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%。

2195铝锂合金贮箱球底充液拉深成形起皱缺陷演变规律数值模拟研究

为满足登月着陆器舱体高可靠性、轻量化制造需求,提出贮箱球底充液拉深成形方法。对于直径3350 mm的2195铝锂合金箱底,相对2219和5A06铝合金,材料塑性差,成形易开裂失效,且整底成形厚径比仅为2.5‰,易起皱失稳。针对上述问题,建立了整底充液拉深成形仿真模型,进行不同液室压力、压边力条件下的数值模拟,讨论整底充液拉深成形变形规律,分析整底成形缺陷形式及控制方法,优化整底充液拉深液室压力加载路径,获得球底壁厚分布规律。结果表明:拉深行程达0.24H(H为零件最终高度)时,球底悬空区域为典型的压缩应力状态,产生了沿母线方向的起皱缺陷环向均布12个,拉深行程0.79H时,环向起皱数量倍增;引入液室压力后使悬空区由压缩应力状态转变为拉伸应力状态,从而避免了悬空区起皱缺陷的发生;压边力和液室压力对悬空区应力状态影响显著,随着压边力增大,球底壁厚减薄趋势增大,而随着液室压力的增大,球底壁厚减薄趋势减弱;球底拉深试验对初始壁厚9.5 mm板材,采用2.5×10^(7)N压边力、8 MPa液室压力加载路径时,壁厚最大减薄率为7.4%,壁厚分布均匀,无起皱缺陷。

热处理对2195铝锂合金微观组织与力学性能的影响

对T8态2195铝锂合金板材实施不同条件下的固溶处理(430、 450、 470、 490和510℃)以及时效处理(18、 24和36 h),通过室温拉伸试验对固溶和时效处理后合金的抗拉强度与伸长率进行测量,采用SEM、 XRD、 EBSD和TEM对拉伸断口及微观组织进行观察。结果表明:固溶处理后的应力-应变曲线存在锯齿流变现象,但时效处理后消失,推测其产生的原因是波特文-勒夏特利埃效应。固溶处理可以有效提升合金的塑性,而时效处理则提高了合金的强度。进一步分析固溶与时效过程中的微观组织变化发现, β′相不参与固溶与时效析出,时效处理后强度的增加源于θ′相和δ′相析出产生的沉淀强化及弥散强化作用。

2A97-T84铝锂合金切削力及切削温度仿真研究

为了研究2A97-T84铝锂合金切削加工时切削参数对切削力和切削温度的影响规律,使用Abaqus有限元仿真软件在100~300 m/min切削速度、0.5~2.5 mm背吃刀量工况条件下建立起二维切削模型。仿真结果表明,切削力受切削速度影响不大,随切削深度的增加而增加;刀尖切削温度随切削深度增加呈现先减小后增大的趋势,随切削速度的增加迅速增大。

2198-T8铝锂合金多轴疲劳性能及裂纹扩展行为

对2198-T8铝锂合金薄壁管状试样在不同加载条件下进行了拉扭复合疲劳裂纹扩展试验。结果明,随着裂纹扩展阶段的等效应力幅降低,试样的多轴疲劳寿命升高。当应力幅比升高时,多轴疲劳寿命降低,轴向应变变大,扭向应变变小,扭向应变集中滞后于轴向应变集中。结合数字图像相关技术,拟合疲劳裂纹扩展速率模型,并采用两种临界平面模型对裂纹扩展方向进行预测,其中最大正应力平面对裂纹扩展方向的预测效果最好。随着应力幅比的升高,裂纹扩展区微观形貌由磨损形貌变为磨损与疲劳条带共存的形貌,裂纹扩展模式由II型变为I+II型,最终变为以I型为主。

2195铝锂合金的热变形本构模型及热加工图

采用Geeble-3500型热模拟试验机对2195铝锂合金进行单道次热压缩试验,研究了该合金在360~510℃变形温度和0.001~10 s^(-1)应变速率条件下的热变形行为;根据试验获得的应力、应变数据,建立基于Zener-Hollomon模型的流变应力双曲正弦函数本构模型,并绘制相应的热加工图,获得适宜的热加工工艺。结果表明:2195铝锂合金的流变应力随应变速率的增加而提高,随变形温度的升高而降低,该合金具有正应变速率敏感性;2195铝锂合金的热变形激活能为189.392 kJ·mol^(-1);2195铝锂合金的适宜热加工工艺为变形温度在410~430℃、应变速率小于0.0147 s^(-1)以及变形温度在470~510℃、应变速率小于0.0269 s^(-1)。

液氮深冷处理对2195铝锂合金残余应力的影响研究

液氮深冷处理可改善材料力学性能并消减残余应力。通过采集2195铝锂合金材料深冷处理过程中的温度梯度,获得各过程的热交换系数,建立了2195铝锂合金液氮深冷残余应力演变的有限元预测模型,分析了深冷处理对材料应变和应力的影响规律。采用层削法残余应力测试技术对材料内部残余应力进行了测试,验证了液氮深冷处理对残余应力的消减作用。结果表明,与淬火态相比,深冷处理后材料表面和心部的压缩真应变减小,表面和心部的塑性应变差值减小,表面压应力峰值降低5.9%,心部拉应力峰值降低13.1%。研究表明,深冷处理可降低材料的残余应力水平。

2195铝锂合金大型箱底热处理工艺研究

2195铝锂合金大型箱底的高性能整体制造是航天飞行器轻量化的迫切需求,针对采用新型充液拉深成形方式制造的大型箱底,固溶-成形-时效工艺设计及组织性能优化是箱底制造的关键问题。本文通过对2195铝锂合金固溶-充液拉深-时效工艺制造路线及热处理工艺试验,研究了不同热处理工艺下2195铝锂合金的力学性能和微观组织特征,揭示了箱底成形时的不均匀变形及热处理工艺参数等对构件性能和组织的影响规律,获得了2195铝锂合金大型箱底构件的热处理制度。

2060-T8E30铝锂合金的高温拉伸变形行为及显微组织研究

利用Sans CMT4104型拉伸试验机、光学显微镜、电子显微镜研究变形温度、应变速率对2060铝锂合金热变形行为与显微组织的影响,分析合金在不同热变形条件下的真应力-真应变曲线,并结合Zener-Hollomon方程得到合金的热变形参数。通过对合金第二相、空洞、断口形貌的观察,研究了合金热拉伸显微组织的演变规律。结果表明:高温拉伸时合金的峰值应力随变形温度的升高和应变速率的减小而下降。合金的延伸率随变形温度的升高而提高,随应变速率的减小先提高后降低,在500℃/0.01 s^(-1)条件下延伸率最佳,达到170%。通过计算,得到合金的变形激活能为227.28 kJ/mol。显微组织显示,随着变形温度的升高和应变速率的减小,空洞的数量增多、尺寸增大;在变形温度为475~500℃时,合金析出了第二相并发生了几何动态再结晶。

2195-T8铝锂合金激光填丝双面焊熔池行为与接头力学性能研究

铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料,与其他铝锂合金相比,2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求,采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化,建立了热-流耦合数学模型,通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究,而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验,阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响,并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明:4组不同焊接工艺参数下,第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致,主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流;提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量,降低熔池热输入,细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒,进而有效提升接头力学性能;通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析,最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝,其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa,为母材强度的72.6%,对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。

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。

2195铝锂合金热变形流变行为与热加工图研究

目的研究2195铝锂合金在实验温度360~510℃、应变速率0.01~10s^(-1)条件下的热压缩变形行为,建立其本构模型及热加工图,获取该合金的安全加工工艺参数。方法采用Gleeble-3500热模拟试验机进行热变形实验,分析合金的流变行为及热加工图,结合微观组织阐述其热变形机理,并对所得最优参数进行热挤压实验验证。结果2195铝锂合金的流变应力随变形温度增加而减小,随应变速率增加而增加;其热激活能Q为203.6439 kJ/mol、结构因子A为1.9439×10^(14)、应力因子α为0.013、应变硬化指数n为5.8839。确定合金的主要失稳区工艺参数区间为379~420℃、0.75~10 s^(-1)和480~510℃、1~10 s^(-1),安全加工区间为440~510℃、0.01~0.25 s^(-1)。铸态2195铝锂合金的屈服和抗拉强度分别仅为(179±6)MPa和(239±11)MPa,经热挤压实验后分别达到(605±6)、(633±3)MPa,分别提高了3.5和2.6倍;铸态合金的显微硬度仅为(115±1)HV,热加工后型材达到(178±4)HV,相较于铸态合金增加了54%。结论2195铝锂合金的流变行为符合正应变速率敏感特征,其安全加工区域集中在高温低应变速率区,主要发生了动态再结晶,实验型材在此区域表现出卓越的力学性能。

固溶后冷轧变形量对2195铝锂合金组织和力学性能的影响

对固溶后的2195铝锂合金挤压板材进行5%~25%的冷轧变形,并对变形后的板材进行了人工时效处理,通过组织分析和拉伸实验,研究了固溶后冷轧对2195铝锂合金挤压板材组织和性能的影响.结果表明:当冷轧变形量增加到20%时,板材厚度方向局部纤维状组织之间呈45°剪切带;当冷轧变形量继续增大到25%时,剪切带出现在板材整个厚度方向上.冷轧板材经过时效处理(155℃保温28 h)后,屈服强度、抗拉强度和延伸率随冷轧变形量的增加均先升高后降低.冷轧变形量为10%时,试样时效后的屈服强度、抗拉强度和延伸率达最大值,分别为575,604 MPa和13.7%.时效试样的屈强比先由未冷轧变形的90.8%增加到20%冷轧变形量的97.4%,再略降至25%冷轧变形量的97.1%.综合分析组织和力学性能,认为2195铝锂合金挤压板材固溶后的冷轧变形量应控制在10%左右.

2195铝锂合金的温热低周疲劳行为和疲劳寿命预测

为研究2195铝锂合金在温热条件下(100和200℃)的低周疲劳行为,首先进行应变控制的低周疲劳试验。结果表明,合金的起始和中值寿命滞回环均呈现中心对称特征。在100℃、应变幅值为0.6%条件下的循环应力响应曲线表现出完全循环硬化特征,而其他条件下的循环应力响应曲线均呈先循环硬化、然后循环软化的循环特征。随后,采用多种低周疲劳寿命预测模型对2195铝锂合金疲劳寿命进行评价。结果表明,基于总应变能密度的寿命预测模型具有最佳的预测精度。最后,为揭示2195铝锂合金的疲劳断裂机理,对不同试验条件下合金的疲劳断口进行观察。结果表明,在100℃、应变幅值为0.6%的条件下,合金断面上的疲劳条纹十分明显,但随着试验温度和应变幅值的升高,合金断面上的疲劳条纹逐渐弱化。在温度为200℃、应变幅值为1.0%条件下的疲劳断口呈明显沿晶断裂特征。

热处理状态对2195铝锂合金热变形行为及组织演变的影响

2195铝锂合金在工业生产中应用广泛,不同的初始热处理状态影响其热变形行为。因此,本文旨在研究热处理状态对2195铝锂合金的组织演变和热变形行为的影响。实验在Gleeble-3800热模拟机上进行,温度范围为350~500℃,应变速率为0.01~10 s^(-1)。将热变形后各区域的微观组织进行对比,并计算出合金的本构模型和加工图。在较高的变形温度(400~500℃)下,T3和T8试样的峰值应力基本相同,同时发现热变形后合金中存在低角度晶界(LABs)和动态再结晶。由于固溶强化和形变强化作用,2195-T8铝锂合金表现出比2195-T3铝锂合金更大的形变激活能。本文确定2195-T3和2195-T8铝锂合金的最佳热加工条件均为475~500℃和0.01~0.1 s^(-1)。本文可为铝锂合金在后续热加工过程中设置热处理参数提供有益的帮助。

阳极氧化对2060-T8铝锂合金氧化膜的形貌控制

2060-T8铝锂合金具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好及焊接性能好等优点。铝锂合金中的元素Li,化学性质极活泼,易使铝锂合金表面形成的自然钝化膜发生破坏,缩短合金使用寿命。本研究采用硼酸直流阳极氧化在2060-T8铝锂合金表面制备了氧化膜,探究电流和覆膜时间对2060-T8铝锂合金氧化膜形貌的影响规律。结果表明:通过调节电流大小、覆膜时间,可有效获得表面平整致密的氧化膜,进而提高合金的耐腐蚀性能。

2195铝锂合金无减薄搅拌摩擦焊组织与性能研究

针对传统搅拌摩擦焊焊缝减薄问题,提出了基于内、外差异轴肩结构设计的无减薄搅拌摩擦焊接方法,实现了2195铝锂合金的一次焊接二次成形焊接。结果表明,6mm厚2195-T8铝锂合金焊后接头无厚度减薄,内部无缺陷,接头抗拉强度达到395MPa,达到母材的68%,接头截面显微硬度呈“W”形分布,拉伸试样断裂于热影响区,呈45°斜角的典型韧性断裂特征。

不同热处理状态对2195铝锂合金化铣性能的影响

为研究不同热处理状态对2195铝锂合金化铣性能的影响,通过正交试验的方法,研究了不同热处理状态(T8态与O态)的2195铝锂合金在不同工艺参数下的化学铣切性能。试验结果表明,在不同的工艺参数下T8态的化铣速率均高于O态的,且T8态的侧切率相对O态的更为稳定。同时试验结果表明2195铝锂合金的化铣表面质量与热处理状态有关,O态试样化铣后在肋条位置会有不同程度的蚀沟,而T8态试样化铣后光滑平整,化铣后的表面质量优于O态。