高温铝合金电磁超声检测回波特性及因素分析

针对高温铝合金在线检测条件下，温度对铝合金电磁超声检测回波特性的影响规律尚不明确、高温检测时缺陷定量/定位补偿困难这一难题，以螺旋线圈电磁超声换能器（EMAT）为例，建立了高温铝合金EMAT检测过程的场路耦合有限元模型；研究了温度对EMAT激励/接收换能效率、EMAT激励/接收电路的功率分配特性、超声传播过程中的扩散/介质衰减特性、回波幅值和超声声速等因素的影响规律；研制了耐高温EMAT探头，对20~500℃高温铝合金试样进行了检测实验，并测定了高温铝合金的超声介质衰减系数和超声声速。在仿真和实验相结合的基础上，分析了高温检测时超声回波幅值变化特性及其影响因素。结果表明：对于铝合金这类非铁磁性金属材料，导致高温时超声回波幅值下降的主要原因是超声介质衰减系数随着温度的升高而增大，其次为高温时EMAT激励/接收电路的功率分配特性的改变。在激励EMAT在试样表面形成的洛伦兹力不变的条件下，其所激励的超声波回波幅值具有随着温度的增加而增加的特点，可以有效减缓超声回波幅值下降的趋势。     

冷板流道结构优化及其钎焊技术

针对航天航空领域中集成电子设备出现的热流密度过高所带来的高效散热技术冷板设计问题与结构制造难题,提出了一种流道设计优化与结构钎焊技术。利用Flotherm热仿真分析软件对导流和结构等进行优化,完成了高效率散热结构设计。同时,对设计的窄流道结构带来的焊接质量问题,进行了钎料和焊接压力参数优化。结果表明:与传统S型流道冷板相比,采用片状导流结构和串并联混合结构的冷板热源温度降低了15℃,并将均温性控制在1.2℃以内。采用控制钎料厚度和工装压力的方法,降低了窄筋流道堵塞和焊接变形趋势。     

航天先进轻合金材料及成形技术研究综述

轻合金是现代航天装备轻量化首选材料,高性能轻合金构件制造能力决定了我国航天装备的功能水平与竞争力。为推动先进轻合金材料及成形技术在航天领域的应用,对高性能轻合金材料、铸造、钣金成形、增材制造等技术领域在基础理论、工艺开发、装备研制、工程应用等方面的发展现状进行了梳理,提出了高强耐热铸造镁合金材料、高性能钛铝合金材料、高性能镁合金熔模精密铸造、数字化铸造、旋压成形、超塑成形、钛/铝合金电弧熔丝增材制造等相关技术的后续发展方向。     

航天铝合金深腔零件整体成形预制坯优化设计

提出航天铝合金深腔零件整体成形方法,开展预制坯优化设计。对比分析直筒和变径筒两种预制筒坯结构变形规律,数值模拟研究了底部圆角对开口球形件液压成形的影响规律。以直径D=450 mm的球形整体零件为验证对象,进行底部圆角r=60 mm的变径筒形件的液压成形试验验证。结果表明:直筒坯液压成形时,赤道位置发生破裂;变径筒坯液压成形时,当胀形压力为16 MPa即发生贴模;液压成形时,筒端口自适应补料,所以上半球的壁厚分布均匀;随着底部圆角越大,筒底部减薄越小,筒壁厚越均匀;当底部圆角为r=60 mm时,开口球壳赤道位置壁厚减薄最严重,减薄率为11.1%,球底部减薄率为9.8%,开口球壳上半球壁厚差为0.17 mm,下半球壁厚差为0.43 mm。     

基于断口分析的钛合金轮内部缺陷损伤容限

为进行某轮损伤容限设计,开展了裂纹扩展断口分析和仿真分析研究。由断口分析可知:疲劳源为一处内部自然缺陷;依据疲劳辉纹确定了裂纹扩展速率;在裂纹长度为2 mm附近,裂纹扩展速率明显增大,为第一、第二加载阶段转换区域;裂纹稳定扩展区裂纹长度与裂纹扩展速率呈双对数线性关系;应用列表梯度法和Paris公式法反推了第二加载阶段的疲劳寿命,与该阶段实际循环次数的最大误差是163%。裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展仿真值与断口反推值吻合;非稳定扩展阶段仿真值与断口反推值的最大误差为-215%;基于以上研究,合理确定了某离心轮内部裂纹表面扩展停机检测周期。该类轮非稳定、失稳扩展阶段寿命占内部裂纹表面扩展阶段寿命的比例达248%~357%,因此准确计算具有重要意义。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

2219铝合金搅拌摩擦焊缝Al2Cu相聚集行为特征分析

对2219C10S状态铝合金进行搅拌摩擦焊接试验,发现焊缝中存在聚集物的异常聚集现象,聚集相在X光检测中显示为亮白色聚集物,主要形态分为团块状、线状和指状三种,聚集相处焊缝的力学性能与无聚集相焊缝的力学性能基本相同。各形态聚集相的分布位置受搅拌头焊接影响区域的不同而不同,团块状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝上表面位置处,线状和指状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝根部位置处。对异常聚集相进行能谱分析知,聚集相主要组成元素为Al和Cu,原子百分比近似为2∶1,确定聚集相主要成分为Al2Cu。对聚集相的成因进行分析认为,聚集相的产生主要受搅拌摩擦焊接热输入及搅拌头机械搅拌作用的影响,在焊接过程中,塑态软化金属中的Al2Cu在填补搅拌针后方空腔的过程中出现了聚集行为,随着塑态金属的凝固,聚集行为开始变得缓慢并结束。     

2219铝合金变截面结构搅拌摩擦焊接工艺及组织特性

针对变截面结构产品,提出了一种变截面搭接结构搅拌摩擦焊接方法,通过加装辅助板将整条焊缝焊接方向上补偿为等厚度。焊接采用一次定位焊接+二次定位焊接+正式焊接的工艺方式,一次定位焊为预定位,二次定位焊保证辅助板与试片主体结构之间形成有效连接,正式焊保证形成完整的焊缝。焊缝表面成形良好,超声相控阵检测无超标缺陷。通过对力学性能的分析,变截面搭接结构处焊缝与非搭接处焊缝和常规对接焊缝的力学性能基本相同,平均抗拉强度均达到母材的70%以上,平均延伸率均在5.8%以上。变截面搭接焊缝焊核处晶粒形态为细小的等轴晶,靠近轴肩影响区部分的晶粒尺寸大于靠近焊缝根部的晶粒尺寸,受再结晶影响,焊缝两侧热机影响区处辅助板搭接界面消失。     

7150铝合金热变形行为及微观组织

采用Gleeble热模拟机进行热压缩实验,研究7150铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的变形行为,采用Zener-Hollomon参数法构建合金高温塑性变形本构方程,并对变形后的微观组织进行分析。研究表明:7150铝合金的流变应力随应变速率增大而增大,随变形温度增大而降低。该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程描述,其参数A为4.161×1014s-1,α为0.01956 MPa-1,n为5.14336,热变形激活能Q为229.7531k J/mol。随着温度升高和应变速率降低,动态再结晶逐渐取代动态回复成为合金的主要软化机制。     

焊后时效处理对2219铝合金VPTIG接头微区组织和显微硬度的影响

研究了不同温度焊后时效处理对2219铝合金变极性钨极氩弧焊(VPTIG)接头各微区显微组织的影响,采用显微硬度测试和透射电镜观察分析焊接接头各微区析出相的形貌和分布。结果表明,焊后时效处理温度不同,焊接接头各微区显微组织和硬度发生的变化不同。热影响区中的完全回复区对焊后时效最为敏感,低温处理时显微硬度就有明显增长,并在160℃处理时达到最大涨幅;焊缝区变化相对较小,其显微硬度的最高涨幅出现在210℃,且小于前者;热影响区中的过时效区最为稳定,显微硬度的最大增长同样出现在160℃,但涨幅很小。透射电镜观察表明,焊接接头各微区的显微硬度变化主要与时效强化相的析出行为有关。