激光沉积修复铸造铝合金ZL114A变形与性能调控

采用激光沉积修复技术对铸造铝合金ZL114A基材进行修复,分析了修复区域组织和性能,并评估了沉积修复过程对尺寸变形的影响.结果表明,修复区界面冶金结合良好,界面区基材存在部分共晶Si重熔的现象;修复区组织以树枝晶和等轴晶为主,修复区底部为外延生长的树枝晶,修复区中部和顶部为等轴晶区.修复区细密、均匀的枝晶组织提高了修复区硬度,但在热影响区附近硬度值出现了下降趋势.经过T6态热处理可以提升修复区和基材的整体性能,50%修复比例条件下抗拉强度可以达到330 MPa.激光沉积修复变形量较小,可以保证低变形条件下机加零件或者返修零件的修复.

铝合金ZL114A的激光焊接工艺

主要研究了铝合金ZL114A的激光焊接工艺特性。首先对其可焊性进行了摸索,然后探讨了激光焊接工艺参数对焊缝熔深、焊缝宽度以及接头组织和力学性能的影响。结果表明,选择适当的激光焊接工艺参数,如:激光功率、焊接速度、离焦量、保护气体流量等,可以获得高质量的焊缝。组织观察发现,焊缝组织致密、晶粒细小,接头强度可以满足使用要求。

ZL114A铝合金本构关系与失效准则参数的确定

针对航空发动机机匣材料ZL114A铝合金,构建描述该材料在较大温度范围下大变形及失效行为的材料模型。通过万能试验机及分离式霍普金森压杆试验装置测试ZL114A铝合金在常温准静态、高温和高应变率下的力学性能,分析温度和应变率对材料流动应力的影响。采用有限元程序和优化算法反求25~375℃内材料的硬化参数,结合高应变率(1310~5964 s^(-1))下材料的动态行为关系,构建包含塑性应变、温度及应变率的经验型本构模型。开展缺口拉伸、缺口压缩等试验并建立相对应的有限元模型,获取材料在不同应力三轴度下的失效应变,标定分段形式的Johnson-Cook(J-C)失效准则参数。通过不同温度下的平板侵彻试验和数值模拟验证失效准则及其参数的有效性。结果表明,ZL114A铝合金具有明显的应变硬化、温度软化及高应变率强化特性;具有应力饱和特征的Hockett-Sherby(HS)硬化模型较为准确地描述材料大变形下的力学行为;构建的材料本构关系可以描述ZL114A铝合金在大应变、宽温度、高应变率下的力学行为;分段形式的失效准则具有预测不同温度下材料失效行为的能力。

高温高压下建筑用ZL114A铝合金的失效研究

为提升ZL114A铝合金在高温高压下的性能,制备建筑用ZL114A铝合金材料,用4种工艺热处理铝合金试样。通过硬度、拉伸试验、断口分析、疲劳寿命试验、材料失效测试等开展ZL114A铝合金试样在高温高压下的结构失效研究。结果表明:固溶温度为545℃、固溶时间为10 h时制备的试样的抗拉强度与伸长率最高;在最大应力幅比下的疲劳寿命最高,可达到31450周次;400℃下,应变率为10 s^(-1)时,其抗压强度由220 MPa快速下降,出现了结构失效情况。ZL114A铝合金的最佳热处理工艺是固溶温度为545℃、固溶时间为10 h。

激光沉积修复ZL114A铝合金的显微组织及显微硬度研究

为了研究激光沉积技术修复ZL114A铝合金构件的工艺及性能,采用多参数组合激光沉积工艺实验制备了单道单层试样,在分析了其表面形貌、气孔等缺陷产生的原因的基础上,得到了一组相对优化的工艺参数,制备了无缺陷的块状修复试样,并对试样进行了组织分析及硬度检测。结果表明:铝合金修复试样修复区与基材形成良好的冶金结合,沉积层底部为以熔池边缘为起点外延生长的柱状树枝晶,且一次枝晶间距18.38μm,二次枝晶间距9.55μm,在沉积层顶层顶部出现α-Al柱状枝晶转变为等轴枝晶现象。层带区域Si相脱溶析出并趋于粒状化。由于晶粒细化和固溶强化作用,沉积区显微硬度较基材提高25.8%。

ZL114A铝合金疲劳性能研究及断口分析

用四点弯曲试验法测定机匣材料ZL114A铝合金的疲劳强度,通过光学显微镜和扫描电镜对疲劳断口形貌的观察以及对断口的成分分析,研究了疲劳裂纹的形核和扩展特征。结果表明,在2×106循环次数下,ZL11A铝合金的疲劳强度为(150±73)MPa;样品断口具有典型的疲劳断口特征,断口处Si含量偏高,疲劳裂纹在共晶Si与基体界面处形核并沿此界面扩展。

混合稀土对ZL114A铝合金组织性能的影响

采用金相显微镜、SEM、EDS和差示扫描量热法等手段研究了混合稀土（60%Ce、40%La）对ZL114A铝合金组织性能的影响。结果表明：当稀土添加量（质量分数）为0.15%-0.35%时,随着稀土添加量的增加,晶粒尺寸、一次枝晶间距、二次枝晶间距减小;当稀土添加量为0.25%时,α-Al相的晶粒尺寸、一次枝晶间距、二次枝晶间距达到最低,此时抗拉强度、伸长率和显微硬度达到最高。DSC结果显示,添加稀土降低了合金的共晶点温度和α-Al的熔化温度,减小了凝固温度区间。

应变状态下ZL114A铝合金低周疲劳行为的研究

在室温应变控制下,对ZL114A铝合金进行了单轴低周疲劳试验研究和显微分析,结果表明:材料在低周载荷下,当循环应变幅值小于0.6%,材料没有表现出循环硬化现象.随着循环应变幅值的增加,材料表现出明显的循环硬化现象;且随着应变幅值的增加材料的附加强化程度增大;应变幅值的大小对ZL114A铝合金低周疲劳寿命有较大影响,随着应变幅值的增大,疲劳寿命降低明显;疲劳损伤断口表现出大量的韧窝和韧性断裂的特征.

ZL114A铝合金铸件补焊工艺研究

针对ZL114A铝合金铸件产生的铸造缺陷,采用氩弧焊技术和适宜的操作方式,实现了挽救产品的目的。结果表明,该工艺过程有效保证了ZL114A铝合金铸件的补焊品质,满足了使用要求。

ZL114A铝合金高应变速率下的本构模型与损伤模型

利用分离式霍普金森压杆和分离式霍普金森拉杆装置对ZL114A铝合金进行了高应变速率下的动态力学性能试验。利用最小二乘法对本构模型与损伤模型参数进行了标定。考虑应变与应变速率的耦合作用,基于原始J-C模型,提出了一种修正的本构模型。材料的真应力-真应变曲线表明,ZL114A铝合金表现出明显的应变强化与负应变速率效应,等效塑性断裂应变随应力三轴度的减小和应变速率的增加而增加。数据验证表明,修正后的J-C本构模型比原始的J-C模型预测精度更高,其最大平均绝对相对误差为2.830%,较原始的J-C模型减小了21.138%。

热处理工艺对电弧增材制造ZL114A铝合金耐蚀性能的影响

为了研究热处理工艺对电弧增材制造ZL114A铝合金耐蚀行为的影响,采用光学显微镜和附带能谱仪的扫描电子显微镜分析了第二相的形貌及成分,并采用电化学工作站测试了铝合金的腐蚀行为.结果表明:经过固溶和时效处理后,ZL114A铝合金的组织主要由α-(Al)基体、共晶Si和Mg 2Si相组成.当在540℃固溶处理时,随着固溶时间从2 h增加到14 h,合金中共晶硅相逐渐转变为球状.经过14 h的固溶处理后,合金表现出很强的钝化能力.合金经过时效处理后,随着时效时间从4 h增加到12 h,晶内析出的共晶硅和Mg 2Si相数量逐渐增多,合金耐蚀性能降低.

ZL114A铝合金主机匣振动开裂失效分析

某型机主机匣在振动疲劳试验约60 h发现振动值逐渐增大现象,拆卸后检查发现主机匣轴承支座加强筋处开裂,通过宏观分析、断口分析、金相检验、硬度测试、化学成分分析以及力学性能测试等检测手段,确定了主机匣开裂性质和原因。结果表明:主机匣开裂为疲劳开裂,其开裂原因是由于表面存在铸造冷隔或浇不足缺陷,加大了该处的应力集中。建议严格控制铸造工艺,或在铸造过程中厚度方向留一定的裕度,并对其表面进行加工,保证表面的完整性。

电场凝固参数对ZL114A铝合金组织与性能的影响

采用电场凝固技术制备ZL114A铝合金,研究了电流密度和通电时间对其组织和性能的影响。结果表明:电流密度和通电时间对ZL114A铝合金的抗拉强度和伸长率有明显影响。当电流密度为57.69 mA·mm-2,通电时间为10 min时,合金的抗拉强度为345 MPa,伸长率为6.56%。

Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A铝合金阻尼性能

航天结构飞行过程中,温度、应变振幅等会有大幅的变化,为了研究服役环境对阻尼的影响,采用DMA测试仪研究了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A铝合金材料内部阻尼随服役环境的变化。结果表明:两种材料阻尼都随应变振幅的增大而增大,且同样应变振幅下Mg-6Gd-3Y-0.5Zr阻尼性能优于ZL114A;两种材料阻尼都随温度的升高而增大,Mg-6Gd-3Y-0.5Zr和ZL114A合金330℃时阻尼均值分别是30℃时2.1倍和1.3倍,可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金对温升更敏感,当结构温升较大时,其阻尼应作为变量进行考虑。

ZL114A铝合金电弧-激光微铸锻复合增材制造组织与力学性能研究

对ZL114A铝合金进行电弧-激光自由熔积和电弧-激光微铸锻复合增材成形实验,探究工艺条件对该铝合金的冶金缺陷、显微组织、力学性能和断口SEM形貌的影响机理。结果表明:电弧-激光微铸锻增材成形工艺能明显抑制成形过程中气孔的产生,显微组织更加细小、均匀,共晶硅在晶间弥散分布;与电弧-激光自由熔积工艺相比,熔积扫描方向、熔积增高方向的拉伸强度、塑性、布氏硬度均提高;两种工艺的试样拉伸断口形貌均为细小的等轴韧窝,但电弧-激光微铸锻工艺的拉伸断面微型气孔缺陷更少。

ZL114A铝合金激光选区熔化成形工艺

以ZL114A铝合金粉末为研究对象,主要研究激光选区熔化(SLM)成形主要工艺参数如激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度等对ZL114A成形试样致密度的影响。结果表明,SLM成形ZL114A合金试样的致密度随着激光功率的增大而增大;而随着扫描速度的增大,试样的致密度则呈现先增大后减小的趋势;当激光功率为450 W,扫描速度为2 000 mm/s,扫描间距为0.09 mm,铺粉厚度为0.05 mm时,试样致密度最大可达到99.92%,其SLM沉积态合金的常温平均抗拉强度为402.7 MPa,伸长率为6.0%。进一步引入能量密度模型,综合表征能量输入与试样致密度之间的作用关系,当能量密度在35～100 J/mm^3范围内,其致密度均可达99%以上。

微量Ag对ZL114A铝合金组织和力学性能的影响

利用万能电子拉伸试验机、光学显微镜、扫描电子显微镜、球差校正场发射透射电子显微镜等研究微量Ag元素对ZL114A铝合金力学性能和显微组织的影响。结果表明:随着Ag含量的增加,合金的抗拉强度、屈服强度提高,伸长率无明显变化;当Ag含量提高到0.55%(质量分数)时,ZL114A铝合金的峰时效抗拉强度从351MPa提高到369MPa,屈服强度从309MPa提高到328MPa,伸长率从2.36%提高到2.93%。ZL114A合金组织的α-Al枝晶和共晶Si无明显变化;Ag含量的提高,促进了GP区形核质点数量增加,引起了β″数量密度增加。在高角度环形暗场扫描透射(HAADF-STEM)模式下观察到Ag原子分布在β″相中,抑制了Mg原子和Si原子在β″相中扩散,导致β″相尺寸减小。

电弧增材制造ZL114A铝合金工艺调控

通过设计正交试验,研究了电弧熔丝增材制造ZL114A铝合金的成形电流、电压、Z轴增量、层间停留时间等工艺参数对成形铝合金力学性能的影响。结果表明,工艺参数对力学性能的影响程度关系是:送丝速度>电流>电压>层间停留时间;层宽极差分析表明:电流和电压因素对层宽的影响非常显著,层间停留时间因素对层宽的影响显著,送丝速度因素对层宽的影响不明显;电弧熔丝增材制造ZL114综合力学性能最好时的成形工艺参数是:电流170A、电压13V、送丝速度90mm/min、层间停留时间10s。

ZL114A铝合金充型能力的试验与仿真研究

通过理论分析,借助仿真模拟软件与试验分析对ZL114A合金的充型能力进行研究。分析了影响合金充型能力的因素,设计螺旋形试样测试不同浇注温度对ZL114A合金充型能力的影响;同时对不同浇注温度合金充型能力进行模拟仿真,并结合试验结果对仿真参数进行校准,然后根据校准后的仿真参数对不同浇注温度合金的充型能力进行预测,与试验结果比较得出仿真预测能够评估ZL114A合金的充型能力。

ZL114A铝合金舱体铸件裂纹形成原因分析

针对ZL114A舱体铸件在装配过程中出现的开裂情况,对舱体铸件的化学成分、宏观形貌、金相组织、断口形貌、厚度尺寸和力学性能进行了分析。研究结果表明,舱体铸件安装台的化学成分符合HB962-2001中的成分要求;铸件开裂处的铆钉台阶与转角根部厚度均超过3 mm,厚度尺寸符合图纸要求;铸件裂纹处的断口形貌与人工打断的断口形貌基本一致,均呈沿脆性相断裂;裂纹附近的本体力学性能与远离开裂区域的本体力学性能均符合技术指标要求,但由于裂纹附近存在少量疏松,导致该区域伸长率略低。舱体铸件开裂原因为过载开裂,主要由外力对台阶面作用力不均所引起。