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.

自然停放时间对低压铸造ZL114A合金力学性能的影响

对低压铸造ZL114A铝合金先进行(540±5)℃×14.5 h固溶处理,再进行不同时间(1~8215 h)的自然时效处理,然后对自然停放1~100 h的试验合金进行(170±5)℃×4 h人工时效处理,研究了自然时效过程中合金硬度的变化以及停放时间对人工时效后合金力学性能的影响规律。结果表明:在自然时效过程中,试验合金的硬度整体呈增大趋势,时效8215 h时达到91.8 HBW,低于人工时效的110 HBW。随着停放时间的延长,人工时效后试验合金的抗拉强度和屈服强度先升高,在停放10 h时达到峰值,分别为355.0,303.3 MPa,随后降低,在停放50 h时降至最低值,分别为336.7,261.7 MPa,随后又有所升高。断后伸长率的变化规律与强度的变化规律相反。在自然停放过程中由于形核驱动力低,试验合金中形成界面能较低的pre-β″相,在人工时效过程中形成强化效果更为明显的β″相,这是强度在停放10 h内升高的原因;而后强度降低的主要原因为不稳定溶质原子偏聚区(GP区)在人工时效时发生了重溶;当停放时间超过50 h后,GP区长大到了稳定的晶核尺寸,在人工时效处理时不会发生重溶,强度回升。

一种ZL114A薄壁锥壳铸件的铸造工艺研究

某薄壁锥形壳体铸件为航空飞行器前端重要装置组件,为ZL114A高强度铝合金铸件。因产品为半封闭结构,铸造时易出现内部质量问题,为了保证产品各项指标满足要求,采用差压铸造结合计算机仿真模拟分析,开展了对该铸件的铸造工艺研究,研究过程中发现锥顶三角区域在凝固时易出现缩松缺陷,结合仿真模拟对铸件凝固成形工艺进行了浇注系统的调整、增设冷铁等改进,消除了缩松倾向,完成了生产试制。铸件内部质量满足Ⅰ类件要求,附铸试棒平均抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为364.67 MPa、306 MPa、7.5%,满足各项技术指标要求。

基于ProCAST的ZL114A尾段壳体凝固成形数值模拟与工艺优化

目的针对ZL114A尾段壳体研制需求,利用低压充型液态成形工艺与数值仿真计算,预测疏松缺陷分布位置及严重程度,通过改进工艺来减少疏松缺陷,进而提高生产合格率。方法基于ProCAST软件对ZL114A尾段壳体低压充型凝固过程进行仿真计算,分析充型凝固过程中的流动场与温度场分布、充型时间、流动长度与凝固时间,预测疏松缺陷分布位置及严重程度,结合枝晶相干点双电偶热分析法测试结果,对低压充型工艺进行设计优化。结果由尾段壳体凝固疏松缺陷的仿真计算结果与枝晶相干点温度测试结果可知,低压充型增压速度得到提高,保压时间有所延长,对安装凸台冷铁材质与厚度进行设计优化后,疏松缺陷得到显著改善。结论通过数值仿真计算指导了铸造工艺设计,制备得到了满足技术指标要求的ZL114A尾段壳体。

ZL114A合金密封套熔模铸造工艺优化

利用Procast软件对ZL114A合金密封套熔模铸造工艺进行了数值模拟,在铸件法兰及中间薄壁区域发现疏松缺陷,通过工艺试验,证明了数值模拟结果准确性。分析了缺陷产生的原因,并在第一版铸造工艺基础上,采取风冷措施达到铸件快速凝固目的。数值模拟和实际生产结果表明,铸件缺陷完全消除,能够满足使用要求。

稀土Er对ZL114A合金微观组织和性能的影响

以铸造ZL114A铝合金为研究对象,通过加入稀土元素Er来改善合金的微观组织,提高其力学性能。借助SEM、XRD、DSC等材料分析手段,研究了不同Er含量对ZL114A铝合金微观组织与力学性能的影响。结果表明,添加合适的Er元素可以达到细化晶粒的目的,合金中粗大的枝晶组织逐渐趋于球化,初生α-Al相和共晶Si结晶温度下降,析出相Al3Er富集在共晶Si上,起到异质形核的作用。随着Er含量的增加,共晶Si由板条状演化为棒状或近球状,合金的力学性能也随之提高。当Er含量超过某一临界值(0.5%,质量分数),则细化效果不明显,力学性能也有所降低。添加0.5%Er时,合金的性能最佳,抗拉强度和延伸率分别提高了11.43%和52.8%。

铸造方法和热处理对ZL114A合金显微组织及力学性能的影响

为了对比不同的铸造方式所获得ZL114A合金的显微组织及力学性能差异,通过万能试验机对采用重力、低压、差压铸造方法制备的合金的不同状态力学性能进行了检测,通过光学显微镜对合金的显微组织进行了分析。重力铸造的铸态合金强度最高,抗拉强度、屈服强度分别为151.3 MPa、110.3 MPa;差压、低压铸造的铸态合金的塑性较好,伸长率分别为15.8%和14.7%。铸态合金为枝状组织,主要由α-Al、初生Si、Mg2Si及Al、Si共晶相组成;低压与差压铸造合金晶粒尺寸、共晶相宽度更小。固溶处理后,低压铸造合金抗拉强度、屈服强度分别提升了110.9%和149.5%,差压铸造合金抗拉强度、屈服强度分别提升了125.3%和101.5%,固溶效果优于重力铸造。固溶处理过程中,Mg2Si相回溶于α-Al基体中,共晶Si相逐渐熔断、球化。在170℃时效8 h后,低压铸造合金抗拉强度、屈服强度分别提升了30.2%和83.8%,差压铸造合金分别提升了17.3%和63.5%,低压铸造合金的时效效果最佳;时效处理后,差压铸造合金伸长率最好,低压铸造次之。

低温预时效对ZL114A合金微观组织和力学性能的影响

研究了预时效温度和时间对ZL114A合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:低温预时效温度和时间对ZL114A合金的组织有着一定影响,预时效工艺为110℃×2 h的合金组织中α-Al枝晶细化,共晶硅相呈细小的颗粒状均匀弥散地分布于枝晶和二次枝晶间。低温预时效温度和时间对ZL114A合金的各项力学性能有一定的影响,预时效工艺为110℃×1 h的ZL114A合金抗拉强度最大,达到331.7 MPa,伸长率最好,达到11%。110℃×2 h预时效工艺的ZL114A合金屈服强度最大,为266 MPa,较未预时效处理合金的屈服强度提高了65 MPa,提升幅度为32%,将低温预时效与正常热处理工艺相配合,可有效提高ZL114A合金的质量和生产效率。

YAG-MIG复合焊接ZL-114A铝合金的接头组织与性能研究

为了研究ZL-114A铝合金YAG激光-熔化极惰性气体保护(MIG)电弧复合焊接接头性能,采用拉伸试验和扫描电子显微镜对其力学性能和显微组织进行了测试分析。由于焊接固有的快速冷却特性及进口4047焊丝中细化晶粒元素(Ti)的存在,焊缝金属组织普遍较铸造组织细小,而且与采用的焊接线能量有关;靠近熔合线附近的晶粒粗化及固溶相的析出导致其硬度陡降,成为所谓的"软化区",是接头最脆弱部分,但其宽度及粗化程度较一般MIG电弧焊小,接头拉伸强度为母材的80%左右,断口呈脆性断裂特征。实验结果表明,采用适当的工艺参量,YAG-MIG复合焊接可以在较高的速率下得到高质量的焊接接头,是一种理想的铝合金高效焊接技术。

ZL114A大型铝铸件焊缝的组织与性能

研究了ZL114A合金大型铸件熔化极气体保护焊 (MIG)焊补区域的组织与性能。金相观察表明 ,在靠近熔合线附近的热影响区内存在共晶复熔组织。焊补时 ,基体中Mg2 Si向复熔体扩散 ;远离熔合线的热影响区内 ,基体中固溶的Mg2 Si发生过时效 ,从而导致基体软化 ,显微硬度下降。T1处理时不能消除复熔共晶和基体软化 ,故热影响区的宏观力学性能降低 ,但降幅不到 10 %。

铸造铝合金ZL114A的热处理工艺

对铸造铝合金ZL114A开展热处理试验,研究了固溶温度、固溶时间、淬火水温、时效温度和时效时间等工艺参数对力学性能的影响,比较了铸态和固溶热处理后的组织变化,并优选出最佳的热处理工艺制度,540℃×14 h/水冷(55℃)+155℃×7.5 h/空冷,为后续的工业化生产提供了参考。

ZL114A合金旋转喷吹精炼工艺研究

采用旋转喷吹精炼工艺精炼ZL114A合金,通过选择设备不同的喷头转速、气体流量,确定了最佳的设备参数。研究了金属液中氢含量随精炼时间的变化规律,确定了ZL114A合金的旋转喷吹精炼工艺参数;比较了精炼前后镁含量的变化,并测试了旋转喷吹精炼后合金的性能。结果表明,采用旋转喷吹精炼工艺精炼前后镁含量的变化很小,合金熔体纯净度高,合金的性能较高。

ZL114A合金疲劳行为研究

研究ZL114A合金的拉伸性能和轴向应力疲劳行为(Kt=1,R=-1)。结果表明,ZL114A合金的疲劳性能与美国A357合金的疲劳性能相当。系统研究了L114A合金疲劳损伤特征,分析疏松、夹杂物等铸造缺陷在疲劳裂纹的形核、裂纹的扩展以及瞬断中所起的作用,表明铸造过程中形成的铸造缺陷数量、尺寸、位置对金属的疲劳性能都有不同程度的影响。

共晶硅形貌对ZL114A合金拉伸断裂机制的影响

利用扫描电镜金相观察,研究Al-10%Sr变质剂对ZL114A合金中共晶Si形貌的影响。对金属型铸造的ZL114A合金进行T6处理,并对其拉伸性能、断口形貌及拉伸断口纵剖面进行测试与分析。结果表明,Sr变质能够明显提高ZL114A-T6合金的抗拉强度和伸长率,当添加0.03%Sr时,抗拉强度和伸长率分别从230 MPa和1%上升到最大值310 MPa和8%。未变质时ZL114A-T6合金拉伸断裂模式为穿晶断裂;经Sr元素变质处理后,合金拉伸断裂模式为沿晶断裂。

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%。

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。

固溶温度和时间对ZL114A合金组织的影响

通过金相分析、动力学分析等方法,研究了固溶温度和固溶时间对ZL114A合金共晶硅形态的影响。结果表明:固溶温度对共晶硅的粒化过程有很大的影响,在不产生过烧时,温度越高共晶硅的粒化速率越快、粒化程度越彻底;固溶时共晶分枝和凹槽处首先熔断,并且端部钝化逐渐圆整;ZL114A合金在550℃×10 h固溶时的硅相形态最为理想。

Sr及RE变质对砂型铸造ZL114A合金组织及力学性能的影响

采用20和40 mm厚的ZL114A两种试样,对比研究了稀土变质和锶变质对砂型铸造ZL114A合金试样力学性能和组织的影响。结果表明:不变质、稀土变质和锶变质等三种方案的试样抗拉强度差异较小(在5%以内),而伸长率差异较大。锶变质后的试样(T6状态)伸长率最高,比其它两种方案高出28%以上。通过对比三种方案伸长率最小的试样组织发现,锶变质试样的共晶硅组织细化最明显,且试样聚集性的孔洞类缺陷又较少,这对试样的伸长率提升有很大作用。稀土变质后的试样组织中会形成一些树枝状或片层状化合物Al REMg Si相,且聚集性的孔洞类缺陷较多,这类组织反而降低了试样的伸长率。