铝钨合金粉末棒材挤压成形基础研究

摘要

铝合金由于其密度低、耐腐蚀和良好的加工性能，在海洋、航空和汽车工业等不同领域已经得到广泛的应用。随着科学技术、国防建设和人民生活水平的不断提高，对于具有高强度、耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能铝合金的需求不断增加。作为一种新型结构材料，Al-W合金兼备铝和钨的综合性能，具有极大的应用潜能，并有望成为新一代合金装甲材料和航空航天发动机的结构材料。Al-W合金粉末成形是铝钨合金产业化亟需解决的关键课题。
　　本文首次采用Al-W的超固溶体合金粉末通过冷压、热压制坯，二次加热进行挤压成形的加工工艺，并对铝钨合金粉末棒材挤压成形进行研究，为合理制定Al-W粉末合金塑性成形工艺提供理论依据。
　　合金粉末的质量是影响压制体致密度的关键因素，在一定程度上影响制件的最终结构和性能。本文采用等离子体发射光谱仪、场发射扫描电镜对Al-W合金粉末进行分析，确定Al-W合金粉末为高纯度的微米粉末;合金粉末的松装密度小，故成形性好，压缩性差，为选择压制压力提供了参考。
　　在粉末压制理论分析的基础上，通过冷压和热压模具设计及工艺参数优选，制造出低成本、合适致密度的粉末棒材坯，得到冷压制和热压制两个工艺过程的主要工艺参数。经测定，压制坯的相对密度达到94.3％，硬度达到23.9HRB。
　　针对Al-W合金压制坯，借助于热模拟压缩实验、光学金相显微分析、扫描电镜和能谱分析、硬度测试等研究手段，系统研究了不同变形参数下合金的流变行为，构建了Al-W合金本构方程;基于BP神经网络建立铝钨合金本构关系模型。在该模型中，输入变量是应变，应变速率和变形温度，输出变量为流变应力。结果表明流变应力的预测值的实验值的绝对误差小于10.0MPa，相关系数达到0.997。与传统方法相比，这种本构关系模型的测试数据可以为描述整个变形过程提供一个很好的代表性;获得了Al-W合金基于动态材料模型的热加工图，发现该种材料具有三个峰值能量耗散区域:(1)温度450℃～480℃，应变速率0.001s-1;(2)温度490℃～520℃，应变速率0.1s-1，(3)温度530℃～570℃，应变速率0.001s-1～0.1s-1;结合生产实际情况，建议优先选择变形温度530℃～570℃，应变速率为0.01s-1～0.1s-1范围内的工艺参数，为Al-W合金的实际工程应用提供理论依据。
　　为了研究挤压参数对Al-W合金棒材组织和性能的影响，本文进行了不同温度、不同挤压比的挤压变形实验。结果表明:(1)致密度方面:挤压温度的升高提高了粉末的流动性，有利于填充颗粒之间的空隙;挤压比的增加促进了挤压过程中的体积变形和塑性变形，有利于消除坯料的内部空隙。因此，高温和大挤压比可以提高合金的致密度，在一定程度上验证了热压坯料压缩实验的正确性。(2)微观组织方面:在一定范围内升高挤压温度，试样在挤压过程中发生动态再结晶现象，晶粒得到显著细化;挤压比的增加使合金变形程度增大，变形流线细密，晶粒细化，因此在挤压温度540℃，挤压比35时得到平均晶粒最小的挤压态Al-W合金，其平均晶粒小于5μm。(3)力学性能方面，由于挤压过程中发生动态再结晶，挤压态Al-W合金力学性能在挤压温度540℃，挤压比35时达到最优，硬度为85.2HRB、抗拉强度为479MPa、延伸率为19.76％。
　　目前，国内外还未见Al-W粉末合金塑性成形方面的研究报道。本文研究其塑性成形理论，对于Al-W合金产业化开发和应用具有重大意义，同时本文通过冷压、热压以及热挤压工艺制备出的Al-W合金，其致密度较高，综合力学性能较为优异，为Al-W合金的广泛应用奠定了基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 铝合金高温变形行为的研究现状

1．2．1 本构关系模型

1．2．2 热加工性

1．3 粉末冶金铝合金研究进展

1．3．1 粉末冶金铝合金的优势

1．3．2 粉末冶金铝合金的发展历程

1．3．3 粉末冶金铝合金的分类

1．3．4 Al-W合金化粉末的研究现状

1．4 粉末冶金铝合金成形技术

1．4．1 铝合金粉末的制备工艺

1．4．2 铝合金粉末的固结成形工艺

1．4．3 粉末冶金铝合金塑性变形致密工艺

1．5 课题提出及研究内容

2 Al-W合金粉末分析与评价

2．1 引言

2．2 实验材料及测试方法

2．3 Al-W合金粉末分析

2．3．1 Al-W合金粉末的成分

2．3．2 Al-W合金粉末的形貌

2．3．3 机械合金化合成Al-W过饱和固溶体机制

2．3．4 Al-W合金粉末的密度

2．4 本章小结

3 Al-W合金粉末的冷压和热压制坯

3．1 引言

3．2 实验材料及方法

3．3 Al-W合金粉末的冷压成形

3．3．1 粉末压制基本理论

3．3．2 粉末压制模具设计

3．3．3 Al-W合金粉末的冷压制特性

3．4 Al-W合金冷压坯的热压成形

3．4．1 热压温度的确定

3．4．2 热压模具的设计

3．4．3 热压坯性能分析

3．5 本章小结

4．Al-W合金热变形行为和热加工图

4．1 引言

4．2 实验材料及方法

4．3 Al-W合金的热变形行为

4．3．1 真应力-真应变曲线

4．3．2 流变应力方程

4．3．3 基于神经网络本构关系模型

4．4 Al-W合金热加工图

4．4．1 热加工图原理和方法

4．4．2 Al-W合金热加工图的建立与分析

4．5 优选成形工艺参数的确定

4．6 优选成形工艺条件下的试样分析

4．7 本章小结

5 Al-W合金棒材挤压变形研究

5．1 引言

5．2 实验材料及方法

5．3 Al-w合金挤压成形

5．3．1 挤压模具设计

5．3．2 Al-W合金棒材挤压实验

5．4 Al-W合金挤压变形性能

5．4．1 挤压温度和挤压比对致密化的影响

5．4．2 挤压温度和挤压比对挤压力的影响

5．4．3 挤压温度和挤压比对硬度的影响

5．4．4 挤压温度和挤压比对力学性能的影响

5．4．5 Al-W合金挤压件的显微组织

5．4．6 Al-W合金挤压件的拉伸断口形貌

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢