【摘 要】
:
轻质镁合金结构件在航空航天工业中具有广泛应用。相比于传统镁合金,稀土强化型镁合金具有更高的室温和高温强度、更小的性能异性,可满足飞行器对结构减重与稳定承载的综合设计需求。但受稀土镁合金塑性成形性差的制约,镁合金结构件仍多采用铸造生产,存在组织粗大成品率低、承载强度偏低且韧性不足等应用问题。研发适于稀土镁合金的固溶挤压增强增塑技术,获得具有良好成形和承载性能的镁合金变形材,是发挥镁合金轻质高强特性,
论文部分内容阅读
轻质镁合金结构件在航空航天工业中具有广泛应用。相比于传统镁合金,稀土强化型镁合金具有更高的室温和高温强度、更小的性能异性,可满足飞行器对结构减重与稳定承载的综合设计需求。但受稀土镁合金塑性成形性差的制约,镁合金结构件仍多采用铸造生产,存在组织粗大成品率低、承载强度偏低且韧性不足等应用问题。研发适于稀土镁合金的固溶挤压增强增塑技术,获得具有良好成形和承载性能的镁合金变形材,是发挥镁合金轻质高强特性,拓展稀土镁合金应用范围的解决途径。为此,本文以EZ30镁合金为研究对象,首先系统研究其高温塑变行为与本构方程,明确优化加工区间;随后研究合金固溶-挤压增强增塑工艺,分析其强塑性改善机制;在此基础上,研究揭示合金成形性能和承载性能的组织影响机理,并进行筒形件的工程制备与测试。具体如下:采用热压缩实验方法研究了EZ30镁合金在573-773K&0.001-10.0 s-1区间的热变形行为,分析了变形温度、应变量及应变速率对变形行为的影响关系;建立了耦合真应变的Arrhenius高温本构方程;基于动态材料模型和失稳判据绘制了合金的热加工图,获得了合金最优加工区间为592-773K&0.001-0.217s-1;结合微观组织演变分析,揭示了热压缩过程的变形机制、应变硬化和再结晶软化等机制,为EZ30镁合金的热塑性加工工艺设计与优化提供了基础数据支撑。基于高温本构方程,采用CATIA和DEFORM软件建立了合金板材挤压过程的三维模型和有限元计算模型,分析了挤压温度573-673K、模具温度573-773K和挤压速度0.5-1.0mm/s板材挤压力、温度场和应变场的影响。参考模拟结果,采用不同固溶制度和挤压温度制备了EZ30镁合金板材,研究了过程中的微观组织变化和织构演变规律,分析挤压板材力学性能的组织影响关系。结果表明:挤压工艺基于动态再结晶可显著细化晶粒尺寸,提高组织均匀性,同时在粗大Mg12Nd相颗粒中产生碎化弥散作用,使DRX对晶粒细化的效果愈加显著。相比高温,温热挤压更利于DRX形核以及产生更强烈的碎化弥散作用,显微组织得到进一步细化,在523K时获得了平均晶粒尺寸2.39μm的细晶组织。就织构状态而言,挤压变形使纤维基面织构逐渐转变成双峰基面织构,而且随着挤压温度降低,沿着挤压方向的基面织构组分得到强化。相比之下,固溶处理对基面织构强度的调控作用更加显著,随着板材固溶时间延长,第二相促进形核(PSN)效果减弱,基面织构强度得到明显增加,尤其体现在晶粒c轴偏离挤压板法向的角度上。晶粒细化显著提高挤压板材的屈服强度,但其强化效果因织构状态影响,表现出不同的强化增量。这种差异在Hall-Petch关系中得到较好体现。弱基面织构利于激活基面滑移,而强基面织构需激活柱面滑移,致使强基面织构板材表现出更显著的变形机制强化作用,获得更强烈的细晶强化增量效果。此外,弱基面织构利于提高板材应变硬化能力,表现出较高的均匀延伸率,而细晶更利于提高板材非均匀延伸率。经过固溶处理并进行一次挤压发现,固溶16h的挤压板材表现出较小的各向异性及较高强韧性,显示出良好的固溶挤压增强增塑效果,抗拉强度可达280-292MPa,延伸率可达21.2-23.5%。基于双峰基面织构挤压板材,揭示了不同织构状态下板材弯曲成形性的变化规律。弱基面织构的弯曲成形性能较之强基面织构提高了近10%,最小相对弯曲半径达到了1.29。微观组织演变结果表明,弱基面织构试样外侧的变形机制以基面滑移为主,柱面滑移为辅,而内侧的变形机制以拉伸孪生为主,基面滑移为辅;相比之下,强基面织构试样在外侧的柱面滑移激活量以及内侧的拉伸孪生激活量显著增加。面向承载需求,进一步研究了时效态EZ30镁合金室温和高温承载性能的组织影响,结果表明:合金强度随基面织构的弱化而降低,满足包含织构作用的细晶强化0.2=45.1+286.9(9(9-1?2关系,同时受基面织构强化和弥散强化耦合作用,合金在523K拉伸时的抗拉强度达到182.5MPa,塑性达到30%以上,满足筒形件150MPa的高温承载要求。在此基础上,采用固溶制度辅助挤压工艺制备出710mm宽幅板材,并基于三辊弯曲工艺完成了筒形件的弯曲成形,经过服役环境真实载荷谱建模计算和静力测试,验证了筒形件的承载性,试验结果满足技术要求。
其他文献
针对航空航天、国防军工等领域对超轻质金属基复合材料的迫切需求,开展高性能镁基复合材料的研究有重大的工程意义。石墨烯以其优异的物理化学性质被认为是复合材料的理想增强体,但是石墨烯的分散性差、界面结合弱是限制镁基复合材料研究的关键难点。本论文采用二氧化碳(CO2)和镁熔体的气-液反应实现了石墨烯的原位合成及氧化镁纳米结构的同步修饰,开发出一种原位自生石墨烯增强镁基复合材料的新型制备技术。首先,系统的研
相比于传统气体压缩-膨胀制冷,利用磁热效应的磁制冷技术具有更高的制冷效率和绿色环保等特点,因此磁制冷技术被广泛认为是下一代制冷技术。高熵合金作为近年来快速发展的一种新型合金,具有巨大的成分设计空间,并且部分高熵合金显示较优异的磁热性能,故探索并获得性能优异的磁热高熵合金存在较大的可能性。相比于层片状和粉末状磁热合金,微米级纤维状磁热合金更适用于磁制冷循环。相比于单相结构合金,多相结构合金具有更宽的
近年来,以MoS2为代表的过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenide,TMD)材料具有载流子迁移率高、化学稳定性好、透明且具有弹性等优点,在半导体材料领域具有十分广阔的应用背景。为了将基于TMD二维材料的光电器件应用于航天等辐射环境中,有必要结合真实空间辐照环境研究其辐照效应。因此,本文选取N型及P型极性中最具有代表性的TMD材料MoS2、WSe2,制备了二
六方氮化硼(h-BN)具有类似石墨的层状结构,其层内的B和N原子通过强sp2杂化共价键结合,而层与层之间则通过较弱的范德华力结合。由于其特殊的层状结构,h-BN沿层内和层间的弹性模量、热导率、热膨胀系数等物理性能呈现出明显的各向异性。如能在烧结过程中通过晶粒沿特定方向的长大或晶粒转向而使h-BN晶粒的c轴沿固定方向排列,就可以获得具有定向导热功能的织构h-BN陶瓷,结合其耐高温、透波及绝缘特性,可
本文针对高含量石墨烯纳米片(Graphene Nanoplatelets,GNPs)增强金属基复合材料中GNPs易团聚、难分散的问题,通过粉末冶金结合多道次热拉拔塑性变形来调控5.0 vol.%GNPs分布。依据不同单一球磨转速对GNPs-Al复合粉末变形和GNPs分散规律的影响,提出“变速球磨”工艺分散GNPs,并保证其结构完好;将放电等离子烧结压制成的GNPs/Al复合锭坯进行热挤压变形进一步
SiC是一种新兴宽禁带半导体材料,Cu因具有良好导电、导热性被用于制备引线框架。微尺度下,提高Cu材料和SiC功率器件的焊接接头强度,是目前电子封装领域存在的技术难题。研究现状表明,以Ag-Cu-Ti系合金为中间层的方扩散钎焊方法可实现Cu,SiC母材的高质量扩散连接,但对Ag-Cu-Ti系合金体系的研究仍很少。实验中,Ag-Cu-Ti合金材料具有较高研发成本,并存在工艺复杂、性能难以表征等问题,
先进金属结构材料的追求之一便在于实现材料的轻质、高强度以及高韧性,材料的复合化则是弥补金属基体缺点的重要手段之一。然而,通过添加增强体从而实现高强度与高刚度的同时,往往伴随着塑性和韧性的急剧降低。这种强韧性间的倒置关系严重的束缚了金属基复合材料的更广泛应用。幸运的是,大自然在百万年的进化中造就的精妙构型给予了我们方向。贝壳珍珠层独特的微-纳米层状结构赋予了其优异的综合力学性能,其抗拉强度是碳酸钙基
微波铁氧体器件作为电子通讯系统中不可或缺的器件,在国防科技、卫星通讯等领域发挥重要作用。YIG铁氧体具有高品质因数、低磁损耗和介电损耗;钛酸镁陶瓷作为微波介质材料,具有低介电常数和介电损耗,从而保证了信号的传输速度。YIG铁氧体与钛酸镁陶瓷的可靠连接成为微波铁氧体器件长期稳定服役的重要前提。本文设计了铋基玻璃、铋基复合玻璃及铋基微晶玻璃连接YIG铁氧体与钛酸镁陶瓷,提出了非晶-微晶玻璃复合连接新方
激光熔化沉积技术为薄壁构件的快速制造提供了一种新可能,可以实现复杂形面构件制造,大幅缩短制造周期。虽然该技术在铁基、钛基与镍基材料中已有较多应用,但是实现铝合金材料激光熔化沉积制造的挑战性仍很大。铝合金对激光反射率高、热导率大、粉末材料易氧化等特质使得其在激光熔化沉积制造过程极易出现气孔、熔池不稳定等问题,由此导致的强度下降、成形一致性差等难题一直困扰着铝合金零件激光熔化沉积制造技术的应用推广。本