工程科學學報

電鍍Cr涂層對TC4鈦合金燃燒性能的影響

2020-09-11

通過對鍍有不同厚度（0、15、30、60 μm）Cr涂層的TC4鈦合金在不同氧壓下進行的富氧點燃試驗，研究了鍍Cr層厚度對TC4鈦合金燃燒性能的影響規律，并通過掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope, SEM）、能譜分析（Energy dispersive spectrometer，EDS）和X射線衍射（X-ray diffraction, XRD）等手段進行顯微組織分析。結果表明：當Cr層厚度為15 μm和30 μm時，對TC4的燃燒臨界氧壓無明顯影響，而Cr層厚度增加到60 μm時，可將TC4的燃燒臨界氧壓由0.07 MPa提高至0.15 MPa。同時，燃燒速率隨Cr層厚度的增加而降低，說明Cr層厚度的增加能有效抑制火焰傳播速度。其作用機理可能是在燃燒的過程中，表層Cr元素通過固相擴散、熔化等方式進入熔池，與合金中的Al、V元素共同析出，形成了彌散分布的富Cr、Al、V相，并減少了Al與O的結合，對O元素的擴散有阻礙作用，從而降低了燃燒速率。

工程科學學報. 2020 42(8): 1007-1017. Published 2020-09-11

V<sub<2</sub<O<sub<5</sub</MXene納米復合材料制備及儲能性能

2020-09-11

利用氫氟酸（HF）刻蝕MAX（Ti<sub<3</sub<AlC<sub<2</sub<）相獲得一種新型二維層狀材料MXene（Ti<sub<3</sub<C<sub<2</sub<T<sub<<i<x</i<</sub<），利用液相插層法擴大MXene材料層間距，然后在MXene表面分別負載納米片狀（NSV）和納米帶狀（NBV）的五氧化二釩（V<sub<2</sub<O<sub<5</sub<）。利用X射線衍射（XRD）、比表面積測試分析（BET）和高分辨場發射掃描電鏡（FESEM）等手段對復合材料進行了結構表征。結果表明：MXene層間距增加；且兩種形貌的五氧化二釩均勻的負載在MXene表面。這兩種納米復合材料的比表面積比MXene高，意味著它們可以為電化學反應提供更多的活性位點。利用多種電化學技術對V<sub<2</sub<O<sub<5</sub<，MXene和不同V<sub<2</sub<O<sub<5</sub</MXene納米復合材料在1.0 mol·L<sup<?1</sup< Na<sub<2</sub<SO<sub<4</sub<和1.0 mol·L<sup<?1</sup< LiNO<sub<3</sub<電解液中進行了電化學性能測試。結果表明：當電流密度為1 A·g<sup<?1</sup<時，在1.0 mol·L<sup<?1</sup< Na<sub<2</sub<SO<sub<4</sub<電解液中MXene，V<sub<2</sub<O<sub<5</sub<，NSV/MXene和NBV/MXene的比電容分別為8.1，15.7，96.8和88.5 F·g<sup<?1</sup<；在1.0 mol·L<sup<?1</sup< LiNO<sub<3</sub<電解液中NSV/MXene和NBV/MXene的比電容分別為64.6，46.7，180.0和114.0 F·g<sup<?1</sup<。表明所制備的NSV/MXene納米復合材料是一種有研究和開發潛力的超級電容器電極材料。

工程科學學報. 2020 42(8): 1018-1028. Published 2020-09-11

3Cr鋼在油水兩相層流工況下的腐蝕行為

2020-09-11

油水兩相是海底管道和集輸管線常見的腐蝕工況之一。以3Cr鋼為代表的低Cr合金鋼是目前具有良好耐蝕性能的重要材料，但是，在油水兩相層流工況下，特別是加注了一定緩蝕劑的條件下，3Cr鋼的適用性尚不明確。通過高溫高壓反應釜模擬了油水兩相層流工況的腐蝕環境，結合掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射譜（XRD）、激光共聚焦拉曼光譜、電化學交流阻抗等測試表征方法，研究了3Cr鋼的腐蝕行為及緩蝕劑對其耐蝕性能的影響。結果表明，在油水分層工況下，3Cr鋼的腐蝕產物膜為明顯的雙層膜結構，其內層腐蝕產物膜為結構致密的富Cr層，表現出良好的抗CO<sub<2</sub<腐蝕性能，但加入100 mg·L<sup<?1</sup<十七烯基胺乙基咪唑啉季銨鹽緩蝕劑后，3Cr鋼并未得到有效的緩蝕保護。腐蝕產物分析和電化學研究表明，烷烴分子、緩蝕劑分子及富Cr層間存在競爭關系，烷烴分子干擾了緩蝕劑分子的有序排列，影響了3Cr鋼的耐蝕性。

工程科學學報. 2020 42(8): 1029-1039. Published 2020-09-11

基于多場耦合碳/碳復合材料傳熱及燒蝕響應

2020-09-11

碳/碳復合材料作為熱防護材料多用在高超聲速飛行器鼻錐、機翼前緣等位置。為準確預測其傳熱及燒蝕響應，采用多場耦合策略，考慮外部流場熱化學非平衡效應、固體材料傳熱以及材料表面燒蝕，建立高超聲速氣動熱環境下碳/碳復合材料的流?熱?燒蝕多場耦合模型，預測碳/碳復合材料瞬態溫度場分布、燒蝕速率以及燒蝕外形變化等。計算得到材料模型駐點區壁面溫度和熱流值隨著時間的推移發生了顯著的變化，初始時刻熱流值較大，1 s時駐點熱流密度為17.22 MW?m<sup<?2</sup<，隨著時間推移，壁面溫度增大，駐點區溫度梯度減小，熱流值也減小，30 s時駐點熱流密度為10.22 MW?m<sup<?2</sup<。材料模型駐點區的溫度較高，材料表面反應活躍，燒蝕較為嚴重，而模型側面只發生少量燒蝕，燒蝕前后材料模型外形發生一定的變化，前緣半徑增大，30 s時材料駐點燒蝕深度為17.47 mm。結果表明：在高超聲速氣動熱環境下，碳/碳材料模型發生一定的燒蝕后退，導致外部流場以及熱載荷發生變化，采用流?熱?燒蝕多場耦合模型可有效預測不同時刻材料的傳熱及燒蝕響應，為熱防護系統的設計提供一定的參考。

工程科學學報. 2020 42(8): 1040-1047. Published 2020-09-11

基于高階同步壓縮變換的行星齒輪箱聲音信號共振頻帶特征提取

2020-09-11

建立了非平穩運行工況下行星齒輪箱共振頻帶內的聲音信號解析模型，揭示了齒輪故障特征在聲音信號共振頻帶內的分布規律。根據共振頻率不隨轉速變化的特點定位了齒輪箱共振頻率，為在共振頻帶內提取齒輪故障特征奠定基礎。針對傳統時頻分析方法時頻分辨率低的缺陷，研究了基于高階同步壓縮變換的時變故障特征提取方法。通過數值仿真和實驗信號分析，驗證了所提出的聲音信號模型與行星齒輪箱故障特征分布規律的正確性，以及利用高階同步壓縮變換方法提取共振頻帶內行星齒輪箱故障特征的有效性。

工程科學學報. 2020 42(8): 1048-1054. Published 2020-09-11

基于雙齒面傳動誤差的側隙連續測量與預測

2020-09-11

提出了基于雙偏心誤差齒輪副的驅動齒面與齒背面（雙齒面）無負載傳動誤差計算模型，建立與時變側隙計算公式的等價關系，從理論上證明了基于雙齒面傳動誤差的側隙測量方法。通過實驗方法測量不同負載力矩、不同初始嚙合面的雙面傳動誤差并獲得相應載荷下的初始回差。基于雙齒面傳動誤差實驗曲線，實現了對齒輪副整個大周期側隙的連續測量與預測。結果表明，連續側隙曲線與機械滯后回差法測量結果吻合良好，而側隙預測較好地反應了側隙值變化范圍和變化趨勢。同時，側隙連續測量方法及側隙預測均證明了理論模型的正確性，提高了側隙測量效率并獲得了更全面的側隙數據，對齒輪傳動的非線性研究、消隙控制以及齒輪精度研究等均具有指導意義和參考價值。

工程科學學報. 2020 42(8): 1055-1064. Published 2020-09-11

基于擺幅恢復傳輸管邏輯的高性能全加器設計

2020-09-11

為了降低硬件開銷，越來越多的加法器電路采用傳輸管邏輯來減少晶體管數量，同時導致閾值損失、性能降低等問題。本文通過對擺幅恢復邏輯與全加器電路的研究，提出一種基于擺幅恢復傳輸管邏輯（Swing restored pass transistor logic, SRPL）的全加器設計方案。該方案首先分析電路的閾值損失機理，結合晶體管傳輸高、低電平的特性，提出一種擺幅恢復傳輸管邏輯的設計方法；然后，采用對稱結構設計無延時偏差輸出的異或/同或電路，利用MOS管補償閾值損失的方式，實現異或/同或電路的全擺幅輸出；最后，將異或/同或電路融合于全加器結構，結合4T XOR求和電路與改進的傳輸門進位電路實現擺幅恢復的高性能全加器。在TSMC 65 nm工藝下，本文采用HSPICE仿真驗證所設計的邏輯功能，與文獻相比延時降低10.8%，功耗延時積（Power-delay product, PDP）減少13.5%以上。

工程科學學報. 2020 42(8): 1065-1073. Published 2020-09-11

弱光照條件下交通標志檢測與識別

2020-09-11

針對弱光照條件下交通標志易發生漏檢和定位不準的問題，本文提出了增強YOLOv3（You only look once）檢測算法，一種實時自適應圖像增強與優化YOLOv3網絡結合的交通標志檢測與識別方法。首先構建了大型復雜光照中國交通標志數據集；然后針對復雜的弱光照圖像提出自適應增強算法，通過調整圖像亮度和對比度強化交通標志與背景之間的差異；最后采用YOLOv3網絡框架檢測交通標志。為了降低先驗錨點框設置精度以及圖像中背景與前景比例嚴重失衡對檢測精度造成的影響，優化了先驗錨點框聚類算法和網絡的損失函數。對比實驗結果表明，在實時性大致相當的情況下，本文提出的增強YOLOv3檢測算法較標準YOLOv3算法對交通標志有更高的回歸精度和置信度，召回率和準確率分別提高0.96%和0.48%。

工程科學學報. 2020 42(8): 1074-1084. Published 2020-09-11

長水口對連鑄中間包鋼液保護澆注作用的研究進展

2020-09-11

全球鋼鐵產品很大比例上是通過連鑄工藝生產的，而中間包保護澆注是連鑄生產高品質潔凈鋼的關鍵環節之一。長水口是連接于鋼包和中間包之間的耐材質通道，長水口的發明和使用在連鑄技術發展過程中起到了重要的作用，并與中間包的保護澆注效果有著緊密的聯系，具體包括防止穩態和非穩態澆注過程中的二次氧化和來源于空氣/渣/耐材/引流砂等的污染。本文基于中間包鋼液污染的來源和形式，引申出了長水口在這些方面可以起到的潛在作用，并回顧了長水口在連鑄發展早期的發明、工業實驗效果和不斷優化的歷程。工業實踐證實了長水口優良的保護澆注功能，但其實際效果與長水口的結構和操作工藝緊密相關。因此，分析了不同的長水口結構（包括工業化的長水口和一些新的設計理念）對保護澆注的影響，重點評述了喇叭型長水口在改善鋼液潔凈度和提高生產效率方面的優勢。討論了長水口的浸入深度和偏斜等操作工藝參數與保護澆注之間的關系。結合新時期煉鋼?連鑄的發展形勢，指出了未來長水口結構功能一體化的發展方向，具體表現在長壽化、輕量化、多功能化和綠色化等方面。

工程科學學報. 2020 42(8): 939-948. Published 2020-09-11

Fe?Mn?(Al)?C高強韌性鋼氫脆微觀機制的研究進展

2020-09-11

隨著汽車行業的快速發展，輕量化汽車用鋼的研發和應用越來越廣泛。抗拉強度超過1000 MPa的第二、三代汽車用鋼往往是復相組織，通過固溶、析出、變形、細晶強化等各種強化方式，在基體中形成大量缺陷，導致鋼材服役過程中對氫更加敏感，容易在很小的氫溶解條件下發生氫脆。Fe?Mn?C系、Fe?Mn?Al?C系等含Mn量高的汽車結構用鋼因層錯能較高，不僅直接決定了其強韌性機制，還對其服役性能有重要影響。在Fe?Mn?C系TWIP鋼的成分基礎上，添加少量Al元素，形成Fe?Mn?(Al)?C鋼，不僅能降低鋼材密度，提高鋼材的強韌性，也因Al元素改變了鋼材的微觀組織構成，一定程度上令氫脆得到緩解。但當Al含量較高時，形成低密度鋼，其組織構成更加復雜，析出物更多，導致氫脆敏感性更顯著。本文從Fe?Mn?(Al)?C高強韌性鋼的組織構成、第二相、晶體缺陷等特征出發，綜述了H在Fe?Mn?(Al)?C鋼中的滲透、溶解和擴散行為，H與基體組織、析出相、晶格缺陷的交互作用，H在鋼中的作用模型、氫脆機制、氫脆評價手段和方法等。并評述了Fe?Mn?(Al)?C高強韌性鋼氫脆問題開展的相關研究工作和最新發展動態，指出通過第一性原理計算、分子動力學模擬和借助氫原子微印技術、三維原子探針等物理實驗相結合的方法是從微觀層面揭示高強韌性鋼氫脆機制的未來發展方向。

工程科學學報. 2020 42(8): 949-962. Published 2020-09-11

堿激發水泥?磷渣固化性能及與含硫尾砂的相容性

2020-09-11

基于磷渣材料水化特性和礦山充填應用條件，研究堿激發水泥?磷渣共同作為膠凝材料（CPCM）膠結含硫尾砂的可行性。選取生石灰、NaOH、Na<sub<2</sub<SiO<sub<3</sub<作為激發劑，開展CPCM固化性能試驗，并評價CPCM與含硫尾砂相容性。研究結果表明：磷渣摻量為水泥的100%、生石灰為3%時，CPCM終凝時間300 min，28 d抗壓強度40.6 MPa，基本可等量替代P.O 42.5水泥應用于礦山嗣后充填。Na<sub<2</sub<SiO<sub<3</sub<摻量4%時，CPCM終凝時間比水泥縮短39.3%，7 d強度提高31.1%。與水泥相比，CPCM使充填體凝結時間縮短8 h左右，且固化28 d后強度未出現劣化，表明CPCM與含硫尾砂相容性好。X射線衍射、掃描電鏡和電子能譜分析表明，CPCM水化產物主要為Ca(OH)<sub<2</sub<和C?S?H。磷渣不斷水化，導致Ca(OH)<sub<2</sub<含量下降，逐漸形成致密的低Ca/Si摩爾比C?S?H，這不僅保證了CPCM后期強度增加，而且避免了充填體強度劣化。

工程科學學報. 2020 42(8): 963-971. Published 2020-09-11

礦石顆粒級配對堆浸體系三維孔隙結構的影響

2020-09-11

為研究堆浸體系礦石粒徑分布對孔隙結構的影響，對不同級配礦巖散體構成的浸柱開展顯微CT掃描測試，得到浸柱內部結構圖像。通過閾值分割算法對孔隙結構進行提取，建立浸柱三維孔隙模型，對浸柱體孔隙率和面孔隙率的空間分布特征進行研究。利用最大球算法構建浸柱孔隙網絡模型，進而分析礦石粒徑分布對孔喉半徑、喉道長度、孔喉體積、形狀因子和配位數等參數的影響規律。結果表明：礦石顆粒級配性越好，礦堆孔隙率越低；礦石粒徑越均勻，礦堆不同區域孔隙率差異越小；礦石粒徑分布對孔隙尺寸和連通性影響較為顯著，對孔喉形狀因子影響較小。隨著細顆粒礦石的減少，大孔隙增多，孔喉半徑、喉道長度和孔喉體積相應增大；隨著礦石粒徑均勻性的增加，堆浸體系中孤立孔隙所占比例減少，高配位數孔隙所占比例增大，即礦堆內的孔隙空間具有更好的連通性。

工程科學學報. 2020 42(8): 972-979. Published 2020-09-11

基于絮團弦長測定的全尾砂絮凝沉降行為

2020-09-11

基于全尾砂絮凝過程中絮團弦長的測定，分別研究絮凝和沉降兩個過程：首先以絮團平均弦長為指標研究不同絮凝條件下全尾砂絮凝行為，再以固液界面初始沉降速率為指標分析不同絮凝全尾砂料漿的沉降行為。探明了不同絮凝條件下全尾砂尺寸演化規律，全尾砂均快速絮凝形成絮團，絮團的平均弦長增長達到峰值后隨著剪切時間逐漸下降，直至達到穩定狀態。發現全尾砂絮團的平均弦長與絮凝全尾砂料漿固液界面的初始沉降速率隨著不同的絮凝條件而不斷改變，確定了在本文研究范圍內的最優絮凝條件：Magnafloc 5250絮凝劑，全尾砂料漿固相質量分數10%，絮凝劑單耗10 g·t<sup<?1</sup<，絮凝劑溶液中絮凝劑質量分數0.025%，剪切速率94.8 s<sup<?1</sup<。最優條件下絮凝過程中絮團平均弦長峰值為620.63 μm，絮凝結束時絮團平均弦長為399.57 μm，絮凝全尾砂料漿固液界面初始沉降速率為4.61 mm·s<sup<?1</sup<。初步建立了適用于本文全尾砂的基于絮團平均弦長的固液界面初始沉降速率模型，固液界面初始沉降速率隨著絮團平均弦長的增加而增加，為實際生產中控制全尾砂絮凝沉降參數以及設備結構優化、提高全尾砂料漿的絮凝沉降效率提供參考。

工程科學學報. 2020 42(8): 980-987. Published 2020-09-11

不同荷載條件下低孔隙率砂巖巴西劈裂試驗的聲發射特性

2020-09-11

針對巴西圓盤荷載接觸條件對巴西劈裂試驗影響的問題，采用聲發射監測系統開展線/非線荷載接觸條件下低孔隙率砂巖巴西劈裂試驗。直徑為50 mm，厚度為25 mm的標準巴西圓盤按照同一種傳感器三維布設方式布置8個Nano30傳感器。在相同的荷載速率下，聲發射監測Richter<sup<8</sup<系統對線/非線荷載兩種荷載條件下的巴西圓盤進行準靜態加載的波形信號連續記錄。通過P波自動到時及網格坍塌搜索算法進行定位，在線/非線荷載條件下分別有1131和931個聲發射事件被成功定位。圓盤的起裂位置均在圓盤非中心位置，對于非中心起裂的試驗值可能低估了巴西抗拉強度。裂紋下半球極點密度投影分析表明，非線荷載條件下破裂面的局部扭曲程度大于線荷載。試樣三維損傷演化結果表明，圓盤所受荷載面積大小，顯著影響圓盤損傷累計的時間、釋放能量的大小和裂紋擴展的穩定性。對有效聲發射定位事件進行矩張量分解獲取了兩種荷載條件下各向同性部分（ISO）、純雙力偶（DC）和補償線性矢量偶極成分（CLVD）頻率百分比，并采用微裂紋破裂類型分類方法來定量分析震源機制，結果表明巴西劈裂對荷載條件并不敏感，兩者均可以解釋為近似平行于荷載方向上的張拉裂紋的萌生、擴展及貫通。

工程科學學報. 2020 42(8): 988-998. Published 2020-09-11

酸性含汞溶液中電沉積回收汞的研究

2020-09-11

針對有色金屬冶煉煙氣中濕法脫汞過程產生的硫脲汞溶液難處置的問題，研究提出了電沉積從硫脲汞溶液中回收汞的新工藝。采用線性電位掃描法得到汞電沉積過程的陰極極化曲線，考察了不同雜質離子對硫脲汞溶液陰極極化曲線的影響。結果顯示，在控制陰極電位為?0.55～?0.45 V的條件下，溶液中的汞可選擇性沉積，溶液中Fe<sup<3+</sup<、Cu<sup<2+</sup<和H<sub<2</sub<SO<sub<3</sub<并不會影響溶液中汞的電沉積，即汞選擇性電沉積的電位為?0.55～?0.45 V。采用控電位技術對硫脲汞溶液電解回收汞工藝進行研究，探究了電解質種類和濃度、電解液溫度、攪拌速率、電解時間等因素對汞回收效率的影響。得到在陰極材料為銅片的條件下，最佳的電解工藝參數：電解質為0.24 mol·L<sup<?1</sup< Na<sub<2</sub<SO<sub<4</sub<，電解液溫度為30～40 ℃，攪拌速度為100～300 r·min<sup<?1</sup<，<inline-formula<<tex-math id="Z-20200811141238"<\begin{document}$ {\rm{SO}}^{2-}_{3}$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="200315-0001_Z-20200811141238.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="200315-0001_Z-20200811141238.png"/<</alternatives<</inline-formula<濃度為8 mmol·L<sup<?1</sup<，電解時間為5 h。最佳工藝條件下，溶液中汞的回收效率可達98%以上。對陰極電解產物進行分析，陰極上的汞為單質汞，且純度超過99%。

工程科學學報. 2020 42(8): 999-1006. Published 2020-09-11