丝材3D打印2024/7055铝合金梯度结构组织与性能分析

大型高强度轻质铝合金整体结构件在航空航天装备结构中应用广泛。为充分发挥不同材料的性能优势,可将两种以上的铝合金材料通过增材制造技术整体成型,从而制造出兼顾功能与减重要求的整体梯度结构件。为此,提出了一种多丝材电弧增材制造铝合金梯度结构件的制备方法,实现了航空结构常用的2024/7055铝合金梯度结构的3D打印,并对梯度结构进行了宏/微观组织、气孔缺陷、过渡区元素含量以及力学性能等进行了全面的分析。结果表明:通过多丝材增材制造打印的2024/7055铝合金梯度结构连接良好、过渡区域连续;梯度区域两种材料的晶粒组成不同,2024铝合金由等轴晶粒组成,而7055由短柱状晶粒组成;气孔在空间分布中呈条状分布,并且两种合金Zn元素含量不同,导致力学性能差异较大;当材料组分占比为2024(25%)/7055(75%)时,力学性能最好,材料折损率最低。

Mechanical and corrosion fatigue behaviors of gradient structured 7B50-T7751 aluminum alloy processed via ultrasonic surface rolling

In this work,ultrasonic surface rolling process(USRP)was utilized to produce a gradient structured layer on 7 B50-T7751 aluminum alloy,and the mechanical properties and corrosion fatigue behavior of treated samples were studied.These results reveal that underwent USRP,a 425~m thick gradient structure and a 700~m deep compressive residual stress field are created,aluminum grain size become fine(~67 nm),and the corrosion rate of treated surface reduces by 60.08%owing to the combined effect of compressive residual stress and surface nanocrystallization.The corrosion fatigue strength is enhanced to 117%of that of 7 B50 Al alloys by means of USRP due to the introduced compressive residual stress,which is considered as the major favorable factor in suppressing the initiation and early propagation of corrosion fatigue cracks.Besides,the gradient structure is an important factor in providing a significant synergistic contribution to the improvement of corrosion fatigue performance.

过时效温度对2024铝合金形变后的再结晶行为和力学性能的影响

采用力学性能检测和透射电镜(TEM)观察,研究了过时效温度对2024铝合金形变后的再结晶行为和合金力学性能的影响。结果表明:过时效温度对合金力学性能的影响较大,在250～350℃的过时效温度范围内, 随温度升高,合金强度提高,350℃时效时合金的性能最好,此时σb=580MPa,δ5=9．2％,比传统处理工艺(T62)分别提高32％和84％。其原因是过时效温度间接地影响了合金随后固溶再结晶的晶粒大小。因此,为了达到细化晶粒的目的,必须严格控制过时效温度。

冷却槽结构对自孕育法制备2024变形铝合金半固态浆料的影响

采用一种新的自孕育法制备2024变形铝合金半固态浆料,研究冷却槽结构对2024变形铝合金水淬组织和铸态组织的影响.结果表明:随着冷却槽股数的增加,冷却槽对合金的冷却能力增强,组织变得细小、均匀.4流股冷却槽的冷却和混流效果好,制备的晶粒最为细小,约为31.2μm.合金熔体在孕育剂的激冷作用下,瞬间产生大量晶核,并在流经冷却槽时,发生晶粒的游离和增殖,最终细化组织.

2024/3003梯度铝合金复合板的反挤压变形研究

将双流浇铸连续铸造直径65 mm的2024/3003梯度铝合金铸锭压制成为15 mm厚的板材,将该板材进行反挤压变形,研究梯度铝合金板内外层合金的流动特性及微观组织的变化规律。结果表明,2024/3003梯度铝合金材料反挤后在杯底部位内、外层合金的梯度过渡特征基本得到保持,内、外层合金分界线呈抛物线特征;在杯身部位内、外层合金则有一定的混合现象,而且内层合金的含量占绝大部分。另外,外层合金在杯身顶部及转角处形成了两个富集区。上述微观组织特征与塑性变形的滑移线理论一致。

激光冲击选区强化对2024铝合金叶片振动响应特性的影响

目的探究激光冲击强化技术对2024铝合金叶片振动性能的影响,并探寻最理想的冲击参数。方法运用Johnson-Cook动态塑性本构模型模拟激光冲击选区强化过程,对强化后的2024航空铝合金叶片的振动特性进行分析。将2024铝合金在激光冲击强化过程中产生的残余应力场和梯度密度分布导入模型,量化激光冲击强化对2024铝合金叶片振动特性的提高效果,研究激光冲击参数对叶片振动响应的影响规律。结果激光冲击强化产生的残余压应力场并非均匀分布在表面,而是只存在于冲击区域,冲击区域外为拉应力。其中,最大残余压应力为273.5 MPa。选取第六阶振型为目标振型,在同样冲击工况下,模拟和实验结果吻合较好。在模型中引入激光冲击强化产生的残余应力与梯度密度结构会使2024铝合金叶片的振动特性发生改变,其中,残余应力对振动特性影响更为显著。结论激光冲击强化工艺调控分析表明,采用较大圆形光斑,施加较大功率密度冲击模型中部,可获得最显著的振动特性改善效果。最适合的激光冲击强化参数可将振动特征频率降低118.87 Hz,将振幅降低94.37%。

超高强7055铝合金均匀化处理制度研究

对7055铝合金铸锭进行不同均匀化处理制度的模拟分析,得出最优均匀化处理参数,分析不同均匀化处理制度后7055铝合金铸锭力学性能、硬度、金相组织和电导率。研究结果表明:经过260℃×1 h+430℃×2 h+470℃×15 h均匀化处理制度后,7055铝合金铸锭的抗拉强度、屈服强度和硬度较低,伸长率较高,有利于后续的塑性成形加工,使得加工后合金内应力消除更彻底,组织更均匀;边部、中部组织中未溶第二相绝大部分回溶于基体,心部组织存在少量第二相,回溶更加充分,均匀化效果良好,与模拟分析结果相吻合;电导率更小,电阻率更大,即过饱和程度相对更大,均匀化效果更明显。

多级梯度结构对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

为了进一步提升析出强化铝合金的强度,采用表面超声滚压和低温时效工艺制备一种多级梯度结构材料,并用SEM/TEM表征分析表层组织。研究结果表明:表层晶粒和析出相均呈现梯度分布。此外,对梯度层的析出相分析发现晶内析出相和晶界析出相种类存在区别,并且伴随着距表面深度的增加,晶界析出相和晶内析出相的数量密度都呈现降低趋势。与时效后粗晶试样相比,多级梯度结构试样的强度得到提升(屈服强度和抗拉强度分别从480 MPa和622 MPa提升到562 MPa和692 MPa)并保持良好的塑性。通过定量计算,发现多级梯度结构试样的强化增量主要源于晶界强化、沉淀强化、位错强化和协同强化的共同作用。

铝合金表面处理技术在煤矿井下钻探装备中的应用前景

通过对比分析近年来铝合金等轻金属摩擦火花及铝合金先进表面处理技术的研究进展,创新提出了通过铝合金表面预处理工艺获得表层梯度结构、然后对表层梯度结构进行微弧氧化形成致密原位陶瓷保护膜来避免摩擦火花的新思路,实现具有摩擦火花安全性的轻质铝合金材料的制备,为煤矿井下钻探装备和机具的轻量化提供技术支撑。最后以钻杆和仪表外壳为例展望了具有摩擦火花安全性的铝合金材料在煤矿井下的应用前景,并对相关标准和管理制度提出了合理建议。

表面机械研磨处理5182铝合金的组织和力学性能研究

5182铝合金经过表面机械研磨处理(SMAT),可以克服铝合金表面性能的不足,提高铝合金材料整体性能,延长使用寿命。采用X-射线衍射仪(XRD)及显微硬度、单轴拉伸等测试方法,研究了使用表面机械研磨处理后5182铝合金的显微组织和力学性能特征。经过SMAT处理后的5182铝合金,其表面晶粒细化至纳米级,且沿试样表面到芯部方向形成纳米梯度结构;其板材的整体硬度都有一定的提高,且沿板材试样表面到芯部方向形成了梯度下降的状态;随着表面机械研磨处理时间的增加,5182铝合金的抗拉强度和屈服强度强度也随之提升,但在一定程度上牺牲了合金的塑性。

5%NaCl盐雾环境对铝合金铆接防护结构性能影响研究

目的研究2024铝合金在5%NaCl盐雾环境下的腐蚀疲劳性能。方法开展2024铝合金5%NaCl盐雾环境下的腐蚀疲劳试验,采用"疲劳加载-腐蚀环境"交替循环的试验模式,通过试验测试铝合金铆接结构在5%NaCl盐雾环境下的腐蚀疲劳寿命值,分析不同疲劳载荷大小对铝合金连接结构的腐蚀疲劳寿命影响。结果5%NaCl盐雾环境对于铝合金铆接结构疲劳寿命有较大影响,疲劳载荷对防护涂层防护性能和腐蚀疲劳载荷的滞后效应等两方面影响,0.25P破坏载荷相较于0.3P破坏载荷,涂层防护作用影响更小,低载锻炼效应更强,腐蚀疲劳寿命降低量更少。结论2024铝合金铆接结构耐腐蚀性能与结构载荷和防护涂层特性有重要关系。

时效深冷循环处理7055铝合金的组织演变规律和性能特征

对挤压固溶处理后7055铝合金进行了4道次的时效深冷循环处理,研究了4道次时效-深冷处理过程中7055合金的析出相、位错特征、晶体结构和显微硬度等组织性能特征和变化规律。结果显示:随着循环次数增加,析出相尺寸从数百纳米减小到100 nm,成分主要是AlZn和AlZnMg相,位错密度逐渐增加;且时效-深冷循环处理影响了衍射峰的位置、强度和晶格结构,循环处理3次后,出现65.1°衍射峰。显微硬度测试结果显示:当时效-深冷循环处理2次后,维氏硬度值达到2320 MPa,对应组织特征为:晶内有大量混杂尺寸析出相,尺寸在50～200 nm之间,位错密度高,此时44.7°方向的衍射强度最大。

静磁场对2024铝合金凝固组织的影响

通过热模拟试验及扫描电镜分析,研究了静磁场对2024铝合金显微晶粒度、凝固速度、合金元素分布的影响。结果表明,随着磁感应强度的增大,合金凝固组织明显细化,凝固时间变短,这与凝固前沿熔体内的塞贝克效应有关,使得熔体对流效应强于静磁场的制动效应;应用静磁场能够增强溶质原子在铝中的扩散,有利于提高合金元素的固溶度,减轻凝固组织的宏观偏析。

扩散焊制备梯度高硅铝合金以及热应力的数值模拟

研究了热压温度对梯度高硅铝合金中间层宽度的影响,并通过有限元模拟研究了不同参数下梯度高硅铝合金组织中的热应力分布以及中间层宽度对热应力的影响。结果表明,随着温度升高,中间层会出现从界面分明到界面层模糊再到中间层消失的过程,且中间层的存在促进了Si在焊缝附近的扩散。模拟结果表明,中间层宽度越宽,高硅铝合金整体的平均热应力越大。虽然Al基体的平均热应力大于Si相的,但是应力极值主要出现在Si相中。

2024铝合金触变成形组织的不均匀性

采用再结晶与重熔法制备了2024铝合金半固态坯料,进行了某端盖的触变挤压铸造成形,研究了其组织与成分的不均匀分布以及制坯工艺参数对不均匀分布的影响。结果表明,挤压铸造件的中心位置液相凝固组织比较少,法兰位置则有较多的液相聚集,容易出现缩孔和微裂纹缺陷,同时越靠近法兰位置,微观组织的成分偏析程度越大,较小晶粒的坯料有利于缓解固液偏析现象。

扭转塑性变形对6063铝合金拉伸力学性能的影响机理研究

扭转是一种常用的冷作硬化方法。本文通过实心圆轴扭转实验和预扭试件的单向拉伸实验,研究了扭转塑性变形程度对6063铝合金拉伸力学性能的影响。通过理论研究和硬度分析探究了造成这一影响的内在机理。结果表明,试件扭转后其内部形成的以屈服强度为特征参数的梯度结构,是造成预扭试件力学性能得到改善的根本原因。并且,扭转不同的角度,材料内部产生的梯度结构也是不同的。而不同的梯度结构对试件力学性能的影响则表现为后继拉伸屈服强度随预扭角度的增大而增大。为了预测预扭试件的后继拉伸力学行为,验证前述结论的正确性,建立了由内到外屈服强度逐渐变化的有限元模型。此模型代表了预扭转变形试件,对其施加位移载荷,模拟后继单向拉伸加载过程。模拟所得材料力学性能随扭转角的变化趋势与实验结果基本吻合,从而验证了扭转冷作硬化后,圆轴试件内部产生了以屈服强度为特征参数的梯度结构这一结论。同时,也提供了一种有效的预测材料扭转后拉伸力学性能的数值模拟方法。