钛合金温度/超声复合能场辅助成形及应用

基于材料在温度场下高温软化效应和超声能场下体积效应与表面效应,提出了钛合金温度/超声复合能场辅助成形方法,期望利用超声振动能场进一步提高钛合金钣金件热成形变形能力和成形质量,或者在相同成形质量下降低钛合金热成形温度。介绍了温度/超声复合能场辅助成形原理与装置,分析了复合能场对钛合金板材力学性能、微观组织以及钛合金板与模具间摩擦的影响。在此基础上,将该方法应用到钛合金弯曲及复杂弯边件的成形中,并对成形质量及成形性能进行了分析。最后对复合能场辅助成形过程存在的问题及发展趋势进行了总结与展望。

金属钨小孔电火花–电解复合能场加工工艺研究

钨具有一系列优良的物理化学性能,可以满足航天材料的性能要求,已广泛应用于卫星、飞机及航空发动机等设备的一些关键部件。在使用传统加工技术制造零件时,加工过程通常受到零件和刀具界面处发热、弹性和塑性变形、高刀具磨损率及工件材料特性改变等问题的限制。电火花加工(EDM)技术是导电材料最有效的加工工艺之一,但对于金属钨小孔的制造,现有的电火花加工工艺可靠性和加工效率仍无法满足加工需求。提出在具有一定电导率的盐溶液下电火花–电解复合能场加工金属钨小孔的方法,分析加工时材料去除的机理,该方法利用电解作用在工具电极端产生氢气并形成气膜,促进两极之间等离子体放电通道的快速形成。开展了加工工艺优化试验,分析不同参数对加工特性的影响规律。在脉冲宽度3μs、脉冲间隙20μs、峰值电流14.17A、工作液浓度18 g/L的NaNO_(3)电解液下获得了高效率高质量的金属钨小孔。

水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm。多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃。同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小。结论同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小。

复合能场铸轧对AZ61镁板组织及性能的影响

采用金相显微镜、扫描电镜、拉伸及弯曲性能测试等分析手段,研究复合能场(超声波和电磁场)铸轧工艺对AZ61镁合金板微观组织、力学性能和加工性能的影响。结果表明:与常规铸轧镁合金板带相比,复合能场可有效减小晶粒尺寸,并使析出相均匀弥散分布;施加复合能场之后,铸轧板抗拉强度、屈服强度及伸长率较常规铸轧板分别提高10.58%、12.84%和52.17%,而终轧成品板分别提高10.45%、20.56%和65.25%,且板材轧制后具有裂纹倾向小、抗弯强度及最大挠度大、弯曲抗力小等性质,可有效减少加工过程中材料及工具磨损,获得较好的综合性能。

超声波/电磁复合能场对1060铝合金铸轧板带组织和力学性能的影响

采用普通对称式方法(不施加复合能场)和非对称下沉式方法(施加超声波/电磁复合能场)对1060铝合金板带坯进行铸轧试验;研究了复合能场对铝合金板带组织和性能的影响。结果表明:施加复合能场后,铸轧速度(1.2～1.4m.min-1)提高了30%,铝合金板带的组织由粗大的柱状晶转变为均匀细小的等轴晶,其抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别提高了25.03%,24.37%,40.09%和10.95%。

复合能场对铸轧AZ61镁合金板组织和力学性能的影响

在AZ61镁合金板的铸轧过程中引入电磁场和超声场的复合能场,研究了复合能场对其组织和力学性能的影响。结果表明:施加复合能场能够有效细化AZ61镁合金板的晶粒和均匀组织,改善第二相在基础相上的分布,减小铸轧板力学性能的各向异性;与普通铸轧镁合金板相比,复合能场铸轧镁合金板的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度均有大幅提高,分别为266.13MPa,167.67MPa,3.53%,79.84HV。

超声和电磁复合能场对铸轧铅合金板带显微组织与力学性能的影响

在铸轧过程中同时施加超声场和电磁场制备了铅合金板带,研究了复合能场对铸轧铅合金板带显微组织和力学性能的影响。结果表明:在铅合金铸轧过程中加入超声和电磁复合能场后,铅合金板带的显微组织更加均匀,枝晶被打碎,晶粒更加细化;与普通铸轧铅合金板带相比,复合能场铸轧铅合金板带的力学性能得到显著提高,其抗拉强度提高了12.42%,屈服强度提高了29.17%,伸长率提高了24.16%,硬度提高了1.7%,铅合金板带的各向异性得到了改善。

复合能场铸轧和普通铸轧AZ31B镁合金板轧制后的组织与力学性能

研究了复合能场(电磁场和超声波)铸轧和普通铸轧AZ31B镁合金板再经不同温度、道次、压下率轧制后的显微组织和力学性能。结果表明:在相同的轧制条件下,复合能场铸轧镁合金板比普通铸轧镁合金板更易发生再结晶,且轧制3道次后前者的晶粒尺寸更细小、均匀;前者的析出相以小质点弥散分布在晶界上,后者则集中分布在晶界及晶界附近区域;轧制温度为250,300℃时,前者3道次轧制后的抗拉强度、屈服强度以及伸长率比后者的分别提高了12.2%,25.4%,145%和12.8%,19.7%,127.8%。

电磁/超声复合能场对连续铸轧铅合金阳极板电化学性能的影响

施加电磁/超声复合能场连续铸轧出了铅合金阳极板,测试了其电化学性能,并与普通连续铸轧阳极板和工业用阳极板进行了对比。结果表明:施加复合能场之后,铅合金阳极板的平均晶粒尺寸由连续铸轧的120μm细化为20μm;复合能场连续铸轧阳极板的析氧电位比普通连续铸轧阳极板和工业用阳极板的分别降低了18 mV和49 mV,腐蚀速率分别减小了6.1%和34.8%;复合能场连续铸轧阳极板表面更易于形成PbO_2氧化膜;施加复合能场连续铸轧与普通连续铸轧的阳极板表面氧化膜均为小颗粒聚集体,且前者更加细小均匀,与基体结合更紧密,工业用阳极板表面氧化膜为较疏松的大颗粒堆积物。

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。

电磁/超声能场对1060铝合金铸轧板组织性能的影响

在电磁和超声能场下铸轧出1060铝合金热带坯,并对其进行冷轧和退火实验,研究退火温度对复合能场铸轧板微观组织和力学性能的影响,并与相同条件下未施加电磁/超声外场的铸轧样品进行对比。研究结果表明:随着退火温度的增加,2种铸轧板的加工组织逐渐消失,再结晶组织不断增多,晶粒尺寸由小变大,其中复合能场铸轧板具有更低的再结晶开始温度,比未施加电磁/超声外场的铸轧板低50℃左右;复合能场铸轧板在各退火温度下的抗拉强度σb和伸长率δ均高于相同条件下的未施加电磁/超声外场样品,各向异性指数(IPA)明显小于未施加外场的铸轧板;随着退火温度的增加,2种铸轧铝板的制耳率出现先下降后增大的变化趋势,其中复合能场铸轧板经325℃退火后,出现沿0°,45°和90°方向的制耳,制耳率仅为1.7%,而未施加电磁/超声外场铸轧板出现45°方向的制耳,制耳率为3.7%。

电磁-超声能场对3003铝合金铸轧组织和性能的影响

通过在铸轧区的关键部位引入电磁-超声能场,实现对3003铝合金的普通对称铸轧、非对称铸轧和非对称电磁-超声铸轧。用该方法分别制备了上述3种铸轧带坯,并将普通对称铸轧带坯与非对称电磁-超声铸轧带坯加工成厚度为0.25 mm的成品薄带。通过金相显微观察、扫描电镜观察和动静万能试验机测试分析了3种3003铝合金铸轧板的组织和性能。结果表明:与对称铸轧相比,非对称铸轧有效地抑制了宏观偏析,并使铸轧速度提高了33.3%;施加电磁-超声复合能场后,铸轧带坯晶粒显著细化,力学性能明显提高;电磁-超声成品薄带的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别比普通成品薄带的提高了32.93%、38.91%和6.25%。

退火工艺对AZ31B镁合金铸轧板组织和性能的影响

研究不同退火温度、时间对普通铸轧和复合能场（电磁场＋超声波）铸轧AZ31B镁板组织及性能的影响。研究结果表明：铸轧镁板的再结晶温度在复合能场作用下降低了约50℃；250℃退火时，普通铸轧镁板无明显再结晶，复合能场铸轧镁板局部再结晶；在300℃，4h时，铸轧镁板均充分再结晶，复合能场铸轧镁板晶粒细小，组织均匀，平均晶粒直径为8～13μm，而普通铸轧镁板晶粒平均晶粒直径为14～19μm；400℃退火时，晶粒开始粗大，1h时复合能场铸轧镁板与普通铸轧镁板的平均晶粒直径分别为28～33I．μm和20～25μm。退火后，铸轧镁板内析出相数减少，复合能场铸轧镁板析出相弥散分布在晶界上，普通铸轧镁板析出相较多并富集在晶界和晶界附近。退火后铸轧镁板的塑性变形能力明显改善，在300℃，4h时，复合能场铸轧镁板的硬度、抗拉强度、屈服强度、伸长率比普通铸轧镁板分别提高了4．7％，17．2％，34．1％和74．6％。

冷轧变形量对电磁/超声铸轧铝板织构和性能的影响

在电磁和超声外场下成功制备铸轧铝带坯,并对其进行冷轧实验,研究了冷轧变形量对复合能场铸轧铝板的微观组织、力学性能和织构的影响,并与相同道次的普通铸轧铝板进行对比。研究结果表明:随着冷轧变形量的增加,两种铸轧铝板的晶粒逐渐被压扁和拉长,最终获得明显的纤维组织,其中复合能场铸轧板的组织更加均匀;复合能场铸轧板各道次的抗拉强度σb和伸长率δ均高于同道次的普通铸轧板,各向异性指数(IPA)明显小于普通铸轧板;随着冷轧变形量的增加,两种铸轧板的黄铜(B)、S及铜(C)织构的密度出现不同程度的增加,而高斯织构(G)先增后减,旋转立方织构(RC)逐渐减少,其中复合能场铸轧板的原始织构较漫散,相同道次的各织构密度较低。冲杯实验结果表明:复合能场铸轧板的深冲性能明显优于普通铝板,其制耳率仅为1.7%。

AZ31B镁合金电磁超声铸轧板后续温轧的组织和织构演变

分别对AZ31B镁合金普通／复合能场（电磁场＋超声波）铸轧板在250℃下进行7个道次轧制，道次压下量为15％，对比分析了整个轧制过程中两种铸轧镁板组织及织构的演变规律。研究表明：复合能场铸轧板比普通铸轧板提前1个道次完成动态再结晶，再结晶晶粒的平均尺寸（4～6gm）比普通铸轧板的平均尺寸（8～10μm）小。复合能场铸轧板与普通铸轧板相比，原始织构的强度较低，各织构组分分布较均匀，锥面织构组分分布较高，择优取向较弱；复合能场铸轧板在前3个道次轧制过程中其主要织构（基面织构）强度增加较快，后四个道次则增加变缓，而普通铸轧板前3个道次增加较慢，后4个道次增加明显。每个道次复合能场铸轧板的屈服强度、抗拉强度和伸长率均高于相应道次的普通铸轧板。

温度/超声复合能场对2195铝锂合金弯曲性能的影响

针对铝锂合金弯曲成形过程中易产生破裂和回弹大的问题,进行了温度/超声复合能场下的弯曲工艺研究,希望在保证成形质量条件下借助超声振动能场降低铝锂合金弯曲成形温度。在80~200℃温度条件下通过与1.0~1.6 k W超声振动能量复合,分析了温度/超声复合能作用形式对2195铝锂合金板材弯曲力、弯曲回弹量、弯曲圆角半径及显微组织的影响。结果表明,通过与超声振动能场复合,在相对较低的热成形温度条件下,不仅降低了2195铝锂合金弯曲力,还有效抑制了2195铝锂合金弯曲回弹和破裂,从而提高了2195铝锂合金的高温软化效果和弯曲性能。