超高强铝合金研究进展与发展趋势

超高强铝合金具有密度低、比强度高等特点,广泛应用于航空、航天、核工业等领域。合金的极限强度已从第四代铝合金的600 MPa级,逐步发展到650~700 MPa级、750 MPa级,甚至800 MPa级及以上第五代铝合金。本文首先对超高强铝合金的发展历程和国内外发展现状进行概述;随后,从成分设计与优化、熔铸与均匀化技术、热变形技术、热处理技术、计算机辅助模拟计算共五个方面对近些年的研究进展和所遇到的问题进行了总结和讨论;最后,结合未来装备的发展需求和国内的技术现状,指出“深入研究基础理论,解决综合性能匹配等问题以及在特定应用场景下专用材料的推广应用”是超高强铝合金的发展趋势和重要方向。

Sc在Al-Cu合金中的作用研究进展

鉴于Al-Cu合金具有优异的综合性能,综述了国内外Sc及Sc与其他元素联合添加在Al-Cu合金中作用的研究进展,包括添加Sc或联合添加Sc与其他元素后,Al-Cu合金晶粒大小、物相组成及分布、物理力学性能等的变化,分析讨论了在未来进行相关研究时的注意事项及需要进一步研究的内容。

Ag元素对Al-Mg-Si合金析出行为影响的研究进展

Al-Mg-Si合金被广泛应用于航空航天、汽车制造及建筑等行业,它是一种可热处理强化的合金,研究它的时效析出行为具有十分重要的意义。总结了目前Ag元素对Al-Mg-Si合金时效析出行为影响的相关研究,并对Ag元素的作用展开了综述,包括Ag元素对时效硬度曲线的影响,Ag元素对DSC曲线的影响以及Ag元素对析出相组态(数量、尺寸、晶格常数等)的影响,同时,指出了未来研究中需要注意的问题和未来的研究方向。

直升机陶瓷复合装甲发展现状及新型材料应用前景

目前国外军用武装直升机及运输直升机上均配置了轻质装甲材料。相比之下,国内直升机装甲配置在级别类型、数量、单架机面积等方面都远不如欧美发达国家。随着新一代军用直升机对抗弹生存能力提出了更高的要求,国内外对于新型装甲材料的开发也有了较大的进展。本文综述了国内外武装直升机用复合防弹装甲的发展状况,总结了直升机用复合防弹装甲未来的发展需求,分析了目前复合防弹装甲的抗弹机理、选材原则和材料在被武器打击过程中的吸能方式,并展望了梯度功能材料、微叠层材料、石墨烯改性陶瓷等新材料在军用直升机上的应用前景。为满足我国直升机的自主发展需求,我国对于性能优异的新型先进轻质防护材料的开发需求已刻不容缓。只有开发新型装甲材料才能提高我军直升机的生存能力,满足我国武器装备的作战需求,实现与世界先进直升机水平的同步发展。

石墨烯负载金属氧化物催化剂在氧还原反应中的研究进展

催化剂对氧还原反应(ORR)起到至关重要的作用。近年来,人们为寻找可替代Pt金属的高性能非贵金属催化剂付出了诸多努力。过渡金属氧化物作为具备优异ORR催化活性的催化剂之一,成本低廉、储量丰富,在ORR催化领域具有巨大潜力,因而引起广泛的研究。但由于大部分过渡金属氧化物导电性差,极大地阻碍了其催化活性,所以将其负载于合适的载体上,对提高ORR性能有重要意义。石墨烯以其独特的电子特性、优异的导电性以及其他良好的物理、化学性质被广泛作为载体使用。本文综述了石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂的研究进展,主要从石墨烯载体分类、制备方法、过渡金属氧化物分类等多角度讨论了该类催化剂在ORR中的应用及发展前景,指出石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂应致力于将开发杂原子掺杂石墨烯作为载体、复合金属氧化物作为活性物质的主要发展方向,并趋向于降低制备工艺的能耗和周期,提高催化剂的性能,达到降本增效的目的。

二级时效温度对7B04-T74铝合金薄板组织及性能的影响

采用光学显微镜、透射电镜组织分析手段和室温拉伸、电导率、剥落腐蚀、疲劳极限性能测试方法,研究了二级时效温度对7B04-T74合金2 mm厚薄板组织与性能的影响。结果表明:二级时效温度由165℃逐渐升高至175℃时,7B04-T74合金晶粒组织特征没有明显变化,晶内析出相数量减少且尺寸增加,晶界析出相粗大且断续分布;7B04-T74态铝合金薄板的室温拉伸抗拉强度、屈服强度明显降低,其伸长率无明显变化,电导率明显提升,剥落腐蚀级别无明显变化趋势。通过对比不同二级时效温度下7B04铝合金的组织与性能测试结果可知,7B04合金2 mm厚薄板由退火状态到T74状态的最优二级时效温度为173℃。

激光选区熔化AlSi10Mg合金退火后的显微组织和断裂韧性研究

采用激光选区熔化技术制备了AlSi10Mg合金,研究了退火态合金的显微组织和不同开口方向紧凑拉伸试样的断裂韧性,分析了合金显微组织对断裂韧性的影响。结果表明:退火态合金中仍存在明显的组织各向异性,不同开口方向试样的断裂韧性出现差异;X-Y与Y-Z开口方向试样的断裂韧性相当,其J积分值和裂纹尖端张开位移分别约为430 kJ/m 2和0.8 mm,而Z-Y开口方向试样的仅约为250 kJ/m 2和0.47 mm。由于熔池边界附近的组织相对粗大,小角度晶界比例较高,故Z-Y开口方向试样的裂纹倾向于沿熔池边界扩展,导致断裂韧性较低;而熔池内部组织相对细小,大角度晶界比例较高,因此X-Y与Y-Z开口方向试样在裂纹穿过熔池内部扩展时表现出的断裂韧性更好。

稀土Y对TiB_(2)/Al-Zn-Mg-Cu-Zr微观组织与性能的影响

稀土Y对TiB2颗粒增强复合材料具有优异的细化效果,可改善TiB2颗粒团簇造成的性能损伤,对提高复合材料综合力学性能有重要作用。本文采用传统铸造及热挤压工艺制备3%(质量分数)TiB_(2)/Al–Zn–Mg–Cu–Zr–Y复合材料板材,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、室温拉伸测试等表征手段研究了不同Y含量对TiB2增强铝基复合材料的显微组织与力学性能的影响。结果表明,Y元素的添加可以细化复合材料铸态组织,添加0.1%Y(质量分数)时,细化效果最好,T6态的综合性能最优,抗拉强度为729.85 MPa,延伸率高达8.06%。Y元素的加入使晶界处生成难溶相Al_(8)Cu_(4)Y(Zr),热挤压可使其破碎并起到一定强化效应,但过量的Al_(8)Cu_(4)Y(Zr)导致材料强度、塑性降低。TiB2颗粒增加了基体内位错密度,起到位错强化、载荷传递强化效应。GP II和η′是复合材料T6态中主要的纳米强化相。

淬火水温及深冷处理对超高强Al-Zn-Mg-Cu合金组织及性能的影响

研究了淬火介质(水)温度和深冷处理对Al-Zn-Mg-Cu合金的后续时效微观组织和力学性能的影响。结果表明,Al-Zn-Mg-Cu合金时效前增加深冷处理对强度影响较小,但是可以提升合金的断后伸长率。不同水温淬火影响Al-Zn-Mg-Cu合金的力学性能,室温水淬时合金经固溶+时效后的力学性能最好,抗拉强度为720 MPa,断后伸长率为7.70%,断裂韧度为32.37 MPa·m^(1/2),经固溶+深冷+时效后的塑性提升,断后伸长率增加到8.90%,断裂韧度增加到36.61 MPa·m^(1/2)。深冷处理不改变合金时效过程中析出相的种类,仍然为η′相,但会使η′相数量增加,分布更加均匀弥散,晶界处的析出相间距也增大并呈断续分布的状态。深冷处理能够使合金的断裂韧度更加稳定,降低合金因为淬火水温不同对性能的影响。

多轴锻造与T852热处理对Al-Cu-Li合金组织及力学性能的影响

采用SEM、EBSD、TEM和拉伸试验等方法,研究不同道次多轴锻造及T852热处理对Al-Cu-Li合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Al-Cu-Li合金经多道次多轴锻造后晶粒被显著细化,晶粒尺寸由均匀化退火态的450μm减小至6道次的5μm,晶粒细化机制以连续动态再结晶为主,且伴随不连续动态再结晶;6道次锻造合金经T852热处理后,晶界析出相呈不连续分布,晶内析出大量板条状T_(1)相及少量θ′相,与均匀化退火态粗化T_(1)相相比,时效析出T_(1)相发生了明显细化;6道次锻造且T852热处理后,合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率分别高达544 MPa、462 MPa和8.6%,依次为均匀化退火态的2.0、2.4及4.1倍,而且相应的断裂模式由脆性断裂转变为韧性断裂。

退火温度对激光选区熔化AlSi10Mg合金微观组织及拉伸性能的影响

详细研究了退火温度对激光选区熔化成形AlSi10Mg合金微观组织和拉伸性能的影响规律。结果表明,退火后的激光选区熔化成形AlSi10Mg合金组织中网状共晶Si发生断裂、粗化;随着退火温度升高,网状共晶Si发生球化,以颗粒状均匀分布在Al基体中,且弥散二次Si粒子也逐渐溶解消失。激光选区熔化成形AlSi10Mg合金经退火后,其延伸率大幅提高,拉伸断口表现出韧性断裂特征。在270~280℃下退火2h,延伸率分别达到15.7%(X/Y向)和12.7%(Z向)以上,且强度保持在一个较高的水平(300MPa),实现了强度/塑性的良好匹配。通过拉伸试样断口分析,认为导致裂纹源萌生的主要原因是未熔粉体、气孔及氧化物等缺陷。

热处理对增材制造AlSi10Mg合金组织性能及残余应力的影响

增材制造AlSi10Mg合金通常存在较大的残余应力,对材料的服役使用产生不利影响,故需要采用热处理对残余应力予以控制甚至消除。利用X射线衍射、光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、背散射电子衍射、维氏硬度和拉曼光谱试验,研究了成形态和退火态合金的显微组织、性能及残余应力。结果表明,成形态合金由过饱和Al固溶体和Si相组成,其中,Si相以网状共晶硅和弥散分布的纳米硅颗粒2种形态存在。同时,成形态合金的晶粒细小,其晶粒尺寸分布的d_(50)值约为10.4μm。250~300℃退火使合金元素从过饱和Al固溶体中析出,形成平衡相Mg_2Si和Si相;且随着退火温度升高,合金元素析出越彻底。此外,退火还引起网状共晶硅和纳米硅颗粒粗化,促使晶粒长大并诱发再结晶。由于退火后合金中的细晶强化、固溶强化和弥散强化效果减弱,故合金的维氏硬度下降。然而,退火可以显著降低合金的残余应力,下降幅度达到60%~80%。因此,为更好地实现组织和性能调控,有必要针对增材制造铝合金的特点开发新的热处理制度。

高温短时固溶处理对超高强Al-Zn-Mg-Cu合金锻件组织与性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和拉伸试验机研究了高温短时固溶处理温度(475~480℃)与时间(0~7 min)对高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金锻件组织与性能的影响。结果表明,高温短时固溶处理可有效提高时效态Al-Zn-Mg-Cu合金锻件的抗拉强度及断后伸长率。随着温度或时间的增加,晶界粗大残留第二相逐渐回溶至铝基体,当温度过高或时间过长时,等轴状晶粒发生粗化,组织发生过烧现象。经对比分析并结合实际生产状况,确定最适合的高温短时固溶处理制度为475℃×3 min。采用此制度时锻件45°方向抗拉强度最低,为685 MPa, LT向断后伸长率最低,为4.7%。

基于CCD的复杂异形件预成形结构优化

将预成形件作为终成形坯料,并采用CCD算法对预成形结构进行优化设计,可减少预成形的复杂异形锻件飞边和锻造力。通过CCD算法,研究了不同截面参数L_(1)、L_(2)、H_(1)和R对预成形锻件的飞边面积ΔA和压强p的影响。结果表明:飞边面积ΔA会随着L_(1)、L_(2)、H_(1)和R的增加而逐渐增加;压强p随着L_(1)的增加会先减小后增大,随着L_(2)、H_(1)和R的增加而逐渐减小。最佳工艺参数为L_(1)=71.00 mm,L_(2)=14.81 mm,H_(1)=7.50 mm,R=6.50 mm,此时得到飞边面积ΔA=123.27 mm^(2),压强p=399.65 MPa,评价指标φ=1。模拟结果显示,金属流线分布合理,位移场符合实际流动规律。采用优化后的工艺参数成形的复杂异形锻件的表面光滑,无明显的折叠缺陷,证明了CCD算法对复杂异形件优化的可行性。