爆炸焊制备Al/Mg层状复合材料数值模拟

文中基于AUTODYN有限元仿真软件,建立爆炸焊2D有限元模型,利用SPH法和ALE法相结合模拟爆炸焊制备Al/Mg层状复合材料过程。模拟结果重现爆炸焊成形过程,起始平行放置的复板在爆轰波作用下被折弯,与基板高速碰撞,撞击过程出现射流现象,射流主要来自密度较低的镁板,撞击点的压力远远大于材料动态屈服应力,界面出现塑性变形带。起爆点处压力很低,这是爆炸焊边界效应产生的本质原因,沿着爆轰方向界面形貌由平直变为波形,模拟获得的界面形貌与试验结果一致,验证了模型的有效性,数值模拟是研究爆炸焊过程的重要手段。

Al/Mg层状复合材料动态压缩行为及影响因素

利用Hopkinson压杆实验装置对轧制复合制备的Al/Mg层状金属复合材料进行动态压缩试验,分析了动态压缩应力-应变响应特征以及不同轧制工艺对应力-应变关系的影响。结果表明,在约103s-1应变率时,Al/Mg层状金属复合材料应变率强化效应与动态热软化效应表现明显;随轧制压下率增大,材料流变应力降低;轧制温度对Al/Mg复合材料应力-应变曲线影响较大,流变应力变化规律不明显;轧后经300℃、1h退火后Al/Mg复合材料流变应力降低。镁合金断口形貌表现出解理裂纹等脆性断裂特征,伴有热软化效应产生的韧窝状撕裂棱;铝合金断口形貌主要表现为沿晶的脆性断裂并伴随晶间化合物的破断。

不同铝合金对Al/Mg/Al层状复合材料腐蚀行为的影响

将镁合金与铝合金经过热轧制成Al/Mg/Al层状复合材料,结合析氢试验、电化学试验和电偶试验,对1060/AZ31/1060、5052/AZ31/5052和6061/AZ31/6061在3.5%(质量分数)NaCl溶液中腐蚀行为进行研究,通过分析其腐蚀形貌、腐蚀产物、析氢速率、动电位极化曲线和交流阻抗谱,探究Al/Mg/Al层状复合材料的腐蚀机理。结果表明:Al/Mg/Al层状复合材料的表面腐蚀行为与铝合金的腐蚀行为相似,其相对于原始镁合金的腐蚀电流密度降低了两个数量级;Al/Mg/Al层状复合材料截面腐蚀产物呈颗粒状密集分布在镁一侧,腐蚀行为主要受电偶效应的影响,镁-铝电偶对电偶电流可达10^(-3)A·cm^(-2)数量级;对应的三种镁-铝电偶对电偶电流密度和电偶电位与混合电位理论拟合值相差不大;三种Al/Mg/Al层状复合材料中5052/AZ31/5052的整体耐蚀性最好。

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。

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。

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。

Mg2Si/Al复合材料的组织和力学性能研究

采用半固态挤压法制备了原位自生的Mg2Si颗粒增强铝基复合材料,研究了它们的组织,同时研究了挤压比压对力学性能的影响。结果表明,当其它制备条件相同时,在255、340和425 MPa条件下制备的半固态挤压Mg2Si/Al复合材料中的α-Al基体和Mg2Si增强相皆出现球化,但与重力铸造复合材料相比,Mg2Si增强相的颗粒尺寸没有明显变化。拉伸测试结果表明,在255 MPa、340 MPa和425 MPa条件下获得的半固态挤压Mg2Si/Al复合材料具有优于重力铸造复合材料的力学性能,其抗拉强度和伸长率分别提高71.88%、53.13%、43.75%和378%、139%、106%。在255 MPa挤压比压下制备的复合材料表现出最优的抗拉强度及伸长率。

Mg/Al复合材料制备工艺的研究与展望

Mg/Al复合材料属于异种轻金属复合材料,制备工艺大致可分为固-固相复合、固-液相复合和液-液相复合,材料的关键在于复合界面的结合强度,复合界面以金属间化合物为主,优化方案应按照相应的复合机理实施。本文综述了Mg/Al复合材料的制备工艺,对复合机理进行解析,并提出相应的优化方案,总结近几年研究学者们的成果。最后提出制备Mg/Al复合材料的问题并提出相应的建议。

原位Mg_2Si/Al复合材料半固态组织的形成与演变

研究了P对原位Mg2Si/Al复合材料显微组织的影响,利用等温热处理的方法成功地得到了基体与增强体双相球化的半固态球状组织,探讨了球化机理。结果表明,P孕育变质后,铸态组织中Mg2Si增强相由粗大的枝晶转变为细小的块状,经过等温热处理后的半固态组织,增强相分布均匀、尺寸细小,均表现为规则的球形,而α-Al的形貌也变得较为圆整。此外,随着热处理保温时间的增加,Mg2Si尺寸没有明显的变化,相反,α-Al的尺寸却有明显的增加。

Mg/Al液固双金属复合材料的界面及相组成

针对单一镁合金耐蚀性差的问题，利用液固复合法制备了Mg／Al双金属复合材料，采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）以及X射线衍射（XRD）对材料界面组织和相组成进行了分析。试验结果表明：当以AZ91D为浇注金属，浇注温度为660～680％时，炉冷、双金属AZ91D和Z1105可获得良好的冶金结合界面；合金界面共分为5个明显区域，镁合金基体侧为Mg基固溶体和Mg17Al12,铝合金基体侧为铝基固溶体和Al3Mg2，界面中间区域则为Al3Mg2和弥散析出的中间相Mg2Si。

热压复合制备Ti-Al_3Ti层状复合材料组织结构研究

采用热压复合工艺在不同工艺参数下制备了Ti-Al3Ti层状复合材料,利用SEM和EDS对材料的组织结构进行了观察,研究了热压复合工艺参数对Ti/Al扩散反应及反应层微观组织结构的影响规律.结果表明,在不同工艺参数下,Ti/Al叠层热压复合反应的初生相均为Al3Ti.600℃时Ti/Al叠层只发生少许反应,在界面处生成一薄层Al3Ti,650和700℃时,Al层完全反应,各层界面处结合状态良好,层间结合紧密.650℃时Al3Ti为唯一生成相,但700℃时,由于反应动力学的影响Al3Ti/Ti层之间有TiAl层生成,Ti-Al系金属间化合物的生成顺序为Al3Ti→TiAl.反应过程中液相的存在能够使Ti、Al持续紧密接触,加快反应速度,促进反应顺利进行.

新型Al/Mg_2Si复合材料的制备与性能

通过热爆反应模式制备不同Al含量的Al/Mg2Si复合材料,用XRD研究产物物相组成,用SEM观察其微观组织形貌,并对复合材料的硬度和孔隙率进行了拟合分析。结果表明,随Al体积含量的增加,Al/Mg2Si复合材料的硬度呈线性降低,而孔隙率则呈对数关系降低。初生Al晶粒沿着Mg2Si的晶界析出长大。应用真空感应炉减少了Mg的挥发,缩短了试样的制备周期。

Al_2O_3/Ti_3SiC_2层状复合材料的制备与性能

采用两种方法制备Al2O3/Ti3SiC2层状复合材料,一是原位-热压法,即Ti3SiC2是在层状材料的制备过程中同时被合成的;一是分步法,即制备过程分两步进行,首先制备出Ti3SiC2高纯粉,再采用热压法进行烧结制备层状材料。两种方法制备的Al2O3/Ti3SiC2层状复合材料强度保持在450MPa以上,断裂功达到1200～1560J/m2,相对Al2O3块体材料提高十余倍。另外,不同的制备方法得到不同的组成和显微结构,决定了这两种Al2O3/Ti3SiC2层状复合材料性能的差异:前者强度较高韧性较低,后者强度较低而韧性较高。

Nd对原位自生Mg_2Si/Al复合材料的变质作用

采用稀土元素Nd对原位自生Mg2Si/Al复合材料进行变质处理;利用X射线衍射仪和金相显微镜等方法分析了变质前后合金的微观组织;并对Nd的变质机理进行了分析。结果表明:在原位自生Mg2Si/Al复合材料中添加适量的Nd对初生和共晶Mg2Si能够同时起到良好的变质作用。当Nd含量达到0.5%时,初生Mg2Si的形貌由粗大的树枝状或多角形块状转变为细小的块状,平均尺寸由47.5μm减小到13.0μm;共晶Mg2Si也由粗大的片状转变为细小的片状、纤维状或点状。其变质机理可能与Nd元素富集于Mg2Si相固-液界面降低Mg2Si相与Al液间界面张力及由富集所引起的成分过冷有关。

离心铸造条件对Mg_2Si/Al梯度复合材料组织与性能的影响

采用离心铸造法制备了内外层特别是内层富含细小Mg2Si颗粒的铝基梯度复合材料。研究了模具离心转速和预热温度对Mg2Si/Al梯度复合材料内层显微组织和性能的影响。研究结果表明,随着模具离心转速的增大,铸件内层Mg2Si颗粒相分布趋于均匀,颗粒相体积分数、显微硬度和耐磨性能均有较大幅度提高。而模具预热温度对铸件内层颗粒相体积分数及性能影响较小。在模具离心转速为1560 r/min,预热温度为300℃的条件下,铸件内层性能达到最佳值,磨损率仅为相同干滑动摩擦磨损条件下HT200的1/30~1/40。

燃烧合成法制备Al/Mg_2Si复合材料

利用燃烧合成法制备Al／Mg2Si复合材料并探讨Al／Mg2Si复合材料制备过程中预热速率、压坯压力、Mg粉粒度、Al体积分数等对产物的影响．研究表明：预热速率越大，反应产物的致密度越高；压坯压力越大，产物的致密度越高，但压坯压力在50％～80％时，产物致密度最高；Mg粉粒度越小，产物致密度越高；随着舢体积分数的增加，体系反应持续时间相应延长，当Al体积分数为20％时，产物的致密度最好．

电磁搅拌对Al/Mg_2Si复合材料宏观偏析的影响

电磁搅拌可使Al/Mg2 Si合金中的初生Mg2 Si显著细化和圆整化 ,但同时也会使坯料表面出现初生Mg2 Si偏析层 ,且偏析层的厚度随搅拌电压的增大而增大。

不同粉末冶金方法制备的Al_3Ti/Mg复合材料的性能研究

采用原位合成和外加法两种粉末冶金方法制备了质量分数为10%、20%、30%、40%的Al3Ti颗粒增强镁基复合材料,并对复合材料进行了XRD衍射分析、微观组织分析以及硬度、压缩强度和磨损性能的分析。结果表明,原位合成法制备的复合材料中Al3Ti颗粒尺寸较细,为1～5μm;外加法制备的复合材料中Al3Ti颗粒尺寸为5～15μm;Al3Ti颗粒均匀分散在镁基体中,可大幅度提高材料的强度和耐磨性能;原位合成法比外加法具有更好的强化效果,随着Al3Ti含量的增加,复合材料的硬度和压缩强度显著增加;原位合成法、外加法制备的复合材料中Al3Ti含量分别为20%、30%时耐磨性能最佳。

自蔓延高温合成Al/Mg_2Si复合材料的淬熄试验

采用燃烧波前沿淬熄法研究Al/Mg2Si复合材料在自蔓延高温合成(SHS)过程中的显微组织演变规律.用扫描电子显微镜观察和分析淬熄试样中的显微组织,通过XRD分析合成产物的相组成.研究结果表明,反应直接生成了Mg2Si而没有中间产物,Mg-Si可以在较低的温度下发生固-固反应生成Mg2Si;在淬熄合成过程中Al始终没有参与反应.

不同等温热处理条件下半固态挤压Mg_2Si/Al复合材料的组织和性能

采用重力铸造和等温热处理半固态挤压的方法制备了Mg_2Si/Al复合材料,并研究了复合材料的组织及性能。结果表明:经过等温热处理后得到了基体α-Al和增强相Mg_2Si双球化的半固态组织,其中,Mg_2Si颗粒呈现球化,α-Al呈现规则球形或椭球形。与普通重力铸造Mg_2Si/Al复合材料相比,等温热处理温度为555℃、565℃和570℃的半固态挤压Mg_2Si/Al复合材料的布氏硬度分别提高了26.09%、39.13%和31.30%。拉伸测试试验结果表明:等温热处理565℃时,半固态挤压Mg_2Si/Al复合材料的抗拉强度达到了274 MPa,延伸率达到了8.75%。