铝合金板阵列微结构零件电磁冲击液压成形研究

目的解决室温条件下因铝合金塑性流动不均而导致的零件开裂和尺寸偏差等问题。方法利用高速冲击提高材料成形极限以及流体均匀载荷精确控形的优势,提出了电磁冲击液压工艺并实现了铝合金阵列结构零件的成形,采用实验手段研究了放电电压和放电次数对零件贴模精度和厚度分布的影响。结果随着放电电压的增大,零件的成形深度增大。在单次放电8kV下,板料最大成形深度达到模具深度的97%,连续3次放电8kV后,零件通道填充率达到89.7%。建立了与物理实验模型一致的电磁-流体-结构的多物理场耦合仿真模型,发现冲击液体对板料施加的瞬态压强超过200MPa,板料最大变形速度达到40.5m/s。模拟得到的板料变形轮廓与实验结果一致,证明了多物理场耦合仿真模型的准确性。结论电磁冲击液压成形是一种新型的高速成形方法,能够实现铝合金阵列微结构零件的精确制造,为提高复杂薄壁难变形构件的成形性能和精度提供了新的技术手段。

2219铝合金搅拌摩擦焊接头的蠕变时效行为研究

目的研究2219铝合金搅拌摩擦焊接头的蠕变变形行为、力学性能及其微观组织演变规律,探明焊接态铝合金材料的蠕变变形与强化机制,为超大型高筋薄壁构件板坯搅拌摩擦拼焊+蠕变时效形性一体化制造提供理论与技术支撑。方法通过蠕变时效实验和室温性能测试,研究了有焊缝和无焊缝材料的蠕变时效行为与力学性能演变,结合应力指数、激活能计算和透射电镜表征,分析了焊缝对2219铝合金蠕变时效特性的影响。结果与母材相比,有焊缝铝合金整体蠕变量更低,但前期短时蠕变速率高而后期长时变形速率低,变形机制由母材的扩散蠕变转为位错攀移;有焊缝材料蠕变时效后抗拉强度增加量相对更少,屈服强度增加量基本相同,表现为加工硬化能力降低。同时,焊核区晶粒细小、晶内析出大量弥散的GPⅡ区、θʹʹ和θʹ相,且晶界附近出现无沉淀析出带,热影响区和热机影响区析出相长大,但热机影响区析出相开始出现粗化。结论在蠕变时效过程中,搅拌摩擦焊后的2219铝合金复杂的微观组织演变会提高材料的蠕变变形和强度提升敏感性,上述发现为优化搅拌摩擦焊与蠕变时效成形工艺参数匹配提供了基础。

时效处理对2195 Al-Li合金挤压型材腐蚀行为的影响

对2195铝锂合金分别进行欠时效(UA)、峰时效(PA)、双级时效(DA)和回归再时效(RRA)处理,观察并讨论其显微组织、晶间腐蚀(IGC)、剥落腐蚀(EXCO)和应力腐蚀开裂(SCC)行为。结果表明,合金经不同时效处理后,其IGC和EXCO耐蚀性顺序为:RRA>UA>DA>PA。PA和UA态的低耐蚀性主要是T_(1)相在晶界处连续析出形成连续的腐蚀通道引起的,而粗大不连续析出的T_(1)相以及较宽的无析出带导致的腐蚀通道中断是RRA态具有最佳耐蚀性的原因。RRA态合金表现出最好的抗应力腐蚀性能,抗应力腐蚀顺序为:RRA>DA>UA>PA。晶间T_(1)相的不连续析出促进了腐蚀裂纹穿过晶界进行扩展,从而提高了2195铝锂合金的抗应力腐蚀性能。

轧制(热轧,冷轧,深冷轧制)复合法制备轻质金属层状带材研究进展

由于兼具多种材料的综合优势,金属层状复合板得到了广泛关注。轧制复合法具有可稳定连续生产的优势,已成为目前制备金属层状复合板的主要方法之一。本文介绍轧制复合金属层状复合板的研究进展,主要包括热轧复合法、冷轧复合法、累积叠轧法和深冷轧制复合法。系统地讨论金属层状复合板的界面形成机理及影响界面结合质量的主要因素,并对高性能金属层状复合板未来发展方向提出指导性的展望。

考虑相含量的TC17钛合金线性摩擦焊中的残余应力

为了获得准确的TC17钛合金线性摩擦焊中的残余应力,建立TC17钛合金弹性常数与相分数之间的数值关系。结合焊接区域的相分数,获得呈梯度分布的弹性常数,并将其引入轮廓法进行计算。结果表明,TC17钛合金的弹性常数与α相分数呈正相关,在宽度约4 mm的焊接区域呈现明显的梯度分布特征;若忽略相分数的梯度分布,计算残余应力时相对误差可达36.06%;修正后的残余应力呈双峰分布,在热影响区边缘处达到峰值,约为442 MPa。这说明考虑相分数的梯度分布是必要的。

2195铝合金中温变形条件下的静态再结晶机理及动力学

具有高强度、低密度的2195铝合金是航空航天构件减重的首选材料。2195铝合金在中温热变形过程中常会伴随着静态再结晶的发生,静态再结晶晶粒对材料最终的力学性能有着重要影响。因此,本工作采用热压缩试验、硬度测试、EBSD和XRD测试技术研究了静态再结晶晶粒判别方法,研究了不同变形温度(160~240℃)和不同保温时间(0~30 s)对静态再结晶行为和位错演变行为的影响,探明了静态再结晶的演变机理。结果表明,晶粒平均取向差角度分布值(GOS值)小于或等于0.4°的晶粒为静态再结晶晶粒;当变形温度为160~240℃、应变速率为0.01 s^(-1)以及变形程度为30%时,随着保温时间t(t<20 s)延长,静态再结晶增加,晶粒尺寸逐渐增大。然而,当变形温度为240℃、保温时间大于20 s时,静态再结晶晶粒没有明显增加,仅有略微长大。在静态保温过程中,160℃的变形样品比200℃的变形样品能够更快、更易形成细小静态再结晶晶粒。基于以上研究规律,建立了2195铝合金中温变形条件下的静态再结晶动力学模型,该模型具有良好的预测效果。本研究对优化2195铝合金热变形和热处理工艺参数具有重要的理论价值和实际意义。

回归温度和时间对深冷变形7A85铝合金显微组织、力学性能和腐蚀行为的影响

为了平衡合金的强度、塑性与耐蚀性,在不同回归温度和时间条件下对深冷变形7A85铝合金的显微组织和综合性能进行研究。结果表明,在较低回归温度和时间的回归再时效(RRA)制度和T6(120℃,24h)制度下,合金具有较高的强度,但耐蚀性较差。对于RRA,在一定范围内增加回归温度和时间会降低合金的强度,但合金的电导率和耐蚀性显著提高。然而,过度地增加回归温度和时间使合金的耐蚀性降低。相同的回归温度下,随着回归时间的延长,合金的伸长率先减小后增大。与三向深冷变形7A85铝合金的最佳匹配的制度为RRA180-0.5((120℃,24 h)+(180℃,0.5 h)+(120℃,24 h))。

铁素体不锈钢430连续铸造板坯成形合理工艺参数的研究

目的以某钢厂板厚为180~220 mm的铁素体不锈钢430连铸板坯为对象,研究合理的板坯连铸工艺参数,以提高不锈钢430连铸坯的等轴晶率,强化铸坯质量。方法通过高温拉伸试验、结晶器凝固冷却温度分析以及电磁搅拌磁感应强度模拟,探讨了液体加热温度、结晶器冷却水参数及电磁搅拌参数等工艺参数对连铸坯质量的影响规律。结果高温拉伸试验结果表明,430不锈钢在不同温度下的应力-应变曲线都是典型的塑性拉伸曲线,当温度超过1000℃后,抗拉强度显著减小;在结晶器宽面水量3400 L/min、窄面水量400 L/min的参数条件下,结晶器宽面及窄面铜板温度均匀,满足铸坯成形要求;在扇形1段第6^(#)和7^(#)辊位并列增加电磁搅拌辊后,430不锈钢铸坯电磁场分布合理且铸坯中心磁感应强度最大,为0.104 T,平均磁感应强度为0.09 T,显著提升了液相穴内钢水的流动性。结论在结晶器宽面水量为3400 L/min、窄面水量为400 L/min条件下,在连铸机扇形1段第6^(#)和7^(#)辊位并列增加电磁搅拌辊后,对430不锈钢进行连续铸造工业试验,铁素体不锈钢430板坯等轴晶率达到62.5%,裂纹发生率降低。

预拉伸对2A14铝合金显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响

研究预拉伸变形量对峰值时效态2A14铝合金显微组织、力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明:由于预拉伸导致细小弥散的θ′相在基体中大量析出,合金的硬度和强度都明显提升;在峰值时效前引入预拉伸可以明显提高峰值时效硬度并加快到达峰值时效时间;当预拉伸变形量为7.5%时,θ′相的分布明显变得更不均匀,这导致极限抗拉强度的下降;随着预拉伸变形量增加,合金塑性、冲击韧性和剥落腐蚀抗力均逐渐下降,但晶间腐蚀抗力先提高后下降。

Al-2Sc合金中初生Al_(3)Sc粒子的三维形貌研究

高强高韧含Sc铝合金是新一代重要结构材料,其优异的性能与Al_(3)Sc粒子密切相关。初生Al_(3)Sc粒子具有多种形貌,但对其形貌变化机理尚不清楚。以Al-2Sc为试验合金,进行高温重熔,采用直接水冷、铁模冷却和空冷三种方式获得不同冷却速率凝固的Al-2Sc合金样品。利用扫描电镜观察深腐蚀后的样品中的初生Al_(3)Sc粒子三维形貌。结果显示,随着冷却速度的降低,初生Al_(3)Sc粒子由八角花瓣形向凹面立方体形、带孔立方体形转变,最终形成完整立方体。结合Al_(3)Sc晶体生长的各向异性对初生Al_(3)Sc粒子形貌演变过程进行了分析,并绘制了形貌演变示意图。

协同Orowan绕过和攀移机制的镍基高温合金蠕变新模型

提出一种用于准确便捷预测析出相增强镍基高温合金稳态蠕变速率的蠕变新模型。基于析出相的空间分布,采用概率依赖的方法将位错-析出相交互作用中Orowan绕过和位错攀移机制的协同模式耦合到新的蠕变模型中。结果表明,新模型预测的稳态蠕变速率与实验数据吻合很好。此外,当前模型不再依赖于可调参数;同时,确定了阈值应力与温度的定量关系。这项工作为蠕变变形过程中位错-析出相交互作用提供新思路,并为设计具有更优异蠕变性能的析出强化合金提供有效模型。

无模无铆连接接头的塑性变形行为及工艺参数研究

为克服传统无铆连接工艺模具结构复杂、对中要求高等不足,提出了一种新型无模无铆连接工艺,并针对2 mm厚AA5052-H32铝合金板材开展了无模无铆接头塑性变形行为及工艺参数的研究。通过单轴拉伸实验和参数拟合获取了铝合金材料模型,并以此为材料数据建立了无模无铆接头成形过程有限元模型。此外,还分析了成形过程中板料的等效塑性应变、等效应力和材料流动情况,研究了冲头工艺参数对接头塑性变形行为的影响规律。实验与仿真结果表明,所建立的有限元模型具有较好的精度,[JP3]可以有效预测接头的成形过程,接头的颈部厚度、互锁值和凸起高度的预测误差均在10%以内,分别为9.4%、1.8%和0.1%;冲头直径、冲头圆角半径、冲头高度和冲头拔模斜度4种冲头工艺参数对接头的塑性变形行为和最终的接头形状有重要影响。

第二相和晶界析出特征对7050铝合金晶间腐蚀性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)等技术研究Al-Zn-Mg-Cu系合金不同时效制度下形成的晶界析出特征与含Fe第二相(Al_(7)Cu_(2)Fe相)对晶间腐蚀性能的影响。结果表明:时效24 h后的铝合金试样表面尺寸较大的Al_(7)Cu_(2)Fe相Fe含量的变化率最大,而时效60、120 h的试样表面尺寸较小的Al_(7)Cu_(2)Fe相Fe含量变化率较大;随着时效时间的增长,7050铝合金试样中Al_(7)Cu_(2)Fe相引起表面点蚀的时间缩短,晶间腐蚀深度减小,表明其耐晶间腐蚀性能随时效时间的增长而增强;随着时效时间的增长,试样的晶界无沉淀析出带(precipitation-free zone,PFZ)宽度增大,晶界析出物(grain boundary precipitation,GBPs)的形核数减少,间距增大,容易发生晶间腐蚀的晶粒取向逐渐集中。

超声与氩气冷却对2219铝合金组织及偏析的影响

2219铝合金作为一种广泛应用于航天、汽车制造等领域的重要合金,其在一般重力铸造条件下生产的铸锭容易出现孔缩、第二相聚集、宏观偏析等问题。本研究在高纯气氛保护条件下,采用超声辅助处理熔体与氩气冷却相结合的方法制备了2219铝合金铸锭。通过光谱仪、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了超声波、氩气冷却对改善2219铝合金凝固组织及宏观偏析的影响。结果表明,在高纯气氛保护下,超声作用对2219铝合金铸造具有良好的细化晶粒、均匀化第二相的效果,组织内无疏松缩孔缺陷。当超声与氩气冷却共同作用时,铸锭晶粒细化及第二相均匀化效果更佳,平均晶粒尺寸减小69.4%。超声空化效应促进了更多溶质元素在铝熔体中的均匀分布,提高了晶粒形核率,同时在空化破碎与声流的扰动效应作用下,第二相组织更为细小均匀,宏观偏析显著改善。

硬岩地质下镶齿滚刀齿形对破岩性能影响研究

为了降低镶齿滚刀的破岩比能耗和刀齿接触面应力,提高镶齿滚刀在硬岩地质下的破岩效率和使用寿命,采用LS-DYNA建立显示动力学仿真模型,并通过实验验证模型的可靠性。仿真分析镶齿滚刀的破岩机理及不同齿形的破岩效率,确定较优的齿形。通过正交试验法,分析齿宽、齿高、齿顶半径和齿数对破岩效率以及接触面应力值的影响,确定齿形参数对破岩性能影响权重。研究结果表明:在118 MPa硬岩地质下,镐齿滚刀的破岩效率最高,齿顶半径为破岩效率的最主要影响因素,权重达到50%,齿数与齿顶高为接触面应力值的主要影响因素,权重分别占31%、36%。齿形最优参数组合是齿宽为11 mm、齿顶高为1 mm、齿顶半径为10 mm、齿数为36个。该研究对于镶齿滚刀的齿形选择及参数优化具有参考价值。

均匀化对Al-Zn-Mg-Cu合金第二相与晶粒尺寸的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)表征,研究了均匀化过程中Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织演变。结果表明,铸态合金晶界中存在大量难溶相Al7Cu2Fe及非平衡共晶相Mg(Zn,Cu,Al)2、Al2CuMg相,在经过420℃/8 h的单级均匀化处理后,部分难溶相和非平衡共晶相回溶到基体中,但还存在大量枝晶偏析,继续进行470℃/36 h第二级均匀化后,非平衡共晶组织和枝晶偏析完全消除。合金的平均晶粒尺寸在两个阶段的均匀化中呈现随时间延长而增加的趋势,基体中残留相及共晶组织的面积分数随保温时长增加而减小,第二级均匀化达到36 h时,相面积分数仅为0.34%,表明均匀化已经非常充分。经过均匀化动力学分析,得出在第二级均匀化温度为470℃时,第二相充分回溶所需保温时间约为37 h,与均匀化的实验结果吻合。

新工科背景下材料/构件一体化制造新知识体系探讨——轻合金材料和构件制造基础理论与前沿装备技术融合

空天战略装备领域高端轻合金材料/构件的制造是多学科、多技术模块交叉与集成的复杂过程,如何开发并驾驭这一复杂过程,对专业人才的知识结构背景和科技创新能力有非常严格的要求。在当前工科人才模式下,传授的知识结构较为陈旧,与国家重大需求和前沿科技脱节,无法满足前沿制造领域对人才知识结构和能力的需求。针对这一问题,探讨在新工科背景下建立轻合金材料与构件一体化制造基础理论与前沿装备技术融合的知识体系。

旋压整体成形铝合金贮箱箱底内压稳定性先验设计研究

提出一种面向力学域与制造域相结合的、采用成形制造工艺力学模型精确表征制造特征影响的先验设计方法,并结合先进的边缘约束无模旋压成形工艺阐述先验设计理论方法与设计流程。通过旋压工艺力学模型获取箱底结构的制造工艺特征,针对制造工艺特征建立内压稳定性分析模型,研究了旋压工艺特征对稳定性的影响,与传统的一阶模态缺陷、单点凹陷缺陷进行了对比。研究结果表明,先验设计方法能够较好地捕捉制造工艺特征引起的结构屈曲模态的改变,能够较准确地预测结构的极限承载能力。

Gd对冷旋锻制备纳米晶镁合金的影响

通过显微硬度测试、拉伸试验和透射电镜手段研究Gd元素对冷旋锻过程镁合金纳米化的影响。结果表明,由于纯镁中很难形成位错阵列,旋锻不能实现纯镁纳米化。相比之下,单独添加Gd,旋锻后镁合金晶粒可得到显著细化。在旋锻早期阶段,纯镁和Mg−Gd合金中都形成孪晶片层。随着增加旋锻变形的继续,相比纯镁,更多的非基面位错在Mg−Gd合金中形成,这促进了Mg−Gd合金中位错阵列的形成,导致合金纳米化。随着Gd含量的增加,Mg−Gd合金晶粒细化效果显著提升,晶粒细化至100 nm以下的临界Gd含量约为5.4%(质量分数)。

多道次拉伸和感应电流处理5052铝合金的力学性能和显微组织演变

提出一种多道次拉伸和感应电流处理(IEPT)相结合的复合成形方法,采用TEM和EBSD揭示感应电流对材料显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,采用4次拉伸5%和拉伸后放电,材料伸长率比原始材料增加145%。预拉伸试样经过IEPT处理后,强度下降、塑性提高,材料的位错密度下降,晶粒变形结构向亚结构转变,同时晶粒尺寸略有增加。感应电流减弱材料的各向异性,出现新的<111>//TD织构。电塑性效应和焦耳热效应的结合增强位错运动和空位移动。采用ANSYS软件模拟板料的温度分布,最高温度达到144.7℃。材料强度的理论计算结果与实验数据一致。