固态法制备颗粒增强铝基复合材料的研究进展

颗粒增强铝基复合材料具备优异的综合性能,可用作结构-功能一体化构件,在新能源汽车、航空航天、核电和兵器装备等领域的应用潜力巨大。不同铝基体、颗粒增强体和制备方法对铝基复合材料的力学性能与物理性能的影响至关重要。近年来,科研工作者在颗粒增强铝基复合材料及其高性能制备方法上开展了大量工作,并取得一定进展。本文通过综述1xxx系、6xxx系等铝基体,氧化物、碳化物等颗粒增强体,粉末冶金法、大塑性变形法等固态法制备方法,力学性能、耐腐蚀性能等服役性能的最新研究进展,系统分析了不同制备方法的优势与目前存在的不足,以期为高性能颗粒增强铝基复合材料的选择、制备与应用提供参考。

多楔轮毂缘多道次旋压成形工艺研究

针对传统锻后切削工艺生产多楔轮存在材料利用率低、切断齿形金属流线等问题,以某多楔轮零件为研究对象,基于旋压近净成形原理,对多楔轮毂缘制定了多道次旋压工艺方案。基于SIMUFACT软件平台建立了多道次旋压成形全流程三维有限元模型,通过数值模拟研究了各道次旋压成形过程中的毂缘区材料流动规律及增厚情况。模拟结果表明,旋压预制坯外缘在第1道次旋弯轮弧挤压作用下发生明显的弯曲和增厚,板坯整体呈“半弧形”结构,后经过第2道次旋平轮镦挤推平,板坯整体发生二次增厚并成形出满足旋齿厚度要求的毂缘筒壁;通过第3道次和第4道次旋齿工艺使毂缘筒壁金属发生转移,形成满足尺寸要求的齿形结构。根据模拟结果进行试验研究,成功试制出质量合格的多楔轮零件,验证了该成形方案的可行性。

限制型多向锻造对Ti_(2)AlNb基合金组织与性能的影响

在B2+O相区下对Ti_(2)AlNb基合金进行三道次等温限制型多向锻造(R-MDF),借助金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对变形后的合金试样组织进行分析,通过Image软件定量统计多向锻造各道次O相的总体积分数、板条O相的宽度和体积分数以及等轴O相的尺寸,研究不同道次下O相的变形行为;对不同道次下Ti_(2)AlNb基合金试样进行维氏硬度测试,揭示Ti_(2)AlNb基合金经多向锻造后微观组织与显微硬度之间的关系。研究结果表明:变形结束后,粗大的板条O相破碎细化成等轴O相;经不同道次的多向锻造后,等轴O相尺寸先由一道次的0.57μm增大到二道次的1.24μm后又逐渐细化,三道次后平均尺寸为0.84μm左右;相较于初始试样,各道次试样显微硬度分别提升约15.4%、22.2%和14.8%。

N36锆合金背压多向压缩变形行为模拟

采用有限元模拟方法对不同背压力和背压距离的N36锆合金背压多向压缩变形行为开展了研究,分析了背压作用对金属流变过程与损伤行为的影响规律。结果表明,单次压缩会产生4个变形区域。一道次背压多向压缩变形后,金属变形历史的差异引起了试样等效应变的不均匀累积。施加背压力能增加试样累积应变和大变形区体积占比、改善小变形区变形不足问题,并提高试件变形均匀性。同时,增大背压力、减小背压距离有利于增加累积应变量、提高应变均匀性、减小损伤层厚度、降低损伤区域体积占比。当背压力为100 kN、背压距离为5 mm时,试样累积应变升至4.05、大变形区体积占比升至0.87,试样损伤层厚度和损伤区域体积占比分别为2.74 mm和2%,与无背压条件相比,试样变形均匀性得到明显改善,损伤层厚度显著降低,材料利用率得到充分提升。

Ti65钛合金热变形行为及本构方程

利用WDW-100H万能试验机对Ti65钛合金进行了等温恒应变速率热压缩实验,变形温度为840~1010℃,应变速率为0.001~0.1 s^(-1),建立了应变补偿型Arrhenius本构方程和热加工图。结果表明:在840~880℃内流动应力曲线波动较大,在880℃时峰值应力与稳定后应力之间的降幅最小,为24%,对温度敏感性较大;在920~1010℃内流动应力曲线较为平稳,在920℃时峰值应力与稳定后应力之间的降幅最大,为30%,对温度敏感性较小。采用应变补偿型Arrhenius本构方程可以较好地预测Ti65钛合金在变形条件为840~1010℃和0.001~0.1 s^(-1)下流动应力的变化规律。根据相关系数R=0.994和平均相对误差e AARE=6.9%可以判断出该模型精度较高,平均应变速率敏感性指数m为0.31。在应变为1.0时建立热加工图,发现Ti65钛合金在低温高应变速率下可能会发生失稳,在低温低应变速率下会发生再结晶行为。最终得出Ti65钛合金的最佳热变形工艺参数,即温度区间为940~980℃,应变速率区间为0.01~0.001 s^(-1)。

纯铝等径角挤扭新工艺数值模拟及实验研究

为了改进等径角挤压法(ECAE)的不足,结合扭挤(TE)工艺的特点,提出了等径角挤扭(ECAE-T)新工艺。采用有限元模拟软件DEFORM-3D对上述三种工艺的变形特征进行模拟研究,重点分析了ECAE-T工艺对制件应变应力大小和分布的影响。模拟结果显示:与ECAE和TE相比,ECAE-T工艺存在两个大塑性变形区,能累积更大的剪切塑性变形量。采用自行设计的模具,在室温下进行了纯铝ECAE和ECAE-T实验研究,实验结果表明:模拟过程与实验基本一致,与ECAE相比,ECAE-T工艺一道次后的组织更加狭长、细小。由模拟结果和实验结果可知,ECAE-T工艺是更加优异的大塑性变形法。

圆柱斜齿轮浮动凹模冷挤压成形仿真与实验研究

采用浮动凹模冷挤压成形工艺,对螺旋角不同的同一型号圆柱斜齿轮进行了数值模拟与实验研究。分析了成形过程中金属的流动特点、成形载荷,并与传统工艺进行了比较。通过不同螺旋角斜齿轮的对比,探索了影响脱模后锻件精度的因素。结果表明:对圆柱斜齿轮采用浮动凹模冷挤压成形可有效降低成形载荷,且在脱模过程中齿轮锻件沿着齿形螺旋方向做刚性旋转运动,脱模后锻件可保持较高精度。研究成果为圆柱斜齿轮精锻成形工艺的深入研究提供了参考。

高压扭转法的研究现状及展望

高压扭转法是在变形体高度方向施加压力的同时,通过主动摩擦作用在其横截面上施加一扭矩,促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的特殊塑性变形工艺。文章介绍了高压扭转法对提高材料的力学性能、超塑性等的贡献以及影响高压扭转法的因素,分析了该法目前存在的问题,并对其应用前景进行了展望。

22MnB5超高强钢热冲压成形工艺及试验

考虑材料的热物理性能参数、力学性能与温度的关系,利用ABAQUS软件建立了22MnB5超高强钢热冲压过程的热力耦合有限元模型,选用合适的热冲压工艺参数进行数值分析,得到了坯料热冲压成形的应力应变分布,并以板料初始温度为变量,研究不同初始温度对零件厚度分布、回弹及冷却速率的影响。进行了板料初始温度为900℃的22MnB5超高强钢热冲压试验,零件厚度分布及回弹量与模拟结果基本吻合,各区域淬火组织均为板条状马氏体,由于零件底部的淬火冷却速率较大,马氏体组织更加均匀细小。

超细晶材料制备新工艺——挤扭

近年对块体超细晶材料的研究已成为材料科学领域一大热点。挤扭工艺作为一种新兴的大塑性变形细晶材料制备技术,在细化材料显微组织、改善材料力学性能、提高材料成形性等方面发挥了重要作用,具有广阔的工业应用前景。文章重点介绍了挤扭工艺的基本原理及其变形特点,综述了国内外挤扭工艺的研究现状和研究进展,指出了该工艺目前存在的问题,并对其应用前景进行了展望,具有较好的实用参考价值。

基于SIMA法的AlSi30合金半固态坯料的制备

引入等径角挤压(ECAP)法替代传统半固态坯料制备方法——应变诱导熔体激活(SIMA)法中的冷、热塑性变形,在正交试验条件下由AlSi30合金粉末制备其半固态坯料,研究了工艺参数对半固态坯料显微组织的影响。结果表明,保温温度是影响初晶硅晶粒大小和圆整程度的主要因素;影响初晶硅晶粒大小的次要因素是保温时间;影响初晶硅圆整度的次要因素是等径角挤压的温度;试验的最佳工艺参数,等径角挤压温度为500℃,挤压路径选择A路径,保温温度为605℃,保温时间为55min。

纯钼粉末多孔烧结材料ECAP的数值模拟及实验

采用DEFORM-3D软件对纯钼粉末多孔烧结材料等径角挤压过程进行单道次三维有限元模拟和实验研究,获得变形过程中试样的应力、应变、致密行为等相关场量变化规律。模拟结果表明:等径角挤压工艺对粉末材料具有强烈的致密效果,整个变形过程可分为3个阶段,即初始变形、过渡变形及稳定变形;试样纵横截面上,等效应变均存在不均匀分布现象,靠近模具内角和上表面处试样所获应变较大,相对密度也较高。试样不同部位所处应力状态及应变速率分布状态的不一致是导致其应变分布不均匀的根本原因。单道次挤压实验结果与模拟结果具有较好的一致性,证明了所建立有限元模型的可靠性。

筒形件强旋工艺参数对金属切向流动的影响

筒形件旋压过程中的扩径或缩径现象是影响旋压件内径精度的主要因素 ,它不仅使旋压件尺寸产生较大误差 ,而且造成圆度和圆柱度误差 .由于扩径或缩径现象是由材料的切向流动所引起的 ,因而研究旋压切向流动对改进工艺条件 ,控制工件质量有重大意义和实用价值。用弹塑性有限元模拟结果 ,分析了减薄率进给比旋轮工作角、毛坯壁厚材料性能等因素对金属切向流动的影响 ,为实际生产中控制旋压件尺寸精度 。

β21S钛合金高温变形行为研究

在Gleeble-1500热模拟试验机上对β21S钛合金进行了高温恒应变速率压缩实验，研究其在变形温度为750～1100℃，应变速率为0．01～1s^-1条件下的流变应力及微观组织变化规律，计算了变形激活能及应力指数，并给出了流变应力的计算模型。结果表明：合金的流变应力随应变速率的增大而增大，在恒应变速率下，其应力水平随温度的升高而降低；在较低温度和高应变速率变形时，合金仅发生回复现象，随着温度的升高和应变速率的降低，有部分再结晶发生且再结晶程度逐渐增大；计算得出实验条件下的变形激活能和应力指数分别为211．04kJ／mol和4．0129。

带纵向内筋薄壁筒形件强旋成形

关于带有纵向内筋的薄壁筒形件强旋成形时金属流动规律和变形机理,可以通过实验获得.实验主要涉及所用的旋压方式,所需的旋压设备,旋压工装的设计,旋压管坯的制备,以及部分工艺参数对试件成形性的影响.分析了旋压件产生某些质量缺陷的原因.通过实验获得必要数据,为以后将要进行的人工神经元网络预测和有限元模拟奠定了坚实的基础.

TB8钛合金的热变形行为及加工图

采用Gleeble-1500热模拟机在变形温度为750～1100℃、应变速率为0.01～1s-1范围内对TB8钛合金进行了单道次热压缩变形试验,研究了其高温变形力学行为.结果表明:随着变形温度的升高和应变速率的降低材料的峰值应力和稳态应力显著降低;高温变形条件下TB8合金流变应力本构关系可以用双曲正弦方程和Z参数描述;建立并初步分析了基于动态材料模型的TB8钛合金热加工图,当温度为950～1100℃、应变速率为0.01s-1时TB8合金的能量耗散效率较高.

高压扭转圈数对碳化硅颗粒铝基复合材料组织和性能的影响

采用高压扭转(high-pressure torsion,HPT)工艺,成功将8.75%体积分数SiC颗粒与Al的混合粉末制成金属基复合材料,并用金相显微镜、显微维氏硬度计、万能材料试验机和扫描电镜等,分析了扭转圈数对SiCp/Al复合材料的显微组织、显微硬度、拉伸性能和拉伸断口形貌的影响。结果显示,扭转圈数从0.5圈增加到4圈,基体的变形抗力降低,SiC颗粒在剪应力的作用下易于与基体协调变形,SiC颗粒分布均匀化程度显著提高;随着扭转圈数增加,试样所受到的剪切作用增大,极易引起位错的运动和增殖,基体晶粒得到细化,单位体积内的晶界增多,使试样显微硬度得到提高;扭转圈数越多,拉伸断口韧窝数量明显增多,且尺寸变小。

扭压复合加载变形过程的理论分析

扭压变形是在变形中沿坯料高度方向施加压力的同时，沿坯料横截面方向施加扭矩，将工件与工具间接触摩擦的有害作用转变为积极的有益作用，从而减小变形力，改善工件的组织性能。对其变形过程进行了数值模拟和试验研究，并与镦粗变形作了比较。在有限元模拟中，采用了分析区域选取、拟三维处理及摩擦功率的计算等方法，计算值与光塑性试验结果相吻合。

MB15镁合金上机匣的等温精锻工艺

上机匣为直升机传动系统中的关键零件，几何形状复杂，性能指标要求高，成形难度大。采用纯铅为模拟材料，对上机匣成形方案进行了试验研究，确定了上机匣等温精锻成形分制坯、终锻、精整三个工步。通过对ＭＢ１５镁合金塑性图的分析，确定其变形温度范围为３５０～３８０℃。制坯、终锻时的变形温度取３８０℃，以便金属充填模膛；精整时的变形温度取３５０℃，以提高锻件力学性能。为保证锻件几何精度，采用锻后直接人工时效的热处理方案（１６４℃时效２４ｈ）。利用等温精锻工艺成功地锻制出上机匣锻件，锻件的力学性能、显微组织和尺寸精度均符合要求。

汽车桥壳机械式胀形关键技术

采用汽车桥壳机械式胀形新工艺,利用DEFORM-3D有限元软件对汽车桥壳机械式胀形过程进行数值模拟,分析成形管件的成形规律,并在现有设备上进行了相关物理实验。研究结果表明,机械式胀形桥壳的工艺孔两端区域受到拉应力的作用而出现壁厚减薄现象,中间区域受压应力的作用而产生起皱缺陷。通过采用以椭圆形工艺孔替代长工艺孔,同时在工艺孔中间区域设计三角槽的改进方案,其成形效果表明,改进的工艺方案有效的缓解了工艺孔两端区域的壁厚减薄的程度,同时避免了中间区域起皱的缺陷。