金属材料挤压铸造成形技术的研究进展

挤压铸造技术是一种结合了铸造和塑性加工特点的短流程、高效、精确成形技术,广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域生产高性能和高精度的零件。首先简要介绍了金属材料挤压铸造成形技术的特点和历史。重点分析了液态金属压力下结晶的物理冶金行为和力学过程,此外,还总结了挤压铸造技术涉及的材料体系、挤压铸造过程的工艺参数优化、挤压铸造过程的零件成形、挤压铸造过程的数值模拟、挤压铸造成形装备研究方面的研究进展。最后展望了金属材料挤压铸造成形技术的发展重点。

剧塑性变形制备超细晶/纳米晶结构金属材料的研究现状和应用展望

综合目前剧塑性变形方法制备超细晶及纳米晶结构金属材料的研究现状,介绍等通道转角挤压、高压扭转、累积叠轧焊、多向锻造等剧塑性变形方法及其特点与原理;探讨剧塑性变形金属材料的组织演变和晶粒细化机制;分析金属材料经剧塑性变形后强度与延展性的变化趋势,及其对超塑性变形的影响规律;展望剧塑性变形方法对金属材料应用的前景。

TiVNbTa高熵合金球形粉末制备及选区激光熔化成形

利用氢化脱氢、机械球磨、等离子体球化技术成功制备了TiVNbTa难熔高熵合金球形粉末,并采用选区激光熔化(SLM)技术将此球形粉末制备成TiVNbTa难熔高熵合金块体试样,研究不同SLM工艺参数对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:所制备的粉末球形度高、分散良好,平均粒度为48μm;SLM成形的TiVNbTa难熔高熵合金具有超细晶组织,其熔池心部为胞状晶区,熔池边缘为柱状晶区。随着激光功率的增加,合金的压缩屈服强度整体变化不大,但塑性应变呈下降趋势;然而,随着扫描速率的增加,合金的压缩屈服强度和塑性应变持续下降。当激光功率为175 W、扫描速率为400 mm/s时,沉积态合金具有最低的孔隙率,XOY面和YOZ面的孔隙率分别降低至0.26%和1.42%,压缩屈服强度σ_(0.2)为1001 MPa,最大抗压强度σ_(bc)为1741 MPa,塑性应变ε_(p)为10.0%。

激光粉末床熔融成形高性能Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的显微组织演变及力学性能

系统研究时效温度对激光粉末床熔融成形Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金显微组织及力学性能的影响。结果表明,成形态合金组织致密且无裂纹,平均晶粒尺寸为3.51μm,屈服强度为(547±3)MPa。经300℃时效后,合金组织中析出大量尺寸为2~3 nm且与基体共格的Al3Sc纳米颗粒。时效样品的屈服强度提升至(616±4)MPa,这得益于合金中的析出强化、固溶强化和晶界强化。当时效温度超过300℃时,部分Mn和Zr从固溶体中析出,形成Al6Mn和Al3(Sc,Zr)相。经500℃时效后,合金中Al6Mn相和Al3(Sc,Zr)相分别粗化至约600和30nm。此,合金的屈服强度下降至(372±3) MPa。

高品质钼靶材低压等离子喷涂成形技术研究

采用低压等离子喷涂成形技术制备了片状及回转体钼靶材,研究了钼靶材孔隙率、氧含量、微观结构、显微硬度及拉伸强度等性能,开展了片状钼靶材的磁控溅射镀膜研究。研究结果表明:低压等离子喷涂成形钼靶材为典型的定向凝固柱状晶层片结构,层片界面结合紧密,孔隙率约1.1%、氧质量分数为0.18%,显微硬度为HV0.025 361.8,抗拉强度达到373.2 MPa,各项指标均明显优于大气等离子喷涂成形钼制品。低压等离子喷涂成形片状钼靶材可磁控溅射沉积出平整、致密、连续的钼薄膜,镀膜厚度约700 nm,X射线衍射谱线表明钼薄膜为体心立方结构,沿(110)方向择优生长。磁控溅射离子的均匀轰击导致钼靶材表面快速溅射及均匀减薄,溅射表面及截面较为平整光滑,溅射凹坑均为纳米级。

铝合金一体化压铸技术研究进展

铝合金密度小、比强度高,广泛应用于航空航天和汽车领域的轻量化成形制造。一体化压铸技术生产大型复杂薄壁铸件,能有效帮助飞机、汽车减重增程,是重要的一体化成形技术。全面综述铝合金大型一体化压铸技术的发展,分析免热处理铝合金的成分设计与已开发的铝合金特点,介绍了国内外大型一体化压铸机和压铸模具的研制情况,归纳总结了一体化压铸件充型、凝固、缺陷、微观组织、热应力和疲劳寿命预测的数值模拟研究现状,对一体化压铸技术的发展提出展望。

纳秒激光诱导等离子体辅助烧蚀的玻璃表面金属化图案电路研究

激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)在玻璃表面金属化制备中具有经济、环境友好且高效的优点,本文研究在纳秒激光下以金属铜作为牺牲靶材于玻璃基板上采用LIPAA工艺实现金属化图案电路的可行性。为此,首先对逐行扫描LIPAA制备的玻璃基板上金属化图案电路的导电性能进行详细探讨。针对氧化致其导电率下降的弊端,进一步采用氢气还原对其进行后处理优化,并结合扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对电路性能进行分析,揭示了纳秒激光LIPAA方法制备的玻璃金属化图案电路表面的形貌特征及电阻率的变化规律。结果表明,通过激光图案化去除工艺对玻璃表面金属层进行直接烧蚀,可以在玻璃表面制备精细图案化电路。同时,采用化学氢气还原法可克服金属层氧化严重影响电路电阻率这一弊端。化学氢气还原后的平均电阻率仅为8.18×10^(-7)Ω·m,大幅地提升了玻璃表面图案化电路的导电性,具有广阔的应用前景。

基于纳秒激光诱导等离子体辅助烧蚀的玻璃表面金属化实验研究

由于激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)在玻璃表面金属化加工中具有经济、环境友好且高效的特点,该文研究了在纳秒激光下以金属铜作为牺牲靶材,于玻璃基板上采用LIPAA工艺实现直接平面金属化的可行性。为此,对逐行扫描LIPAA制备的玻璃基板上平面金属层的形态和化学成分进行了详细表征;进一步,结合扫描电子显微镜及X射线能谱分析仪对试件在不同激光扫描速度、线间距、激光功率及频率下金属化的表面形貌演变进行了深入分析,揭示了以上加工参数对玻璃表面金属化覆盖率及形貌的影响规律。实验结果表明,当激光功率为20 W,激光频率为20 kHz,激光扫描线间距为2.5μm,扫描速度为300 mm/s时,玻璃表面的金属化可实现全区域覆盖且厚度适中。

喷射成形多孔材料的致密化工艺综述

介绍了6种常用的喷射成形多孔材料致密化工艺,即热挤压、轧制、锻造、热等静压、楔形压制和陶粒压制工艺,重点介绍了各种工艺的原理、特点、优缺点以及针对某些缺点而采取的一些改进措施。发现热挤压、轧制、锻造、热等静压和陶粒压制工艺能单次使喷射成形多孔材料整体成形致密化,而楔形压制是一种通过局部小变形累积以实现整体成形致密化的工艺;楔形压制在致密化喷射成形大尺寸材料方面具有独到的优势。最后,探讨和展望了今后的发展方向。

激光选区熔化成形高强铝合金晶粒细化抑制裂纹研究现状

高强铝合金(2×××,7×××等)因具有比强度高、加工性好等优点而被航空航天、汽车等领域广泛应用。随着大推重比飞行器设计及汽车轻量化技术的发展,轻质结构材料的需求日益增加,同时零部件也面临着“薄壁化、中空化、复合化”的发展趋势,高强铝合金的传统加工方法越来越难以满足要求。近年来,激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)作为一种常见的金属增材制造技术(additive manufacturing,AM)在复杂零部件成形领域受到关注,有望成为进一步拓宽高强铝合金应用领域的新兴技术。然而,SLM成形高强铝合金因易产生周期性热裂纹和粗大柱状晶不良组织等问题而发展缓慢,晶粒细化是克服增材制造高强铝合金这一固有热裂问题的关键所在。本文综述了近年来SLM成形高强铝合金显微组织和力学性能调控等方面的研究进展,归纳了不同体系合金的力学性能,重点阐述了抑制SLM成形高强铝合金中热裂纹形成的主要策略,包括SLM工艺参数优化以及通过微合金化或添加纳米颗粒细化晶粒等方法。指出当前研究存在的主要问题是合金成分的改变对材料综合性能以及热处理制度的影响规律尚不清晰等,并展望了未来的发展趋势,如SLM成形新型高强铝合金成分设计与综合性能评价、利用后处理工艺等手段进一步提升合金综合性能以及专用晶粒细化剂的设计与细化机制探究等。

流动温压成形“十”字形零件及其烧结工艺的研究

传统的粉末冶金方法难以制备复杂零件,最近发展起来的流动温压技术通过增加混合粉末的流动性克服了这一难题。本研究采用常用的水雾化铁基粉末,通过加入适量的粘结剂,利用流动温压技术在约160℃的温度下压制出"十"字形零件,然后分别在1120℃和1300℃进行烧结,并研究了其流动温压成形特性、微观结构及烧结性能。结果表明,利用流动温压技术制备出的"十"字形零件表面光滑且没有明显的收缩或者膨胀现象。本文揭示了流动温压技术在制备复杂粉末冶金零件方面的应用。

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

喷射成形技术在铝合金制备中的应用

介绍了喷射成形技术在超高强铝合金、高比强度和高比模量铝合金、高硅铝合金、低膨胀和耐磨铝合金、耐热铝合金、颗粒增强铝基复合材料制备上的应用。与传统工艺(普通粉末冶金、铸造)相比,喷射成形技术在铝合金的制备上体现了很大的优越性和开发潜力。

激光选区熔化成形含钛6061铝合金的显微组织与力学性能

激光选区熔化(selective laser melting,SLM)成形6061铝合金易形成粗大的柱状晶和热裂纹。采用低能球磨组装修饰法制备TiH_(2)/AA6061铝基复合粉末,采用激光选区熔化技术制备含钛6061铝合金试样,分析不同TiH_(2)添加量对试样显微组织和力学性能的影响。结果表明:添加1%TiH_(2)(质量分数,下同)即可使合金熔池边界形成连续的等轴晶区,平均晶粒尺寸从59.8μm减小到2.53μm,粗大的柱状晶粒和裂纹被抑制,添加1.5%TiH_(2)时,SLM试样的粗大柱状晶组织绝大部分消失。显微组织转变归因于Ti元素增强成分过冷以及原位反应形成L12-Al_(3)Ti形核质点,该质点与铝基体形成共格界面,具有较强的异质形核作用,显著促进Al基体柱状晶向等轴晶转变及晶粒细化。经激光选区熔化成形后,添加1%TiH_(2)的试样抗拉强度为274 MPa,屈服强度为238 MPa,断后伸长率为18%。

激光选区熔化成形TiC/SiC协同增强铝基复合材料的组织性能与强化机制

混杂颗粒增强铝基复合材料通过发挥各增强相的协同作用,提高其综合力学性能,具有单一颗粒增强铝基复合材料所不具备的优势。本文采用激光选区熔化(SLM)技术制备了TiC/SiC混杂颗粒增强AlSi10Mg复合材料。通过EBSD、SEM、TEM和拉伸试验研究了添加TiC、SiC颗粒对复合材料的显微组织和力学性能的影响。结果表明:TiC的加入,使(TiC+SiC)/AlSi10Mg复合材料的组织由粗大柱状晶转变为细小的等轴晶,铝基体平均粒径仅为4.27μm。SiC与铝基体之间发生轻微的界面反应,生成少量棒状的Al4C3和Si,界面结合良好。SLM制备的(TiC+SiC)/AlSi10Mg复合材料具有优良的力学性能,其伸长率和抗拉强度分别为(9.7±0.4)%、(488±8)MPa,与SLM制备的AlSi10Mg合金相比,分别提高了19.8%和22.0%。TiC/SiC混杂增强铝基复合材料强度和塑性的提高是多种强化机制共同作用的结果,为采用SLM成形高性能铝基复合材料及其应用提供技术参考,具有重要的研究意义和应用价值。

激光选区熔化成形TiB2与SiC颗粒混杂增强铝基复合材料的显微组织与力学性能

在AlSi10Mg合金雾化粉末中添加2%纳米TiB2颗粒和1%亚微米SiC颗粒(均为质量分数),通过低能球磨制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末,并采用激光选区熔化(SLM)技术制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料。采用X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)等手段对比研究(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料和AlSi10Mg合金的显微组织,并测定材料的拉伸性能。结果表明,(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末的激光反射率低于AlSi10Mg合金粉末的激光反射率(分别为31%和46%),可在较低激光功率(240 W)下进行激光选区熔化成形制备性能优良的(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料。TiB2和SiC陶瓷增强颗粒均匀分布,无明显团聚,少量TiB2聚集长大至微米级。通过用(TiB2+SiC)颗粒混杂增强,AlSi10Mg合金的平均晶粒尺寸从7.88μm减小至2.48μm,晶粒组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶及少量短棒状晶,抗拉强度由453.1 MPa提高至509.8 MPa,伸长率从7.2%提高至10.6%。

50钢板表面龟裂纹的形成原因与控制

针对50钢200 mm厚连铸坯轧制钢板的严重表面龟裂(发生率7.92%)问题,采用扫描电镜、光谱分析等方法,研究了表面龟裂的形貌、分布、成分等特征。结果表明,表面龟裂随机出现在钢板上,宽度方向上表面龟裂没有固定位置,裂纹深度较浅,两边呈现高亮度组织和氧化原点特征,光谱分析显示裂纹处碳含量比基体高,增碳质量分数0.2%~0.3%。分析认为,连铸过程中铸坯局部增碳,在加热、粗轧过程中热塑性不均匀而导致裂纹及明显的高温氧化特征。根据连铸保护渣增碳机理,优化了结晶器渣线调整模式、铸坯拉速、水口形状、结晶器保护渣成分等连铸工艺参数,有效降低了连铸坯表面局部增碳及钢板龟裂的发生率。

烧结不锈钢丝网多孔板材的冲压成形研究

以烧结不锈钢丝网多孔板为材料,在室温条件下通过胀形试验和筒形拉深试验研究材料的冲压成形性能。胀形试验结果显示,材料的胀形极限随着厚度及直径的增大而增大;厚度为1.4和1.75 mm的多孔板在直径Φ110 mm的冲模下胀形高度达到30 mm未出现破裂,说明材料具有良好的塑性。筒形拉深试验显示,拉深力随板材的厚度、直径的增大而增大,随孔隙率的增大而减小;厚度为1.2 mm时,拉深极限比为1.8。根据塑性力学基本理论,推导了烧结不锈钢丝网多孔板的拉深力预测公式,将理论预测与实际试验数据对比,验证了公式的适用性。研究结果表明,烧结不锈钢丝网多孔材料具有较好的塑性,可进行冷冲压成形,有助于拓展多孔隙功能材料的应用领域。

选区激光熔化成形TiC/TC4复合材料的工艺参数与组织演变研究

钛基复合材料具有高弹性模量、高比强度、高耐磨性和优异的高温耐久性等特点,在航空航天领域有良好的应用前景。采用低能球磨制备了纳米TiC颗粒与TC4的复合粉体,然后使用选区激光熔化(SLM)制备了TiC/TC4钛基复合材料,分析了不同体能量密度(29~97 J/mm^(3))对复合材料成形质量、显微组织、显微硬度的影响,并总结了组织演变机理和TiC演变过程。结果表明,成形该复合材料的最佳体能量密度为50~70 J/mm^(3),在该范围内试样的最高相对密度可达99.7%,显微硬度为385~392 HV。横截面上,显微组织的晶粒呈特殊的双尺寸分布,即由初生β等轴晶和沿其外围生长的不规则共晶区组成;纵截面上,显微组织呈鱼鳞状形貌分布且熔池内存在大量流纹状组织。复合材料中存在未溶TiC(主要分布于初生β晶界附近)、共晶TiC(主要呈链状网络分布于共晶β晶界)以及沉淀析出TiC(主要呈颗粒状分布于晶粒内)。随着体能量密度的增加,链状共晶TiC向棒状转变,晶内TiC尺寸长大。共晶TiC与β-Ti没有取向关系,共晶TiC、沉淀析出TiC与α'-Ti均存在明显取向关系,即{11-20}α'-Ti//{110}TiC。

基于组织特征的挤压铸造A356合金局部力学性能研究

采用基于微观组织特征的有限元分析(FEA),计算了A356挤压铸件不同部位的力学性能。通过不同分析域尺寸、网格尺寸和FEA模型的分析,确定了合适的有限元模型,使用试验拉伸结果对FEA结果进行了验证,探讨了组织特征对性能的影响。结果表明,Si粒子长度和形状因子增大,抗拉强度与伸长率均呈下降趋势;Si粒子的密度和面积分数的增大,抗拉强度提高和伸长率降低;A356合金的损伤演化过程可分为Si粒子断裂(微裂纹的形成)、裂纹的扩展和连接三个阶段;Si粒子小而圆整且分布较均匀时,局部力学性能各向异性小,Si粒子长宽比较大且呈现出明显的方向性时,局部力学性能各向异性加大。