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快速凝固技术中激冷辊材的热疲劳性能研究

鲁帅  
【摘要】:单辊快速凝固技术是稀土永磁材料制备中的一种重要方法,而激冷辊是其制备设备中的核心部件,其工作周期(疲劳寿命)直接决定着带材的产量和生产的效率。在快淬过程中,熔融的合金液浇注到旋转的激冷辊轮上,其冷却和凝固所散发的热量主要是通过与辊轮的接触传到激冷辊上,由于辊轮内部的冷却水不断的冷却辊轮,从而带走热量。可见,激冷辊轮承受周期性的热载荷冲击,产生热疲劳。由于激冷辊轮价格昂贵,如果辊轮提前失效,将会增加生产成本,同时频繁的修复装卸辊轮也不利于大规模的工业化生产,因此研究提高激冷辊轮的热疲劳寿命具有重大的工程意义和经济价值。 本文从分析激冷辊轮的工作条件入手,运用大型有限元分析软件Ansys对辊轮温度场分布情况进行分析。然后在激冷辊材基体材料上磁控溅射镀膜处理获得镀膜试样,并采用激光热负荷实验法分别对不同试样进行热冲击疲劳性能研究,主要研究结果如下: (1)对激冷辊轮进行传热分析的基础上,建立了Strip Casting工艺过程中激冷辊轮传热过程的三维数值仿真有限元模型,并提出了一种针对辊轮在工作时进行温度场仿真模拟的方法,采用ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language, APDL)进行编程,对模型中的壳层采用“生死单元法”来控制辊轮上热载荷的加载,分别分析获得了激冷辊铜轮和钼轮在工作中的温度场分布规律。研究表明,激冷辊轮在工作时其表面温度波动非常剧烈,辊轮存在热疲劳破坏,在相同工艺参数下,钼轮表面的温度波动范围比铜轮大。 (2)研究了合金浇注温度、辊轮内壁冷却水换热系数、辊轮转速等因素对辊轮温度场分布的影响规律。辊轮表面的最高温度随着熔体浇注温度的升高而升高,随着辊轮转速的提高而降低,冷却水的冷却效果越好,则辊轮表面的最高温度降低;相同工艺参数下,钼轮表面的温度波动范围比铜轮大;对比铜轮和钼轮,合金浇注温度越高、冷却水换热系数越低以及辊轮转速越低时,钼轮的表面温度升高较铜轮更快。 (3)采用射频磁控溅射方法制备Mo金属薄膜,得到薄膜厚度随沉积时间的增加近似于直线增加,沉积时间小于30min时薄膜的沉积速率随着沉积时间的增加而略有增加。 (4)Mo薄膜试样表面平整致密,无明显缺陷,其表面形貌由许多三棱锥状的颗粒组成,颗粒尺寸在100nm左右,三棱锥状颗粒互相紧密无序排列,这些三棱锥应该就是各个晶粒生长前沿的形貌;Mo薄膜断面形貌显示,晶粒呈柱状晶生长方式,同时,在玻璃衬底上生长的Mo膜晶粒的平行度较Mo衬底上生长的高,在溅射初期薄膜晶粒随机取向生长,在溅射中后期随机取向生长受到抑制,呈现择优取向生长方式。 (5)溅射沉积时间在5-30min范围内,随着沉积时间的增加,在垂直于表面方向上,Mo(110)的晶格常数逐渐减小,晶粒尺寸逐渐增大;在平行于表面方向上,Mo(110)的晶格常数先减小后增大,其晶粒尺寸变化不明显,维持在一个较为稳定的范围;激光法测热导率结果显示,在钼基底上镀钼膜对试样的热导率变化影响不大,且镀膜试样和未镀膜试样的热导率随测试温度的升高而逐渐降低。 (6)在现有激光热负荷实验平台的基础上,设计了一个适用于开展激冷辊材的热疲劳实验的装置,该装置能有效实现试样在真空或者氩气保护条件下开展激光热冲击疲劳实验。 (7)铜、钼试样的激光热冲击疲劳实验结果表明,激光功率从500W增加到1500W的过程中,当激光功率较低时,钼试样表现出了较好的抗热冲击疲劳性能,而当激光功率较高时,铜试样表现出了较好的疲劳裂纹扩展抗力;钼、镀钼膜试样的激光热冲击疲劳实验结果表明,在相同的激光参数下,钼试样的束斑边缘区域的裂纹扩展情况比镀膜试样更剧烈,镀钼膜试样表现出了更好的耐热疲劳性能。 (8)在钼辊材基体上采用磁控溅射法镀一层同质的钼薄膜,通过激光热冲击疲劳试验发现,镀膜处理后提高了材料的抗开裂能力,这为快速凝固技术中提高激冷辊轮的热疲劳性能做了有益的探索,从而为提高辊轮的工作周期提供了一种新的途径。


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