基于第一性原理的钨基搅拌头材料设计及性能预测
发布时间：2021-08-09 00:40
搅拌摩擦焊接技术作为运用日益广泛的固相连接方式,搅拌头材料制约其在高熔点材料焊接领域的商业化和工程化发展。钨铼合金是目前公认具有良好耐磨性的搅拌头材料,但是铼元素高昂的价格成为了制约钨铼合金不能规模化使用的主要因素。本文采用第一性原理方法,从原子结构角度出发,设计廉价且高强韧性的钨基搅拌头材料,并通过粉末冶金方式制备相应的钨基材料。第一性原理计算结果表明钨铼合金具有良好强韧性的原因是铼的加入减弱了钨的共价性,提高了钨基体的塑韧性,同时铼的加入改变了钨基体的电子云图。此外,铼也能提高钨晶界的结合强度进而增大了钨的强韧性。然而通过计算发现从掺杂元素制备合金的角度并不能找到替代铼的廉价元素,于是本文从TiC及ZrC基金属陶瓷具有优异的强韧性和耐磨性的角度出发,运用Material Studio软件中的Castep模块从电子结构角度研究了金属陶瓷内部界面特性,探索TiC/W、ZrC/W作为搅拌头材料的可行性,为制备相应的材料提供指导作用。计算结果表明TiC、ZrC在费米能级处的态密度不等于零,说明了两者具有金属性。通过计算表面构型层间距和表面能随层厚变化可以看出,TiC、ZrC及W的表面构型达...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自持式搅拌头的三维图
度和板厚相等和施加下压量的原因将造成补焊时焊缝背部焊穿。可伸缩式的搅拌针可通过调节搅拌针的伸出长度不仅降低补焊时背部焊穿的可能性，同时也增加了搅拌摩擦焊接不同厚度结构件的能力，如图1-3是可伸缩式搅拌针的结构图。图1-3 可伸缩式搅拌针的结构图[19]除此之外，还有各种搅拌针的设计，例如三沟槽搅拌针的发明不仅仅减少了搅拌针的体积也能促进热塑性金属材料的流动，同时也可以破碎被焊接材料表面的氧化层，如图1-4所示为三沟槽搅拌针。搅拌针底部像树枝一样叉开的形状能够很好地改善搅拌针的动静态体积比即增大了搅拌针本身的体积与搅拌针旋转时所扫过的动态体积之间的差距，这将优化热塑性材料的移动路径进而改善焊缝成型和焊缝质量。图1-4 三沟槽搅拌针示意图[20]非对称形搅拌针具有和图1-4中的三沟槽搅拌针同样的效果，唯一的不同在于非对称形搅拌针和搅拌摩擦焊机的主轴不在一个轴线上，设有约2.5°的角度来改善搅拌针的动静态体积比和被焊材料的塑化范围。同样能增大热塑性材料搅拌量的还有凸轮形状的搅拌针，这种搅拌针由于凸面和热塑性材料之间的滑动，使搅拌头在行进过程中可以减少前进的阻力，尤其是螺纹的存在可以得到更加优质的焊缝。然而搅拌摩擦焊接一般针对平板和可旋转的柱体焊接
还有各种搅拌针的设计，例如三沟槽搅拌针的发明不仅仅减少了搅拌针的体积也能促进热塑性金属材料的流动，同时也可以破碎被焊接材料表面的氧化层，如图1-4所示为三沟槽搅拌针。搅拌针底部像树枝一样叉开的形状能够很好地改善搅拌针的动静态体积比即增大了搅拌针本身的体积与搅拌针旋转时所扫过的动态体积之间的差距，这将优化热塑性材料的移动路径进而改善焊缝成型和焊缝质量。图1-4 三沟槽搅拌针示意图[20]非对称形搅拌针具有和图1-4中的三沟槽搅拌针同样的效果，唯一的不同在于非对称形搅拌针和搅拌摩擦焊机的主轴不在一个轴线上，设有约2.5°的角度来改善搅拌针的动静态体积比和被焊材料的塑化范围。同样能增大热塑性材料搅拌量的还有凸轮形状的搅拌针，这种搅拌针由于凸面和热塑性材料之间的滑动，使搅拌头在行进过程中可以减少前进的阻力，尤其是螺纹的存在可以得到更加优质的焊缝。然而搅拌摩擦焊接一般针对平板和可旋转的柱体焊接，为了扩大其应用范围，研究者们发明了静止轴肩搅拌摩擦焊接(SSFSW)这一可以焊接各个角度的新颖技术，如图
【参考文献】：
期刊论文
[1]搅拌摩擦加工细晶TA2纯钛及其热稳定性研究[J]. 胥桥梁,马燕苹,陈琛辉,刘成龙. 重庆理工大学学报(自然科学). 2017(05)
[2]搅拌头材质对搅拌摩擦焊焊缝组织及性能的影响[J]. 钟厉,罗明宝,韩西. 热加工工艺. 2017(05)
[3]基于第一性原理计算Rh含量对Ir-Rh合金力学性能的影响[J]. 潘新东,魏燕,蔡宏中,祁小红,郑旭,胡昌义,张诩翔. 物理学报. 2016(15)
[4]析出粒子对钛微合金化高强钢奥氏体晶粒长大的影响[J]. 罗许,杨财水,康永林,李俊洪. 工程科学学报. 2016(02)
[5]萤石表面性质各向异性研究及进展[J]. 高跃升,高志勇,孙伟. 中国有色金属学报. 2016(02)
[6]钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展[J]. 李艺君,付瑞东. 机械工程学报. 2015(22)
[7]Zr含量对Nb-Ti-Si基超高温合金组织及抗氧化性能的影响[J]. 曾宇翔,郭喜平,乔彦强,聂仲毅. 金属学报. 2015(09)
[8]高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究[J]. 张修路,罗雰,郭志成,遆瑞娟,刘中利,刘成安,蔡灵仓. 原子与分子物理学报. 2015(03)
[9]材料基因组——材料研发新模式[J]. 汪洪,向勇,项晓东,陈立泉. 科技导报. 2015(10)
[10]阻碍钢的搅拌摩擦焊研究进展的关键问题[J]. 顾艳红,焦向东,周灿丰,高辉,车俊铁. 焊接技术. 2015(05)
博士论文
[1]铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊技术研究[D]. 李冬晓.天津大学 2015
[2]镍基单晶高温合金中相界面的电子显微学与第一性原理研究[D]. 孙飞.山东大学 2014
[3]基于第一性原理的镍基合金晶界脆化机理的理论研究[D]. 刘文冠.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
[4]若干过渡族金属及合金系统关键性能的第一性原理研究[D]. 梁超平.中南大学 2013
[5]H13钢表面激光熔覆TiC/Co基涂层及其高温磨损性能研究[D]. Pham Thi Hong Nga（范氏红娥）.昆明理工大学 2013
[6]碳基和类碳超硬材料的第一性原理研究[D]. 蒋雪.大连理工大学 2013
[7]TiC基金属陶瓷界面结合的第一性原理研究[D]. 申玉芳.广西大学 2012
[8]超硬金属氮化物纳米多层膜界面微结构及力学性能研究[D]. 尹德强.重庆大学 2012
[9]若干新材料相稳定性及力学性能的第一性原理研究[D]. 姚强.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]TiC/Fe金属陶瓷及其梯度复合材料的制备与性能研究[D]. 王嘉琪.北京交通大学 2017
[2]高强韧低合金马氏体耐磨钢的研制[D]. 刘晓东.山东大学 2016
[3]装甲钢复合热源搅拌摩擦焊装置与工艺研究[D]. 夏浩.南京理工大学 2016
[4]不锈钢渗氮表面耐腐蚀机理的第一性原理研究[D]. 许斐范.大连理工大学 2015
[5]钨铜、钨钼合金高温高压性质的第一性原理研究[D]. 翟东.北京化工大学 2015
[6]合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究[D]. 黄天龙.吉林大学 2015
[7]Mg-Ca系合金中相稳定性，力学及热力学性质的第一性原理计算[D]. 于波.沈阳工业大学 2015
[8]WC-Co硬质合金搅拌摩擦焊搅拌头的研制[D]. 张晨.南昌航空大学 2014
[9]微合金化对AlSc2结构与性能的影响及V-Si-Gd三元相图的测定[D]. 莫艳芳.广西大学 2014
[10]铱基高温合金增韧机理第一性原理研究[D]. 吕连灏.昆明理工大学 2013
本文编号：3331004
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自持式搅拌头的三维图
度和板厚相等和施加下压量的原因将造成补焊时焊缝背部焊穿。可伸缩式的搅拌针可通过调节搅拌针的伸出长度不仅降低补焊时背部焊穿的可能性，同时也增加了搅拌摩擦焊接不同厚度结构件的能力，如图1-3是可伸缩式搅拌针的结构图。图1-3 可伸缩式搅拌针的结构图[19]除此之外，还有各种搅拌针的设计，例如三沟槽搅拌针的发明不仅仅减少了搅拌针的体积也能促进热塑性金属材料的流动，同时也可以破碎被焊接材料表面的氧化层，如图1-4所示为三沟槽搅拌针。搅拌针底部像树枝一样叉开的形状能够很好地改善搅拌针的动静态体积比即增大了搅拌针本身的体积与搅拌针旋转时所扫过的动态体积之间的差距，这将优化热塑性材料的移动路径进而改善焊缝成型和焊缝质量。图1-4 三沟槽搅拌针示意图[20]非对称形搅拌针具有和图1-4中的三沟槽搅拌针同样的效果，唯一的不同在于非对称形搅拌针和搅拌摩擦焊机的主轴不在一个轴线上，设有约2.5°的角度来改善搅拌针的动静态体积比和被焊材料的塑化范围。同样能增大热塑性材料搅拌量的还有凸轮形状的搅拌针，这种搅拌针由于凸面和热塑性材料之间的滑动，使搅拌头在行进过程中可以减少前进的阻力，尤其是螺纹的存在可以得到更加优质的焊缝。然而搅拌摩擦焊接一般针对平板和可旋转的柱体焊接
还有各种搅拌针的设计，例如三沟槽搅拌针的发明不仅仅减少了搅拌针的体积也能促进热塑性金属材料的流动，同时也可以破碎被焊接材料表面的氧化层，如图1-4所示为三沟槽搅拌针。搅拌针底部像树枝一样叉开的形状能够很好地改善搅拌针的动静态体积比即增大了搅拌针本身的体积与搅拌针旋转时所扫过的动态体积之间的差距，这将优化热塑性材料的移动路径进而改善焊缝成型和焊缝质量。图1-4 三沟槽搅拌针示意图[20]非对称形搅拌针具有和图1-4中的三沟槽搅拌针同样的效果，唯一的不同在于非对称形搅拌针和搅拌摩擦焊机的主轴不在一个轴线上，设有约2.5°的角度来改善搅拌针的动静态体积比和被焊材料的塑化范围。同样能增大热塑性材料搅拌量的还有凸轮形状的搅拌针，这种搅拌针由于凸面和热塑性材料之间的滑动，使搅拌头在行进过程中可以减少前进的阻力，尤其是螺纹的存在可以得到更加优质的焊缝。然而搅拌摩擦焊接一般针对平板和可旋转的柱体焊接，为了扩大其应用范围，研究者们发明了静止轴肩搅拌摩擦焊接(SSFSW)这一可以焊接各个角度的新颖技术，如图
【参考文献】：
期刊论文
[1]搅拌摩擦加工细晶TA2纯钛及其热稳定性研究[J]. 胥桥梁,马燕苹,陈琛辉,刘成龙. 重庆理工大学学报(自然科学). 2017(05)
[2]搅拌头材质对搅拌摩擦焊焊缝组织及性能的影响[J]. 钟厉,罗明宝,韩西. 热加工工艺. 2017(05)
[3]基于第一性原理计算Rh含量对Ir-Rh合金力学性能的影响[J]. 潘新东,魏燕,蔡宏中,祁小红,郑旭,胡昌义,张诩翔. 物理学报. 2016(15)
[4]析出粒子对钛微合金化高强钢奥氏体晶粒长大的影响[J]. 罗许,杨财水,康永林,李俊洪. 工程科学学报. 2016(02)
[5]萤石表面性质各向异性研究及进展[J]. 高跃升,高志勇,孙伟. 中国有色金属学报. 2016(02)
[6]钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展[J]. 李艺君,付瑞东. 机械工程学报. 2015(22)
[7]Zr含量对Nb-Ti-Si基超高温合金组织及抗氧化性能的影响[J]. 曾宇翔,郭喜平,乔彦强,聂仲毅. 金属学报. 2015(09)
[8]高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究[J]. 张修路,罗雰,郭志成,遆瑞娟,刘中利,刘成安,蔡灵仓. 原子与分子物理学报. 2015(03)
[9]材料基因组——材料研发新模式[J]. 汪洪,向勇,项晓东,陈立泉. 科技导报. 2015(10)
[10]阻碍钢的搅拌摩擦焊研究进展的关键问题[J]. 顾艳红,焦向东,周灿丰,高辉,车俊铁. 焊接技术. 2015(05)
博士论文
[1]铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊技术研究[D]. 李冬晓.天津大学 2015
[2]镍基单晶高温合金中相界面的电子显微学与第一性原理研究[D]. 孙飞.山东大学 2014
[3]基于第一性原理的镍基合金晶界脆化机理的理论研究[D]. 刘文冠.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
[4]若干过渡族金属及合金系统关键性能的第一性原理研究[D]. 梁超平.中南大学 2013
[5]H13钢表面激光熔覆TiC/Co基涂层及其高温磨损性能研究[D]. Pham Thi Hong Nga（范氏红娥）.昆明理工大学 2013
[6]碳基和类碳超硬材料的第一性原理研究[D]. 蒋雪.大连理工大学 2013
[7]TiC基金属陶瓷界面结合的第一性原理研究[D]. 申玉芳.广西大学 2012
[8]超硬金属氮化物纳米多层膜界面微结构及力学性能研究[D]. 尹德强.重庆大学 2012
[9]若干新材料相稳定性及力学性能的第一性原理研究[D]. 姚强.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]TiC/Fe金属陶瓷及其梯度复合材料的制备与性能研究[D]. 王嘉琪.北京交通大学 2017
[2]高强韧低合金马氏体耐磨钢的研制[D]. 刘晓东.山东大学 2016
[3]装甲钢复合热源搅拌摩擦焊装置与工艺研究[D]. 夏浩.南京理工大学 2016
[4]不锈钢渗氮表面耐腐蚀机理的第一性原理研究[D]. 许斐范.大连理工大学 2015
[5]钨铜、钨钼合金高温高压性质的第一性原理研究[D]. 翟东.北京化工大学 2015
[6]合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究[D]. 黄天龙.吉林大学 2015
[7]Mg-Ca系合金中相稳定性，力学及热力学性质的第一性原理计算[D]. 于波.沈阳工业大学 2015
[8]WC-Co硬质合金搅拌摩擦焊搅拌头的研制[D]. 张晨.南昌航空大学 2014
[9]微合金化对AlSc2结构与性能的影响及V-Si-Gd三元相图的测定[D]. 莫艳芳.广西大学 2014
[10]铱基高温合金增韧机理第一性原理研究[D]. 吕连灏.昆明理工大学 2013
本文编号：3331004
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3331004.html
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