教学课程资源库 更多>>

关键词： Inorganic chemistry   Chemistry   Physical chemistry   Oxidation   Molybdenum   Solvents   Carbon monoxide   Hydrogen   Ligands   Phenols  

摘要： The use of electrostatic fields to influence chemical reactivity is a rapidly growing field of study and is increasingly invoked as a strong contributor to enzyme catalysis. Analogous research applied to homogeneous inorganic chemistry remains comparatively underexplored, how everseveral recent examples of transition metal complexes containing rigidly oriented internal electrostatic fields have showcased promising advantages associated with this “non-classical” design strategy. Herein, we report a series of tris(2-aminoethyl)amine (tren)-basedtris(phosphinimine) ligands (R3P3tren) and their coordination to transition metals. The phosphinimine moieties contained in these ligands are best represented by a zwitterionic resonance picture in which an anionic charge is positioned on nitrogen and a cationic charge is positioned on phosphorous. Coordinating these ligands to Cu(I) ions results in the formation of trigonal pyramidal complexes wherein the cationic phosphonium residues are held in the secondary coordination spheres in close proximity to an open coordination site. Detailed experimental and computational studies on these complexes revealed that the presence of the cationic charges impacts the electronic structures of the complexes to promote unique 2:1:2 splitting of the d-orbital manifolds, which subsequently impacts the experimentally determined Cu(I)/Cu(II) redox potentials. Treatment of these complexes with O2 at low temperature (–85 to –100 °C) in THF results in the formation of end-on (η1) cupric superoxide complexes, as evidenced by spectroscopic, reactivity, and computational studies. The cupric superoxide complex bound by the permethylated ligand derivative,Me3P3tren, is long-lived compared to the majority of literature analogs (t/12 = 10.4 h at –85 °C), and computational analysis implicates the charged phosphonium residues on the periphery of the O2 binding pocket as being important to this stability. Experimental corroboration for this postulation was

关键词： 高中物理   学生基本知识   渗透方法   教学方法  

摘要： 在新高考模式的中学物理课中，教师不仅要向学生教授物理知识，更重要的是要引导学生培养核心能力，树立正确的三观，激发学生的学习热情，让学生主动分析问题、解决问题并思考如何在现实生活中应用物理知识。高中物理学科的教学工作者也要促进学生核心能力的发展。本文以带电粒子在电磁场的教学方法为例，介绍在高中物理教学中教师应该如何提高学生的基本能力，以及在新的高考背景下如何提高和发展学生的物理技能和学科素养。

关键词： 波动方程   麦克斯韦方程   有限差分   高精度   吸收边界条件  

摘要： 本文针对二阶电磁波动方程和一阶麦克斯韦方程,利用时间高阶离散方法,结合常见的空间离散方法,提出了求解波导问题和在无界区域中传播问题的几种高阶有限差分方法,研究了方法的稳定性、Mur吸收边界条件和Berenger完美匹配层PML边界条件的处理方法和程序实现,给出了数值试验结果和分析。这些高阶差分方法的特点是:显式计算、关于时间具有高精度(可达任意精度)、空间具有二阶和四阶精度,并且稳定性好。计算结果验证了理论分析结果,证实了新方法的有效性。具体研究内容有:(1)提出了理想导体(PEC)边界条件下二阶波动方程的两种时间高阶差分格式(空间二阶和四阶,时间任意阶),推导出了新格式的数值弥散关系式和增长因子表达式,证明了新格式稳定,并且稳定性不受网格比或CFL条件的限制。数值实验计算了新格式的增长因子和数值弥散误差,计算了两个真解已知模型(一维和二维)的近似解以及收敛阶,计算结果验证了理论分析,并与Crank-Nicolson格式进行比较得出:新格式关于最大模的误差小于CN格式的误差。(2)研究了理想导体边界条件下二维麦克斯韦方程的高阶有限差分方法,提出了时间任意阶和空间二阶、四阶的差分格式,利用傅立叶方法证明了新格式稳定。通过数值实验验证了新格式的稳定性和收敛阶。与Yee格式的计算结果进行比较,计算结果表明新格式比Yee格式的误差小。(3)研究了Mur吸收边界条件和Berenger完美匹配层边界条件的时间高阶差分方法。计算了一个无界问题并与Yee格式的计算结果进行比较,实验结果证实了新差分方法处理吸收边界条件的有效性。

关键词： 铝合金   半连续铸造   熔体强剪切   组合外场   铸态组织   宏观偏析  

摘要： 高质量铝合金是满足各行业新装备需要和国防建设新的安全需求,实现制造强国战略目标的关键材料之一。半连续铸造是变形铝合金铸锭的主要生产方法。在半连续铸造过程中实现对合金凝固过程的控制是获得细晶、均质高质量铸锭的关键。但是,半连续铸造铸锭在结晶器壁和二次冷却水的作用下由外向内凝固,具有液穴较深,冷却速率从边部到中心逐渐减小的凝固特点。这决定了在铸锭横截面上组织差异大,存在宏观偏析等缺陷,特别是在制备大尺寸铝合金铸锭时,这种情况更加严重。在半连续铸造过程中施加外场有望控制和减少这些铸造缺陷。因此,研究外场在半连续铸造过程中的影响规律和作用机制具有非常重要的意义。 本课题是国家自然科学基金面上项目“熔体强剪切和电磁场组合作用下轻合金的凝固行为及机理”和“半连续铸造铝合金宏观偏析的外场调控及其机理研究”中的部分内容。本文基于熔体强剪切和电磁场的技术原理,在半连续铸造过程中,通过在熔池中心施加熔体强剪切和通过布置在结晶器冷却水箱内的感应线圈施加电磁场,发明了一种组合外场作用下的半连续铸造技术。在不同外场条件下,制备了直径300 mm的2024铝合金铸锭。系统研究了铸造速度、熔体强剪切、组合外场对半连续铸造铸锭表面质量、铸态组织、宏观偏析和温度场的影响规律。结合铸造过程中固定在熔池内预定位置的热电偶和随着铸锭同速下移的热电偶记录的温度变化曲线对铝合金熔体在不同铸造速度、熔体强剪切和组合外场作用下的凝固行为进行了深入分析。 采用常规半连续铸造技术,在不同铸造速度下铸造了直径300 mm的2024铝合金铸锭,研究了铸锭速度对铸锭组织和宏观偏析的影响。实验结果表明:随着铸造速度的增加,铸锭凝固壳和羽毛晶区的厚度减小,等轴晶区的厚度增加,等轴晶的平均晶粒尺寸减小,Cu和Mg元素在铸锭中心的负偏析加重。连续在线测温曲线分析表明,随着铸造速度的增加,熔体温度下降至液相线温度时的冷却速率增加。这促进了铝合金熔体的形核,有利于减小晶粒尺寸。温度场测量结果还显示,提高铸造速度使得液穴深度增加,糊状区变宽,导致凝固收缩的强度和体积增加,从而加重铸锭负偏析。铸锭组织观察表明,随着铸造速度增加,心部贫溶质浮游晶的体积分数增加,这也是铸锭中心负偏析加重的重要原因。 与常规半连续铸造铸锭相比,施加熔体强剪切后表面冷隔减弱,凝固壳厚度增加,羽毛晶消失,晶粒尺寸减小,Cu和Mg元素的中心负偏析减弱,液穴变浅。随着熔体强剪切装置在熔池内置入位置的下移和转子转速的增加,晶粒细化效果增加,熔池内温度分布更加均匀,液穴深度进一步减小,凝固界面变得更加平缓。对于不含晶粒细化剂的2024铝合金,铸造速度50 mm/min,在石墨环下沿所在水平面之上60 mm处施加转子转速为6000 rpm的熔体强剪切时,获得了心部晶粒比边部晶粒更细小的铸锭。在石墨环下沿所在水平面之上20 mm处施加转子转速为6000 rpm的熔体强剪切时,晶粒尺寸更为细小,铸锭整个截面上的晶粒尺寸均小于300μm。测温结果表明当熔体强剪切装置的置入位置比较靠上,转子转速较高,或置入位置比较靠下,转子转速较低时,熔体强剪切装置从底部吸入的熔体为液相,此时熔体强剪切主要通过强制对流提高合金熔体下降至液相线温度时的冷却速率和促进凝固界面附近区域的枝晶增殖来影响铸态组织。当熔体强剪切装置的置入位置比较靠下且转子转速较高时,其吸入的熔体中含有一定数量固相,除强制对流对铸态组织的细化作用外,还能够将熔体中的固相颗粒破碎为尺寸更小的颗粒,促进异质形核。 施加熔体强剪切与电磁场组合外场可以获得表面质量好,晶粒细小且成分偏析较弱的直径300 mm的2024铝合金铸锭。对于不含Al-5Ti-B晶粒细化剂铸锭,铸造速度50 mm/min时,施加组合外场后铸锭中心的平均晶粒尺寸和截面上等轴晶的晶粒尺寸差分别由常规DC半连续铸造时的1049μm和584 μm减小到230 μm和64 μm,Cu和Mg元素在铸锭中心的AC值也分别由常规DC半连续铸造时的-0.081和-0.075变为-0.049和0.004。对于添加质量分数0.1%的Al-5Ti-B细化剂铸锭,铸造速度65 mm/min时,施加组合外场后铸锭中心的平均晶粒尺寸和截面上等轴晶的晶粒尺寸差分别由常规DC半连续铸造时的258 μm和131 μm减小到121 μm和28 μm,Cu和Mg元素在铸锭中心的ΔC值也分别由常规DC半连续铸造时的-0.09和-0.08变为-0.06和-0.02。 在DC半连续铸造过程中施加组合外场可以容许更高的铸造速度。对于不含Al-5Ti-B晶粒细化剂铸锭,组合外场作用下,当铸造速度在50～115mm/min范围内时,从铸锭边部到中心,晶粒尺寸逐渐减小;当铸造速度在组合外场作用下增加至125mm/min时,从铸锭边部到中心,晶粒尺寸先减小然后逐渐增加

关键词： 霍尔推力器   羽流模拟   侵蚀产物   阴极   电磁场  

摘要： 霍尔推力器是一种具有高效率、高比冲、长寿命等优点的电推进装置。霍尔推力器在工作过程中,其尾部会形成等离子体羽流。由于羽流中包含了大量的带电粒子,其在空间中的扩散会影响航天器所处的电磁场环境,同时产生的高能离子会打到航天器表面,对航天器表面造成力矩、热沉积、侵蚀等影响。因此,有必要对霍尔推力器羽流进行系统的研究工作。针对霍尔推力器的羽流研究主要包括地面试验、在轨试验和数值模拟三种手段。地面试验测量受实验环境的影响较大,而在轨试验的成本相对较高。所以目前较多采用数值模拟方法,同时结合试验结果进行综合分析。根据研究问题的不同,羽流模拟研究分为近场羽流模拟和远场羽流模拟。近些年羽流计算模型随着推力器研究的深入和羽流问题研究的发展逐渐得到提升和优化。但是目前计算模型方面依旧存在一定的局限性,主要体现在目前的近场羽流模型无法考察阴极位置,羽流成分考察方面缺少对侵蚀产物的研究,以及远场羽流模型中推力器出口边界依赖实验的结果等。因此,有必要进一步完善羽流计算模型。本文基于以上研究背景,首先开展计算模型的完善工作,并在此基础上针对近场羽流和远场羽流存在的问题开展系统的研究工作。由于模拟尺寸跨度太大,无法采用单一的数值模拟代码实现对推力器和远场羽流的整体模拟。因此羽流的模拟研究需要对近场羽流和远场羽流分别建模。本文针对近场羽流模拟采用全粒子模拟方法,远场羽流模拟采用混合模拟方法。然后根据近场羽流模拟中阴极位置研究的需求,对阴极边界模型进行了优化,并提出了混合阴极边界模型。同时,本文通过采用近场羽流模拟的羽流模拟结果代替实验结果作为远场羽流模拟的推力器出口边界拓展了模型的适用性,并针对羽流外边界的位置的选择和准确性进行了验证。磁场和电场的优化设计是对推力器羽流进行束流控制的重要手段。本文针对羽流区内电磁场的束流控制开展了模拟研究。针对磁场方面,以往的研究表明羽流区磁场和阴极之间存在匹配问题。因此,本文首先从阴极和磁场的位置关系入手,考察磁场对电子运动,电子传导等方面的影响。针对内外置阴极条件下磁场对参数分布影响的模拟研究发现,阴极发射出的电子进入羽流区后会被磁场束缚,从而形成虚阴极。内外置阴极条件下的放电差异主要与虚阴极形成的位置有关。针对阴极位于磁分界面内外条件下的参数分布模拟研究发现,阴极位于磁分界面内外,羽流区上方磁分界面附近存在明显的电子传导差异。结合电子的运动轨迹发现,电子传导差异的形成主要受磁极上磁尖端的影响。同时,通过对不同外置阴极条件下的推力和羽流发散角进行比较发现,磁分界面的存在可以有效的抑制羽流的发散,这种磁场的设计可以应用于羽流的束流控制。在此基础上,本文进一步考察了磁分界面的位置和角度因素对束流控制的影响。研究结果表明,磁分界面适当地向通道方向偏转的设计方案可以有效地降低羽流发散角,同时提升推力器性能。针对电场的束流控制研究方面,本文对羽流区附加电极对放电的影响进行了模拟研究。研究结果表明,附加电极的存在可以有效地抑制离子的径向扩散。同时附加电极的存在会提升附近区域的电势,造成外磁极上的离子轰击增强。侵蚀问题是霍尔推力器研究中的一个重要内容。以往的侵蚀研究主要集中在寿命问题的研究上,针对侵蚀产物在羽流中的污染研究较少。并且侵蚀产物由于其占比较低在实验方面很难检测,因此有必要对侵蚀产物进行模拟研究。本文在以往的研究基础上对侵蚀产物的运动开展了模拟研究。本文首先在近场羽流计算模型中补充了侵蚀模型,侵蚀产物的运动和碰撞模型,从而使近场羽流计算模型具备模拟侵蚀产物的能力。并在此基础上分别模拟分析了中性气体轴向速度和径向供气位置变化对壁面侵蚀的影响。研究结果表明,中性气体轴向速度的降低,会造成壁面侵蚀的增强。供气位置的改变会导致通道内中性气体径向分布的不均匀,同时会影响内外壁面上的角度溅射系数和能量溅射系数的分布,对壁面侵蚀的范围和强度都会造成明显影响。通过对侵蚀产物的运动和碰撞的模拟发现,B原子的分布主要位于推力器出口位置,这与该位置侵蚀速率较大相对应,并且其密度较Xe+离子低3个数量级。B+离子的峰值主要位于推力器出口中间位置,其密度较B原子低1个数量级。同时,B+离子在羽流区的发散程度较Xe+离子高。最后,本文对典型航天器模型下的羽流污染问题进行了模拟。将近场羽流模拟中的计算结果作为本章的推力器出口边界条件,并在三维建模中,考虑了两种不同的推力器安装角度。通过远场羽流模拟,比较分析了不同羽流发散角下的霍尔推力器羽流对航天器的污染情况。研究结果表明,不同推力器安装角度的改变对航天器的污染情况有显著的影响。推力器的束流离子的空间分布相对集中,而返流离子会向着周围环境扩散。合理的设计安装角度可以有效避免束流离子对航天器和太阳能电池板的冲刷。通过对太阳能电池板上的力矩、热沉积、侵蚀等效应评估发现,羽流对太阳能电池板造成的力矩和热沉积的影

关键词： 电磁感应   链状神经网络   多层前馈神经网络   同步性触发   信号传播   振动共振  

摘要： 有关脑科学的探索已经在许多领域中展开,目前研究的比较成熟的是神经元动力学,它利用数学模型、理论分析和计算机模拟来研究生物学上神经元和神经系统中真实的生物物理模型。神经元电活动和信息处理在神经系统中有很重要的作用,不同的神经元放电模式代表着不同编码意义和生物功能。在耦合的神经网络中,神经系统受高频刺激影响所引起的振动共振、触发同步以及弱电信号的传播等现象,都与大脑的生理功能有着密切的关系。由于电磁场对脑部神经元电活动有调节能力,本文采用几种神经元数学模型来研究电磁驱动下单个神经元、链状神经网络以及多层前馈神经网络中的集体动力学以及神经系统电信号传播动力学等。下面介绍本文的主要研究内容:1.基于改进的电磁驱动下神经元模型,研究了电磁辐射对单个神经元放电模式以及链状网络中集体动力学的影响。首先将高低频电磁辐射刺激和高斯白噪声考虑到单个神经元上,并通过改变分岔参数来研究神经元的电活动模式的转变,研究发现,通过改变分岔参数,神经元的电活动模式之间进行了转换。而且在高低频电流刺激和弱电磁驱动下,可以观察到双振动共振现象,而在强电磁驱动下,只有单振动共振现象发生,与不考虑电磁驱动的情况相比,考虑电磁场效应会削弱神经元振动共振,而且还会抑制多重振动共振。此外,研究电磁驱动下链状神经网络中的集体动力学,研究发现,当电磁场耦合强度比较大时,链状神经元网络中的所有神经元都被激发,神经元的尖峰保持同步态,触发率变大。化学自突触为负反馈时,链状网络的波无法从中央神经元传播到链状神经网络的两端,自突触为正反馈时相反。2.构建了多层前馈神经网络进行仿真模拟,研究影响神经元触发同步性及弱信号传播能力的因素。在兴奋性和兴奋性抑制性神经网络中,通过讨论噪声和层间突触权重对亚阈值兴奋性突触后电流传播能力影响,研究发现,神经网络中弱信号以最佳的噪声强度值稳定地传播,不同噪声强度会增强或减弱系统输出对弱信号的响应。并且在较大的层间突触权重下,弱信号可以稳定地传输到输出层,但是对于较小的突触权重,弱信号的传播可能不会到达输出层。此外,在合适突触权重和噪声下,输出层的神经元完全同步触发放电。3.考虑由电磁驱动下的多层前馈神经网络,研究电磁感应、噪声及突触权重对多层神经网络中的同步触发性和非周期亚阈值电信号传播能力的影响。研究发现,存在最优的噪声强度可使信号传播保持最佳态,但是通过增大电磁驱动会削弱最优传播性。而且与不考虑电磁辐射的情况相比,增加电磁辐射会降低弱信号的传播能力。随着电磁辐射强度的增强,关于弱信号到达输出层所需要的时间变得更长。此外,恒定的输入弱信号与合适的噪声强度相结合,将在适当的电磁场下弱信号稳定地传播到后层。当系统处于强磁场时,由于突触权重小,弱信号传输失败。

关键词： 骨髓炎   脉冲电磁场   小鼠   金黄色葡萄球菌   头孢呋辛  

摘要： 背景:骨髓炎(Osteomyelitis,OM)一直是骨科临床治疗的棘手问题,关于该疾病的诊断及治疗仍存在许多争论。有研究表明多种不同形式的微波具有显著的杀菌作用,但尚无关于脉冲电磁场的报道。本研究中,我们假设可用于骨不连治疗的脉冲电磁场(Pulsed Electromagnetic Field,PEMF)也同样具有杀菌作用,并通过体外及动物实验进行验证。实验方法:体外实验:(1)不同作用时长的PEMF对金黄色葡萄球菌(ATCC 29213)生长的影响:将一定量金黄色葡萄球菌接种至普通营养肉汤,分对照组和PEMF干预组(场强为1Gs,频率15Hz,脉宽5μs,脉冲群宽5ms,脉冲群不应期62ms),两组均置于37℃温箱培养,每隔2小时取样倍比稀释后接种至哥伦比亚血平板,37℃温箱培养,24小时后计数。(2)PEMF与抗生素对金黄色葡萄球菌的联合影响:实验分对照组,PEMF组、抗生素组、PEMF+抗生素组;四组均置于37℃温箱培养,8小时后取样倍比稀释并接种至哥伦比亚血平板,37℃温箱培养,24小时后计数。动物实验:将1×106 CFU(Colony-Forming Units,菌落形成单位)的金黄色葡萄球菌菌悬液打入40只小鼠的右胫骨髓腔制作急性骨髓炎模型。造模成功后将大鼠随机分为四组并予以相应的治疗:组1:对照组(生理盐水治疗);组2:PEMF组(生理盐水+PEMF治疗);组3:抗生素组(头孢呋辛治疗);组4:抗生素+PEMF组(头孢呋辛+PEMF治疗)。组2和组4的大鼠每日接受8小时的PEMF照射。所有的小鼠在术后第7天处死,胫骨骨髓炎的感染程度采用细菌定量分析进行评估。结果:体外实验:(1)2h与4h两组之间比较差异无统计学意义(P>0.05);6h的PEMF组细菌计数为对照组的23%(P<0.01),8h的PEMF组细菌计数为对照组的28%(P<0.01);(2)PEMF组、抗生素组、PEMF+抗生素组菌落计数分别是对照组的32%,34%,10%,都显著少于对照组;同时PEMF+抗生素组菌落计数显著少于单独的PEMF组和抗生素组。动物实验:对照组与PEMF组,抗生素组与PEMF+抗生素组之间比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论:本研究结果表明PEMF在体外可以显著抑制对数生长期金葡菌,同时与抗生素之间具有协同抑菌作用。然而,在小鼠体内,我们发现PEMF似乎并没有抑菌或协同抑菌的作用,但也没有促进细菌增殖,所以,我们也间接论证了当PEMF用于治疗感染性骨缺损时,PEMF不会加重感染。当然,体内实验的结论可能受我们所能产生的PEMF的频率、强度影响。

关键词： 电磁分析   有限元算法   网格剖分算法   网格平滑函数   网格尺寸函数   动网格技术  

摘要： 优异的适应场域边界几何形状以及媒介物理性质变异的能力,使有限元法成为各类电磁场、电磁波工程问题定量分析和优化设计的主导数值计算方法之一。使用有限元法时,要获得由偏微分方程的离散解,则必须生成计算网格来定义未知数。有限元网格的生成目前存在剖分域定义不便,剖分速度慢,网格尺寸函数定义复杂,生成的网格质量不高,以及在优化设计过程中网格需要重新生成导致计算资源浪费等问题。针对上述问题,本文基于Delaunay算法,提出了一种新型的网格剖分算法用于有限元分析。研究内容主要包含以下三个部分:第一,对图像进行灰度化和高斯模糊处理,然后进行多阈值分割,提取图像边界。随后采用基于路径平滑的图像边界提取算法,将图像映射到几何域,有利于建立复杂几何域的几何模型。第二,根据几何模型,使用Delaunay算法创建初始网格。通过基于距离函数计算得到的曲率来构造网格尺寸函数,以满足弯曲边界处网格精细化的要求;通过基于距离函数计算得到的近似中轴,可以快速准确地构造基于近似中轴的网格尺寸函数,以此来满足几何域几何特征的变化;通过施加基于距离函数和梯度的网格尺寸限制函数,得到良好的网格尺寸平滑处理效果。第三,提出基于伸缩弹簧模型的力平滑函数,该函数在网格迭代优化过程中能提高效率;针对几何区域微小变化,本文提出自适应微小形变技术;当几何区域发生较大形变时,给每个网格元素的边分配一个刚度,并使用基于力平衡的网格平滑函数进行网格迭代优化,能有效避免不必要的网格剖分。最后通过Alpha湖,验证所提的基于路径平滑的图像边界提取算法;通过苏必利尔湖验证网格自适应尺寸函数;并将本文所提算法应用于有限元电磁分析领域,通过对方同轴线、开口电机槽、TEAM workshop problem 30A以及Motor37k W进行电磁分析以验证本文算法的工程有效性。

关键词： 金刚石串珠锯   隔离套   感应钎焊   数值模拟   电磁场   温度场  

摘要： 金刚石串珠锯是一种线性切割工具,在石材的开采、切片和大型结构件的切割等领域都得到了广泛的应用。传统的串珠锯在切割工件尖角的过程中容易导致隔离套损坏,从而影响金刚石串珠锯的切割性能和使用寿命。为了解决该问题,本课题研制了一种直径为4.3mm的无隔离套金刚石串珠锯,并对其制造工艺进行了初步研究。本课题研究的主要内容包括:(1)将电镀和钎焊同时应用于无隔离套金刚石串珠锯的制备工艺中,即通过电镀在钢丝绳上沉积厚度为1mm的镍层作为串珠基体,并利用钎焊将金刚石磨粒固结到串珠基体上。此外,通过拉伸性能试验和金相组织的显微观察,对比分析高频感应钎焊对70#高碳钢钢丝绳和304不锈钢丝绳造成的热损伤。(2)研究了304不锈钢丝绳上分段电镀串珠基体的制备工艺,对串珠基体与钢丝绳之间的结合强度进行了理论分析和试验验证,并借助扫描电镜和X射线能谱仪(EDS)研究了串珠基体与钢丝绳基体的结合界面区。研究发现串珠基体与钢丝绳结合强度高,结合界面区未出现裂纹,结合完好。(3)对串珠基体上钎焊金刚石磨粒进行了研究,并对加热时间、线圈电流和线圈尺寸大小等工艺参数进行了优化。此外,借助扫描电镜研究了合金钎料层与串珠基体和金刚石结合界面区,并通过X射线能谱仪(EDS)对结合界面区的元素进行定点成分能谱分析和线扫描。结果表明:金刚石串珠锯在与之尺寸匹配的线圈中于线圈电流600A的条件下高频感应钎焊8s会有较好的钎焊效果,合金钎料层与串珠基体结合非常好,金刚石磨粒被包裹在合金钎料中,显示出良好的浸润性能。此外,结合界面处的元素都发生了不同程度的相互扩散。(4)首次利用Ansys Maxwell电磁学仿真软件联合Ansys Workbench有限元分析软件对金刚石串珠锯的高频感应加热过程进行了电磁场和温度场耦合数值模拟研究。结果表明:Ni-Cr合金钎料层在600A的条件下感应加热8.2～9.1s后达到1000～1100℃,线圈电流越大,线圈直径尺寸越小,加热速率越快。

关键词： 激光熔覆   复合场   电磁场   超声场   成分偏析   响应面优化  

摘要： 激光熔覆技术作为材料表面工程领域的前沿技术,得到了研究机构与工业领域的重视和应用。但熔覆层成分偏析和组织不均匀问题限制了激光熔覆大规模应用。如何解决这个问题成为激光熔覆技术研究领域的焦点。本文以42Cr Mo钢为基体,Ni Cr BSi合金粉末为熔覆层材料,用自行研制开发的直流电场、交变磁场和超声场复合装置辅助进行激光熔覆实验。使工件处于交变磁场内,在工件两端通入直流电流,同时在待熔覆基体的上方施加空载超声,让直流电场、交变磁场和超声场共同作用于工件,通过三场复合作用,加速熔池内部传热传质过程,改善熔覆层成分偏析和组织不均匀问题,提高熔覆层力学性能。实验采用自主搭建的电-磁-超声复合装置,使三场同时可控,并进行无辅助场、单一物理场和复合场辅助激光熔覆对照实验,并分析比较其熔覆层性能优劣,进而对复合场辅助激光熔覆进行参数优化。同时采用有限元模拟方法,探究不同辅助场辅助激光熔覆过程中对熔池流动的影响。首先,进行无辅助场辅助激光熔覆实验,设计9组正交试验,研究无辅助场时激光功率、光斑直径和扫描速度对熔覆层性能的影响规律。结果表明:激光功率是熔覆层高度的主要影响因素,光斑直径对熔覆层宽度影响最大,扫描速度对熔覆层深度有显著影响。激光功率对显微硬度和熔覆层耐磨性影响最大,激光功率增大,熔覆层显微硬度降低。然后,在前期实验基础上,选取实验效果较好的工艺参数,进行无辅助场、电-磁场、超声场和电-磁-超声复合场辅助激光熔覆对照实验。用有限元模拟方法探究了外加物理场对激光熔覆熔池流动的影响。通过观察显微组织,发现施加物理场都对熔覆层组织有细化效果,但电-磁场的电磁力对熔池的搅拌作用和超声场声流效应和空化效应对枝晶的破碎作用及对熔池的搅拌作用,使得复合场熔覆层组织细化更明显,元素扩散更均匀,成分偏析程度更小。通过有限元模拟,发现复合场对熔池流速提升效果最明显,影响最大。硬度测试和耐磨性能测试结果显示,复合场熔覆层硬度最高,磨损体积最小,表明激光熔覆过程中施加电-磁、超声复合场有助于提升熔覆层硬度和改善耐磨性能。进一步,对复合场辅助激光熔覆进行参数优化,通过响应面参数优化实验,分析直流电流强度、交变磁场强度和超声功率这三个因素对熔覆层质量的影响,进而选取出获得较好熔覆层质量的因素参数组合。通过变量和响应之间单一影响的扰动图分析,随着超声功率的增大,熔覆层显微硬度出现一定程度的降低;随着直流电流强度的增大,熔覆层显微硬度上升。熔覆层显微硬度随着交变磁场强度增大呈现出先增大后减小的趋势。通过响应面优化参数分析,得到最佳物理场参数组合为:超声功率150W,交变磁场强度40m T,直流电流强度10A,实验验证其可以获得质量理想的熔覆层。本文对直流电场、交变磁场和超声场复合辅助激光熔覆技术进行了实验研究和参数优化。本研究是对复合物理场有效解决现存激光熔覆工艺成分偏析和组织不均匀问题的技术探索,为多物理场辅助激光熔覆研究提供参考和借鉴。