基于析因设计的PTFE/Al/SiC力学响应多因素分析

为探究SiC质量分数、SiC粒径和Al粒径及其交互作用对PTFE/Al/SiC(PAS)反应材料力学性能的影响,通过23析因准则设计并制备了8种不同配比的PTFE/Al/SiC反应材料,并进行了准静态压缩实验和分离式霍普金森压杆实验。通过t值排序法筛选显著因子,并分析显著因子贡献率及扰动趋势。通过响应面法分析显著的交互作用。结果显示,较高的SiC质量分数对PTFE/Al/SiC材料的力学性能具有积极影响。在应变率突变的情况下,SiC粒径对材料力学响应产生了相反的扰动趋势。Al颗粒对于PAS材料系统的力学响应作用有限。强烈的因子交互作用不容忽视。在低应变率加载下,SiC质量分数/SiC粒径交互作用显著,当SiC质量分数高且粒径较小时,可以双重优化颗粒分散状态和界面结合强度,从而提高材料的力学响应。在高应变率加载下,较高SiC质量分数的PAS材料动态力学响应较高,且SiC粒径/Al粒径交互作用显著。当SiC与Al颗粒的粒径尺寸接近时,材料的动态响应值能够得到有效提高。

Research on the Constitutive Behavior of the Sintered Reactive Material PTFE/Al/Si

The constitutive behaviors of the sintered reactive material PTFE/Al/Si, one new formulation proposed by the author, were studied systematically and found it appears strain-harden, stain-rate harden and temperature-soften effects, so it is more appropriate to describe the mechanical behavior with the Johnson-Cook model. With the static and dynamic experimental results and using the nonlinear fitting method, the mechanical and physical parameters in the Johnson-Cook model were determined, which supply one basis for the future numerical simulation study.

Sc和Si相互作用对铸造Al-Si-Sc合金组织和性能的影响

通常在铸造Al-Si合金加入Sc来改善合金的性能,但是Si和Sc的相互作用对合金组织和性能影响仍需要进一步深入研究。本文研究了不同含量的Si和Sc对合金组织和性能的影响,结果表明,Sc通过原位形成初生Al_(3)Sc作为α-Al异质形核质点从而细化α-Al晶粒;在凝固过程中,共晶反应生成了网格状AlSi_(2)Sc_(2)相,包晶反应形成了块状AlSi_(2)Sc_(2)相;两种AlSi_(2)Sc_(2)相都会消耗合金中Sc原子,从而降低了Al_(3)Sc的细化效果;Sc还变质共晶Si为更有序的纤维/片状结构,适当的Si与Sc的比可以避免AlSi_(2)Sc_(2)的形成;Al-6Si中Sc含量从0.3%增加至1%时,抗拉强度和屈服强度均上升,但由于AlSi_(2)Sc_(2)相的存在,其伸长率下降;当Sc含量为1%、Si含量从6%降至3%时,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别上升2%、12%和21%,主要是凝固过程中析出了Al_(3)Sc而非AlSi_(2)Sc_(2)相。最后,还讨论了Si-Sc交互作用对组织演变的机制。

Cu含量以及Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响

研究了Cu含量和Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响。结果表明Al-Si-Cu-Mg合金凝固组织是否形成Mg_(2)Si、Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)以及θ-Al_(2)Cu取决于Cu含量以及Cu/Mg比。当Cu/Mg比相对低时形成Mg_(2)Si中间相,而Cu/Mg比高时则倾向于生成Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu相。当Cu/Mg比相同时,高Cu含量和高Mg含量都会促进Q相θ相的形成。通过观察T6热处理后的组织发现Cu含量以及Cu/Mg比控制了初生相的溶解以及析出相的形成,从而影响合金的强度与韧性。通过控制Cu含量及Cu/Mg比使Al-9Si-2Cu-0.5Mg合金中析出较少数量的初生相,再通过热处理析出大量的Q′强化相,使合金具有较高的强度和相对适中的伸长率。

Mn微合金化Al-Si-Cu-Mg合金显微组织及耐蚀性能研究

Al-Si-Cu-Mg系列合金具有优异的强韧性,但其中的含Cu强化相极大地影响了该系合金的耐蚀性能。因此,本文通过对不同Mn含量的Al-7Si-2Cu-0.6Mg合金进行显微组织观察和电化学分析,探究Mn元素的添加对T6热处理状态下合金微观结构和耐蚀性的影响。结果表明,Mn添加量的提高对合金显微硬度几乎没有影响,但在合金基体中可以观察到弥散相。随着Mn含量升高,合金的耐蚀性呈现先升高后降低的趋势。添加0.360%Mn(质量分数)合金具有最佳耐蚀性,腐蚀电流密度比基础合金减少了54%。腐蚀形貌观察结果表明,Mn的添加可以显著减弱合金的点蚀趋势。

Y/Al-5Ti-1B复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响

在传统铸造Al-Si合金中存在的粗大树枝晶α-Al相以及针状共晶Si严重割裂基体,显著降低合金的力学性能。为细化Al-Si合金的组织,提升其力学性能,本文使用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)以及万能材料试验机,研究了不同添加量Y/Al-5Ti-1B变质剂(Al-5Ti-1B均为2%,稀土Y分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,质量分数)对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响,并探究了其对Al-7Si合金的变质机理。实验结果表明,当Al-5Ti-1B含量为2%、稀土Y含量为0.4%时,变质效果最佳,共晶Si由粗大针状变为细小颗粒状,长和宽分别减小至2.7和0.8μm,相较于未经变质处理的Al-7Si合金,减小了90.6%和4.7%。合金抗拉强度由原来的168.1 MPa提升至209.1 MPa,增加了24.4%。同时伸长率从6.23%提升至9.62%,增长了54.4%。此外,合金的断裂方式也从脆性断裂转变为韧-脆混合断裂。

乳液自组装法制备Al/B/PTFE含能微球及其性能表征

为了探究高活性金属含能微球的制备工艺以及燃烧性能,以Viton为黏结剂,聚四氟乙烯(PTFE)、硼粉(B)和铝粉(Al)为高能组分,采用乳液自组装技术制备了Al/B/PTFE含能微球,并对溶剂的挥发温度、乳化剂的种类、水相和油相的体积比和搅拌速度等工艺进行了优化;采用扫描电子显微镜(SEM)对Al/B/PTFE含能微球形貌进行了表征;采用TG-DSC法分析了Al/B/PTFE含能微球的热分解性能;通过高速摄影和密闭爆发器表征了Al/B/PTFE含能微球的燃烧反应性能。结果表面,水浴温度为25℃、乳化剂为PVA、水油比为80∶30和搅拌速度为700 r/min是Al/B/PTFE含能微球的最佳制备工艺;所制备的Al/B/PTFE含能微球的粒径均匀、球形度高且粒径可控,主要粒径分布范围在约300~900μm;微球的流散性、反应热、燃烧火焰面积和压力输出性能随着粒径的增加,出现先增加后减弱的现象;Al/B/PTFE含能微球的最大反应热,最大火焰面积和最高峰值压力为1097.97 J/g,186.06 cm^(2)和213.3 kPa,分别是物理混合样品的1.77倍、5.16倍和1.37倍。

空爆条件下硼基燃料对Al/PTFE复合装药能量输出特性的影响

为研究空爆条件下硼基燃料对铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料与温压炸药组成的复合装药的能量输出特性的影响规律,设计并制备了质量相同、组分不同的3种复合装药试样,进行了自由场静爆试验,获取了不同爆心距处的冲击波超压,通过高速摄像仪记录了爆炸火球的演变过程。试验结果表明,Al/PTFE活性材料能够提高复合装药的冲击波超压,发生剧烈的后燃烧反应。硼基燃料分解过程具有2.0 ms左右的延迟,反应初期能量贡献较低,使得复合装药冲击波峰值超压降低;但是,后燃烧反应能够促进火球体积的进一步膨胀,降低冲击波超压的下降速率,提高冲击波冲量。适当配比的Al/PTFE和硼基燃料能够使复合装药冲击波峰值超压和冲量均获得增强。在Al/PTFE中加入硼基燃料,发生了爆燃以上反应,冲击波超压出现了明显的二次峰值,约为0.478 MPa。

Al-5Nb-B细化剂对Al-12Si合金组织与性能的影响

采用氟盐法制备了Al-5Nb-B晶粒细化剂,将所制备的细化剂按不同含量(0.0wt%、1.5wt%、3.0wt%、4.5wt%)分别添加到Al-12Si合金中。采用光学显微镜、扫描电镜对添加不同含量晶粒细化剂的Al-12Si合金的显微组织进行观察,并在电子万能试验机(D2-02001)上进行室温力学性能测试。研究了Al-5Nb-B晶粒细化剂对近共晶Al-12Si合金显微组织与拉伸性能的影响。结果表明:氟盐法制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂主要包含平均尺寸为20μm的Al3Nb颗粒和5μm的NbB2颗粒。随着Al-5Nb-B晶粒细化剂含量的增大,Al-12Si合金中α-Al晶粒尺寸由未添加的1864μm减小到396μm,铸态合金的抗拉强度由128 MPa增大到145 MPa,且断后伸长率由6.9%提高到9.8%。氟盐法制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂提高了NbB2在Al-12Si合金熔体中的形核数,有效细化了α-Al基体,提高了合金力学性能。

孔隙和α-Al(Fe/Mn)Si相对高压压铸Al-7Si-0.2Mg合金塑性的影响

采用高压压铸工艺制备两批次不同尺寸的Al-7Si-0.2Mg(质量分数,%)合金,获得显微组织和孔隙非均匀分布的薄壁铸件,并对比研究孔隙和显微组织对铸态合金塑性的影响。结果表明:不同铸件和不同位置样品的伸长率有较大波动(9.7%~17.9%)。当合金存在大面积孔隙时,有效承载面积减小导致由孔隙产生的应力集中使合金伸长率显著降低。当合金只存在小面积孔隙时,塑性变形过程中合金中的α-Al(Fe/Mn)Si相先于共晶硅相发生脆性断裂,α-Al(Fe/Mn)Si相的数量密度对伸长率的波动起主导作用,具有高数量密度α-Al(Fe/Mn)Si相试样的伸长率显著降低。此外,局部较高的冷却速率导致铸件α-Al(Fe/Mn)Si相数量密度的增加。

微量稀土La对Al-7%Si-0.6%Fe合金组织与性能的影响

在Al(铝)-Si(硅)合金中同时添加Sr(锶)和B(硼)存在“中毒”现象,无法同时细化α-Al晶粒和变质共晶Si.本文研究了在同时添加α-Al晶粒细化剂B和共晶Si变质剂Sr的条件下,微量稀土La(镧)对Al-7%Si-0.6%Fe合金组织、热导率和力学性能的影响,分析了稀土La的影响规律及其作用机理.结果表明微量稀土La的添加,一方面可以中和Sr与B的毒化效应,提升共晶Si的变质效果;另一方面可以促使α-Al异质形核基底La B6的形成,并作为表面活性剂降低α-Al的形核过冷度,从而细化α-Al晶粒.共晶Si的变质以及α-Al晶粒的细化有助于同时提升Al-7%Si-0.6%Fe合金的热导率及力学性能.此外,当稀土La的添加量在0.02%—0.06%之间时,合金的导热性能明显提升;随着La添加量的进一步增大,合金热导率下降.

Al-Si镀层22MnB5激光焊的熔池流动特性及元素分布

熔池流动行为对镀层元素在焊缝中的分布起决定性作用.采用建立激光焊熔池三维瞬态数值模型的方法,分析AlSi镀层22MnB5高强度钢激光焊的熔池流动行为及其对焊缝中Al元素分布的影响规律.在焊接试验中,根据能谱仪对焊接接头的扫描数据验证数值模型的可靠性.结合模拟结果与试验结果对激光焊熔池流动行为及焊缝Al元素分布规律进行研究.结果表明,根据激光焊热输入与功率密度阈值的不同,熔池形貌呈现无匙孔、未完全贯穿匙孔和完全贯穿匙孔3种特征,并存有不同的温度场、流场、流速和稳定性.无匙孔熔池由于流速分布均匀,涡流产生较少,稳定性最好.镀层Al元素在焊接接头上下焊趾区域易产生偏聚,较之上表面镀层,下表面镀层进入熔池后Al元素偏聚现象更明显.因此,上部Al元素均质化分布显著优于下部.

Mn/Fe比对Al-Mg-Si合金组织和性能的影响

以Al-Mg-Si合金为研究对象,采用金属型铸造研究Mn/Fe比对其组织和性能的影响。结果表明:Al-Mg-Si铸态合金组织中枝晶间存在α-Al基体和大量析出相,主要以Mg_(2)Si相为主,还存在少量的共晶Si相、AlFeSi相和Al(FeMn)Si相。随Mn/Fe比的增大,合金中的晶粒逐渐变得细小圆整,且由树枝晶向等轴晶发生转变。Mn可以促进铝合金中针状的β-AlFeSi相向骨骼状、颗粒状或块状的α-Al(FeMn)Si相的转变。当Mn/Fe比为0.5时,合金的热导率达到最大值181.08 W·m^(-1)·K^(-1)。当Mn/Fe比为1.0时,合金的晶粒尺寸最小且具有最佳的力学性能,抗拉强度、伸长率和硬度相较于Mn/Fe为0.2时分别提升17.45%、49.57%和27.48%,达到167.35 MPa、17.23%、HV 62.86。

Cu含量和热处理工艺对Al-Si-Mg-Mn-xCu铸造铝合金显微组织和力学性能的影响

采用三维X射线显微镜、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜及硬度测试系统研究Cu含量及热处理工艺对真空压铸Al-Si-Mg-Mn-xCu合金显微组织和力学性能的影响。研究发现,虽然Cu含量增加会提高铸锭中气孔的密度和尺寸,但是Cu添加将促进凝固过程中含Cu初生相(Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu)的形成,从而提高合金性能。合金中形成5种不同结构的初生相,包括共晶Si、α-Al(Fe,Mn)Si、β-Mg_(2)Si、Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu相。随着Cu含量增加,θ相的面积分数迅速增加,α-Al(Fe,Mn)Si相面积分数首先降低,随后缓慢增加,而Q相的变化趋势与α-Al(Fe,Mn)Si相相反。这些初生相在热处理过程中会出现不同的演变规律。在随后的时效处理过程中,Q'和θ'相的协同析出能显著提高合金的时效硬化潜力。

Al-Ga-In-Sn-Si合金阳极及海水溶解氧电池的电化学性能

通过Ga、In和Sn低熔点合金元素改性,成功制备了高负电位高活化Al-Ga-In-Sn-Si合金阳极,通过材料表征和电化学测试研究了Al-Ga-In-Sn-Si合金的腐蚀行为和电化学性能,并与碳纤维刷-石墨烯-铂(Pt-G@CFB)催化阴极搭建了海水溶解氧电池,考察了室内静态海水环境和实际海洋环境下电池不同恒电阻的长周期放电性能。结果表明,Al-Ga-In-Sn-Si合金的自腐蚀电位为-1.613 V(vs.Ag/AgCl),自腐蚀电流密度为1.431 mA/cm^(2)。随着负载电阻的增加,电池电压上升,在室内静态和实海动态海水中2000Ω的负载下海水溶解氧电池平均放电电压最高,分别为1.73和1.78 V,在1000Ω的负载下平均能量密度最大,分别为549.85和653.44 Wh/kg。

Mg、Si含量对Al-Cu-Mg-Ag-Si合金析出相的影响

研究了Mg、Si元素含量对Al-Cu-Mg-Ag-Si合金实际析出相种类及性能的影响。结果表明,Al-Cu-Mg-Ag-Si合金中高Mg含Si合金析出了大量S相和粗大的第二相;低Mg低Si合金中析出了常见的θ相和Ω相;低Mg含Si合金中出现了6系铝合金中常见的σ相和β″相等多种析出相,且具有非常细小弥散的θ相,为合金提供了良好的强化效果。Si和Mg的存在均极大地改变了合金的析出序列,无法通过增加Mg含量抵消Si的作用。Si的加入显著抑制了Ω相的析出,而大幅增加Mg含量则会促进S相的析出。

Al-5Ti-1B与Y复合添加对铸造Mg-5Al-5Si合金的影响

【目的】为细化Mg-Al-Si合金中的粗大Mg_(2)Si相,添加Al-5Ti-1B和稀土Y对Mg-5Al-5Si合金进行变质处理。【方法】熔炼制得不同成分的Mg-Al-Si合金,使用多种测试方法对变质前后合金成分、微观组织及力学性能进行分析,并讨论其变质机理。【结果】结果表明:在Mg-5Al-5Si合金中添加Al-5Ti-1B,初生相形貌由粗大块状转变为细枝晶状或多边形状,共晶相数量随着Al-5Ti-1B添加量的增加而减少,合金硬度显著提高,这是因为TiB_(2)为Mg_(2)Si提供了形核基底。当合金中添加1.0%Al-5Ti-1B时,再添加Y会使初生相尺寸进一步减小,形貌规整。当复合添加1.0%Al-5Ti-1B和1.0%Y时,初生Mg_(2)Si相平均尺寸降低到10.2μm,形貌为细小多边形状,合金拉伸力学性能最优,稀土Y的变质机理主要为吸附毒化。

Al-3Y-2B中间合金对Al-20Si铸态组织和力学性能的影响

研究了Al-3Y-2B中间合金对过共晶Al-20Si二元合金铸态组织及性能的影响规律,基于冷却曲线分析(CCA)方法,测得了Al-20Si二元合金中加入Al-3Y-2B中间合金前后的冷却曲线。实验结果表明:Al-20Si合金熔体加入1.0%的Al-3Y-2B中间合金后,初生硅的生成温度降低约13℃;铸态组织的初生硅平均尺寸由110μm减小到33μm,初生硅形貌由粗大的多边形结构转变为尺寸细小的板状结构;共晶硅形貌由细长针状转变为短针状和短棒状;铸态合金的伸长率(EL)由1.62%提升到1.98%,极限抗拉强度(UTS)由120 MPa提升到162 MPa。Al-3Y-2B的添加量为0.5%时,组织中的初生硅和共晶硅被很好的细化;Al-3Y-2B的添加量提高到1.0%时,Al基体中开始出现脆性相,影响合金的机械性能。

液相线铸造Al-18Si合金的凝固组织与力学性能研究

采用光学显微镜、Image-Pro Plus软件、X射线衍射仪和万能拉伸试验机等研究液相线铸造Al-18Si合金的凝固组织与力学性能。结果表明,随着液相线温度下保温时间的增加,Al-18Si过共晶铝硅合金中初生硅的尺寸呈现先减小后增大的趋势,力学性能则呈现先增大后减小的趋势。与普通铸造相比,液相线铸造可使Al-18Si合金中初生硅平均尺寸减小30.6%,使该合金抗拉强度和伸长率分别提高27%和108%。因此,液相线铸造是改善过共晶铝硅合金凝固组织和力学性能的有效方法。

选区激光熔化成形TiB_(2)/Al-Si-Mg大尺寸复杂构件

选区激光熔化(SLM)成形大尺寸复杂构件厚度多样、成形高度较高、方向复杂,需要研究构件微观组织均匀性和力学性能稳定性。本文以SLM成形TiB_(2)/Al-Si-Mg复合材料为研究对象,分析复合材料多级微观组织,对比不同成形厚度、高度、方向下复合材料的力学性能。结果表明:复合材料表现出熔池特征结构,细小等轴晶粒组织均匀分布且随机取向,纳米TiB_(2)颗粒在材料内部弥散分布。随成形厚度增加,复合材料伸长率保持稳定,抗拉强度受本征热处理影响略微增大;在不同成形高度下,复合材料抗拉强度和伸长率保持稳定;在不同成形方向下,复合材料抗拉强度保持稳定,伸长率受熔池结构影响在水平方向略高。基于以上结果,成功制备大飞机舱门铰链臂(588 mm×318 mm×470 mm)复杂结构件。