飞秒激光表面织构化对CFRP/2060铝锂合金高速激光连接接头剪切性能的影响

激光表面织构化作为提高异质结构接头剪切性能的有效手段,已广泛应用于碳纤维增强复合材料(CFRP)与金属材料激光连接领域中。采用波长515 nm的飞秒激光在2060铝锂合金表面制备微结构,采用能量密度分布均匀的矩形光斑实现CFRP和2060铝锂合金异质接头的高速光纤激光连接,探讨飞秒激光刻蚀深度、扫描线间距对异质结构接头剪切强度的影响规律。结果表明,通过飞秒激光织构化处理,异质接头剪切强度得到了大幅提升,接头破坏形式均为界面断裂和基体断裂的混合断裂模式。在激光功率5 kW、焊接速度高达3.6 m/min条件下,接头平均剪切强度可达35.7 MPa,是未经飞秒激光织构化接头的2.3倍。

热变形对2A97铝锂合金板材组织均匀性和力学性能的影响

针对2A97铝锂合金组织不均匀导致的性能差异,通过热塑性变形来改善2A97铝锂合金的组织均匀性,并进一步提升其力学性能。采用单向压缩的方法,变形量选择30%和60%,变形温度为400℃,固溶参数为520℃、1 h,时效参数为165℃、50 h。结果显示,热变形能够显著改善2A97铝锂合金晶粒尺寸的均匀性,抑制固溶时织构的产生。60%变形量能够打碎原始组织中的大块共晶相和针状析出相,提高固溶程度,促进再结晶过程,产生大量平均晶粒尺寸为2μm的再结晶晶粒,时效后析出的T1相与θ′相尺寸较小且密集,2A97铝锂合金的极限抗拉应力达到510 MPa,相比单纯固溶时效提高了11.8%。

挤压铸造与超声处理对铸造铝锂合金组织与性能的影响

目的研究挤压铸造与超声处理工艺对铸造铝锂合金组织与性能的影响规律,分析工艺改变对组织细化及性能提升的作用机理,解决传统重力铸造下铝锂合金性能较差的问题。方法将挤压铸造(SC)与超声处理(UT)相结合制备Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Zr合金,在熔体超声2min后,以50MPa的挤压力制备合金,探究各工艺对铸造铝锂合金显微组织与力学性能的影响。结果与传统的重力铸造(GC)相比,SC合金的孔隙率和成分偏析显著降低,晶粒尺寸也明显减小,特别是经过UT+SC处理的合金得到了进一步优化。经UT+SC处理后,Al-2Li-2Cu合金的极限抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率分别为235MPa、135MPa和15%,与GC合金相比,分别提高了113.6%、28.6%、1150%,与SC合金相比,分别提高了5.4%、3.8%、15.4%。结论UT+SC工艺能明显提升铸造铝锂合金的性能。UT+SC制备的Al-Li合金的强度和伸长率的提高归因于孔隙率的降低、晶粒细化和第二相的均匀分布。将挤压铸造与超声处理相结合制备铸造铝锂合金解决了重力铸造下合金性能较差的问题,为满足航空航天要求的高强韧铸造铝锂合金的制备提供了一种行之有效的新方法。

超声振动对2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能的影响

采用新型超声振动强化搅拌摩擦焊对第三代2195-T6铝锂合金进行焊接,研究超声振动对接头显微组织与力学性能的影响。研究表明,超声振动强化搅拌摩擦焊能够增强塑性材料流动,进而抑制焊接缺陷,提高无缺陷接头的临界焊接速度。在保证接头抗拉强度达到母材75%的条件下,超声振动强化搅拌摩擦焊的焊接速度和效率均高于常规搅拌摩擦焊。施加超声振动能够大幅提升较高焊接速度条件下的接头力学性能。超声振动强化搅拌摩擦焊接头的极限抗拉强度为449.5 MPa,达到母材的83.1%。超声振动强化搅拌摩擦焊接能够在保证接头质量的前提下提升临界焊接速度和焊接效率。

预变形对2195铝锂合金拉伸力学性能的影响

通过硬度测试、室温拉伸测试、电子背散射衍射分析(EBSD)、透射电子显微分析(TEM)以及数字图像相关(DIC)等手段,研究不同拉伸预变形量对2195铝锂合金在155℃时效后拉伸力学性能的影响。结果表明:拉伸预变形量为2%、4%、6%、8%的合金经过155℃时效后,其抗拉强度分别为560.4 MPa、570.8 MPa、573.6 MPa、575.9 MPa。随着预变形量的增大,合金强度不断提高,这是由于位错是强化相T1相的有利形核点位,拉伸预变形量的增大使得位错密度增加,从而使得T1相数量密度增加。但随着拉伸预变形量的增大,拉伸预变形对合金的强度提升幅度逐渐减小,这主要是位错堆积缠结,析出相形核点重叠导致的。随着拉伸预变形量从2%增大到8%,合金的伸长率从9.6%下降到6.4%。通过DIC观察,拉伸预变形量的增大会使得拉伸过程中的应变集中现象提前出现,颈缩稳定性有所降低。这是由于较大的拉伸预变形量会使得合金在预变形阶段的应变分布不均匀,合金内出现破碎的变形组织晶粒。这些变形组织晶粒与周围其他晶粒组织的晶粒取向不同,更有利于微裂纹的萌生和扩展。4%的拉伸预变形量可以使2195铝锂合金达到最佳的强塑性匹配,此时抗拉强度为570.8 MPa、屈服强度为543.4 MPa、伸长率为8.7%。

表面处理方法对铝锂合金胶接强度的影响

为研究不同表面处理方法对铝锂合金胶接强度性能的影响,分别采用砂纸打磨、氯化铜刻蚀、喷砂以及磷酸阳极化(PAA)方法对铝锂合金进行表面处理,并对不同改性表面微观形貌、粗糙特性、润湿性能以及其胶接接头强度性能进行对比分析。结果表明,表面处理后的铝锂合金表面润湿性能改善与胶接性能提高。相对于未处理试样,砂纸打磨、氯化铜刻蚀、喷砂与PAA处理试样表面自由能分别提升了26.7%、48.8%、52.9%与71.1%,相应胶接接头强度分别提升152.7%、204.1%、285.1%与413.5%。PAA构筑的多孔氧化膜结构更有利于胶黏剂在铝锂合金表面的渗透与黏附,试样表面润湿性明显改善,胶接强度得到了显著的提高,最高强度为38 MPa。

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明:裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。

直流模式电流密度对铝锂合金微弧氧化膜性能的影响

为了研究直流模式下电参数对铝锂合金微弧氧化成膜机理和膜层性能的影响,以2195铝锂合金为研究对象,在硅酸盐-磷酸盐碱性电解液体系中,以直流稳流模式在不同电流密度下制备了微弧氧化陶瓷膜。通过扫描电子显微镜(SEM)及其自带的能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)分析了微弧氧化膜的表面和截面形貌、元素组成及物相组成。采用电化学工作站和摩擦磨损试验机分别测定了不同陶瓷膜的耐蚀性能和耐磨性能。结果表明:微弧氧化陶瓷膜中主要含O、Al、Si和P元素,膜层相组成主要为γ-Al_(2)O_(3)和少量α-Al_(2)O_(3)。在电流密度为4~16 A/dm^(2)的范围内,随着电流密度的升高,膜层的耐蚀性和耐磨性都呈先升高后降低的趋势,电流密度为8 A/dm^(2)时膜层的耐蚀性最好,自腐蚀电流密度为5.1718×10^(-7)A/cm^(2),致密层电阻Rb值3.323×10^(4)Ω·cm^(2)。电流密度为8 A/dm^(2)时膜层耐磨性最好,磨损机理为疲劳磨损和磨料磨损混合,磨损率为0.34375×10^(-6)cm^(3)/(N·m)。

双辊铸轧2060铝锂合金的偏析行为

为探究溶质偏析行为对双辊铸轧Al-Li合金组织和腐蚀行为的影响,成功制备了不同工艺范围下的铝锂合金铸轧板坯,并构建了热-流耦合模型。结合场发射型扫描电子显微镜(SEM),能谱分析仪(EDS),和透射电子显微镜(TEM)探究了不同工艺条件下组织的耐蚀性差异。结果表明:TRC-3高铸轧速条件下的制备出现了显著的宏观偏析现象。通过结合温度和流速的计算,详细分析了这种偏析机制的结果。偏析将遗传到最终的T6状态组织,恶化T_(1)相的析出,并恶化最终的耐腐蚀性能。深入讨论了偏析对腐蚀行为的影响机理,并提出了一种能够实现低偏析、高耐腐蚀性的铸轧铝锂合金工艺。

含人工缺陷的2195-T8铝锂合金在30%HNO_(3)中的腐蚀行为

为研究2195-T8铝锂合金在酸性介质中的腐蚀性能,通过扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)等微观表征手段,分析2195-T8铝锂合金在30%HNO_(3)中的腐蚀形貌。提出一种块分割和边缘检测相结合的图像处理方法,从统计的角度对2195-T8铝锂合金在30%HNO_(3)中的腐蚀规律进行分析。结果表明:合金在浸泡不同时长后出现了典型的点蚀和晶间腐蚀形貌;人工缺陷深度会加剧腐蚀的程度;在腐蚀的初期阶段,蚀坑的数量快速增长,蚀坑面积主要集中在0~20μm^(2)。而在腐蚀的中后期,蚀坑的数量及面积变化不大,只有少量的蚀坑可以继续扩展形成面积大于50μm^(2)的蚀坑。

30%HNO_(3)对2195铝锂合金预腐蚀疲劳特性研究

模拟液体导弹贮箱材料和使用特点,进行2195-T8铝锂合金在30%硝酸溶液中预腐蚀不同时间后的疲劳试验,利用扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射仪(EBSD)及透射电子显微镜(TEM)等显微表征方法,研究了预腐蚀对疲劳性能的影响。结果表明:预腐蚀表面形貌以晶间腐蚀和点蚀为主,在轧制方向上形成条带状腐蚀链,其产生与长条形晶界和金属间粒子连续腐蚀作用相关;经预腐蚀后,铝锂合金试样在210,280,330 MPa中等应力幅下的预腐蚀疲劳寿命较无腐蚀试样有所增加,16 h腐蚀试样寿命提高最为明显,其原因是腐蚀通过将合金表面微裂纹、孔洞等缺陷消除、增加表面粗糙度等方式,降低了应力集中程度,进而延缓了疲劳裂纹萌生。

镀钛对2195铝锂合金耐磨和腐蚀性能的影响

通过摩擦磨损试验和电化学工作站等测试,研究了2195-T6铝锂合金表面镀钛处理前后的摩擦磨损性能和电化学性能,探讨了浸泡实验的腐蚀机制。结果表明:镀钛后铝锂合金表层的纳米压痕硬度略有提高,表层晶粒得到了细化;镀钛前后的摩擦系数基本相同,磨损性能得到了提高;镀钛后铝锂合金的腐蚀电位提高,腐蚀电流密度减小,阻抗谱半径变大。3.5%NaCl溶液中的浸泡实验显示,镀钛试样的点腐蚀明显改善,这是由于合金表面形成的钛膜起到了隔离保护作用。

石墨烯添加剂与电流密度对铝锂合金阳极氧化膜层耐蚀性能的影响

本文以Al-Li-Cu-Mg合金为研究对象,在混酸电解液体系下进行阳极氧化处理,制备不同电流密度以及石墨烯掺入后的氧化膜。通过SEM、XRD、EDS等分析测试手段分析了各参数下膜层的表面与截面形貌、元素、物相组成等,并通过电化学工作站等仪器分别分析了膜层的耐蚀等性能。研究不同电流大小与石墨烯掺入后对膜层性能的影响机制。结果表明:电流密度的增加会使得材料膜层的厚度先增后减、缺陷增加,耐蚀性能先增后减,阳极氧化膜耐蚀性能最佳电流密度为15 A/dm^(2)。同时石墨烯的掺入会降低膜层耐蚀性,阳极氧化膜腐蚀电流密度为4.898×10^(-7)A·cm^(-2)。

制造工艺对飞机铝锂合金结构细节疲劳性能影响研究

研究制造工艺(铣圆转速、孔边倒角、干涉量等)对飞机铝锂合金结构细节疲劳性能DFR的影响。结果表明:在一定铣圆转速范围内,存在最优铣圆转速;孔边倒角可以有效减轻应力集中现象,提高疲劳性能;干涉配合铆接在孔壁引入残余压应力,对孔连接具有一定强化作用,通过增加干涉量可使连接达到与整体材料相当的疲劳寿命,不再是铆接件中最薄弱“环节”。

2A97铝锂合金的化学铣切工艺研究

通过高频疲劳试验、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)等方法对经过3种不同化铣槽液处理的2A97铝锂合金薄板表面粗糙度、疲劳性能和合金的微观组织缺陷进行了研究。结果表明:与未添加硫化钠或三乙醇胺的槽液相比,同时添加硫化钠和三乙醇胺的化铣槽液化学铣切性能更佳,化铣后的材料表面平整,微观缺陷数量较少,尺寸较小,表面粗糙度达到Ra≤1.6μm,疲劳寿命可达到3.71×10^(5)N。硫化钠和三乙醇胺的加入能有效缓解合金的局部腐蚀,使铝合金表面与化铣槽液腐蚀更加均匀,形成的微观缺陷数量更少,尺寸更小,因此,能获得更好的表面粗糙度结果和更优的疲劳性能。

1420铝锂合金材料自动压铆和手工锤铆接头力学性能研究

针对1420铝锂合金材料通过对手工锤击铆接和自动静压铆接两种加工方式形成的铆接接头进行力学性能对比分析,试验内容主要包括铆接接头剪切试验、拉脱试验,根据试验结果和理论分析得出结论:自动静压铆接工艺性能优于手工锤击铆接。通过开展某型号产品工程化应用试验,充分验证了1420铝锂合金桁条自动钻铆的可行性、可靠性,从而极大提高产品的生产合格率和质量稳定性。

激光功率对2195铝锂合金光纤-半导体激光复合焊接形貌与气孔的影响

光纤-半导体激光复合焊接技术充分结合了光纤与半导体激光热源的优势,在激光加工领域拥有巨大的潜力.针对2195铝锂合金开展光纤-半导体激光复合焊接试验,并定量研究激光功率对焊接形貌与气孔的影响.结果表明,光纤激光功率显著影响焊缝熔深,半导体激光功率显著影响焊缝上熔宽.基于回归分析方法建立焊缝横截面积预测模型.此外,光纤与半导体激光均对焊缝气孔缺陷的控制起着重要的作用,较高的光纤激光功率有利于降低气孔缺陷.对于4 mm厚2195铝锂合金,采用光纤激光功率为3.0 k W、半导体激光功率为2.5~3.0 k W时,熔池温度高且光纤-半导体激光复合作用范围大,焊接接头气孔缺陷少.

2195铝锂合金搅拌摩擦增材制造成形与性能研究

搅拌摩擦增材制造作为一种新型固相增材制造技术,能够有效避免高强铝锂合金元素烧损的同时获得高性能增材构件。本文提出自限位搅拌摩擦增材制造方法,以铝锂合金带材为原料制备多层增材结构件。结果表明,搅拌摩擦增材区内材料流动充分,层间冶金结合良好。增材层晶粒尺寸和沉淀相分布主要受热–机械效应影响,搅拌道次越少的区域,热机效应小,沉淀相越多,硬度越高。单层增材厚度1 mm,增材速率达200 mm/min,增材区硬度最高为126.8HV,达到2195–T8铝锂合金的79.3%。同时,由于部分Cu元素固溶于增材区,搅拌摩擦固相增材区的耐腐蚀性能优于母材。

固溶温度对2050铝锂合金挤压棒材组织和性能的影响

在一定固溶时间下,固溶温度决定淬火后基体的过饱和度和再结晶程度,是影响材料时效后性能的重要因素。通过对2050铝锂合金挤压棒材进行不同温度(450~570℃)下保温2 h的固溶热处理和170℃/40 h的人工时效处理,结合多种性能检测和微观组织观察进行表征分析,研究固溶温度对2050铝锂合金挤压棒材组织和性能的影响。结果表明:随固溶温度逐渐升高,残余相不断回溶,固溶温度为525℃时残余相主要为含Fe相,升至550℃时棒材发生轻微过烧,达到570℃时棒材严重过烧;固溶温度为500℃时棒材发生局部再结晶,570℃时棒材完全再结晶。450~550℃固溶的2050铝锂合金挤压棒材经170℃/40 h的人工时效后,随固溶温度的升高θ′相和T1相数量增加,且强度呈先快速增加后缓慢线性增加的趋势,550℃固溶的棒材屈服强度和抗拉强度最高,分别为505 MPa和567 MPa;伸长率随着固溶温度的升高先快速下降后保持稳定,由固溶温度为450℃时的13.4%降低至500~550℃时的10.7%~10.4%。

2195铝锂合金高温慢应变速率拉伸本构模型及组织演变

对2195铝锂合金细晶薄板在温度为350~470℃、初始应变速率为0.0001~0.002 s−1的变形条件下进行拉伸,建立应变修正的Arrhenius和含软化因子的Rosserd塑性流动本构模型,利用电子背散射衍射表征变形过程的微观组织演变。结果表明:两种方程均可以较好地描述2195铝锂合金稳态阶段的流动行为,应变修正的Arrhenius模型在变形温度为350~390℃时有一定拟合偏差,而含软化因子的Rosserd模型在470℃、0.002 s^(−1)的高温高应变速率条件下出现拟合偏差,其原因主要是受变形机制影响。2195铝锂合金在350~390℃时发生不连续动态再结晶,而在430~470℃时发生连续动态再结晶;变形温度的升高和变形速率的降低均可以提高2195铝锂合金动态再结晶程度,但提高变形温度的影响更显著;2195铝锂合金在390℃、0.001 s−1变形时的最大伸长率为203%。变形温度的提高会导致晶粒粗化,降低合金的热塑性。