固液熔接法制备CuW/Al材料的工艺及性能研究

利用固/液熔接的方法制备CuW/Al材料,研究了不同熔接工艺参数(熔接温度、保温时间)下CuW/Al材料的微观组织和界面扩散特征。结果表明,CuW/Al材料扩散溶解层中,形成了Al2Cu和Al5W两种新相,且Al5W优先于Al2Cu生成。Al2Cu和Al5W在不同的溶解层中的形态不同。

VPI制备车用Cf/Al材料结构及弯曲性能研究

通过真空压力浸渗制备车用Cf/Al材料,测试其显微组织与抗弯曲性能。结果表明:Cf/Al材料致密度均值为95.1%,浸渗效果良好。径向、纬向形成黏连状纤维丝,部分具有微米孔洞。Cf/Al材料弯曲强度为341 MPa,弯曲模量为116 GPa。最初阶段都表现线弹性特点,具有较大载荷增量与较小位移增量。增大弯曲位移后,材料基体形成更多损伤缺陷,达弯曲极限时,曲线表现出缓慢卸载趋势。试样室温伸长率较小,呈脆性失效。Cf/Al材料弯曲处断口于内侧面受压形成黏连结构,径向纤维束发生较大屈曲变形而压断,纬向纤维束在挤压作用下变形,外侧材料受到拉伸破坏,基体组织开裂。

超声振动车削SiC_p/Al材料的切屑形态特征

在精密车床上,用PCD焊接车刀超声振动车削和普通车削SiC颗粒增强Al基复合材料,通过对切屑SEM照片的比较分析,研究PCD焊接车刀超声振动车削SiC颗粒增强Al基复合材料的切屑形态特征。

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

纵扭超声辅助铣削SiCp/Al复合材料表面质量研究

高体积分数SiCp/Al复合材料具有高比强度、高比模数和良好的耐磨性等优异性能。然而,它们的高硬度和脆性会导致精密制造过程中应力分布更为复杂,这会使材料中产生过大的力和过多的热,从而影响加工精度和工件耐久极限寿命。目的通过分析切削过程中颗粒的去除机理和表面缺陷类型,利用纵扭超声辅助铣削(longitudinal-torsional ultrasonic assisted milling,LTUAM)技术,改善高体积分数SiCp/Al复合材料的加工表面质量。方法利用ABAQUS和PYTHON软件,建立考虑颗粒断裂过程的两相随机分布颗粒SiCp/Al复合材料模型,并采用Johnson-Cook模型和Brittle Cracking模型对SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削过程进行有限元模拟仿真。针对不同加工参数,进行SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削和常规铣削(conventional milling,CM)试验,评估有限元仿真模拟与试验结果的一致性。结果模拟结果表明,损伤和裂纹主要产生在SiC颗粒(SiCp)中上部的切削线上,凹坑缺陷主要产生在颗粒下部的切削线上。试验结果显示,表面缺陷的类型主要包括颗粒的损伤和拔出、颗粒的损伤和断裂形成凹坑、未损伤的颗粒形成凸起、破损颗粒与刀具在已加工表面上挤压摩擦形成犁沟、铝基体涂覆、表面微裂纹和表面空穴等,并且当加工速度120 m/min,超声振幅3μm时,最大裂纹深度最小,表面缺陷最小,表面质量最好。结论对比有限元仿真结果与试验结果发现,二者的表面质量变化趋势基本具有一致性。纵扭超声辅助铣削技术的应用对提高SiCp/Al复合材料的表面质量有较好效果。

GFRP/Al叠层材料钻削力与制孔质量的实验研究

复合材料与金属组成的叠层结构已在航空航天领域广泛使用,然而在复合材料/金属叠层结构上钻削高质量的孔仍是一个挑战。本文旨在研究钻削工艺参数对GFRP/Al叠层材料钻削轴向力和制孔表面质量的影响。使用普通硬质合金麻花钻对GFRP/Al叠层材料进行“一次性”钻孔,并通过Kistler测力仪测量钻削轴向力。结果表明,最大钻削轴向力随每转进给量增加几乎线性增加,随主轴转速增加小幅降低。钻削工艺参数影响铝合金和GFRP制孔表面质量,高每转进给量会降低铝合金制孔出口毛刺,但是会增加GFRP制孔出口损伤;高主轴转速会增加铝合金制孔出口毛刺和GFRP制孔出口损伤。与每转进给量相比,主轴转速对铝合金和GFRP制孔质量影响更大。

预热温度对激光选区熔化成形30%SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料力学性能的影响

基板常温工况下激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料存在孔洞、裂纹等冶金缺陷,从而导致成形零件致密度低、力学性能差等问题。首先研究了固定优化成形工艺参数时,基板预热温度(200~400℃)对45μm的30%(质量分数,下同)SiC_(p)/AlSi10Mg成形零件表观致密度和力学性能的影响;进一步提高SiC_(p)质量分数至50%,再次评价了上述基板预热温度对成形性能的影响。结果表明,当SiC_(p)质量分数为30%时,升高基板预热温度可以减少成形零件的孔洞和裂纹,成形零件的表观致密度及力学性能显著提高;当基板预热至400℃时,成形零件表观致密度最高达到97.98%,与此同时极限抗压强度和极限抗拉强度分别为578 MPa和56 MPa;随着SiC_(p)质量分数进一步增加至50%,基板预热温度对成形零件致密化和力学性能的强化效果逐步减弱。本研究证明高温预热基板能够有效抑制激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料的冶金缺陷,为增材制造SiC_(p)/Al复合材料提供了工程应用解决方案。

通过基体晶粒和颗粒分布异质结构的调控协同提升AlN_(p)/Al复合材料的强度-塑性

为了获得优异的强塑性能,采用液固反应结合后续的热机械处理方法制备了3种具有不同微观组织构型的异构AlNp/Al复合材料,详细研究了AlN颗粒分布和基体晶粒组织构型对拉伸强度和塑性的影响。结果表明,复合材料的强度和塑性同时提高。其中,具有较弥散颗粒分布的Uniformed-AlNp/Al复合材料表现出优异的极限抗拉强度(~387 MPa)和断裂伸长率(~9.1%)。与其他文献报道的颗粒增强铝基复合材料相比,该复合材料具有较好的比强度和延展性组合。此外,计算了异质变形诱导(HDI)应力。结果表明,在Uniformed-AlNp/Al复合材料中,HDI应力显著增加。揭示了HDI应力在提高AlNp/Al复合材料的强度和塑性中起着至关重要的作用。

双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

双尺度SiC_(p)增强Al基复合材料的制备及耐磨性研究

采用粉末冶金法制备了双尺度SiC_(p)增强Al基复合材料,SiC_(p)双粒径50μm:10μm的比例分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及5∶1,添加总含量为20vol%。通过销盘式摩擦磨损试验机对复合材料及对比试样HT300材料的耐磨性能进行了测试,使用SEM、EDS对复合材料及HT300摩擦磨损前后的微观形貌进行了表征,并对复合材料摩擦磨损机理进行了分析。结果表明,SiC_(p)与Al基体界面结合良好,无界面脱粘及孔隙产生。任一碳化硅颗粒粒径配比的SiC_(p)/Al基复合材料的耐磨性能均优于HT300,其中颗粒粒径配比为3∶1时耐磨性能最优,HT300磨损量约为颗粒粒径配比3∶1时的7~13倍。

SiCp/Al复合材料焊接综述

为实现SiCp/Al复合材料的高质量可靠焊接,推广SiCp/Al复合材料在各领域的应用,调研了国内外SiCp/Al复合材料不同焊接方法的研究现状。在熔化焊方面,国内外学者通过调整工艺参数、在焊缝中加入Ti元素发生诱发反应等方法,抑制了焊缝中Al4C3针状脆性相的形成,从而提高了焊接接头的力学性能。在搅拌摩擦焊方面,国内外学者针对不同材料设计了专用的焊接搅拌头,以保证它们具备高耐磨性与足够的冲击韧性,在焊接过程中不出现破损情况;关注了焊接过程中焊接头转速、焊接速度、轴向力与热输入等因素,以获得力学性能优秀、晶粒细小均匀的焊接接头。在扩散焊方面,国内外学者探究了中间夹层对焊缝界面间原子相互扩散的促进作用;采取不同工艺参数,以外加超声或电子束表面加热等方式促进了原子间的相互扩散,以获得力学性能优异的焊接接头,提高焊接效率。在钎焊方面,国内外学者通过探究钎料与SiCp/Al复合材料之间的润湿性来组合钎料与钎剂,通过化学腐蚀处理表面暴露颗粒增强相、在复合材料表面电镀金属等方法来增大钎料与增强相的润湿性、解决钎料铺展受阻的问题,以进一步提高钎焊焊接接头质量。

SiCp粒径级配对55%SiCp/6061Al复合材料组织和性能的影响

采用真空热压法制备了55%SiCp/6061Al(55%为体积分数)复合材料,研究SiCp粒径级配对复合材料SiCp分布均匀度、致密度和抗弯强度的影响.研究结果表明:粒径级配复合材料组织致密、SiCp分布均匀且SiCp与6061Al合金基体界面结合强度高.双粒径(60+25)μm、质量比4∶1复合材料热处理后抗弯强度由395 MPa提高为548 MPa;三粒径级配为(120+60+25)μm、质量比为1∶1∶1的复合材料热处理前抗弯强度最高,为397 MPa;双粒径级配(106+25)μm、质量比4∶1的复合材料致密度>99.0%、均匀度>90.00%、热处理后抗弯强度>400MPa,具有优异的综合性能.

超声施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属复合材料界面组织和力学性能的影响

研究了连续超声振动和间歇超声振动两种施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属材料界面组织和力学性能的影响。结果表明,未施加超声振动Al/Mg双金属界面由Al-Mg金属间化合物区和共晶组织区组成,两个区域边界存在一层氧化膜,阻碍了元素扩散,Mg_(2)Si相呈网状,团聚分布于金属间化合物区。两种超声施振方式均能通过超声空化效应和声流效应破碎和消除氧化膜,并使Mg_(2)Si相细化和分散于整个界面,部分共晶组织转变为金属间化合物,提高了界面组织和显微硬度分布均匀性。连续超声振动作用下Al/Mg双金属界面剪切强度达到53.9 MPa,相比未超声处理提升63.8%。间歇超声振动作用下,界面厚度较连续超声振动减小,然而局部区域存在孔洞缺陷和Mg_(2)Si相局部聚集,削弱了对界面的强化效果,但界面剪切强度仍达到49.5 MPa。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

中高体积分数SiC_p/Al复合材料的力学性能及强化机制

采用热等静压粉末冶金工艺,以2024和6061铝合金为基体,分别制备体积分数为35%,45%,55%的中高体积分数SiC_(p)/Al复合材料。探究基体合金与SiC体积分数对复合材料力学性能的影响。结果表明:相同体积分数时,以2024铝合金为基体的复合材料具有更高的弯曲强度和弹性模量;但以6061铝合金为基体的复合材料则呈现出了更高的断裂应变。随着体积分数的增加,两类复合材料力学性能的变化规律相同,弯曲强度呈先增大后减小的趋势,当体积分数为45%时达到峰值,分别为656.54 MPa和548.00 MPa;弹性模量呈持续上升趋势,当体积分数为55%时分别达到202 GPa和188 GPa。基体合金差异对力学性能的影响在体积分数较低时更为明显,提高体积分数将会弱化这种差异。结合理论公式计算发现,对于微米级的增强体颗粒,Orowan机制带来的强化效应极小,可忽略不计;其他各类强化机制的强化效果将随着增强体体积分数的增加呈现不同程度的提高;几何必须位错强化和热错配强化对材料屈服强度的贡献始终占据主导地位。

铸造Mg/Al复合材料工艺参数和复合界面的研究进展

Mg/Al复合材料在汽车、航空航天和电子设备等领域广泛应用。相对于制备复合板的轧制工艺,铸造能够用于制备复杂的复合材料构件,并具有成本低和生产效率高等优点。然而,铸造Mg/Al复合材料存在微观组织难以控制和界面结合强度较低等问题,限制了材料性能。影响复合材料性能的因素包括铸造工艺、界面处理和扩散层组织等。目前,主要通过控制晶粒尺寸、界面强化和界面反应等方式来强化复合材料。本文综述了铸造法制备Mg/Al复合材料过程中的工艺参数对复合界面的影响,包括扩散层厚度、晶粒尺寸等,最后对此方向提出自己的见解。

增强颗粒团聚分布SiCp/Al复合材料切削模拟研究

为了研究增强颗粒团聚分布对SiCp/Al复合材料切削加工过程的影响,建立了三种不同SiC颗粒团聚尺寸比的正交切削有限元模型,并对模型进行了验证。结果表明:随着颗粒团聚尺寸比的增大,锯齿状切屑连续性降低且形状更加不规则,相应地切削力的波动程度、平均值和峰值均增大。颗粒聚集区域的切削应力随着团聚尺寸比的增大而加剧。较大的颗粒团聚尺寸比会导致亚表面损伤深度和最大轮廓峰谷高度增加。

基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

目的研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法以SiCp/Al复合材料为研究对象,展开基于二维切削的仿真和实验研究,建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型,对作用于不同SiC颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台,在不同材料去除条件下,利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试,分析和验证切削表面损伤形成条件。结果SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置:当刀尖作用在SiC颗粒的顶部时,表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在SiC颗粒的中部时,表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在SiC颗粒的底部时,表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大,凹坑逐渐增多,表面粗糙度随之增大。结论利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验,可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。SiC颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。

高体积分数SiC_(p)/Al复合材料的螺旋铣削试验研究

目的分析体积分数为55%的SiC_(p)/Al复合材料在螺旋铣削加工条件下的材料去除机理,提高制孔的孔径精度和表面质量,降低表面粗糙度,为螺旋铣削加工提供一定理论基础。方法首先,基于螺旋铣削运动规律分析复合材料中单一碳化硅颗粒的受力状况及不同去除形式。其次,对铝基体、碳化硅颗粒以及刀具进行建模,模拟碳化硅颗粒在加工过程中的去除形式,并分析3种典型去除形式对表面粗糙度的影响。再次,以螺旋铣削的方式,采用直径为4mm的PCD铣刀在8mm厚的SiC_(p)/Al复合材料上制备直径为6mm的孔。通过响应面法,以主轴转速、进给速度和螺距作为优化变量,孔径精度和表面粗糙度作为优化指标,建立相应的响应分析模型,得到切削参数与优化指标的多元回归方程,研究各工艺参数之间的交互作用。最后,对响应面法得到的较优工艺参数进行试验验证。结果当主轴转速为3388 r/min(切削速度为42.575m/min)、进给速度为175mm/min、螺距为0.26mm时,制孔满足孔径H7的技术要求,表面粗糙度Ra值为1.5303μm。结论适当提高切削速度可增大颗粒被切断的概率,相较于颗粒被挤压和颗粒被拔出,颗粒被切断时已加工表面质量更好。

基于材料静动态力学性能分析的SiCp/Al本构模型构建

基于SiCp/Al复合材料的静态和动态力学性能分析,构建SiCp/Al复合材料的本构模型。针对体积分数为20%的SiCp/2a14Al复合材料采用电子万能试验机进行准静态拉伸试验,研究材料的静态力学性能;采用霍普金森压杆试验进行不同温度(20~400℃)、不同应变率(500~3000 s^(-1))动态压缩试验,分析材料的动态力学性能。基于材料静态及动态下应力-应变试验数据构建SiCp/Al复合材料的Johnson-Cook(JC)本构模型,并通过遗传算法对模型进行优化。结果表明,SiCp/Al复合材料在准静态条件下表现出应变强化效应;在动态载荷条件下,材料流动应力随着应变速率的增加而增加,表现出应变率强化效应,这与碳化硅颗粒的体积分数有关;随着温度的增加,流动应力减小,表现为温度软化效应。最小二乘法拟合的JC模型与试验值的平均误差较大,经过遗传算法优化后模型误差减小,能够准确预测SiCp/2a14Al复合材料的流变行为。