旋转摩擦挤压加工对不同时效态6061铝合金显微组织和力学性能的影响

采用旋转摩擦挤压(rotational friction extrusion,RFE)工艺对不同时效态6061铝合金进行加工,研究RFE对不同时效态6061铝合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:RFE能够破碎6061铝合金中的难熔AlFeMnSi相,导致合金中的AlFeMnSi相细小且分布均匀。预析出粗大Mg2Si相在RFE加工过程中摩擦热和变形作用下,回溶后重新析出,致使预析出粗大Mg2Si相对材料动态再结晶中的粒子激发形核(particle stimulated nucleation,PSN)机制无影响,RFE加工后的晶粒尺寸变化较小。RFE使淬火态6061铝合金强度下降,但长时间时效态6061铝合金经RFE加工后强度得到提升。然而,RFE加工的材料内部存在孔洞,合金断后伸长率降低。

旋转速度对铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接头成形及力学性能的影响

目的针对密封性要求高的6082-T6铝合金特殊容器焊接接头强度低的问题,研究搅拌头旋转速度对锁底接头成形及力学性能的影响。方法首先选用焊接速度为47.5mm/min,搅拌针旋转速度分别为600、750、950 r/min的焊接工艺参数对6082-T6铝合金锁底结构进行搅拌摩擦焊接,分析不同旋转速度对锁底接头横截面形貌、显微组织及力学性能的影响。结果锁底结构搅拌摩擦焊的焊缝区均存在未焊透和弱连接缺陷;随着旋转速度的提高,“S”线逐渐增多并且向前进侧方向偏移,未焊透缺陷尺寸逐渐增大;接头热影响区沉淀相的尺寸随着旋转速度的提高而增大,且分布更密集;提高旋转速度会造成接头拉伸性能逐渐降低;其中在旋转速度600r/min下获得的接头抗拉强度达到母材的53%,而旋转速度为950r/min时接头抗拉强度仅为母材的48%,并且在断口处发现了大量富Fe相沉淀颗粒物。结论随着旋转速度的增大,热影响区所受焊接热循环的高温时间增长,冷却时间延长,含有富Fe的沉淀相明显可见且逐渐粗化变大,导致力学性能降低。试样断裂位置均沿接头底部未焊透区域开始断裂。

轴肩形貌对铝合金搅拌摩擦焊焊缝金属流动的影响

采用轴肩凹面内渐近线凹槽个数分别为0,2,4,6的搅拌头,并结合镶嵌标示材料方法进行焊接试验,分析轴肩形貌对焊缝金属流动影响.结果表明,随渐近线凹槽数增加,焊核区尺寸及其两侧标示材料向上迁移最大高度先增大后减小,同一焊缝中前进侧标示材料迁移高度始终大于返回侧.使用渐近线凹槽数为4个的搅拌头焊接时可使焊缝中的疏松缺陷消失,且焊核区面积、宽度及其两侧标示材料向上迁移高度最大.适当增大渐近线凹槽数,可增大金属塑化程度及其向下迁移量,改善焊缝成形质量.

碳纳米管含量对铝基复合材料力学性能的影响

采用搅拌摩擦加工技术制备了多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料,研究了碳纳米管含量对复合材料力学性能的影响规律。结果表明,MWCNTs的添加对铝基复合材料的力学性能影响显著,随着MWCNTs含量的增加,MWCNTs/Al复合材料的硬度、弹性模量、强度都逐渐提高;当碳纳米管含量为6.6%(体积分数)时,复合材料强度达218 MPa,为基体材料的2.24倍;随MWCNTs含量的增加,MWCNTs/Al复合材料的塑性逐渐变差,拉伸延伸率逐渐降低,断口韧窝逐渐变小、变浅。

搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响

采用不同表面形状的搅拌针对20 mm厚7075铝板进行焊接,分析其对焊缝金属沿轴向迁移的影响.结果表明,使用圆锥形搅拌针焊接时,随着旋转速度增加,焊核区面积、塑化金属沿两边向上迁移高度先增大后减小,疏松区面积则先减小后增大.同一焊缝中焊核区内塑化金属沿前进边向上迁移高度大于返回边.采用375 r/min旋转速度焊接时获得的焊核区面积、塑化金属向上迁移高度最大,疏松区面积最小.而使用三角平面搅拌针焊接时,瞬时空腔的出现增强了沿焊缝水平方向上"抽吸-挤压"效应,同时改善塑化金属沿轴向上的流动性,导致疏松缺陷消失.

固溶温度对CNTs/7075复合材料组织和力学性能的影响

采用搅拌摩擦加工(FSP)方法制备了CNTs/7075铝基复合材料,并对其进行固溶时效热处理,研究固溶温度对CNTs/7075组织和力学性能的影响。通过微观组织观察发现,母材中大颗粒的二次相在FSP中被搅碎,随固溶温度提高,被搅碎的细小的二次相逐渐回溶至基材中,且由于回溶后基体合金元素过饱和度增大,复合材料在时效过程中弥散析出的沉淀相数量增多。复合材料中的CuAl_2在固溶过程中回溶入基体中形成过饱和固溶体,在随后时效过程中析出η相(MgZn_2)以及少量S相(Al_2CuMg)。CNTs/7075复合材料的抗拉强度和伸长率随固溶温度升高先上升后下降,当固溶温度为470℃时,抗拉强度相对较高,达到550 MPa,高于母材,伸长率为3.4%,表现为脆性解理断裂。

搅拌摩擦加工制备MWCNTs/Al复合材料的微观组织分析

采用搅拌摩擦加工技术制备了不同含量多壁碳纳米管增强铝基复合材料,并利用透射电镜对该复合材料的微观组织和界面结构进行分析。结果表明:该复合材料组织具有微米级的超细晶粒,晶粒尺寸随搅拌摩擦加工道次的增加而逐渐减小;铝基体晶粒中存在大量位错,并在局部形成位错缠结;在铝基体中有纳米级短棒状Al_4C_3相弥散分布;碳纳米管与铝基体之间结合紧密,界面处未发现有新相生成。

搅拌针偏心距对焊缝金属塑性流动行为的影响

采用搅拌针偏心距分别为0.1,0.2,0.3,0.4 mm搅拌头对叠层进行焊接试验,分析其对焊缝金属塑性流动行为影响.结果表明,焊缝由轴肩区、紊流区、焊核区及挤压区组成,其中紊流区为焊核区和轴肩区挤压金属形成的结果,前进侧挤压区金属变形尺寸明显大于返回侧.随偏心距增加,焊核区面积、宽度及挤压区标示材料向上迁移高度先增大后减小,前进侧标示材料向上迁移距离大于返回侧.由0.2 mm偏心距搅拌头获得焊核区面积和标示材料向上迁移距离最大.但焊核区宽度最大焊缝由0.3 mm偏心距搅拌头获得.根据焊缝金属塑性流动形态,提出搅拌针波动式挤压物理模型.

铝合金增材制造技术研究进展

铝合金广泛的应用市场和增材制造快速成形的优势,使铝合金的增材制造技术成为研究的热点之一。从铝合金增材制造技术的角度出发,总结了国内外铝合金增材制造所使用的不同工艺方法,比较了各种方法的研究现状和最新成果,并且重点总结了铝合金增材制造的成形控制问题,对铝合金增材制造技术未来的研究热点和发展方向提出了预测。

铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝金属流动行为研究进展

搅拌摩擦焊接过程中,焊缝成形与金属流动行为密切相关,而金属流动又取决于焊接工艺参数、搅拌头形貌、材料本身性能及温度场分布等影响因素。与铝合金薄板搅拌摩擦焊不同,厚板焊接时焊缝上部、下部温差太大,导致焊缝材料流动形态发生较大变化。基于焊缝成形理论,从焊缝金属流动分析方法、影响因素出发,分析厚板搅拌摩擦焊焊缝金属流动形态及特征,探讨焊缝中疏松、未焊透、包铝伸入、弱连接等缺陷的形成原因,揭示厚板搅拌摩擦焊焊缝成形机理。研究结果为铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接技术在航空、航天等高科技领域的广泛应用提供科学依据和理论基础。

搅拌摩擦叠层制造细晶材料组织特征及显微硬度

采用搅拌摩擦叠层制造技术制备块体细晶铝合金试样,并对试样成形特点、不同区域的显微组织及显微硬度等进行了研究。结果表明:试样结构致密,无气孔等缺陷存在;两板叠加加工后,返回侧hook沟向加工中心区伸入,而前进侧的则向上弯曲,经过二次搅拌后,hook沟伸入内部现象消失,开始向上弯曲,与前进侧类似。组织观察发现主要由细小等轴晶组成,但晶粒尺寸大小不一。其中最表面一层中心区的晶粒最细小,越底部位置加工区的晶粒尺寸越大。最上层轴肩区内的晶粒发生异常长大,过渡区中晶粒由于受到二次搅拌而细化,但其下方带状层中的细小晶粒发生粗化。显微硬度测试发现沿厚度方向上叠层试样硬度自下而上呈不断升高的趋势,这与试样晶粒尺寸分布情况相符。

基于OBE理念的无机材料工艺学课程教学探索与实践

工程教育专业认证对学生的能力和素养提出了更高的要求,因此,基于成果导向教育(OBE)理念对工程类专业课程进行教学改革是大势所趋。以无机非金属材料工程专业基础课程——无机材料工艺学为例,基于OBE理念探索和实践课程的教学内容及教学模式。通过将工程实例引入课堂教学,提升学生对专业的认同感和动手能力,构建“以学生为中心”的研讨式教学模式,为培养学生成为全面、实用、创新型人才创造条件。

铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝局部金属的塑性流动特征

以0.02mm厚铜箔为标示材料,采用带三角平面圆锥形搅拌针对20mm厚7075-T6铝板进行焊接。通过测试沿焊缝厚度方向上温度场分布及观察标示材料分布状态,分析焊缝局部金属塑性流动行为特征。结果表明,沿焊缝厚度方向上自上而下的金属温度逐渐降低;焊缝上、下表面温度差约为90℃;同一厚度上相对称的两点,位于前进边金属的温度高于返回边约15℃。位于焊核区上部的铜箔呈细小颗粒状均匀分布;下部铜箔则呈层片状分布,且向前进边偏移。焊核区由多个呈纹路状、有序排列的洋葱环结构相互层叠而成,这与焊缝塑化金属沿轴向迁移方式发生变化有关。

搅拌针锥度和螺纹头数对厚板铝合金FSW焊缝金属迁移的影响

研究了20 mm厚2024-T4铝合金板材在搅拌摩擦焊过程中,搅拌针锥度与搅拌针表面螺纹头数对焊缝塑性金属在搅拌针周围迁移程度的影响.结果表明,随搅拌针螺纹头数增加,搅拌头旋转1圈时搅拌针螺纹所转移的高温金属量增加,焊核中塑性金属在前进边和返回边的轴向上迁移程度增加,宏观表现为焊核高度、宽度和面积增大;搅拌针锥度由25°减少至15°时,焊缝塑化金属量增加,焊核塑性金属在焊缝横截面上横向和轴向的迁移程度都增大,焊核面积增大.采用多头螺纹和较小锥度的搅拌针,可以改善厚板焊接时温度梯度大、焊缝金属流动不充分的问题,保证焊缝冶金质量.

旋转速度对镁/铜异种金属搅拌摩擦焊接头成形及拉伸性能的影响

保持95 mm/min焊接速度不变的条件下,通过改变旋转速度研究其对镁/铜异种金属搅拌摩擦焊接头成形和力学性能的影响。结果表明:采用750 r/min搅拌头旋转速度焊接时,焊缝表面出现起皮现象;焊核区底部形成明显的隧道槽缺陷。适当增加搅拌头旋转速度至950 r/min时,焊缝表面变得更光滑;混合区尺寸增大;内部隧道槽缺陷消失;该混合区主要由被搅碎的Mg、Cu合金和少量新生成的Mg2Cu金属间化合物组成;接头的抗拉性能最好,抗拉强度达81.7 MPa;但是,继续增大搅拌头旋转速度至1180 r/min时,不利于接头成形,混合区底部有细小的孔洞缺陷产生。

铝/镁异种合金搅拌摩擦搭接焊接头界面结构及拉剪性能

在其它焊接条件相同的情况下,通过改变焊接速度对5A06铝合金和AZ31镁合金进行搅拌摩擦搭接焊接试验,分析焊接速度对接头hook沟成形及拉剪性能的影响。结果表明,适当降低焊接速度,有利于提高焊接热输入量和金属流动能力,使得接头的有效搭接厚度和宽度增加,内部孔洞缺陷消失。此外,有利于hook沟处铝和镁金属原子发生充分扩散,形成紧密的冶金结合。但是,当焊接速度太低时,热输入量过大,接头hook沟附近产生了明显的金属间化合物过渡区,且过渡区内形成了大量的Al_(12)Mg_(17)和Al_(3)Mg_(2)脆性金属间化合物,导致过渡区开裂。其中,当焊接速度为47.5 mm/min时,接头的有效搭接厚度和有效搭接宽度最大,且hook沟前端界面得到良好的冶金结合,使得接头的拉剪性能最优。

搅拌针端部挤压区内塑性金属的流动行为

以0.02mm厚的铜箔作为标示材料、1mm和2mm厚的2024铝合金薄板作为基材,采用不同的叠加方式组成叠层并进行搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW)试验,分析搅拌针端部挤压区塑性金属的流动行为及其对焊缝成形的影响。结果表明,在FSW焊接过程中,焊缝上部被塑化的金属不断地沿着搅拌针螺纹旋向往搅拌针端部迁移、长大,形成挤压区。此挤压区由位于搅拌针两侧的扩展区和位于搅拌针端面下方的变形区组成。其中,变形区的金属一部分来自从焊缝上部迁移而来的塑性金属;另一部分来自搅拌针端面下方母材经旋转摩擦作用而发生塑性变形的金属。挤压区塑性金属的流动方式分为轴向挤压迁移、水平摩擦迁移和绕流迁移三种。对厚板进行FSW焊接时,挤压区的塑性金属倾向以绕流迁移方式为主,导致焊缝内部形成疏松区或孔洞型缺陷。

焊接速度对Mg/Cu异种合金搅拌摩擦焊接接头成形的影响

目的研究不同焊接速度条件下镁铜异种合金搅拌摩擦焊接接头的成形规律。方法在保证其他焊接工艺相同的条件下,通过改变焊接速度,比较分析了焊接速度对接头的表面成形、横截面形貌特征、微观结构及力学性能的影响规律。结果随着焊接速度从118 mm/min减小至95 mm/min时,焊缝表面成形变得更光滑,飞边显著减少,内部孔洞缺陷消失,焊缝成形质量显著提高;但继续减小焊接速度至75 mm/min时,焊缝内部却再次出现孔洞缺陷。结论采用工艺参数为950 r/min的旋转速度、95 mm/min的焊接速度焊接时,焊缝成形质量最高;中心混合区主要由层片状铜合金、颗粒状镁合金和金属间化合物Mg2Cu组成;接头抗拉强度最大,达81.5 MPa。

焊接工艺参数及搅拌针形貌对铝合金搅拌摩擦焊轴向压力的影响

研究了焊接工艺参数及搅拌针形貌对铝合金搅拌摩擦焊轴向压力的影响规律,通过采用不同的焊接速度、旋转速度、搅拌针形貌对4 mm厚的2024铝合金进行了搅拌摩擦焊接,利用轴向力实时测量装置测量了搅拌摩擦焊时轴向压力。研究结果表明:其它条件相同时,稳定阶段的轴向压力随着搅拌针旋转速度的增加而减小,随焊接速度的增大而增大,右螺纹搅拌针稳定阶段的轴向压力较左螺纹轴向压力低。采用右螺纹搅拌针,焊接速度60 mm/min、旋转速度950 r/min时稳定焊接过程轴向压力值最低,平均为4.73 kN。

材料性能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

采用自主设计的左螺纹圆柱形搅拌头对1060纯铝、5A06和7075铝合金进行同种及异种材料搅拌摩擦焊试验,研究了材料性能对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。试验结果表明：由于材料性能不同,焊缝周边金属对焊缝塑性金属的约束状态不同,从而改变焊缝形貌。同种材料对接时,随着材料强度硬度的增加,焊缝周边金属对焊缝塑性金属的约束力增大,焊核直径和焊核面积逐渐减小。异种材料对接时,在焊接热输入相同的情况下,搅拌针表面螺纹与强度硬度低的金属材料过早地发生滑动摩擦导致驱动力不足,焊核宽度和面积更小,焊核中心向强度硬度高的材料一侧偏移。