大尺寸噴射沉積鋁合金管坯的制備及楔壓致密化研究.pdf

1、噴射沉積技術(shù)在制備大尺寸高性能材料方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性,但沉積坯中含有一定的孔隙度使直接應(yīng)用受到限制,須經(jīng)適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)致密化加工才能體現(xiàn)其優(yōu)異性能。目前由于受到設(shè)備噸位及成本的制約,對(duì)大尺寸噴射沉積坯件的塑性成形難以實(shí)現(xiàn)。因此,立足于工程實(shí)際需要,探索此類多孔坯實(shí)用可行的致密化方法,對(duì)解決大尺寸快速凝固結(jié)構(gòu)材料的制備與后續(xù)塑性加工等難題乃至噴射沉積技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有十分重要的意義。本論文結(jié)合“十五”科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目,采用噴射沉積技術(shù)制備

2、大尺寸鋁合金8009Al、8009Al/SiCp和A356管坯;輔以熱/力模擬實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬等手段研究熱變形工藝參數(shù)對(duì)管坯組織與性能及其致密化過(guò)程的影響;首次采用大尺寸噴射沉積管坯楔形壓制新工藝,從工藝原理、致密化機(jī)制及壓制力等方面系統(tǒng)地研究大尺寸噴射沉積管坯的楔壓變形與致密化規(guī)律。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　 (1)通過(guò)多層噴射沉積技術(shù)研究了大尺寸鋁合金8009Al、8009Al/SiCp和A356管坯的制備工藝,分析

3、了主要工藝參數(shù)對(duì)管坯組織和性能的影響,得到優(yōu)化的工藝參數(shù):霧化氣體N2壓力0.7～0.85MPa,噴射高度200～240mm,SiCp輸送壓力～0.5MPa;對(duì)于8009Al和A356,熔體液流直徑分別為3.4～3.8mm和3.2～3.6mm;熔體過(guò)熱度250～300℃;基體轉(zhuǎn)速20～60 r-min-1;霧化器掃描周期30～50s。在此基礎(chǔ)上成功制備出尺寸為φouter350mm×φinner280mm×600mm的8009Al及其復(fù)

4、合材料管坯,其晶粒尺寸為0.3～1μm,復(fù)合材料中SiCp分布均勻;A356管坯尺寸為φouter820mm×φinner760mm×550mm,晶粒尺寸為4～5μm。管坯形狀規(guī)整,致密度～83％-88％,為后續(xù)致密化加工研究提供了合適的材料。
　　 (2)通過(guò)Gleeble-1500熱/力模擬試驗(yàn)研究了噴射共沉積8009Al/SiCp復(fù)合材料的熱壓縮流變行為,結(jié)合對(duì)顯微組織的分析,研究了該材料高溫塑性變形致密化及材料變形中的強(qiáng)

5、/軟化機(jī)制:復(fù)合材料的變形強(qiáng)化包括因致密化引起的增強(qiáng)和基體金屬加工硬化以及SiCp增強(qiáng)作用;動(dòng)態(tài)回復(fù)是基體軟化的主要方式;道次間保溫階段的軟化程度與溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。分析了變形量、溫度等參數(shù)對(duì)多孔材料致密化效果的影響,并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該致密化過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,理論預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果三者有較好的一致,為合理制定噴射沉積管坯的后續(xù)致密化加工提供了必要的材料數(shù)據(jù)和工藝依據(jù)。
　　 (3)基于多道次局部小變形累積致整體成

6、形的思路,采用一種新穎的大尺寸噴射沉積管坯致密化加工方法一楔形壓制工藝。從工藝原理、工藝參數(shù)、楔壓過(guò)程中多孔坯微觀組織的演變、致密化過(guò)程及壓制力等方面,結(jié)合有限元數(shù)值模擬研究了噴射沉積多孔管坯的楔壓變形與致密化規(guī)律。通過(guò)該工藝在較小噸位壓力機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)φ300mm的8009Al及其SiCp增強(qiáng)復(fù)合材料管坯的致密化加工,得到的管坯形狀規(guī)整,致密度和成形性能有效改善。
　　 8009Al的適宜熱加工溫度為460～480℃,以利于

7、降低變形抗力并保持材料的快凝組織特征和優(yōu)異的力學(xué)性能;道次壓下量應(yīng)兼顧加工效率和管坯的形狀及表面質(zhì)量:管坯楔壓初期,道次壓下量宜在10％左右,管坯基本致密后可適當(dāng)提高但不應(yīng)超過(guò)20％,同時(shí)壓制步進(jìn)量應(yīng)小于楔形壓頭施壓面寬度。
　　 變形程度30％前,管坯經(jīng)歷了較快的致密化過(guò)程;增強(qiáng)顆粒對(duì)管坯楔壓中的致密化過(guò)程產(chǎn)生影響:SiCp的局部團(tuán)聚并增加孔隙使復(fù)合材料管坯的致密化速率在楔壓后期較未增強(qiáng)材料緩慢。楔壓工藝的主要目的是消除/減少

8、孔洞,楔壓過(guò)程中管壁的剪切流動(dòng)不如擠壓或軋制充分,SiCp的局部團(tuán)聚使復(fù)合材料的力學(xué)性能低于未增強(qiáng)材料,但致密后其可加工性提高。
　　 管坯楔壓過(guò)程近似平面應(yīng)變,其結(jié)果是管壁變薄,孔隙度減小,伴隨著擴(kuò)徑與較小的軸向伸展。楔壓初期的摩擦與致密化引起變形區(qū)壁厚方向的密度差異,這種差異隨變形過(guò)程的繼續(xù)而減小。
　　 在管坯外表面包覆可塑性包套有利于保持管坯整體溫度的均勻,并適當(dāng)增加壓制中的靜水壓力,促進(jìn)管坯變形均勻和致密化,改

9、善了噴射沉積低塑性難變形多孔管坯楔壓中的可加工性。
　　 (4)對(duì)尺寸達(dá)φ800mm的噴射沉積A356合金管坯楔壓致密化加工結(jié)果進(jìn)一步表明,楔壓工藝在大尺寸噴射沉積管坯的后續(xù)致密化方面有較好的實(shí)用性;噴射沉積A356合金的最佳熱處理工藝參數(shù)為:538℃固溶3h,160℃時(shí)效10h;熱處理后合金中的Si球化且其它第二相無(wú)明顯長(zhǎng)大;良好的力學(xué)性能得益于孔隙等缺陷的有效消除、噴射沉積細(xì)晶組織、時(shí)效強(qiáng)化、Si顆粒的球化及其顆粒增強(qiáng)效應(yīng);