腐蚀性能、晶粒长大行为、力学性能等均与第二相粒子密切相关，因此第二相粒子一直以来成为各国锆合金研究中的重点[17]。典型锆合金的第二相粒子信息如表1.2所示，一般来说第二相粒子在材料中均匀弥散分布有利于保持较好的性能。核级锆合金的加工工艺有轧制、挤压等，其中热挤压工艺是金属在热锻温度下，对金属进行三向压应力的挤压成形。其优点是金属材料的利用率高，且其组织性能、机械性能得到了改善[61,62]。挤压过程不仅与材料的性能关系密切，而且挤压变形形式、温度、挤压比、挤压速度、润滑条件以及模具结构等众多工艺条件对挤压过程的影响重大，各因素对制品的质量影响关系复杂[63-68]。确定挤压工艺时要求在保持模具有满意寿命的条件下制定正确的参数和流程，即要求预热温度、挤压比、挤压速度及润滑方式等多方面的配合。魏慧慧[69]、LiL[70]及娄燕[71]通过有限元分析研究发现，钛合金锭坯在挤压过程中，锭坯的温升与挤压速度、摩擦因子、挤压比和模具预热温度成正比，最高时温升可达160℃以上。MirahmadiSJ[72]综?
西安建筑科技大学硕士学位论文7图1.3塑性成形工艺示意图Fig1.3Schematicofplasticformingprocess1.3.2挤压过程中的摩擦磨损表征方法摩擦磨损机制十分复杂，而挤压过程中的摩擦磨损更为复杂，国内外对挤压中存在的摩擦学问题一直在进行研究，目前所采用的技术方法有以下两类：（1）现场实验环压缩实验[78,79]是研究金属成形过程中应用较广的测试方法之一。李峰等人[80]利用有限元方法对不同圆环压缩过程中的分流行为进行模拟研究，揭示铝合金圆环压缩过程中分流行为的产生机理，并利用罗德系数、J2应力偏量不变量等特征量对成形机理进行分析。结果表明：外侧施压时，随着高径比增大，难变形区明显扩大，向内侧流动的金属量逐渐减少，分流面位置明显左移；内侧施压时，随着摩擦因子增大，塑性区内应变类型由均一压缩类变为3种共存（内外均凸单鼓形、外凸单鼓形和外凸折皱形），此时向内侧流动的金属量增大，其流动分界面相对右移。赵乙丞等人[81]采用环压缩法和挤压-模拟法测定Zr-4合金有润滑条件下的摩擦系数，结果表明，在740℃条件下，环压缩法的摩擦系数为0.18-0.27，而挤压模拟实验的摩擦系数为0.35左右，两种测量方法所的结果相差较大，这是
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于圆环压缩和挤压–模拟法的Zr-4合金塑性成形摩擦因子测定[J]. 赵乙丞,朱广伟,齐鹏,张志豪. 工程科学学报. 2020(02)
[2]Zr-4合金与H13模具钢的界面换热行为研究[J]. 倪嘉,王练,张志豪,谢建新. 稀有金属材料与工程. 2019(05)
[3]闭式模锻成形理论及其关键技术研究[J]. 夏巨谌,张茂,金俊松,邓磊,王新云. 塑性工程学报. 2018(05)
[4]钛合金型材精密挤压技术国内外研究现状[J]. 邓同生,李尚,卢娇,刘鑫,李东升,李小强. 锻压技术. 2018(06)
[5]刍议金属压力加工中的摩擦与润滑[J]. 雷小洪. 中国金属通报. 2018(03)
[6]金属加工节能润滑技术研究[J]. 罗文敏. 山东工业技术. 2017(24)
[7]玻璃润滑剂对TC4钛合金挤压管材外表面质量的影响[J]. 万鹏,李树荣,李永林. 云南冶金. 2017(04)
[8]Sc微合金化纯铝大变形组织与强化机制[J]. 丁清,许晓静,汪成松,朱金鑫,杨帆,黄晶. 稀有金属. 2017(08)
[9]水性二硫化钼基粘结固体润滑涂层制备及其摩擦学性能[J]. 李斌,冶银平,万宏启,陈磊,陈建敏. 中国表面工程. 2017(04)
[10]锆及锆合金塑性变形加工的感应加热(下)[J]. 李韵豪. 金属加工(热加工). 2016(17)
硕士论文
[1]基于自蔓延的铝热还原氧化锆的研究[D]. 王淼.北京有色金属研究总院 2017
[2]复合固体润滑膜摩擦学性能研究[D]. 马少博.北京交通大学 2017
[3]6061铝合金热挤压过程中摩擦磨损行为等效表征研究[D]. 张明.湖南大学 2014
[4]Nb、Cu对锆合金耐腐蚀性能影响的研究[D]. 杨艳平.上海大学 2014
[5]核电用锆合金管材在加工过程中的组织及织构研究[D]. 王丽霞.重庆大学 2012
[6]耐高温硅烷偶联剂的合成及硅烷偶联剂预处理铜箔的研究[D]. 张余宝.南昌大学 2011
[7]两种固体润滑涂层转动微动摩擦学特性研究[D]. 王运动.西南交通大学 2010
本文编号：2927485
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