AZ31镁合金和7050铝合金ECAP过程的数值模拟研究

利用Abaqus有限元软件分别对AZ31镁合金和7050铝合金进行等通道转角挤压(ECAP)数值模拟研究。利用有限元(FE)模拟得到应力场、应变场及载荷-位移曲线,分析了在不同挤压温度、挤压速度、摩擦条件和不同截面下等通道转角挤压的变形规律。结果表明,挤压温度升高可以降低挤压载荷,这有利于AZ31镁合金挤压,在摩擦较小情况下进行变形有利于降低挤压载荷,提高变形均匀性;在不考虑变形过程中温升效应的情况下,挤压速度对挤压载荷影响较小,当挤压速度提高时,最大等效应变值有所提高;圆形截面比方形截面更适合进行等通道转角挤压。

激光冲击和深冷处理对7050铝合金残余应力和力学性能的影响

研究了不同激光冲击处理后进行深冷处理以及补充低温回火处理对7050铝合金残余应力和力学性能的影响及其规律。结果表明,激光冲击能够显著提高7050铝合金的表面压应力至-260 MPa,而增加深冷-低温回火处理后表面压应力减小约23%。但合理调整激光冲击工艺参数,能够有效弥补深冷-补充低温回火处理对表面压应力的降低,其中,当激光冲击次数为3次时,增加深冷-补充低温回火后表面压应力可达-230 MPa。此外,与单一激光冲击处理相比,激光冲击-深冷-补充低温回火处理后铝合金基体、表面之间的硬度得到均匀化。深冷处理能够促使激光冲击后铝合金试样表面变形加剧,同时晶粒得到进一步细化并且亚晶界增多,使7050铝合金的强度提高。

冷却速率对7050铝合金淬火析出行为的影响

基于末端淬火的高通量实验,结合扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)研究了7050铝合金的淬火析出行为。结果表明:随着冷却速率的降低,电导率增加,淬火析出相的种类和形核位置均增加。有利形核析出的位置顺序为大角度晶界、小角度晶界(亚晶界)、再结晶晶内(Al_(3)Zr粒子)、位错和亚晶内(Al_(3)Zr粒子)。淬火析出相的析出顺序为η相、S相、T相和Y相。随冷却速率的降低,η相依次在大角度晶界、小角度晶界、再结晶晶内(Al_(3)Zr粒子)和部分亚晶内析出;当冷却速率低于630℃/min时,S相在亚晶(界)析出,T相在再结晶晶内(Al_(3)Zr粒子)和高位错密度的亚晶(界)处析出;当冷却速率低于164℃/min时,Y相在亚晶的位错处析出,η相和T相也在亚晶内析出。

7050铝合金试样尺寸对淬火后时效应力松弛率的影响

通过有限元仿真和实验验证方法,研究了7050铝合金在4 h和165℃条件下时效过程中不同倍数H形试样的应力松弛行为。结果表明,模拟结果与实验结果吻合性较好,误差在8.81%以内;尺寸效应主要通过几何特征和淬火应力对时效应力松弛率产生影响;在实验范围内,若不考虑初始应力的影响,试样的倍数对时效应力松弛率不构成影响。在实际淬火应力下,A、B、C、D和H点的应力松弛率随试样倍数增大呈对数增加,E、F和G点则在0.44倍试样时出现应力松弛率的极大值,主要原因是试样在0.2~1.5倍区间时淬火应力随试样尺寸发生变化,影响了应力松弛过程;当试样在1.5~5倍区间时,淬火应力趋于稳定,使得时效过程的应力松弛率趋于稳定,尺寸效应减弱。

工艺参数对7050铝合金铣削表面质量的影响

为了探究7050铝合金铣削表面质量的关键影响因素,寻找最优工艺参数,对7050铝合金在浇注冷却条件下进行了正交试验,建立了表面粗糙度与切削深度、主轴转速之间的回归模型,分析了加工过程中刀具-工件相对接触状态不同时所产生的刀痕差异。结果表明:切削深度对表面粗糙度的影响最大,主轴转速其次,进给量的影响最小;刀痕的表现形式与刀具-工件相对接触状态存在直接联系,刀具切入工件位置主要受切削深度的影响产生单向圆弧状刀痕,刀具完全进入铣削工件后则会形成交错的圆弧状刀痕,在刀具离开工件位置主要受进给量影响产生较浅刀痕。

航空用高品质7050铝合金大规格扁锭熔铸技术研究

7050铝合金具有密度低、强度高、热加工性能优异等优点,在航空航天结构件上应用广泛。但在7050铝合金大规格铸锭半连续铸造过程中,存在热裂、成形困难、严重显微疏松和氧化夹杂等问题。本研究开发了大规格扁锭半连续铸造过程中合金熔体冶金质量控制技术,系统考察了精炼工艺、晶粒细化技术对大规格扁锭品质的影响规律,确定了大规格扁锭铸造工艺。结果表明,优化工艺制度能严控熔体内氢和夹杂物含量,采用Al-Ti-C晶粒细化工艺制度将晶粒度控制在1~1.5级,高质量的熔体质量缓解了合金凝固收缩应变,极高比例地解决了扁锭开裂问题。最终,形成了一套适用于大规格7050合金扁锭的熔铸工艺制度。

不同冷速下7050铝合金的晶粒细化研究

采用V型模具、光学显微镜和扫描电镜等研究不同冷速下7050合金的细化机理。结果表明随着冷却速度从1.8℃/s增加到54.3℃/s,7050铝的晶粒度从75.5μm降低至45.6μm;随着冷却速度的增加,第二相中T相(AlZnMgCu)和S相(Al_(2)CuMg)的平均尺寸逐渐减小,其分布更加细小弥散,该两种相可以作为铝晶粒的形核质点,促进7050合金的晶粒细化。

钛元素对再生7050铝合金细化作用的研究

试验研究了Ti含量及加Ti后熔体在炉内停留时间对再生7050铝合金铸锭晶粒细化的影响。结果表明,以再生铝为原料配制的7050铝合金添加Ti的质量分数达到0.035%时,晶粒细化效果最佳,树枝晶基本消失。当Ti质量分数达到0.036%时,铝液在炉内停留不超过2 h时,晶粒有粗化倾向,但整体变化不大;当停留时间达到或超过3 h时,晶粒粗化明显。再生7050铝合金铝液添加Ti后,保温时间宜不超过2 h,宜快速冷却进行铸造。

基于响应面法和BP神经网络的7050铝合金腐蚀疲劳寿命预测及对比

对7050铝合金依次进行腐蚀和疲劳试验,获得了腐蚀后合金的疲劳寿命;分别利用响应面法和BP神经网络得到腐蚀时间、NaCl溶液浓度、加载频率、最大应力与腐蚀疲劳寿命之间的映射关系,并对该合金进行腐蚀疲劳寿命预测,比较了两种模型的预测误差。结果表明:在不同载荷条件下,两种模型的可靠性均较好,响应面模型和BP神经网络模型预测得到的腐蚀后合金的对数疲劳寿命与试验值的均方根误差分别为0.0710,0.0683,决定系数分别为0.9519,0.9980;BP神经网络模型的预测精度优于响应面模型。

电磁耦合处理对7050铝合金承力框铸件初始残余应力调控研究

通过电磁耦合处理工艺参数的变化研究了7050铝合金承力框铸件的力学性能及初始残余应力。结果表明,在磁场强度为1.5 T,电流强度为25 A/mm^(2)时,7050铝合金的抗拉强度可提升10 MPa,伸长率提高16.73%,电阻率提升3.24%,塑性增强。7050铝合金承力框铸件初始残余应力小且分布均匀。采用磁场强度为1.5 T、电流强度为25A/mm^(2)的工艺参数,可使初始残余应力降低约10%。

冷拉变形对7050铝合金丝材组织与性能的影响

对7050铝合金丝材经冷拉变形后过时效态以及冷加工变形态的组织与性能进行了研究。结果表明,随着冷变形量的增加,晶粒拉长,屈服强度、抗拉强度和剪切强度增大。与冷拉态相比较,过时效态丝材的这些指标增加不明显;晶粒越均匀细小,合金丝材冷镦时越不易发生开裂。

变形温度对多向锻造7050铝合金组织与力学性能的影响

对均匀化后的7050铝合金铸锭进行不同变形温度(390、420、450℃)的多向锻造实验。通过光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、透射电镜和室温拉伸性能测试,研究变形温度对锻造态、固溶态和时效态7050铝合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:多向锻造对合金中粗大的残余结晶相起到一定的消减效果,残余相的面积分数随变形温度升高而降低。多向锻造后,合金芯部基本为粗大的原始晶粒,随变形温度升高动态再结晶程度增大;固溶处理后,随变形温度升高残余结晶相的面积分数降低,亚晶含量增加;时效处理后,随变形温度升高纳米级析出相的含量增加。时效态合金的强度随变形温度升高而提高,变形温度为450℃时,合金综合力学性能最好,其屈服强度为496.7 MPa,抗拉强度为555.1 MPa,伸长率为8.1%。

晶粒细化剂对7050铝合金铸锭晶粒组织的影响

对分别采用AlTi3C0.15和AlTi5B1细化的不同规格7050铝合金铸锭进行低倍组织观察,并利用光学显微镜和金相分析软件对各铸锭不同位置进行显微组织分析和晶粒尺寸测量。结果表明,采用AlTi3C0.15细化的铸锭,其低倍晶粒度明显大于采用AlTi5B1细化的铸锭;采用AlTi3C0.15细化的铸锭,其3/8厚度位置的晶粒尺寸大于1/2厚度位置,采用AlTi5B1细化的铸锭其3/8厚度位置的晶粒尺寸小于1/2厚度位置。

冷喷涂对7050铝合金FSW接头耐应力腐蚀性能的影响

采用冷喷涂技术在7050铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头表面进行纯Al涂层的制备,研究冷喷涂对FSW接头耐应力腐蚀性能的改善作用,并对其改善因素进行探索。结果表明,冷喷涂后的FSW接头的耐应力腐蚀性能有明显的提高,应力腐蚀断裂时间从24 h内延长至480 h以上,断裂位置也从前进侧热影响区变为焊核区。纯Al涂层沉积厚度约500μm,孔隙率较低,仅0.74%,均匀分布于接头上表面,无氧化和粉末粒子堆积现象,可在海水腐蚀环境中为接头提供较好的物理防护作用,有效改善接头的应力腐蚀敏感性及腐蚀环境对应力腐蚀的促进作用。冷喷涂层对接头产生压应力,可显著降低接头的残余拉应力,减少内外拉应力的交互作用,延缓应力腐蚀开裂速度。

淬火方式对7050铝合金挤压棒材组织和性能的影响研究

以ϕ75 mm7050铝合金棒材为研究对象,分别采用离线和在线方式对试样进行淬火处理,然后进行时效处理。采用OM、SEM、EDS、TEM和电子拉伸试验机分析测试了在线及离线淬火试样的组织和拉伸性能,并对结果进行了比较;对离线及在线淬火试样进行应力腐蚀试验及剥落腐蚀试验,比较了两种淬火方式下试样的耐腐蚀性能。结果表明:在线淬火试样基体中的第二相数量远多于离线淬火试样。离线淬火试样晶内析出相以杆状η′相为主,还存在部分η相。在线淬火试样晶内可见大量纠缠聚集的GP区,存在部分η′相和少量η相。在线淬火试样由于固溶温度低、淬火冷速不足,降低了过饱和固溶体的溶质浓度,进而减少了时效沉淀强化相的数量,导致在线淬火试样的强度降低。在线与离线淬火试样的电导率、应力腐蚀性能和剥落腐蚀性能均符合相关标准要求。双级时效能有效改善铝合金抗应力腐蚀性能及耐剥落腐蚀性能,抗腐蚀性能较峰值时效也具有一定优势。

7050铝合金厚板织构、拉伸性能及断裂韧性的不均匀性

采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、常温拉伸和紧凑拉伸实验,对120mm厚的7050铝合金板材的织构分布、拉伸性能及断裂韧性进行分析。结果表明:沿板材厚度方向,合金的组织、织构、强度及断裂韧性呈不均匀分布;在同一厚度处,合金的强度和断裂韧性具有明显的各向异性;由板材表层到中心,粗大第二相及再结晶晶粒尺寸逐渐增大;板材表层的织构主要由剪切织构{111}<110>和立方织构Cube{001}<100>组成,中心主要由β取向轧制织构和少量立方织构组成,1/4厚度处是过渡层;由板材表层到中心,轧向及长横向强度呈不均匀变化,板材中心处强度比表层的小;板材同一厚度处,强度和断裂韧性具有明显的各向异性,轧向强度大于长横向和短横向强度,L-T取向的断裂韧性大于T-L取向和S-L取向的断裂韧性;L-T取向的断裂方式主要是穿晶断裂,S-L取向的断裂方式以沿晶断裂为主,T-L取向是混合型断裂,其穿晶断裂比例比L-T取向的穿晶断裂比例小,沿晶断裂比例比S-L取向的沿晶断裂比例小。

回归时间对7050铝合金晶间腐蚀性能的影响

采用硬度、电导率测试、金相及透射电镜观察等手段,研究了回归时间对7050铝合金力学和晶间腐蚀性能的影响。结果表明:合金经190℃/60min回归和再时效处理,屈服强度最高,抗晶间腐蚀能力最好,具有最佳的综合性能;但合金在接近回归硬度曲线的谷值时,经190℃/4min回归处理,抗晶间腐蚀性能最差。透射电镜观察表明,190℃回归4min时,晶界析出相粗大,基本连续分布,没有明显无沉淀析出带,4min后,随回归时间的延长,晶界无沉淀析出带略宽,同时晶界析出相逐渐粗大且不连续分布,进而提高了合金的抗晶间腐蚀性能。

多道次热压缩过程中7050铝合金的再结晶行为

采用Gleeble1500D热模拟实验机按设计的轧制工艺对7050合金进行压缩试验,模拟其多道次热轧过程,采用光学金相显微镜和透射电镜研究不同冷却条件下变形量为80%时试样的显微组织。结果表明:在热压缩过程中,合金未发生明显动态再结晶;合金在压缩后缓冷过程中发生静态再结晶,晶界形核和亚晶合并长大为其主要形核机制;合金中的Al3Zr粒子会阻碍晶界和亚晶界的移动,从而抑制再结晶和再结晶后的晶粒长大。

固溶处理对7050铝合金强度和断裂韧性的影响

采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、常温拉伸、紧凑拉伸等实验手段研究固溶处理对7050铝合金拉伸力学性能和断裂韧性的影响。研究结果表明:单级固溶中,随着固溶温度的升高,粗大第二相逐渐溶解,但再结晶体积分数和亚晶尺寸逐渐增大,导致强度和断裂韧性均先增大后减小;双级固溶后,粗大第二相明显减少,再结晶体积分数和亚晶尺寸较小,强度和断裂韧性均超过单级固溶的最大值;固溶后预析出,虽然再结晶体积分数较低,亚晶尺寸较小,但亚晶界析出大量η相,基体内存在大量粗大第二相,强度和断裂韧性明显下降。

7050铝合金的TTP曲线

通过分级淬火方法获得7050铝合金的时间-温度-性能（TTP）曲线。结果表明：合金TTP曲线的鼻尖温度为330℃，淬火敏感温度区间为240-420℃；等温保温时，过饱和固溶体分解析出第二相粒子，在330℃附近，第二相（主要为玎平衡相）的析出速率达到最高；随着时间的延长，晶内瑁相数量增加、尺寸变大，时效后粒子周围出现无沉淀析出区，导致强化效果显著降低；晶界处珂相粒子粗化，由不连续分布形貌转变为连续分布形貌，无沉淀析出带宽化；鼻尖温度的高相变驱动力和较快的扩散速率是叩相析出和长大的主要原因，建议在淬火敏感区间应加快淬火冷却速率避免平衡相的析出，而高于淬火敏感区间温度时可适当降低冷却速率减小热应力的影响。