2195铝锂合金搅拌摩擦增材制造成形与性能研究

搅拌摩擦增材制造作为一种新型固相增材制造技术,能够有效避免高强铝锂合金元素烧损的同时获得高性能增材构件。本文提出自限位搅拌摩擦增材制造方法,以铝锂合金带材为原料制备多层增材结构件。结果表明,搅拌摩擦增材区内材料流动充分,层间冶金结合良好。增材层晶粒尺寸和沉淀相分布主要受热–机械效应影响,搅拌道次越少的区域,热机效应小,沉淀相越多,硬度越高。单层增材厚度1 mm,增材速率达200 mm/min,增材区硬度最高为126.8HV,达到2195–T8铝锂合金的79.3%。同时,由于部分Cu元素固溶于增材区,搅拌摩擦固相增材区的耐腐蚀性能优于母材。     

超薄GH738板材激光微焊接接头的组织性能

采用脉冲微激光对厚度为0.2mm的GH738高温合金进行对接焊。工艺参数适当时,焊缝成形良好,试验最优工艺参数为:功率14.4W、脉冲宽度4.0ms、脉冲频率6.0Hz,接头抗拉强度983MPa,达到母材抗拉强度的94.7%。利用光学显微镜、扫描电镜、电子精密拉伸机等分析测试手段,对接头的金相组织和性能进行了测试分析。结果表明,焊缝组织显著细化,焊缝中心和熔合线附近上端、下端区域为等轴晶,熔合线中端区域为胞状向柱状生长转变,细晶区分布在焊缝表层。焊缝中心显微硬度与母材相比变化不大,熔合区前沿微观偏析导致熔合区硬度升高。     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

工艺参数对铝合金摩擦挤压增材组织及性能的影响

采用6061-T651铝合金圆棒进行摩擦挤压增材制造(friction extrusion additive manufacturing,FEAM)工艺实验研究,探讨和分析不同主轴转速对单道双层增材试样的增材成形、组织特征和力学性能的影响规律。结果表明:对给定横向移动速度300 mm/min,采用主轴转速为600 r/min和800 r/min均能获得完全致密无任何内部缺陷、厚度分别为2 mm和4 mm的单道双层增材试样,增材整体由细小等轴晶粒组成,增材层间实现冶金连接;800 r/min下工具轴肩的摩擦挤压作用降低,增材层间结合界面呈平直状,塑化金属流动不充分,沉积层宽度较窄、表面成形更粗糙;600 r/min下结合界面经历的塑性变形和热循环更为显著,晶粒细化至6.0μm,但增材界面区软化程度较严重,硬度仅为增材棒料母材的52.7%~56.2%,而800 r/min下界面区的硬度能够达到母材的56.0%~61.3%;在600 r/min和800 r/min下,增材试样均具有优良的综合力学性能,抗拉强度分别达到增材棒料母材6061-T651的66%和70%,而断后伸长率明显较高,分别为母材的212%和169%;与目前其他增材工艺力学性能比较均具有明显的优势。     

铝合金激光增材制造支撑布局及精确成形机制

航空航天领域复杂金属构件在激光增材制造过程中大多需添加支撑结构，尤以块状支撑结构应用最广泛。合理确定支撑间距及悬垂面后处理加工余量，对于激光精确成形至关重要。研究了支撑间距对选区激光熔化成形AlSi10Mg材料致密度、表面形貌、显微组织、硬度的影响规律，并通过数值模拟的方法揭示了支撑结构对成形性的影响机理。研究表明，不同支撑间距试样的平均致密度变化范围为96.7%～97.3%,当支撑间距小于1 mm时，去除支撑后试样下表面粗糙度稳定为约0.28 mm。成形试样底层受支撑结构影响可分为缺陷区、过渡区、致密区，在支撑间距为1 mm以下时，缺陷区厚度保持在约456μm。缺陷区的网状Si较粗大且稀疏，硬度为90 HV_0.1;致密区的网状Si较细小且密集，硬度为115 HV_0.1。支撑结构能有效阻止金属熔体侵入下层粉末，使熔池维持正常形态（最大长度为190μm,最大宽度为100μm）,有利于熔道内金属粉末充分熔化，保证成形性。激光增材制造铝合金复杂构件时设定最优支撑间距为1 mm可减少材料浪费和加工时长，设定悬垂面加工余量为456μm可在后处理中将缺陷...     

激光精细表面制造工艺研究及应用:清洗与抛光

介绍了激光精细表面制造中的两类关键技术——激光清洗和激光抛光,以及其在提高结构材料表面质量和性能表现中的研究和应用。采用激光清洗技术去除铝合金表面氧化层,清洗表面氧含量显著降低,从而明显提高铝合金焊缝质量,避免熔合区气孔形成;通过激光抛光技术对增材成形钛合金构件进行抛光,可将表面粗糙度由5μm以上降低到1μm以下,同时激光抛光钛合金表面发生相变,使表面硬度和耐磨性得到显著提高。最后,进一步讨论激光清洗和抛光复合技术处理Ni-Ti形状记忆合金(SMA)表面的可行性。     

焊接方式对铝合金搅拌摩擦焊T 型接头性能的影响

采用4种规格的搅拌头进行了2A70-T6铝合金T型接头搅拌摩擦焊试验,并对焊缝横截面进行了观察以及焊缝抗拉强度的测试.结果表明:焊缝中前进侧熔合过渡区的金属变形比返回侧剧烈,焊缝断裂往往发生在前进侧;在相同的焊接参数下,单道焊缝的焊核宽度与抗拉强度随着搅拌针直径的增大而增大,但增大的幅度较小,并列焊的焊缝抗拉强度仅为单道焊缝的93％左右;为了获取相同宽度的焊核,采用加粗搅拌针单道焊比并列焊更具有优势.     

金属橡胶用异型不锈钢微丝轧制成形对组织性能的影响规律研究

采用光学显微镜、三维视频显微系统、扫描电镜、X射线衍射、有限元仿真模拟等技术,研究了金属橡胶构件以不同轧制率度冷轧以及410～1270℃热轧异型小锈钢微丝的微观组织结构和力学性能的变化规律.实验结果表明,φ0.4mm的原材料冷拉拔不锈钢微丝中形变马氏体含量为82.1%,经冷轧成形后有所增加,经热轧后则有不同程度的减小.轧制成形异型不锈钢微丝内部存在的微孔体积分数比轧制前有所减小,尤其是在固定轧制速率下随轧制温度的降低而减小.冷轧成形异型不锈钢微丝的抗拉强度高达1374～1553MPa,硬度为402～510 HV.若轧制率一定,异型不锈钢微丝的抗拉强度和硬度随轧制温度的升高而降低,延伸率随之增大.模拟结果表明,异型不锈钢微丝轧制成形后截面的变形区域为49.8%.     

Q235钢板表面TIG法熔覆铜接头的组织和力学性能

采用TIG堆焊方法在Q235钢板上堆焊铜合金。通过光学显微镜、扫描电镜观察了接头界面的组织形貌,分析了焊接工艺对铜合金层中泛铁量的影响;通过显微硬度计对堆焊接头的硬度分布以及焊接工艺对显微硬度的影响进行了分析。结果表明:铜合金层和界面的成分发生了变化,发现基体元素向铜合金层中熔解产生不同形状的泛铁相;堆焊层硬度由于微观组织的不均匀性和Fe元素的含量及分布具有很大的波动,平均显微硬度随焊接热输入的增加而增大。     

不锈钢与6061铝合金旋转摩擦焊接接头组织与力学性能

采用旋转摩擦焊接技术进行了1Cr18Ni9Ti不锈钢与6061铝合金的焊接,分析不同工艺参数下钢铝旋转摩擦焊接头的焊缝成形、显微组织和力学性能。结果表明,不锈钢与铝合金的连接界面发生元素扩散并形成一定厚度的结合层,提高旋转速度能够增加结合层的厚度,随着顶锻力的提高,结合层的厚度先增加后减小。钢铝界面处的铝合金晶粒发生拉长变形,出现晶粒细化现象。靠近接头界面处硬度相对较高,接头拉伸强度随着旋转速度和顶锻力的提高先增加后下降,在旋转速度为600 r/min,顶锻力为3.8 kN时获得1Cr18Ni9Ti不锈钢与6061铝合金接头抗拉强度值最高为262 MPa。断裂位置主要位于钢铝连接界面,部分位于铝合金侧,焊接断口存在小而浅的韧窝。     

AA2024铝合金搅拌摩擦焊接头特性研究

对6 mm厚AA2024-T4铝合金搅拌摩擦焊接头特性进行了研究。通过拉伸试验,得到了应力-应变曲线。用光学显微镜、显微硬度仪以及扫描电镜对焊接接头进行了金相分析、硬度测试以及断口分析。结果表明：试件断裂属于韧性断裂;断裂发生在前进侧热机影响区/热影响区的过渡区;当搅拌头转速为800 r/min,焊接速度为100 mm...     

激光熔化沉积GH163/Rene95镍基双合金材料研究

为满足零件不同部位的不同性能要求,采用激光熔化沉积方法制备出GH163/Rene95镍基双合金材料薄壁,着重分析了所沉积材料的微观组织及双合金的界面特征。结果表明,激光熔化沉积镍基合金沿沉积高度方向呈外延生长的定向凝固组织;在双合金界面处,枝晶亦呈外延生长,没有明显的界面;显微硬度测试表明,在双合金界面处,过渡区硬度呈连续变化;GH163/Rene95镍基双合金的界面结合强度高于GH163的强度,沉积态GH163合金的室温抗拉强度在800MPa左右。     

热等静压对电子束成形AerMet100钢性能的影响

针对电子束增材制造技术成形的Aer Met100钢,研究了热等静压工艺与拉伸性能的关系。利用光学显微镜对其内部组织进行观察,利用万能试验机测试了其室温拉伸性能。结果表明:均匀化退火与热等静压对电子束成形Aer Met100钢的室温抗拉强度有明显改善;930℃热处理后的试样的抗拉强度高于1000℃热处理试样的抗拉强度,但屈服强度略低;均匀化退火与热等静压处理对材料塑性的改善不明显,但可降低成形件抗拉性能的各向异性。     

激光增材制造TC4/TC11钛合金梯度结构温度场预测与显微组织分析

使用激光增材制造技术制备TC4/TC11钛合金梯度材料典型沉积试样,测量沉积过程中3个特征位置的温度历程,并对沉积试样进行显微组织观察。建立了激光增材制造TC4/TC11梯度材料结构温度场预测有限元模型。有限元模型的温度场计算结果与试验结果吻合较好,同时有限元模型所计算的Tβ温度转变线位置与试样显微组织中观察得到的结果一致。显微组织观察结果表明,试样中无缺陷,顶部为等轴晶区域,从增材底部到等轴晶区域之间存在贯穿整个增材区域的柱状晶;在Tβ温度转变线两侧微观组织有明显不同:最后一层增材过程中,温度超过Tβ的组织冷却后为超细α+β网篮组织,温度未达到Tβ的组织冷却后为带有大量α集束的α+β网篮组织;在设计界面(材料组分变化位置)处组织连续、无突变。     

TiB2颗粒诱导AlSi5电弧增材微观组织演变及性能研究

铝合金的电弧增材制造过程中因持续热积累而引起组织分布不均匀和溶质偏析,导致其性能各向异性。针对这一问题,设计了TiB₂纳米颗粒添加铝合金的钨极氩弧(Tungsten inert gas,TIG)增材制造工艺。在电弧增材制造过程中,通过表面预涂层的方式将纳米TiB₂颗粒添加到试样中,对比研究了纳米TiB₂颗粒不同质量分数对AlSi5合金微观组织的影响。结果表明,随着TiB₂质量分数的增加,AlSi5合金的微观组织不均匀性得到明显改善,1.5%TiB₂的添加使AlSi5合金的晶粒尺寸从226μm减小到85.6μm,且引起(110)和(112)基面上的织构明显减弱,最大取向密度呈下降的趋势;与无颗粒添加的AlSi5增材试样相比,颗粒添加后的沉积层硬度与弹性模量均得到显著提高,硬度值从879MPa增加到1253MPa,弹性模量从81.9GPa增加到88.3GPa。     

2Cr16Ni2MoN不锈钢组织与性能研究

通过拉伸测试、冲击测试、硬度测试、透射电镜及扫描电镜观察分析等手段研究了不同热处理状态下2Cr16Ni2MoN不锈钢的组织与性能.研究结果表明,钢采用低于1000℃的固溶温度,组织中存在未溶的(Cr,Mo)23C6,当固溶温度高于1100℃时,马氏体板条明显粗化,均对钢的力学性能不利,钢比较适宜的固溶温度为1040℃.该钢时效硬化的主要原因是组织中析出与基体共格的(Cr,Fe,Mo)2C碳化物.钢经1040℃固溶,560℃时效可以获得较好的强度与韧性配合.     

稀土改性高强铝微桁架激光增材制造工艺调控

微桁架夹芯板点阵轻量化结构在航空航天领域有重要应用,选区激光熔化（SLM）增材制造技术可克服传统工艺局限性,高质量一体化成形复杂点阵结构。以稀土Sc改性高强Al-Mg合金为对象,采用SLM工艺对其进行工艺优化试验,并基于优化结果对微桁架夹芯板开展一体化成形工艺调控研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面质量、冶金缺陷等随激光参数发生显著变化,在激光功率400 W、扫描速度800 mm/s的条件下获得较高表面质量（粗糙度为13.2 μm）及致密度（相对密度为99.5%）。当扫描速度较低时试件熔池底部形成一次Al₃Sc析出相,而当扫描速度过高时因凝固速度过快析出相减少,导致试件显微硬度降低。在优化工艺区间内,随激光扫描速度增加SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夹芯板粘粉比例下降,构件质量随之减轻;水平方向构件尺寸精度、桁架微杆成形精度均随扫描速度增加而增加。     

不锈钢在甘油体系中等离子体电解渗碳层特性研究

以甘油+20%水溶液为电解液,利用液相等离子体电解渗技术在AISI304不锈钢表面成功实现了快速渗碳。分析了渗碳层的组织结构,并评估了渗碳层与GCr15钢球对磨时摩擦学行为。结果表明,经过3min/350 V等离子体电解渗处理,渗碳层深度达到85μm,最大显微硬度达到762 HV0.02。干摩擦条件下,渗碳层的磨损率比不锈钢基体降低了一个数量级。     

13Cr4Mo4Ni4VA钢复合化学热处理过程渗层组织性能演变

对13Cr4Mo4Ni4VA钢进行了表层复合化学热处理,即在渗碳硬化层的基础上再进行渗氮处理,形成复合硬化层.采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EMPA)及显微硬度梯度测试等方法对复合化学热处理过程组织性能的演变规律进行探索研究.结果表明,13Cr4Mo4Ni4VA钢在复合化学...     

多孔氧化锆陶瓷光固化工艺及压缩性能研究

在传统陶瓷成型工艺中,制备具有复杂多孔结构的高性能陶瓷样件向来是一大难点,随着增材制造技术的引入,对于所成型样件结构的限制大大减少,但如何利用增材技术实现多孔样件的稳定制备是关键问题。针对光固化陶瓷增材成型这一制备工艺,进行了成型以及烧结过程工艺参数的研究与优化,结果表明,对于面投影式光固化陶瓷成型适用的曝光时间为5s、成型层厚为30μm、烧结温度为1480℃,利用该参数可成型具有规则多孔单元的氧化锆结构,其显微硬度及致密度分别为13.91GPa以及95%。利用工业CT模型重建,并与理论模型比对,发现多孔样件在宏观尺度上均匀;而利用压缩测试与有限元仿真对照,静态应力分布、弹性阶段动态压缩结果以及断口微观形貌均表明多孔样件在压缩性能上已达到其理论强度。通过光固化成型高性能多孔氧化锆样件,可为航空领域中轻量化设计提供新的选择。