三维四向碳/碳预制件微孔板压实致密关键技术

为解决手工编织三维四向碳/碳复合材料预制件层间致密不一致的问题,基于预制件成型技术,建立碳纤维铺放高度与纤维体积含量映射关系,设计等距密排微孔板并提出适用于微孔板的加工工艺;同时为保证预制件压实致密过程中纤维流动性好,采用纤维压缩理论,对等距密排微孔板结构进行优化以降低预制件孔隙率。基于位移-压力双闭环控制策略,研制数字化压实装置,实现预制件密度在线动态调控与无损压纱,保证层间密度一致。为验证压实致密关键技术可行性,进行等距密排微孔板压实实验并对预制件进行形貌观测,结果显示采用优化后等距密排微孔板压实的预制件均匀性更好,较优化前等距密排微孔板压实的预制件孔隙率降低50%。

铝/镁异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展

汽车轻量化是实现燃油汽车节能减排、新能源汽车增程降耗的有效手段,已成为汽车工业可持续发展的必经之路。多材料混合车身在兼顾安全与成本的基础上,通过轻质材料和先进制造工艺的合理使用来降低车重,是目前汽车轻量化的主流研究方向之一。作为铝、镁资源大国,发展铝-镁混合车身结构及相应的连接技术是符合我国国情的汽车轻量化解决路径。然而,氩弧焊、电阻焊、高能束焊等熔焊技术难以制备高质量铝/镁异质接头,液态焊材剧烈反应在连接界面处形成的粗大晶粒和Al-Mg金属间化合物极易造成接头发生组织恶化、性能下降等问题。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是一种新型固相焊接技术,其通过搅拌头产生的摩擦热促进金属材料的塑性变形以提高其互相混合程度,从而实现焊材的连接,在铝、镁异种合金的连接方面具有广阔的应用前景,被誉为"焊接史上的第二次革命"。本文从接头成形过程与微观组织、焊接工艺对接头性能的影响、接头性能的改善方法三个方面总结了铝/镁异种合金FSW技术的研究进展,针对搅拌头结构优化、超声振动辅助FSW、添加中间层或钎料、复合焊接技术等接头性能改善的最新研究结果,展望了常规和改型FSW技术未来的重点研究方向,旨在为铝、镁异种合金的连接及高质量铝/镁异质接头的设计与制备提供参考。

三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证

针对三维四向碳/碳复合材料力学性能预测问题,基于参数传递多尺度分析方法建立微结构模型,并结合细观力学方法实现了基本力学性能的预测。首先在微观尺度采用随机扰动算法构造出纱线体积代表单元(RVE)模型,预测得到纤维束有效性能参数。同时,采用观察试验法构建三维四向碳/碳复合材料细观RVE模型。最后通过均匀化理论准确预测了复合材料弹性性能参数,并讨论了纱线填充因子对三维四向碳/碳复合材料弹性性能参数的影响,开展了相关试验。结果表明:建立的多尺度有限元模型的拉伸模拟预测结果与试验结果误差在5.5%左右;复合材料弹性性能参数对纱线填充因子的敏感度各不相同。

固溶与固溶时效热处理对Ti-6Al-4V合金微观组织及力学性能的影响

通过对Ti-6A1-4V钛合金螺栓紧固件的热处理实验,比较分析了固溶及固溶时效热处理对Ti-6A1-4V紧固件的微观组织分布的影响,并通过显微硬度计得到了螺栓紧固件各个位置的显微硬度分布。实验结果表明:Ti-6A1-4V螺栓经过固溶处理后,初生α组织的数量与尺寸减少而针状α组织的数量增多,并且初生α组织出现了即将溶解的状态。经过固溶时效热处理后,等轴状的初生α相组织变成了大晶粒β相的片层组织,组织分布较为均匀。固溶时效件试样的硬度分布更为均匀,固溶时效可以有效地提高螺栓的硬度,从而达到材料的使用要求。

高性能镁合金增材制造技术研究进展

镁合金在航空航天、轨道交通、新能源、生物医用等领域具有广阔应用前景,增材制造技术(Additivemanufacturing)的发展为成形复杂结构的高性能镁合金构件提供了可能。然而,镁合金熔沸点低、蒸气压高、氧化性强的特点易使增材制造构件内部形成孔隙、裂纹、夹杂物等缺陷,导致增材制造镁合金的应用水平远远落后于高温合金、铝合金、钛合金等材料,开发适用于镁合金的增材制造技术并通过材料改性与工艺优化减少冶金缺陷是突破增材制造镁合金应用瓶颈的关键。镁合金增材制造技术主要有激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)、电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)以及搅拌摩擦增材制造(Friction stir additive manufacturing,FSAM)和搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)。通过归纳梳理镁合金增材制造技术的研究现状与技术进展,总结了镁合金在不同增材制造技术成形过程中的数值模拟研究结果,对比分析了不同增材制造技术关键工艺参数对镁合金构件组织结构和力学性能的影响,并对镁合金增材制造技术未来的研究重点进行了展望。

三维四向碳/碳复合材料预制体压实致密多影响因素分析与研究

为提高预制体纤维体积含量,基于三维四向碳/碳复合材料预制体成型工艺,设计正交试验分析每循环压实次数、保压时间和助剂含量对纤维体积含量的影响规律,结果显示助剂含量对最终纤维体积含量影响最大,每循环压实次数影响次之,保压时间影响最小;纤维体积含量随助剂含量的增加先增大后降低,随保压时间及每循环压实次数的增加而增大。通过设计BBD响应面优化试验,建立相应纤维体积含量数学模型并验证了模型的可靠性,进而优化工艺参数并进行了试验验证。结果表明:每循环压实3次,保压7 s,两束含助剂纤维为最优压实工艺参数。在最优参数下编织的预制体最终纤维体积含量与预测值仅相差0.24%,与原工艺参数相比提高4.54%。最后通过显微观测发现最优参数下所编织的预制体更加密实。

基于多维度建模的碳/碳软硬混编预制体孔隙分析与单胞模型

为探究碳/碳软硬混编预制体在压实过程初始和最终密实2个阶段中孔隙分布及变化,解决成型后孔隙率无法预测的问题。基于碳/碳软硬混编预制体成型工艺构建一种三维四向孔隙模型,在无压缩载荷和施加压缩载荷2种工况下,从单胞模型的xoy平面和xoz平面2个维度、4个方向观测孔隙;从介观和微观2个尺度研究载荷下纤维形态与截面形状变化对单胞孔隙的影响,建立了纤维尺寸截面变化与孔隙率映射关系,提出影响孔隙率的尺寸系数,使预制体最终孔隙率具有可设计性;通过单胞孔隙模型计算得到预制体在压实阶段最小孔隙率。利用万能拉伸试验机对不同尺寸的预制体进行压实致密实验,得到不同尺寸预制体所受压缩载荷与高度变化曲线,揭示了预制体高度与孔隙率的关系并得到压实致密阶段最小孔隙率。实验结果表明最小孔隙率与理论模型误差小于3%,验证了软硬混编单胞孔隙模型表征预制体孔隙率的正确性。

PH13-8Mo不锈钢冷滚压螺纹参数对金相折叠的影响

滚压螺纹方法因其可以提高螺纹的硬度和螺栓的抗疲劳强度从而得到了广泛应用。但是此方法会引起滚压螺纹金相折叠等缺陷。在不同的滚丝轮转速和进给量下对PH13-8Mo航空用不锈钢进行滚压螺纹实验,探究不同的滚丝轮转速和进给量对于螺纹不同位置处金相折叠的影响规律并分析金相折叠机理。研究发现,牙顶折叠主要受滚丝轮进给量的影响,牙底折叠主要受滚丝轮转速的影响,牙侧中径以上位置的折叠受滚丝轮转速和进给量的共同影响;牙顶的折叠主要由于靠近滚丝轮牙侧的工件材料与螺纹中间部位的工件材料塑性流动能力不同造成,牙底和牙侧的折叠主要是由于工件材料与滚丝轮之间的摩擦发生改变从而引起相对滑动导致工件材料出现堆积并被挤压造成。该研究为PH13-8Mo不锈钢冷滚压螺纹的加工生产提供了一定的理论指导。

SiCp/Al复合材料厚板皮秒激光制孔重铸层影响研究

为了探究激光加工高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料厚板的成孔特征,采用激光旋切法对厚度为4mm的SiCp/Al复合材料进行直径为1mm的制孔实验,分析紫外皮秒激光制孔中重铸层及其表面裂纹的形成机理,获得了关键激光加工参数(激光功率百分比和扫描速率)对孔重铸层的影响规律。结果表明,SiCp/Al复合材料厚板皮秒激光加工中存在百微米级别的重铸层,重铸层厚度不随激光功率的增加而单调变化,在100%的激光功率下厚度最小,其值为99.5μm;而随激光扫描速率的增加而增加,在100mm/s的扫描速率下厚度最小,其值为71.2μm;厚板紫外皮秒激光加工SiCp/Al复合材料的重铸层呈现“月牙型”的弧状形貌特征,同时重铸层表面显著存在横向和纵向等多种裂纹。该研究为实现SiCp/Al复合材料皮秒激光低损伤微小孔加工提供了一定的理论指导。

TC16钛合金冷滚压外螺纹微观组织及性能研究

滚压螺纹技术因其低成本、高效率、高材料利用率等优势在工业界中得到了广泛应用。本文利用扫描电子显微镜和显微硬度计对使用立式和卧式冷滚压方法得到的TC16钛合金外螺纹螺栓进行了实验观察和分析。研究了立式和卧式滚压螺纹的微观组织及性能。获得了TC16钛合金螺栓滚压螺纹时螺纹不同位置微观组织的变形规律,探究了牙顶折叠的形成机理。实验结果表明,在TC16钛合金螺栓滚压螺纹过程中,晶粒被挤压变形,且排布更加紧密,形成了一定厚度的变形层,同时出现了加工硬化现象。螺纹各个位置显微硬化程度大小依次为:牙底>牙根>牙侧>牙顶。牙底曲率的增加会引起牙底变形层的厚度和晶粒流线的曲率也相应增加。滚丝轮单个螺纹牙两侧的不同摩擦力造成了螺栓牙顶折叠的现象。本研究为TC16钛合金冷滚压外螺纹工艺提供了一定的理论指导。

单边双针双线缝合头设计与分析

为实现对复合材料预制体的单边缝合,提高生产效率和产品质量一致性,基于单边双针双线缝合工艺,设计一种单边双针双线缝合头。该缝合头能够在复合材料预制体的一侧实现变角度缝合,增大缝合预制体厚度,提高预制体的抗切应力;它采用双电机驱动,具有摆动插刺机构以及同步传动机构等相关结构设计。在Pro/E中对缝合头进行总体设计与装配,并在Workbench中对缝合针进行强度校核。最后,对单边双针双线缝合头进行装配。