喷射沉积铝合金致密化技术的研究

论文摘要

喷射沉积技术作为一种新型的金属及金属基复合材料制备技术,在高性能材料制备方面具有独特的优越性。但喷射沉积坯料含有一定的孔隙度,直接使用性能较差,必须通过后续的致密化和塑性变形才能真正实现其高性能。由于孔隙的存在,喷射沉积材料的成形性能较差,直接使用常规的塑性加工工艺（如锻造、轧制等）对其进行加工,因为应力状态容易导致裂纹的形成。而采用挤压等工艺,由于受到设备的限制,无法实现大尺寸坯料的变形。本文针对不同形状的喷射沉积坯料,对大尺寸喷射沉积坯料和喷射沉积板坯的致密化技术分别进行了研究。对于大尺寸坯料而言,在利用有限元技术优化楔压工艺的基础上,首次提出了梯温楔压工艺。而对于喷射沉积板坯而言,对新型的陶粒轧制和外框限制工艺进行了系统的研究。本论文的主要研究内容和研究结论如下:（1）研究了喷射沉积5A06铝合金多孔材料高温压缩变形行为及显微组织的演变规律。实验结果表明:喷射沉积5A06铝合金热压缩变形的流变应力随温度的升高与应变速率的降低而减小;在较高的变形温度下,应力-应变曲线较平缓,未出现明显的屈服点;而在较低的变形温度下,应力–应变曲线呈上升趋势,未出现峰值。建立了喷射沉积5A06铝合金热压缩变形流变应力的本构方程,将流变应力模型计算值与实测值进行比较,结果较为精确,为有限元数值模拟分析提供了数学模型。并对热压缩后显微组织进行了金相分析和硬度测试,初步探明了孔洞及材料硬度同温度和应变速率的关系。建立了单轴压缩时相对密度与高向变形量之间的理论关系,并用有限元模拟了单轴热压缩过程,结果显示理论公式与模拟结果和实验结果三者吻合较好,互相佐证。（2）借助于有限元软件,针对大尺寸喷射沉积坯料研究了楔形压制实验中不同的压制温度和压制速度以及压制方式等相关工艺参数对变形与致密化的影响,结果表明:双面楔压可有效提高致密化效果,合理的楔压温度是450～500℃,合理的楔压速度是0.5～1.0mm/s。（3）在楔压工艺的基础上,提出了梯温楔压工艺,对梯温楔压过程中致密化和组织演变规律进行了研究,并与恒温楔压结果进行了比较。研究结果表明:梯温楔压工艺可以有效提高喷射沉积坯料整体的致密化效果。当高向变形量达到25%时,坯料沿高向的密度分布均匀,整体相对密度能达到95%以上。与恒温楔压工艺比较发现,采用梯温楔压能增加坯料底部的横向流动,达到消除孔隙的效果,坯料底部的相对密度有很大的提高。通过对比梯温楔压和恒温楔压后坯料的微观组织发现,梯温楔压工艺能有效改善喷射沉积多孔坯料的微观组织。当高向变形量为25%时,与恒温楔压坯料中存在较多孔洞相比,梯温楔压试样已基本致密。由于梯温楔压工艺能提高喷射沉积多孔坯料的致密化效果,因此使梯温楔压试样的力学性能也得到了大幅度的提高。梯温楔压后的断口形貌说明,梯温楔压后材料中大量的孔隙得以消除,同时SiC颗粒与基体间的结合得到了有效改善。（4）研究了陶粒轧制工艺参数诸如轧制方式和原始坯件的设计对轧制变形行为的影响,结果表明:采用道次间180°转向轧制工艺,且坯料尺寸调整为L×B×H=30×30×8mm能够满足喷射沉积铝合金板坯轧制成形性能的要求。对在陶粒轧制工艺条件下喷射沉积板坯的致密化规律和变形规律的研究表明:由于陶瓷颗粒对材料纵向和横向变形的阻碍作用使多孔材料的延伸变形量明显小于常规轧制,从而减小了促使裂纹形成的拉应变,有利于材料的致密化进程。在陶粒轧制过程中,板坯在高向变形量达到65%时仍不会形成表面裂纹,而在常规轧制变形中,当轧制高向变形量为26.5%时轧件表面就已经出现较多细密的横向裂纹。陶粒轧制工艺成功地改善了喷射沉积铝合金板坯直接轧制的加工性能,板坯在先陶粒轧制致密再直接轧制工艺下通过充分的变形,能得到较好的室温力学性能,轧制出的8009Al/SiCp复合材料板材的抗拉强度和伸长率分别为505.0MPa和6.5%。在陶粒轧制过程中喷射沉积板坯的致密化和轧制变形行为与用于传递压力的陶瓷颗粒介质特性有关。采用200目Al2O3进行陶粒轧制时,喷射沉积铝合金板坯的致密化效果和轧制成形性能最佳。（5）分析了外框限制轧制技术的工艺条件和影响喷射沉积坯料致密化效果的各种因素,对合理的外框限制轧制工艺进行了研究。实验结果表明:采用外框限制轧制技术能有效地提高喷射沉积板坯的轧制成形性能,可以避免常规轧制工艺中存在的喷射沉积坯料容易开裂的问题,合理地控制轧件与边框间的间隙尺寸有利于提高沉积坯的致密化效果。当外框和坯料的长度和宽度间隙分别为θB=4～6%,θL=7.5～10%时,板坯的致密化效果和轧制成形性能最佳。研究了在外框限制轧制工艺条件下喷射沉积板坯的致密化变形行为和孔洞、组织的演变规律,分析了轧制板材的力学性能。在轧制的初始阶段,轧件高向上的变形不均匀,高向变形量由表面层向中心层逐渐减小。当轧件充满边框内的间隙后,轧件的高向变形逐渐趋于均匀。在轧制过程中,轧件上表面的致密化速度最快。在喷射沉积8009Al/SiCp坯件的轧制过程中,SiC颗粒容易被破碎和细化,其分布也趋于均匀。喷射沉积坯料通过外框限制轧制后致密度最高可达到99.0%,轧件去除边框后可以直接进行常规轧制变形而不会出现裂纹;轧制出的5A06Al合金的抗拉强度和伸长率分别为340.0MPa和12.0%;8009Al/SiCp复合材料板材的抗拉强度和伸长率分别为450.0MPa和9.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 喷射沉积技术
• 1.2.1 喷射沉积技术的发展及特点
• 1.2.2 多层喷射沉积技术
• 1.2.3 喷射沉积材料的特征
• 1.3 多孔金属材料的致密化变形特点
• 1.3.1 多孔金属材料致密化的几点假设
• 1.3.2 多孔金属材料的致密化过程
• 1.4 多孔金属材料的塑性变形理论
• 1.4.1 泊松比与密度关系
• 1.4.2 塑性屈服准则
• 1.4.3 应力-应变关系
• 1.5 喷射沉积材料的致密化变形工艺
• 1.5.1 热挤压
• 1.5.2 轧制
• 1.5.3 旋压成形
• 1.5.4 楔形压制
• 1.6 数值模拟在分析多孔材料塑性变形过程中的应用
• 1.7 本论文的研究目的和主要研究内容
• 第2章 喷射沉积5A06 铝合金热压缩变形行为的研究
• 2.1 引言
• 2.2 高温热压缩真实应力-应变实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验条件及方法
• 2.2.3 检测方法
• 2.3 喷射沉积5A06 铝合金热压缩流变应力行为
• 2.3.1 喷射沉积5A06 铝合金热压缩应力-应变曲线
• 2.3.2 喷射沉积5A06 铝合金热压缩流变应力方程
• 2.4 喷射沉积5A06 铝合金热压缩组织及硬度的演变
• 2.4.1 喷射沉积5A06 铝合金热压缩后显微组织演变
• 2.4.2 喷射沉积5A06 铝合金热压缩后硬度
• 2.5 圆柱体热压缩变形应力状态与致密化规律分析
• 2.5.1 应力状态与致密化规律理论分析
• 2.5.2 圆柱体热压缩变形过程的有限元模拟
• 2.6 本章小结
• 第3章 喷射沉积5A06 铝合金楔压变形的有限元模拟
• 3.1 引言
• 3.2 楔压工艺及有限元模拟条件
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 楔压装置及实验方法
• 3.2.3 楔压变形过程有限元模拟的边界条件及初始条件
• 3.3 楔压工艺参数对变形与致密化的影响
• 3.3.1 楔压压头压下速度对变形与致密化的影响
• 3.3.2 压制温度对变形与致密化的影响
• 3.4 压制方式对楔压过程变形与致密化的影响
• 3.4.1 高向密度，等效应变，等效应力分布
• 3.4.2 长度方向密度，等效应变分布
• 3.5 本章小结
• 第4章 喷射沉积多孔材料梯温楔压工艺的研究
• 4.1 引言
• 4.2 梯温楔压工艺
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 梯温楔压工艺装置及过程
• 4.2.3 梯温楔压工艺的数值模拟
• 4.2.4 检测方法
• 4.3 梯温楔压工艺的原理
• 4.4 梯温楔压过程中的致密化规律分析
• 4.4.1 梯温楔压高向方向的致密化规律
• 4.4.2 梯温楔压横向的致密化规律
• 4.5 梯温楔压显微组织
• 4.6 梯温楔压力学性能
• 4.6.1 布氏硬度
• 4.6.2 室温拉伸性能
• 4.7 本章小结
• 第5章 喷射沉积多孔材料陶粒轧制工艺的研究
• 5.1 引言
• 5.2 陶粒轧制的工艺及实验过程
• 5.2.1 陶粒轧制工艺
• 5.2.2 实验过程
• 5.2.3 检测方法
• 5.3 陶粒轧制的原理
• 5.4 不同陶粒轧制工艺参数对板坯成形性能的影响
• 5.4.1 轧制方式
• 5.4.2 坯料尺寸
• 5.5 陶粒轧制过程中板坯的变形与致密化规律
• 5.5.1 陶粒轧制过程中板坯的变形规律
• 5.5.2 陶粒轧制过程中板坯的致密化
• 5.6 陶粒轧制对多孔材料力学性能的影响
• 5.7 陶瓷颗粒介质对多孔材料轧制变形行为的影响
• 5.7.1 陶瓷颗粒介质的尺寸
• 5.7.2 陶瓷颗粒介质的种类
• 5.7.3 陶瓷颗粒介质特性的影响
• 5.8 本章小结
• 第6章 喷射沉积多孔材料外框限制轧制工艺的研究
• 6.1 引言
• 6.2 外框限制轧制的工艺及实验过程
• 6.2.1 外框限制轧制工艺
• 6.2.2 实验过程
• 6.2.3 检测方法
• 6.3 外框限制轧制的原理及坯料尺寸设计
• 6.3.1 外框限制轧制的原理
• 6.3.2 坯料尺寸设计
• 6.4 外框限制轧制过程中沉积坯的致密化规律
• 6.4.1 轧件在高向上的致密化特点
• 6.4.2 轧件的宽展和延伸与高向变形量的关系
• 6.4.3 高向变形量对材料致密度的影响
• 6.4.4 外框轧制过程中微观组织的变化规律
• 6.4.5 外框限制轧制对材料的密度和力学性能的影响
• 6.5 外框限制轧制工艺与陶粒轧制工艺的比较
• 6.5.1 工艺原理
• 6.5.2 变形与致密化行为
• 6.5.3 工艺特点
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读博士学位期间参与编写著作、专利目录