双金属复合构件离心铸造技术

轧辊、无缝管和环类零件等是核电火电、石油化工和大型轧机等高端装备的关键基础构件,具有承载、连接和传动等作用,品种多、用量大、用途广。单一金属材料轧辊、无缝管和环件在性能上越来越难以满足重大装备在极端严酷环境下的服役性能要求,如在高磨损、高腐蚀环境下不仅需要考虑构件材料本身的力学性能,还必须采用抗磨损、抗腐蚀合金提高构件的力学性能和延长其使用寿命。因此,将具有不同性质的两种材料复合在一起组成双金属复合构件,可以实现两种单一金属组元性能的优势互补。单侧性能要求较高时,双金属构件可以取代稀有、贵重金属,在深空探测、风电、石化和远洋船舶等领域应用广泛。由于双金属材料成分、结构和性能的差异,其复合界面形态与结合特点是该类构件制造的关键。经过多年的研究与发展,已实现了复合辊、复合管等双金属复合构件离心铸造技术生产。双金属复合辊为外层卧式离心铸造、内层重力填充铸造,双金属复合管内、外层均为典型的卧式离心铸造,双金属结合界面形态受外层浇注温度、内外层浇注间隔时间和铸型转速的影响,结合层厚度的影响因素主要为浇注温度和凝固方法,复合构件性能主要取决于结合界面的性能;在复合辊和复合管离心铸造过程中,加以电磁控制和多元合金变质处理,以及离心铸造复合后进行阶梯热处理,均能够改善结合界面形态与成分分布均匀性,从而提高其结合性能,离心铸造复合成形机理主要为冶金结合。本文综述双金属复合构件离心铸造技术的研究现状,以典型双金属复合辊和复合管为研究对象,分析其离心铸造工艺特点与成形规律,探讨工艺参数对结合界面和结合性能的影响规律,揭示离心铸造过程中的组织演变机理,指出双金属构件离心铸造中存在的问题。结合盘状类环形零件的特点,展望双金属离心铸造复合构件的发展趋势与重点研究内容。

双金属复合管充液压形成形研究

目的促进双金属复合管中空构件在实际生产中的应用与推广。方法通过实验和数值模拟,研究双金属复合管室温下充液压形的可行性,分析内压对管材缺陷的影响,总结主要缺陷形式及缺陷的发生原因。结果室温成形时所需压力仅为15 MPa。对于Fe/Al双金属复合管而言,当其内压增大至17 MPa时,则回弹量很小,通过控制坯料的回弹量即可减小内外管间隙缺陷。成形件壁厚分布均匀,且内压对其影响较小。结论充液压形可在室温下成形双金属复合管。回弹是成形件存在间隙的主要原因,间隙随着内压的增大而减小。

微波固化成型三维中空复合材料结构的力学性能

为了改善三维中空复合材料结构微波固化成型的固化均匀性,提出了添加外部导热附加模具和内部微波吸收剂两种不同的方法。通过试验研究了附加模具的材料、厚度以及微波吸收剂种类和含量对三维中空复合材料结构力学性能的影响。结果表明,结构的平压失效模式包括芯柱失稳和压溃,剪切失效模式为芯材剪切失效和界面脱粘,短梁弯曲的失效模式为面板/芯材界面的脱粘后屈曲破坏。相比于未添加附加模具,AlN和Al_2O_3陶瓷均可以提高结构的力学性能,但AlN的增强效果更显著。AlN模具厚度的增加不利于结构的力学性能,模具厚度从0.5 mm增加到1.5 mm时,结构的平压、剪切和芯材剪切强度均随之降低。微波吸收剂的添加均可提高中空结构的力学性能,其中剪切和芯材剪切强度随着石墨含量的增加而增加,平压强度随着石墨含量的增加先增加后降低,而Fe_3O_4含量变化则对结构力学性能的影响不显著。

双金属复合管混凝土构件受弯滞回性能研究

在不锈钢(外)-碳素钢(内)双金属复合管内填入混凝土所形成的双金属复合管混凝土(CFBT)构件,具有良好的受力性能和耐腐蚀性。为研究CFBT构件在低周往复荷载作用下的弯曲滞回性能,开展了3个CFBT试件和1个传统碳素钢管混凝土(CFST)试件的加载试验和有限元模拟,分析不同混凝土强度条件下试件的破坏形态、荷载-变形滞回曲线、骨架曲线、承载力和刚度等受力性能。研究结果表明:往复荷载作用下CFBT受弯构件的变形和破坏特征与CFST受弯构件相似,最终均呈现为底梁附近钢管局部鼓曲、对应位置的内填混凝土压溃破坏;所有构件的弯曲滞回曲线饱满,无明显捏拢和退化现象,表明双金属复合管与内填混凝土能有效共同工作,使整体构件具有良好的承载力和滞回耗能能力;内填混凝土的强度对CFBT构件受弯承载力和滞回性能的影响不显著;在常用金属材料强度范围内,双金属复合管的不锈钢与碳素钢材料厚度比对CFBT受弯构件的受力性能无明显影响;增大碳素钢的强度或提高含钢率可有效提高CFBT受弯构件的受弯承载力。利用现有的CFST受弯构件计算模型可较好预测相同几何和材料参数条件下CFBT构件的受弯承载力。

铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成形数值模拟及验证

提出了触变软芯复合锻造成形技术,以某型铝钢双金属标准圆柱直齿轮为成形对象,通过有限元模拟研究了不同钢质层初始壁厚以及初始温度时的双金属协调变形行为。结果表明,铝/钢协调变形行为主要受钢质层初始壁厚与半径的比值影响;铝/钢在协调变形过程中形成机械互锁,钢质层齿顶壁厚增加,齿根壁厚明显减薄,成为开裂危险区;提高钢质层温度有助于改善其流动性,但温度过高时,铝芯接触到钢质层后被快速加热,流动应力大幅降低而流动紊乱。钢管初始温度为1 100℃、初始壁厚为4 mm时,齿轮成形品质较好。基于仿真分析设计了成形试验,获得了成形品质良好的铝钢双金属齿轮,证明触变软芯复合锻造技术可实现复杂铝钢双金属构件近净成形。

圆台形大空心率中空夹层钢管混凝土构件压扭性能研究

圆台形大空心率中空夹层钢管混凝土(TLHR-CFDST)基于传统中空夹层钢管混凝土(CFDST)发展而来,在实际工程中常受到压-扭复合荷载作用。为研究TLHR-CFDST构件的压扭性能,设计了6个试件并进行静力加载试验,主要试验参数包括锥角、空心率和轴压比。在试验的基础上,建立TLHR-CFDST压扭构件的有限元模型,进一步分析其工作机理和参数影响。结果表明:在压扭荷载作用下,TLHR-CFDST构件在上部截面发生破坏;当锥角增大时,构件的抗扭刚度和受扭承载力下降,而空心率对受扭承载力影响较小;当轴压比不超过0.4时,构件表现出良好的延性,但当轴压比大于0.4后,构件的扭矩-扭转角曲线出现下降段,受扭承载力有较大程度的降低;在钢管的约束下,混凝土受扭开裂后可以继续承担荷载;构件在不同参数下的压扭承载力相关曲线基本一致。基于承载力相关方程,建立了适用于TLHR-CFDST构件的压扭承载力计算方法,该方法预测的承载力与试验及数值计算结果吻合较好。

固液复合成形铝镁双金属件平直界面的精确控制

提出了固液复合成形制造平直界面铝镁双金属构件的方法,即采用室温固态镁合金和铝合金熔体作为初始坯料,通过整体模锻使铝合金熔体充型并包覆镁合金坯料。研究了成形压力为250、300、350和400 MPa,铝合金熔体温度为660、710、760和810℃时构件的成形质量和界面平直度。结果表明:增大压力和升高铝合金熔体温度可提高铝合金熔体的流动性,进而提高成形质量和界面平直度;但压力过大或温度过高时,镁合金易发生塑性变形,造成界面弯曲。当成形压力为350 MPa、铝合金熔体温度为710℃时,获得了平直而稳定的机械-冶金结合界面,实现了铝镁双金属构件平直界面的精确控制,并通过后续切削加工获得了具有完整平直界面的铝镁双金属构件。