难变形金属小模数齿形件电流辅助分形旋压成形方法研究

针对难变形金属小模数齿形件采用传统滚齿及插齿方法制备时,存在材料利用率低、强韧性不足等问题,提出采用分形旋压方法实现此类小模数齿形件的完整近净成形。以模数为0.3的30CrMnSiA合金结构钢小模数齿形件为研究对象,设计制作了难变形金属小模数齿形件分形旋压成形工艺装备,并基于旋压成形试验进给研究了渐进式进给、主轴正反转进给和间歇式进给3种不同成形方式及有/无电流辅助条件对难变形金属小模数齿形件分形旋压的影响规律。结果表明:采用渐进式进给成形方式时,旋压成形缺陷最少,但所获得的轮齿饱和度仅为70.2%;采用正反转式成形方式时,成齿区易出现预成形齿顶与旋轮轮齿啮合错位而导致被两次分形的缺陷;采用间歇式进给式成形方式时,成齿区齿顶部分出现大量毛刺;采用渐进式成形方式,相同试验条件下,通入脉冲电流后,材料塑性变形能力显著提升,轮齿饱和度提高到95.7%。采用电流辅助分形旋压成形获得的小模数齿形件齿廓偏差为0.029 mm、齿距偏差为0.015 mm。

30CrMnSiA合金结构钢电流辅助单向压缩流变行为

以30CrMnSiA合金结构钢为研究对象,对其在脉冲电流作用下的单向压缩流变行为进行了研究,设计了“导电块-上下压块-导电块”的电流施加方案,提出采用压缩空气进行冷却的方法消除焦耳热的影响,分析了脉冲电流参数(脉冲电流密度、脉冲占空比和脉冲频率)对30CrMnSiA合金结构钢流变行为的影响规律。基于Voce加工硬化模型,构建了脉冲电流辅助下30CrMnSiA合金结构钢的电致塑性本构模型,并进行了试验验证。结果表明,30CrMnSiA合金结构钢的流变应力随着脉冲电流密度、脉冲占空比以及脉冲频率的升高而降低,脉冲电流密度的变化对材料流变应力的影响最为显著;通电条件下材料的加工硬化指数n高于不通电时,且随电流密度与占空比的升高而升高,随脉冲频率变化不明显;利用构建的本构模型计算的流变应力值与试验数据的误差在6%以内,说明该模型能较好地预测30CrMnSiA合金结构钢电流辅助压缩类成形时的流变行为。

电流辅助微成形技术研究进展

高强难变形金属材料微成形中普遍存在成形温度高、表面氧化严重、模具寿命低等问题,迫切需要发展提高难变形材料微成形潜力的新原理、新方法和新工艺。电流辅助微成形技术可以明显改善材料的塑性流动能力、优化微观组织、改善表面质量、提升构件综合力学性能,在突破高强难变形材料制造瓶颈方面具有巨大潜力。基于此,从电流诱发的非热电致塑性效应(电子风)、焦耳热效应和次生效应(裂纹愈合、局部电势)等方面综合评述了电致塑性效应的物理机制,分析了电流激励下材料成形性和应力降等力学性能的响应规律,并从电流对材料回复、再结晶及相变等微观组织的影响方面探讨了电致塑性效应的微观作用机理,进而讨论了近年发展的一些电流辅助微成形工艺,总结并提出了电流辅助微成形技术在理论和工艺方面面临的挑战。

脉冲电流辅助SUS304极薄带拉伸变形研究

为了研究脉冲电流对SUS304极薄带拉伸变形的影响,进行了室温拉伸、通电拉伸以及通电空冷拉伸试验,分析了热效应和非热效应对宏观力学性能与微观组织的影响。结果表明,脉冲电流辅助SUS304极薄带拉伸变形过程中热效应和非热效应同时存在,热效应导致材料流变应力减小,非热效应抑制TRIP效应,促进TWIP效应,改变了材料的塑性变形机制;没有高强度马氏体协调塑性变形,导致试样过早发生失稳断裂,其中试样的抗拉强度降低12.2%,断裂延伸率下降44.7%;同时,非热效应使试样在较低温度下发生了回复和再结晶现象;脉冲电流诱导了SUS304极薄带由韧性断裂向韧脆性断裂模式的转变,并且促进了变形织构生成。

电流辅助成形技术研究进展及展望

超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺是指在一个热循环内材料同时完成成形和扩散连接的加工过程。随着航空航天领域对轻质高强难变形金属材料需求增加,迫切需要探索这类材料的成形新方法。电流辅助成形能够降低材料流动应力,提高其成形精度,与SPF/DB工艺相结合能够高效制备复杂结构件,这对高强难变形金属材料成形具有重要意义。介绍了电致塑性原理,梳理了电流辅助成形、扩散连接和SPF/DB的特点与优势,阐述了目前电流辅助成形工艺面临的挑战与展望。

Ti45Nb铆钉脉冲电流辅助压铆成形性能分析

为改善Ti45Nb铆钉紧固飞机碳纤维增强复合材料(CFRP)结构时的连接性能,拓宽普通铆钉的适用紧固范围,降低铆接成本,提高连接强度,引入了脉冲电流来辅助压铆。设计了电流前处理辅助铆接试验和同步电流处理辅助铆接试验,围绕两种新工艺及其与常规铆接工艺之间的紧固质量与特性展开了对比研究。测试了不同工艺下铆钉截面的典型硬度,对比观测了铆钉不同区域的微观金相与组织成分,分析了电流导致微观组织差异及元素成分区别的原因,最后评估了不同接头的拉伸强度与破坏行为,测试结果验证了电流辅助铆接工艺的有效性与可行性。

钛合金电流辅助成形工艺研究进展

轻质高强材料钛合金因其室温难变形的特性,在一定程度上影响了其应用,电流辅助作用对材料变形具有增塑效应,故采用电流辅助作用成形钛合金有一定的研究意义。对电流辅助难变形钛合金成形进行了综合评述,梳理了钛合金变形电流辅助机理的研究现状,对电流辅助在钛合金塑性成形工艺的运用进行了归纳,最后对电流辅助钛合金成形进行了展望,为电流辅助在钛合金成形工艺中的进一步应用提供参考。

TA2纯钛构件电流辅助旋压成形实验研究

目的研究TA2纯钛板电流辅助旋压成形工艺参数的影响,对变形过程进行分析。方法在1 mm纯钛板的旋压过程中,电源、钛板和工具头构成电流回路,钛板局部温度迅速升高,工具头和旋轮协同导电加热旋压变形。试验了TA2纯钛板在室温和不同电流辅助下的旋压成形性能,在此基础上试验并分析了不同润滑条件下的旋压件表面质量。结果在电流辅助旋压成形过程中,曲母线形件旋压变形过程为剪切变形,壁厚偏离率会影响钛板失稳起皱和反挤等缺陷。由电塑性效应可知,电流对纯钛板成形性能有着显著的影响,纯钛板的塑性变形能力随电流的增加而增强;二硫化钼作为一种理想的高温润滑剂,可以降低摩擦因数,提高旋压件的表面质量和工具头的使用寿命。结论实验发现电流辅助旋压可以显著提升纯钛板的成形性能,表明该技术是可行的,且易于控制操作。

食品机械用镁合金挤压薄壁件的脉冲电流辅助热处理工艺研究

采用不同工艺参数对食品机械用AZ80镁合金挤压薄壁件进行脉冲电流辅助热处理,并进行了显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的测试与对比分析。结果表明,在脉冲电流优选为1100 A的情况下,该合金薄壁件中Mg17Al12相呈弥散的颗粒状分布,显著提高合金的力学性能和耐腐蚀性能;与常规热处理相比,该热处理工艺可使合金的抗拉强度增加61 N/mm2、屈服强度增加65 N/mm2、断后伸长率增加4.1%、腐蚀电位正移138 m V、腐蚀电流密度减小14.9%。

电流辅助高强钢板热成形工艺数值模拟研究

目的探究电流辅助高强钢板热成形工艺中坯料自阻加热的加热机理,揭示电一热一力三场耦合条件下金属板材的塑形变形规律,为工艺方案及工艺参数的制定提供理论依据。方法利用FEM软件对电流辅助高强钢板的热成形过程进行了数值模拟研究。结果获得了通电加热时坯料的温度场,并通过热一力耦合分析,得到了板材热成形时的应力及应变的分布规律。结论采用该加热方式可极大地提高加热速率,经过几十秒的加热即在变形坯料上获得了较均匀的温度场,满足板材热成形要求。应力、应变分析表明,加热时产生的压应力缓解了坯料变形时的应力集中,有助于板料塑性成形。

电流辅助钛波纹管成形温度场控制及模拟

利用钛合金的自阻,可以施加电流将其快速加热到高温,进行成形。在钛合金波纹管成形过程中,需要确定4个重要的参数,即加载在钛管上的电流大小、升温时间、胀形气压、轴向压力。通过对波纹管加热过程中温度场的观测和控制,可以得到对波纹管成形最有利的温度场。通过对成形过程的模拟,可以得到比较可靠的试验参数,进而减少试验的次数;模拟中还可以发现成形过程中可能出现的新问题,为之后的试验提供参考。通过对温度场的控制和成形过程的模拟,钛合金波纹管可在几分钟内被加热到成形温度,从而提高生产率,降低对环境的污染;同时采用气胀和轴向加载的复合工艺,有效地避免壁厚的过分减薄。

脉冲电流辅助烧结和真空热压烧结对NiAl-Al_2O_3微观组织和力学性能的影响

通过机械合金化合成了NiAl-Al2O3复合材料粉末,并分别采用脉冲电流辅助烧结(PCAS)和真空热压烧结(HPS)制备了NiAl-Al2O3复合材料。测试了两组材料的力学性能,并从烧结机理的角度分析了烧结方法对材料微观组织和力学性能的影响。结果表明:与HPS方法相比,通过PCAS方法制备的材料致密度更高,晶粒更为细小,且Al2O3颗粒明显球化。相较于HPS方法制备的材料,PCAS方法制备的材料在室温下和高温下都表现出更高的屈服强度,并且其断裂韧性增高,室温压缩变形量明显增大。

薄板曲面微结构电流辅助滚压成形工艺研究

针对燃料电池等系统中的薄板曲面微结构制造,提出了薄板曲面微结构滚压成形工艺,并借助电流辅助成形技术,提高了薄板曲面微结构的成形质量。采用单向拉伸实验,研究了脉冲电源参数如电压、频率、脉宽等对T2紫铜薄板单向拉伸变形行为的影响;开展了薄板曲面微结构滚压变形有限元模拟,优化坯料结构,抑制了曲面微结构件的翘曲失稳;在此基础上,开展了电流辅助滚压成形实验。结果表明,脉冲电流在达到一定阈值时,流动应力显著降低,断裂应变明显提高;采用梯形板坯,可优化板料受力状态,抑制翘曲失稳;脉冲电流辅助滚压成形时,曲面微结构高度分散性变小,成形件一致性更好,微结构尺寸精度更高。

电流辅助累积叠轧镁/铝层状复合板的微观形貌及力学性能

采用电流密度约1×10^8 A·m^-2的电流辅助累积叠轧工艺制备镁/铝层状复合板,研究了不同道次(1~3道次)轧制后的微观形貌和力学性能,揭示了电流辅助工艺对复合板界面结合性能和界面金属间化合物形成的影响。结果表明:电流辅助累积叠轧后,镁/铝界面结合良好,随着叠轧道次的增加,镁层出现越来越严重的颈缩现象;电流的引入抑制了界面金属间化合物的形成,镁/铝界面处元素呈现互扩散特征,形成了厚约3μm的原子扩散层,且其厚度并未随叠轧道次的增加而明显增大;随着叠轧道次的增加,复合板的抗拉强度和硬度均先增后降,伸长率则持续下降;镁层在电流辅助累积叠轧过程中发生的颈缩断裂以及电流对镁层和铝层的加速再结晶作用,导致3道次叠轧后复合板力学性能的降低。

钛合金钣金件脉冲电流辅助热压成形精度控制

针对钛合金钣金件冷加工成形精度低、热成形机成形成本高的问题,提出一种采用脉冲电流辅助热压成形工艺。以TC1钛合金U型件为对象,研究了脉冲电流辅助热压成形工艺对钛合金钣金件的缺陷、尺寸精度及力学性能的影响。结果表明,脉冲电流加热可提高成形效率,当脉冲电流密度为9.2A/mm^2,合模速度为15mm/s时,补偿了成形过程的热量损失,使钛合金钣金件保持在良好的成形温度区间,增加其成形极限,得到零件表面质量良好、无裂纹。在成形过程中,随着成形压力、保压时间、模具预热温度的升高,零件的尺寸精度逐渐提高,当成形压力10t、保压时间10s、模具不预热时,零件的尺寸精度即可达到±0.2mm。脉冲电流辅助热压成形后零件的晶粒尺寸比热成形机成形的细小,且力学性能也较好。

电流辅助钛/铝异种合金激光熔钎焊的特性

采用电流辅助激光熔钎焊的方法对钛/铝异种合金的焊接特性进行研究。结果表明:激光功率对钛/铝异种合金接头的力学性能及微观组织有着明显的影响;辅助电流可有效地降低焊接过程中所需的激光功率,促进焊丝及铝合金母材的熔化,提高液态金属对母材的润湿铺展能力,在一定程度上促进了界面反应。

脉冲电流辅助下Q960结构钢板弯曲成形性能研究

为了提高建筑用Q960结构钢板的弯曲成形性能,通过脉冲电流辅助方式对其内部组织进行增强。测定了Q960结构钢板受到脉冲电流作用时弯曲回弹性差异,对合金施加不同脉冲电流密度进行弯曲测试,并观察其组织形貌的变化。研究结果表明:对Q960钢板进行90°V型弯曲测试得到的中性层偏移系数都达到了0.5以上。当电流密度增大后,试样从弹性变形过渡到塑性变形,试样温度发生了持续升高。对试样施加电辅助处理时,增大电流密度后,发生了弯曲回弹角的降低;当电流密度达到2.5 A/mm时,已经观察不到回弹现象。在弯曲阶段加入脉冲电流时,逐渐提高电流密度后合金组织结构形成更少孪晶。外侧形成了大量等轴晶组织,呈现滑移塑性变形特征,引起了轻微的不对称拉压状态。晶粒大小约为13μm,电塑性作用引起基面组织发生滑移,使得材料无需经过孪晶协调的过程便能够完成塑性转变。该研究对提高建筑结构钢的力学性能具有很好的意义,尤其适用于高层建筑。

电流辅助对铆钉压铆过程及连接性能的影响

钛合金铆钉在塑性成型过程中存在变形抗力大、变形不均匀等问题。在铆接过程中引入电流辅助铆接技术可有效提升钛合金铆钉的铆接质量,其原理为通过在铆接过程中施加电流,改善金属铆钉塑性,提高铆钉的可加工性。以TA2M航空用铆钉为研究对象,研究了6种电流密度水平下铆钉的温升过程与成型效果,并开展拉伸试验与疲劳试验研究铆接件的力学性能。研究发现,通电会在较短时间内产生显著的焦耳热效应,这对难变形的钛合金铆钉来说是一种有效的热软化手段;通电带来的铆钉软化效应极大降低了加工难度,改善了镦头的成型效果;当通以电流密度为26 A/mm;的电流时,压铆力降低了24.69%,且镦头直径增大了6.80%,高度降低了14.04%,更加接近标准所要求的尺寸;电流辅助铆接技术对钛合金板连接件静态拉伸强度的影响不显著,但可有效提升连接件的疲劳寿命。

工业气氛下电流场辅助Ni-ZrO_(2)陶瓷扩散焊

目的研究电流驱动下金属Ni向ZrO_(2)陶瓷的定向扩散以及界面化学反应,实现两者在工业气氛下的快速连接。方法在1200℃下采用独特的电流场耦合扩散焊连接系统制备Ni-ZrO_(2)扩散偶样品。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对不同直流电参数(电流密度0~5.09 mA/mm^(2))下制备的样品界面焊缝形貌以及原子分布进行观察和解析;测试Ni-ZrO2扩散偶的剪切强度,并结合不同样品的界面微观结构演变初步揭示电流场辅助Ni-ZrO_(2)的连接机制。结果电流场有效地促进了工业气氛下金属-陶瓷界面的交互作用,当电子流由金属Ni指向ZrO_(2)陶瓷时,界面反应层厚度随着电流密度的增大而持续增大;样品接头的连接强度随着电流强度的增大呈先升高后降低的趋势,在1200℃下通电(电流密度为3.82 mA/mm^(2))5 min时得到最佳剪切强度164 MPa。结论施加直流电场引发的金属电迁移效应和固体电解质陶瓷中氧离子的定向运动是促进界面互扩散以及化学反应的重要原因,而局部的过度“失氧”容易导致陶瓷结构和功能特性丧失。与高真空环境相比,在工业气氛下界面附近较高的氧浓度抑制了陶瓷变质,使焊接接头在电流强度较大时仍然保持了较高的剪切强度。

6061铝合金脉冲电流辅助热冲压下的摩擦特性

采用往复式摩擦试验机,研究了干摩擦条件下、不同电流密度对6061铝合金与P20模具钢的摩擦因数的影响。采用Origin软件进行数据处理,建立了不同电流密度下的变摩擦因数模型,并对变摩擦因数模型与定摩擦因数模型分别进行了有限元仿真及试验验证,比较了两种模型及试验验证下脉冲电流辅助热冲压成形后的厚度分布规律。结果表明:在电流密度为2~10 A·mm^(-2)内,摩擦因数随着电流密度的增加而逐渐减小;基于不同电流密度下的变摩擦因数模型,其数据拟合程度较好;仿真与试验验证结果一致,铝合金板料的最大减薄在凸模圆角处,验证了变摩擦因数模型的准确性。