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作者与机构
本研究的作者包括Longfei Ma、Yue Li、Jianfeng Wang、Zhan Liu和Xiaohong Zhan，他们均来自南京航空航天大学材料科学与技术学院。该研究发表于2024年7月2日的期刊《Vacuum》上，论文标题为《Numerical investigation of deformation and residual stress in vacuum brazing of titanium alloy plate-fin structure》。

学术背景
钛合金板翅结构（Plate-Fin Structure, PFS）因其低密度、优异的机械强度和增强的耐腐蚀性能，广泛应用于高端设备的核心部件。真空钎焊（Vacuum Brazing）是制造钛合金PFS的关键步骤，然而，焊接过程中局部集中热量会导致复杂的结构变形和残余应力，进而影响PFS的机械性能和使用寿命。为了优化PFS的制造工艺，研究团队开发了一种热-力耦合模型，旨在研究工艺参数和夹具方法对焊接后残余应力和变形的影响，并通过仿真结果获得工艺参数与应力/变形关系的解析表达式。

研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 材料与设备准备：研究使用TA1钛合金作为PFS材料，钎焊填充材料为Ti-Zr-Cu-Ni高温钎焊合金。实验设备包括ZGS-120真空炉，最大加热功率为120 kW。
2. 实验预处理：在真空钎焊前，对实验材料进行表面预处理和超声波清洗，随后用无水乙醇进一步清洁。
3. 真空钎焊实验：在真空度为8×10⁻⁴ Pa的条件下进行钎焊，钎焊温度为1150 K，加热阶段保温时间为30分钟，最终阶段为20分钟。
4. 残余应力测试：使用DS-21P X射线应力分析仪评估PFS试样的残余应力，并通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱仪（EDS）分析钎焊接头的微观结构和元素分布。
5. 数值模型建立：基于热-力耦合理论，建立了钛合金PFS的有限元模型，考虑了热传导、辐射等复杂的热传递机制。
6. 仿真与实验验证：通过仿真结果与实验数据的对比，验证了模型的准确性，并分析了不同工艺参数对PFS变形和残余应力的影响。

主要结果
1. 残余应力与变形分布：研究发现，PFS在Z方向产生位移，Y方向产生翘曲变形，且翅片与隔板之间的焊缝容易产生应力集中。随着钎焊温度和保温时间的增加，PFS的变形量增大，但残余应力值降低。当保温时间超过30分钟时，变形量趋于稳定。
2. 夹具方法的影响：不同的夹具方法对PFS的变形和残余应力分布有显著影响。方法III通过在隔板边缘引入密封约束，有效减少了PFS的整体翘曲变形，但其应力集中现象更为明显。方法I在控制变形和避免过度应力集中方面表现最佳。
3. 钎焊温度与保温时间的影响：钎焊温度的升高导致PFS的热变形增大，但残余应力随温度升高而降低。保温时间的延长增加了PFS的变形量，但当保温时间超过30分钟后，变形量不再显著增加。
4. 模型验证：通过X射线衍射法测量的残余应力与仿真结果的误差在5.5%以内，验证了热-力耦合模型的准确性。

结论
本研究通过热-力耦合模型，系统分析了钛合金PFS在真空钎焊过程中的变形和残余应力分布。研究结果表明，夹具方法、钎焊温度和保温时间对PFS的变形和残余应力有显著影响。方法I在控制变形和避免应力集中方面表现最佳，而保温时间30分钟被认为是优化PFS性能的最佳选择。此外，研究还通过数值模拟获得了工艺参数与应力/变形关系的解析表达式，为PFS的制造工艺优化提供了理论支持。

研究亮点
1. 创新性模型：本研究开发了一种热-力耦合模型，首次系统研究了钛合金PFS在真空钎焊过程中的变形和残余应力分布。
2. 工艺优化：通过实验和仿真相结合的方法，提出了优化PFS制造工艺的具体建议，如夹具方法的选择和保温时间的控制。
3. 高精度验证：仿真结果与实验数据的误差在5.5%以内，验证了模型的高精度和可靠性。

应用价值
本研究为钛合金PFS的制造工艺提供了重要的理论依据和技术支持，有助于提高PFS的机械性能和使用寿命，在航空航天、能源等领域具有广泛的应用前景。

以上内容全面介绍了该研究的背景、流程、结果及其科学价值，为相关领域的研究者提供了详尽的参考。