7055铝合金及其颗粒增强复合材料喷射成形技术研究

摘要

喷射成形是一种利用快速凝固技术获得高品质金属坯体的新型材料成形工艺，其核心技术是熔融金属的雾化。在传统气雾化过程中通常采用增加气体质量流率和提高雾化压强的方法获得更高雾化效率，其缺点是不仅提高了工艺成本同时也增加了成形工艺难度。为解决该问题本文从改进喷嘴结构出发设计了一种新型Laval低压高速雾化喷嘴，并采用CFD仿真和实验方法对其流场特性和雾化能力进行了验证，并利用上述喷嘴进行了7055高强铝合金低压雾化喷射成形技术研究。本文同时研究了喷射成形在金属基复合材料制备领域的应用，为进一步提高雾化效率同时改善强化相在基体中均布性，提出了一种制备颗粒增强金属基复合材料的气-固两相雾化沉积工艺，首先通过实验方法验证了气-固两相雾化效果，最后采用该方法制备了7055-SiCp复合材料，对颗粒分布规律和组织性能特点进行了研究。
　　本研究完成的主要工作和取得的成果如下：
　　(1) Laval型低压高速雾化喷嘴设计。首先通过改进喷嘴出口形状提高雾化气流速度，在设计喷嘴中选用锥面圆角过渡型Laval壁面形状，建立了壁面曲线方程并优化设计了导流管锥顶角及导流管突出长度等喷嘴主要结构参数。最后实验验证了所设计喷嘴的雾化性能，结果表明与当前常用喷嘴相比在相同气体消耗量情况下，该喷嘴具有更强的低压雾化能力。
　　(2)低压喷射成形7055铝合金组织性能研究。在雾化压力P0=0.6 MPa获得致密度超过90％的沉积坯，喷射成形材料晶粒为等轴状，粒度均匀尺寸在20~40μm之间，是铸态合金的50%左右，且组织无明显宏观偏析。同时对喷射成形材料的热挤压致密化工艺进行了研究，挤压后沉积态材料内部沉积孔隙被有效挤占且原始晶界被拉长甚至破碎，组织更加均匀致密，且随着挤压比的增加，晶粒变形程度增大。选取挤压温度T=420℃、挤压比k=17.36的挤压棒材，进行T6热处理（450℃保温2小时后随炉升温至475?C继续保温2小时，然后进行水淬，最后在120℃下保温24小时人工过时效），热处理后材料的抗拉强度ζb=692.5 MPa、断后伸长率δ=7.7%，与铸态合金相比分别提高了9.9%和97.4%，喷射成形7055铝合金的强度和塑性变形能力都得到了明显的提升。
　　(3)压差式均匀供粉装置设计及气-固两相雾化机理研究。首先设计了压差式均匀供粉装置，其主要原理为采用气体压力作为粉末运动驱动力，避免了传统喷射器中粉末自重及负压波动造成的供粉速度不均匀，能够实现匀速供粉。在气-固两相雾化过程中，固相颗粒可以直接撞击金属熔体液面，存在刮削、穿透等效应，在高速气流冲击和固相撞颗粒撞击共同作用下，金属熔体破碎为更为细小熔滴，雾化效果优于单相气体雾化。氩气-铁粉两相雾化实验表明，雾化压力P0=0.6 MPa、供粉速度M′=235.6 g?min–1条件下，两相雾化粉末的质量中径只有相同条件下单相气体雾化的47.3%，雾化效率得到了明显提高。
　　(4)气-固两相雾化喷射成形7055-SiCp复合材料组织性能研究。采用气-固两相雾化沉积技术制备了7055-16vol.%SiCp沉积坯，组织测试表明增强颗粒均匀分布在基体合金中，无明显的团聚分层现象。对热挤压和均匀退火处理后材料进行了高温压缩实验，利用真应力-应变曲线建立了表征气-固两相雾化沉积7055-16vol.%SiCp复合材料流变应力与变形条件之间关系的双曲正弦函数本构方程，经验证该本构关系计算结果能够很好吻合实验数据。同时对比分析了7055-SiCp复合材料与铸态合金高温抗变形能力，结果表明在变形温度T=350℃、应变速率ε=0.01、0.1和1 s-1时，7055-SiCp复合材料的峰值应力比常规铸态7055铝合金高2.87~3.19%；当T=400℃时，上述值为5.25~7.43%。气-固两相雾化沉积7055-SiCp复合材料具有更好的高温抗变形性能。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 喷射成形技术基本原理

1.3 喷射成形技术研究进展

1.4 颗粒增强金属基复合材料研究现状概述

1.5 喷射成形技术在颗粒增强金属基复合材料中的应用

1.6 本论文研究问题的提出及主要研究工作

第2章 实验方案

2.1 实验材料

2.2 喷射成形沉积坯制备

2.3 喷射成形材料致密化和热处理

2.4 喷射成形材料组织特性分析

2.5 喷射成形材料性能测试

第3章 低压雾化喷嘴设计及其雾化性能研究

3.1 引 言

3.2 Laval型超音速雾化喷嘴设计

3.3 雾化喷嘴气动特性分析

3.4 喷嘴雾化性能验证

3.5 本章小结

第4章 低压喷射成形工艺参数选择及组织细化机制

4.1 引 言

4.2 低压雾化喷射成形工艺参数选择

4.3 沉积坯组织特性

4.4 微观组织细化机制

4.5 本章小结

第5章 致密化和热处理对成形材料组织和性能的影响

5.1 引 言

5.2 喷射成形7055合金致密化工艺研究

5.3 热处理后喷射挤压态7055铝合金组织性能特点

5.4 本章小结

第6章 气-固两相雾化供粉装置及两相雾化机理研究

6.1 引 言

6.2 增强颗粒均匀供给装置

6.3 气-固两相流雾化过程分析

6.4 气-固两相流雾化效果验证

6.5 本章小结

第7章 气-固两相雾化沉积铝基复合材料组织和性能的研究

7.1 引 言

7.2 气-固两相雾化喷射成形7055-SiCp复合材料

7.3 喷射成形7055-SiCp复合材料组织特性

7.4 喷射成形7055-SiCp复合材料致密化和热处理工艺

7.5 喷射成形7055-SiCp复合材料常温压缩实验

7.6 7055-SiCp高温变形流变应力及其本构方程

7.7 本章小结

第8章 论文工作总结

8.1 总 结

8.2 展 望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得成果和参加科研情况

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