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。     

基于ProCAST的镁合金惯组支架砂型铸造工艺研究

为实现镁合金惯组支架的高效率、高质量研制,使用ProCAST软件仿真优化ZM5镁合金惯组支架铸造工艺。通过对充型、凝固过程进行分析,发现铸件内部的3条薄壁筋板易出现浇不足、冷隔缺陷,圆弧面内侧厚壁筋条易出现缩孔、缩松等缺陷。经过优化设计,通过采取增加薄壁筋板厚度、调整内浇道位置、改变厚壁筋板上侧冒口结构等措施,较好地避免了上述铸造缺陷的产生,获得了合格的支架铸件。数值模拟仿真技术可应用于绝大多数航天构件的铸造过程分析,实现构件快速研制。     

ZM5镁合金阻燃与中间合金变质细化行为研究

采用光学显微镜等研究了Ca、Ce、Y阻燃元素,以及Al-8Ti-2C和Al-4C中间合金对ZM5合金显微组织及力学性能的影响。结果表明:复合添加阻燃元素比单独添加更有利于提高ZM5合金阻燃性能,复合添加0.5%Ce和0.5%Y时,合金燃点提高70℃;单独添加0.5%的Ca时,合金晶粒得到细化;同时添加0.5%的Ca和Al-4C中间合金时,ZM5合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到245 MPa、96 MPa和9.5%。     

TC4钛合金舵面扩散焊有限元模拟及工艺研究

运用有限元软件ANSYS对TC4钛合金舵面真空扩散焊过程进行模拟,建立了三维热-结构耦合模型,计算焊接过程中应力应变分布。通过比较得出:在温度930℃,保温100min,压力3.5MPa条件下焊接效果最好。并采用此工艺参数开展了钛合金舵面整体成形研究,通过微观金相组织及扫描能谱分析。结果表明:焊接界面成形良好,界面物相组织均匀分布,而且在焊接过程中保持了母材本身性质,满足技术要求,大幅度减少实验试错次数、缩短型号研制周期。     

碳纤维增强莫来石复合材料的制备与性能研究

为解决传统溶胶制备的碳纤维增强莫来石复合材料致密化效率低、制备周期长、性能不理想等缺陷,以碳纤维布叠层缝合预制件为增强体,以符合莫来石化学计量比的Al2O3-SiO2溶胶为原料,通过浸渍-干燥-热处理技术路线制备C/Mullite复合材料。研究了Al2O3-SiO2溶胶的烧结收缩与莫来石化行为,对复合材料工艺进行了初步优化,表征了氧乙炔焰烧蚀性能。所用Al2O3-SiO2溶胶的固含量30.7%,陶瓷产率18.3%,经1 300℃热处理后,莫来石化基本完成,且表现出明显的烧结收缩。形成了能避免碳纤维布分层开裂的复合工艺路线。获得了四点弯曲强度和断裂韧性分别为210.6 MPa,11.2 MPa·m1/2的C/Mullite复合材料。在氧乙炔焰烧蚀中,莫来石基体分解生成Al2O3和SiO2,在热流和机械冲刷作用下,大量SiO2流失,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.049g/s,0.12mm/s。     

高强耐热稀土镁合金研究进展

梳理了高强耐热镁合金的研究历程及现状。Mg-Gd(Y)-Ag和Mg-Gd(Y)-Zn系合金是目前强度最高的镁合金体系,铸造Mg-9.8Gd-2.7Y-2.0Ag-0.4Zr合金最优常温力学性能如下:抗拉强度(UTS),410 MPa;屈服强度(YS),300 MPa;延伸率(EL),2.3%。高强耐热稀土镁合金的大尺寸构件铸造工艺性亟需重点研究。总结了"固溶强化增塑"的合金设计、"高、低稀土镁合金"强韧性的设计与开发、"低稀土总量、多元合金"耦合强化设计、集成计算材料工程(ICME)等理念,对新型高强耐热铸造镁稀土合金的开发具有指导意义。     

Ce元素含量和铸造方法对AZ91-2Ca合金微观组织与力学性能的影响

在AZ91-2Ca合金中分别添加0.5%,1.0%和1.5%的Ce元素,采用重力铸造制备合金并结合组织性能分析,优化出最佳Ce含量。对最佳成分合金进行不同浇铸温度的压力铸造,对比研究Ce含量和铸造方法对AZ91-2Ca合金微观组织和力学性能的影响。研究表明:在重力铸造条件下,随Ce含量提高,合金组织明显细化,强化相Al_4Ce含量逐渐增加,进而改善了力学性能。当Ce含量为1.5%时,强度和延伸率均达到最大值。在压力铸造条件下,随浇铸温度由640℃提高到700℃,压铸AZ91-2Ca-1.5Ce合金微观组织不断细化,Al_4Ce相分布均匀,700℃压铸合金综合性能最高,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为191 MPa,157 MPa和1.7%。相比于重力铸造,压力铸造可进一步提高该合金的强度,从而为解决高Ca阻燃镁合金阻燃效果和力学性能之间的矛盾提供了新思路,促进了该合金在航空航天和汽车领域的应用。     

轻质高性能镁合金开发及其在航天航空领域的应用

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,在航天航空、轨道交通、汽车、3C(computer,communication,consumer electronics)产品等领域具有广阔的应用前景。但镁合金材料强度偏低,尤其是高温强度,其抗蠕变性较差；镁合金铸件容易形成缩松和热裂纹,成品率低,镁合金变形件塑性加工条件控制困难,导致组织与力学性能不稳定。介绍了高性能镁合金材料(非稀土镁合金、含稀土镁合金、镁锂合金)及其成形技术(重力铸造、低压铸造、压铸、挤压铸造、半固态成形、塑性成形)的开发现状,综述了其在航天航空领域的应用状况,并展望了今后的发展趋势。     

Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织特征参数模拟及在航天构件上的应用

基于Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织与工艺条件的关系,模拟了典型航天构件组织特征参数的分布。浇铸了阶梯形铸件,并采用热电偶测量了阶梯形铸件不同厚度处在凝固过程中的温度变化。通过观察凝固组织,并与冷却条件比对,获得了凝固组织中晶粒尺寸和第二相体积分数与冷却速率的定量关系。采用ProCAST~?软件模拟了典型航天构件的凝固过程,获得了凝固过程中构件不同部位的冷却速率。利用实验获得的定量关系,模拟得到了典型航天构件上晶粒尺寸和第二相体积分数的分布。     

镁合金电子舱体浇注系统设计与快速熔模铸造

为了满足航天器大型复杂薄壁镁合金构件减重与快速制造需求,以某镁合金电子舱体为例开展了熔模铸造工艺研究。通过选区激光烧结(SLS)3D打印技术制备了舱体熔模,设计了3种浇注系统,采用ProCAST软件对舱体的低压铸造过程和铸造缺陷进行了模拟。研究结果表明,3D打印的聚苯乙烯熔模在烧除过程中未导致型壳胀裂问题的出现。低压铸造结合缝隙式浇注系统可满足镁合金熔体的平稳充型和完全补缩,实现了镁合金舱体铸件的快速熔模铸造成形。