高速切削铝合金2024-T4切削力的仿真研究

利用有限元软件Advant Edge设计以切削力为目标,以切削速度、进给量和背吃刀量为自变量参数的三因素四水平正交试验,对硬质合金刀具切削2024-T4铝合金的加工过程进行2D仿真,研究了切削参数对切削力的影响规律。采用极差分析获得切削参数的最优组合,通过方差分析获得切削参数对切削力的显著性。结果表明:背吃刀量对切削力影响最大,切削速度影响最小,最优切削参数都是u_c=1250m/min,f=0.09mm/r,a_p=0.2mm;背吃刀量和进给量对F_x的影响显著,切削速度对F_x的影响不显著,切削速度、进给量和背吃刀量对F_y的影响显著。

铝合金2024上钒酸盐转化膜的研究

利用浸渍法在铝合金表面获得钒酸盐转化膜,应用交流阻抗技术(EIS)研究了NaVO3浓度及浸泡时间对铝合金2024表面钒酸盐转化膜成膜过程的影响,扫描电子显微镜(SEM)与能量散射能谱(EDS)分析膜表面形貌与成分.结果表明,EIS显示当转化液中NaVO3的浓度为0.1 M时处理3 min得到的转化膜的阻抗值最大,达到7.17×105Ω.cm2;SEM显示在该溶液浓度下表面所形成的转化膜均匀致密,其成分主要由Al,V,Mg元素组成.钒酸盐转化膜工艺简单,对环境无污染,膜的耐蚀性强,具有一定的应用前景.

铝合金2024-T3超精密车削仿真与切屑观察

铝合金具有易加工、质量轻、反射性良好等特点,是反射镜制造的常用材料。铝合金经过单点金刚石超精密车削后得到表面粗糙度为纳米级的镜面零件。为深入研究超精密车削机理,提高超精密车削铝合金零件的质量,本文选用Advant Edge对铝合金2024-T3的超精密车削过程进行模拟仿真,对超精密车削的切削力、尺寸效应进行分析。使用超精密车床,采用天然单晶金刚石刀具对铝合金2024-T3进行微米及亚微米的超精密车削,并使用扫描电镜(SEM)对样件的切屑进行观察。

铝合金2024高硬度阳极氧化膜的制备及表面力学性能的研究

在硫酸-草酸电解液的基础上加入硼酸和乳酸组成有机-无机混合酸阳极氧化体系,对2024铝合金进行了阳极氧化。研究了氧化温度、氧化时间对氧化膜硬度、厚度的影响,优化了四酸体系阳极氧化膜的制备工艺,得到厚度30μm,硬度达到898.6 HV的阳极氧化膜。

合金化因素和凝固速率对2024铝合金铸态组织的影响

2024高强铝合金的铸态组织对其热加工性能及最终使用性能具有重要的影响。通过调控2024铝合金的Cu,Mg含量以及凝固速率,探究Cu/Mg质量比以及凝固速率对铸态组织的影响。结果表明:随着Cu/Mg比从2.1提高到4.1,合金中第二相种类没有发生变化,但Al_(2)CuMg含量逐渐下降,Al_(2)Cu和Al_(23)Cu(Fe,Mn)_(4)的含量逐渐升高。当凝固速率从0.2℃/s提高到2.4℃/s时,合金的晶粒尺寸明显细化,平均晶粒尺寸从293.0μm减小到77.0μm,枝晶变得发达,枝晶臂间距减小,并且第二相的尺寸变得细小且分布更加均匀,Al_(23)Cu(Fe,Mn)_(4)难溶相的含量明显降低。可以通过降低合金中Cu/Mg比和适当提高凝固速率来减少富铁难溶相的生成,从而改善合金的加工性能和力学性能。

形变退火工艺对2024铝合金性能的影响

采用正交试验法研究了形变量、预回复温度、预回复时间、退火温度和退火时间5个因素对2024铝合金力学性能和腐蚀性能的影响。结果表明:各因素对材料性能的影响显著,其中对力学性能影响最大的因素为退火温度,对腐蚀性能影响最大和最小的因素分别为形变量和退火时间。通过正交优化得到的最佳形变退火工艺如下:形变量为80%,且在220℃温度下预回复120 min,320℃温度下退火10 min,此工艺下获得的合金具较好综合性能,样品显微硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率、腐蚀深度、R_(p)和I_(corr)分别为74.49 HV、217.17 MPa、185.84 MPa、13.53%、55.4μm、3885.6Ω·cm^(-2)和9.42E-06A·cm^(-2)。

交变法向载荷下2024铝合金微动疲劳断口分析

针对机械结构中广泛存在的微动疲劳失效问题,利用可施加交变法向载荷与远端载荷的双轴加载微动疲劳试验系统,研究了在交变法向载荷作用下,局部滑移和全局滑移两种运行机制对2024铝合金疲劳断裂的影响。利用扫描电镜对疲劳断口进行微观分析。结果表明:局部滑移与全局滑移两种运行机制下裂纹均萌生在试件与微动垫接触边界,局部滑移试件是由于接触边界产生多个裂纹并不断融合扩展导致试件断裂,全局滑移试件为单一裂纹源导致的试件断裂。在裂纹扩展区可看到疲劳辉纹与2024铝合金中的加强相,铝合金中的加强相可阻碍裂纹扩展。除此以外还可清晰的看到大量解理、准解理、撕裂棱形貌;疲劳瞬断存在大量韧窝以及二次裂纹,表现出典型韧性断裂特征。

大尺寸2024-T351铝合金喷丸成形曲率变化规律研究

目的以喷丸成形工艺下的2024-T351铝合金平板件和单筋件为研究对象,分析弦向及展向曲率半径试验值与拟合值的变形规律。方法针对试件厚度、喷丸压力、喷丸速度、预弯量4个参数进行喷丸成形操作的正交试验,通过测量成形后曲率的变化规律,分析不同参数组合对平板件和单筋件成形变化规律的影响。结果在不考虑材料性能波动的情况下,随着平板件厚度和喷丸速度的增大,平板试件的弦向曲率半径和展向曲率半径均呈递增趋势;而随着喷丸压力的增大,平板试件的弦向曲率半径和展向曲率半径则呈现递减趋势,即当平板件厚度和喷丸速度增大时,喷丸成形对平板试件弯曲的影响程度有所增大,曲率半径减小;反之,喷丸成形对平板试验件弯曲的影响程度减小,曲率半径增大。结论在忽略初始状态并将其假设为自由状态或给定预弯量状态的条件下,随着喷丸速度的增大,单筋试件的曲率半径递增,试验值与拟合值的变化趋势基本相符,二者最大偏差为11.2%。

铸轧速度对液-固铸轧1070A/2024铝合金复合板组织性能的影响研究

采用立式双辊铸轧机制备了铸轧速度分别为14 m/min、12 m/min、10 m/min、8 m/min的液-固铸轧1070A/2024铝合金复合板,使用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、硬度计和剪切实验等检测手段,研究了铸轧速度对液-固铸轧1070A/2024铝合金复合板材界面组织性能的影响。结果表明,随着铸轧速度的降低,复合界面处金属间化合物呈先增加后减少的变化趋势,复合界面硬度先增大后减小,铸轧速度为10 m/min时达到最高值129.5HV0.1;剪切强度呈先升高后降低而后再次升高的波浪状变化规律,铸轧速度为12 m/min时到达最大值80.7 MPa。

缺陷对直升机传动系统2024铝合金疲劳性能的影响研究

采用与直升机传动系统2024铝合金零部件生产一致的工艺制造相应材料的毛坯,然后切取获得疲劳小样,并对其进行缺陷预制,最后测试其疲劳性能,并对比分析不同缺陷的性能变化及断口情况。研究表明:2024铝合金无缺陷小样、划痕缺陷小样、冲击坑缺陷小样及腐蚀缺陷小样的疲劳极限分别为126.5MPa、98.5MPa、89.2MPa、78MPa;通过疲劳断口分析不难发现,2024铝合金小样断口均有明显的塑性变形,主要由撕裂棱、准解理构成。缺陷会大大降低直升机传动系统2024铝合金材料的疲劳性能。

激光清洗2024铝合金氧化膜的数值模拟与技术研究

通过建立激光清洗2024铝合金氧化膜有限元模型,得到了激光清洗氧化膜过程中铝合金表面温度变化规律;分别探究了不同激光能量密度和激光清洗速度对其表面温度变化的影响,其中,能量密度越大,铝合金表面氧化膜温度上升速率越高,铝合金氧化膜的表面温度随着清洗速度的增加而缓慢下降。随后,进行纳秒脉冲激光清洗2024铝合金氧化膜实验,探究激光功率、脉冲频率及清洗速度对清洗前后表面形貌的影响。研究结果表明,在激光功率为400 W、激光频率为4.5k Hz、清洗速度为5 mm/s时能完全去除表面氧化膜,并且不损伤铝合金基体;在此激光清洗参数下,清洗后铝合金基体微观形貌完好,氧元素质量分数为10.03%。

2024-T4铝合金FSW接头疲劳裂纹扩展行为及寿命预测

基于ABAQUS与FRANC 3D联合仿真的方法,对2024-T4铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹于不同部位的紧凑拉伸试样进行裂纹扩展分析以及寿命预测,并深入分析不同部位裂纹扩展行为存在差异性的原因.结果表明,随着裂纹长度的不断延长,裂纹尖端应力强度因子随之增大,且裂纹向前扩展路径基本沿直线扩展,ABAQUS与FRANC 3D联合仿真方法分析不同部位的裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展路径的理论计算和试验结果基本吻合,验证了分区域进行联合仿真的模型精度满足要求.不同部位裂纹扩展试样寿命预测结果与试验结果的相对误差均在5%左右,对焊接接头分区域联合仿真进行寿命预测是准确可行的.裂纹位于不同部位的扩展试样断口处的疲劳辉纹间距不同导致预制裂纹于3个部位的疲劳寿命由低到高为:热影响区、垂直于焊缝方向、焊核区.

己二酸铵对铝合金硬质氧化膜性能的影响

选用2024铝合金作为基体,分别在不添加和添加己二酸铵的硫酸电解液中制备硬质氧化膜,并研究己二酸铵浓度对硬质氧化膜的微观形貌、化学成分、厚度、硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能的影响。结果表明:添加适量己二酸铵促进形成较致密的硬质氧化膜,并使硬质氧化膜增厚,硬度增大且耐磨性能和耐腐蚀性能明显提高。添加20 g/L己二酸铵制备的硬质氧化膜表面均匀性和致密性最好,厚度和硬度分别达到21.2μm、380.8 HV,摩擦系数和磨损失重仅为0.52和0.87 mg,并且腐蚀电流密度与铝合金基体相比降低了超过一个数量级,表现出更好的综合性能。但是添加己二酸铵并未改变硬质氧化膜的元素组成,所以硬质氧化膜的综合性能提高主要归因于添加适量己二酸铵参与了硬质氧化膜形成过程,并影响了铝离子传导过程,从而促使硬质氧化膜增厚且致密性改善。

激光除漆对铝合金飞机蒙皮微观组织的影响

目的探究激光除漆对铝合金飞机蒙皮基体近表层(15μm)微观组织的影响规律,阐明近表层微观组织变化与显微硬度的内在联系。方法采用纳秒脉冲红外激光去除2024-T3铝合金飞机蒙皮表面漆层,通过调节激光能量密度,分别除漆至基体阳极氧化层、铝合金、铝合金表面熔融。利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)表征漆层的剥离程度及基体的表面形貌。通过超景深三维显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、Image-Pro Plus软件表征Keller试剂腐蚀后铝合金基体近表层的微观组织。采用数显显微维氏硬度计测量基体剖面的显微硬度。结果在激光能量密度为4.26 J/cm^(2)时,相较于原始基体,阳极氧化层较完整,其基体的表面粗糙度接近于原始基体(未除漆),近表层的微观组织无明显改变,近表层的显微硬度增加了1.6%。当除漆至铝合金基体表面完整时(15.25 J/cm^(2)),相对于原始基体,其表面粗糙度降低,近表层的微观组织无明显改变,近表层的显微硬度增加了4.8%。在激光能量密度为27.79 J/cm^(2)时,铝合金表面熔融,其表面粗糙度相对于原始基体增大,近表层的晶粒显著细化,其显微硬度增加了17.3%。结论采用合适的激光能量密度对铝合金飞机蒙皮进行激光除漆,不会显著改变其基体近表层的微观组织。在较高能量密度下,铝合金近表层会发生晶粒细化,导致显微硬度显著增加。

喷丸强化对2024铝合金/钛合金铆接件微动疲劳性能的影响

目的研究机械喷丸强化对2024铝合金铆接件(螺栓为钛合金)微动磨损及疲劳寿命的影响。方法利用X射线衍射仪、维氏硬度计、激光共聚焦显微镜和扫描电镜等设备,分析机械喷丸前后试样的表面完整性、磨痕表面形貌、磨痕轮廓和磨损体积。结果采用机械喷丸强化处理能够显著提升铆接件的平均疲劳寿命,相较于原始试样,最高提升了约36.3倍。经断口失效分析发现,喷丸强化后试样的疲劳裂纹源位置发生了转移,原始件裂纹源位于铆接孔棱角的表面(板面与孔交界位置),板面喷丸后(只对铆接板表面进行喷丸处理)试样的裂纹源转向铆接孔壁的表面,板面+孔面+石墨润滑喷丸后试样的裂纹源转向铆接孔次表面(强化效果最好)。机械喷丸强化对铝合金微动耐磨性能的影响随着喷丸工艺参数的变化而波动。在线/面微动摩擦测试中,原始样品的磨痕深度为41.5μm;采用0.2A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.2A-200%)的喷丸参数时,磨痕深度降至34.6μm,耐磨性得到提高;在0.3A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.3A-200%)的喷丸参数时,磨痕深度升至58.9μm,耐磨性降低。经喷丸强化后铝合金的微动磨损机制由黏着磨损向脱层磨损转变。通过电子背散射衍射研究发现,喷丸处理使得样品表层小角度晶界所占比例增多,表层晶粒细化。结论铆接件微动疲劳性能的强化效果得益于喷丸在材料表面引入的残余压应力场和加工硬化层的共同作用。

终轧温度对2024铝合金晶间腐蚀和力学性能的影响

对均匀化态2024铝合金进行不同终轧温度的热轧处理,经固溶后再进行为期4 d的自然时效。通过背散射电子衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学实验研究了终轧温度对2024铝合金力学性能和晶间腐蚀行为的影响。结果表明,轧态2024铝合金内存在剪切织构和少量再结晶织构,而固溶后出现了部分典型轧制织构。终轧温度影响合金组织和织构变化。终轧温度较低(207℃)时合金的平均晶粒尺寸和平均Schmid因子小,强度高;终轧温度较高(280℃)时合金小角度晶界和{111}面织构占比高,具有较大Schmid因子的织构含量少,抗晶间腐蚀性能优良。

2024铝合金表面沉积Si-DLC薄膜的冲刷腐蚀行为研究

为改善2024铝合金在富含Cl-的流动海水中的耐腐蚀性能,采用等离子体增强化学气相沉积技术,在2024铝合金表面沉积掺硅类金刚石(Si-DLC)薄膜,利用扫描电镜和电化学工作站对流动海水环境下冲刷不同时间的铝合金及Si-DLC薄膜进行表面形貌和耐蚀性能进行研究,并对相关腐蚀机理进行了讨论。结果表明,冲刷过程中未沉积Si-DLC的铝合金发生严重的腐蚀,而沉积了Si-DLC薄膜的试样并未发生严重腐蚀,薄膜发生少量裂纹,同时生成了硅氧化物保护铝合金。在本实验中,沉积了Si-DLC薄膜的2024铝合金的耐蚀性能明显好于2024铝合金。

变形量对AA2024-T8I4铝合金组织及性能的影响

为了改善二次时效(T6I4)在2xxx系铝合金综合性能提升方面的局限性,采用T8I4处理,即对固溶淬火后的合金分别进行1%、2%、3%和4%的冷变形。通过硬度测量、拉伸测试、摩擦磨损试验、剥落腐蚀试验、晶间腐蚀试验、电化学腐蚀试验、扫描电镜和透射电镜等方法,研究变形量对AA2024-T8I4铝合金组织及性能的影响。结果表明:AA2024-T8I4铝合金的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性均得到一定程度的提升;冷变形可以改变合金基体的应力场,进而改变基体析出相及晶界析出相的尺寸及分布情况,促进时效过程中细小析出相的形成。合金随着冷变形量的增加,基体析出相分布均匀,数量逐渐增多,尺寸逐渐粗化;晶界析出相由半连续分布转变为断续分布。

基于改进区间法的含多裂纹铝合金蒙皮扩展寿命区间研究

飞机机身蒙皮的多部位损伤(Multiple-Site Damage, MSD)一直以来都是飞机损伤容限设计与后期维修分析重点考虑的问题之一。为了研究MSD的寿命区间,结合区间理论和区间运算公式、泛灰数理论和泛灰数运算公式及两个运算公式之间的关系,得到可以消除区间运算扩张问题和泛灰数运算失误问题的区间数-泛灰数之间新的转换模型。综合考虑新的转换模型、Paris公式、材料属性、材料尺寸和载荷性质等影响因素,最终得到了2024-T3铝合金板材的MSD裂纹扩展寿命区间:厚度为1.6 mm、不限制长宽时的寿命区间为[90 531, 143 689],厚度1.6 mm、长度240 mm、宽度60 mm时的寿命区间为[11 427, 114 071]。通过验算经典数学算例证明了所研究模型可以消除运算扩张问题和运算失误问题,使运算结果更精确;并进行了三种不同裂纹角度下的MSD裂纹扩展寿命试验,试验结果与理论预测的MSD裂纹扩展寿命区间值相吻合,证明了所研究模型的正确性和有效性。所研究模型可以为MSD裂纹扩展寿命预测和分析提供指导。

激光冲击光整对2024铝合金铣削平面表面质量的影响

目的减小铝合金铣削平面的表面粗糙度,满足工程应用中对构件高质量表面的需求。方法通过铣削加工获得3种具有不同初始表面粗糙度的平面试样,试样的Ra分别为1.439、0.614、0.220μm。采用短脉冲、高功率密度激光对表面进行光整处理,利用激光共聚焦显微镜观察光整后试样的表面形貌,采用粗糙度仪检测试样的表面轮廓和表面粗糙度,分析光斑搭接率和激光能量对铝合金铣削平面表面质量的作用规律。结果在脉冲宽度为12 ns、波长为1064 nm、工作频率为1 Hz、光斑直径为2 mm的平顶光束作用下,试样的表面形貌发生重塑。当光斑搭接率为30%、50%、70%时,对于Ra=1.439μm的试样,在冲击后其表面轮廓变化幅值分别为6.88、6.71、6.20μm,表面粗糙度变化率分别为−70.8%、−72.9%、−73.2%;对于Ra=0.614μm的试样,在冲击后其表面粗糙度变化率分别为−58.0%、−58.8%、−66.1%。当激光能量为1.5、2.5、3.5、4.5 J时,对于Ra=1.439μm的试样,在冲击后其表面轮廓变化幅值分别为6.92、6.71、5.22、6.18μm,表面粗糙度变化率分别为−68.1%、−72.9%、−74.6%、−73.8%;对于Ra=0.614μm的试样,在冲击后其表面粗糙度变化率分别为−49.2%、−58.8%、−54.4%、−58.1%。结论合理增大光斑搭接率和增强激光能量,能够有效去除铣削刀痕,改善试样表面形貌的均匀性。光斑搭接率和激光能量对表面粗糙度的影响与试样的初始表面粗糙度有关。对于Ra=1.439μm和Ra=0.614μm的试样,增大光斑搭接率和增强激光能量均能显著降低其表面粗糙度;对于Ra=0.220μm的试样,在文中的激光冲击参数范围内均不能有效提高其表面质量。