7A09铝合金热膨胀行为及精密锻件尺寸误差形成机理

摘要

Al-Zn-Mg-Cu(7xxx)系铝合金是航空航天领域内广范应用的一种结构材料。该系铝合金锻件作为主要的承重部件大量地应用在飞行器当中。近年来,航空模锻件精密化的发展趋势愈发明显,要求在确保组织性能的前提下使锻件具有更高的成形精度,以期最终实现锻件的近净成形。影响精密锻件精度的主要因素包括:材料的成形性能、成形设备和模具的精度、成形工艺、锻件和模具的弹性变形(回弹与热胀冷缩)、润滑及热处理等多个方面。目前,国内外学者对于锻件终锻成形后冷却过程中产生的尺寸误差的研究相对较少,相关文献的研究对象主要为热锻件,成形材料多为不同型号的钢铁。尽管取得了较好的理论与实践成果,但对于复杂铝合金精锻件来说,其空冷尺寸误差形成机理及基于相变过程的铝合金热膨胀机理仍不具体明确,有相当多的理论与应用问题需要进行系统的研究。
　　本文以T6状态的7A09铝合金及其复杂盘类等温精锻件为研究对象,通过实验、理论计算和有限元分析相结合的方法,研究了7A09铝合金在变温过程中的热膨胀行为和复杂盘类等温精锻件空冷尺寸误差的形成机理。
　　运用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热分析(DSC)等实验手段,研究了T6状态7A09铝合金在变温过程(升温与降温)中的组织演变规律。通过理论计算分析了相变所引起的合金体系的体积与能量变化。在上述研究的基础上，结合热膨胀系数(CTE)测量结果,分析了变温过程中7A09铝合金的热膨胀行为。结果表明,在T6状态下,7A09铝合金的主要强化相是η'(MgZn)相和Guinier-Preston II(GPII)区,且合金中的η'相的含量远大于 GPII区的含量。在变温过程中,7A09铝合金的组织演变主要体现为第二相的析出、溶解与转变。组织演变会引起附加的体积变化,同时改变合金体系的结合能水平。合金的热膨胀系数随温度的变化呈现非线性变化,变化规律与组织演变过程密切相关。附加的体积和能量变化直接影响了热膨胀曲线的变化趋势。
　　采用热模拟实验、透射电子显微镜(TEM)、XRD、DSC和CTE测量相结合的方法,研究了热加工工艺参数和冷却速率对7A09铝合金相变过程及其热膨胀系数的影响。研究结果表明,经过热压缩变形的7A09合金其线膨胀率未随工艺参数的变化而发生规律性变化。7A09合金在冷却过程中发生的主要相转变为η(MgZn2)相的析出。晶内及晶界处均有η相析出,其中晶内析出的η相较多且均在含Cr弥散体的周围形核。η相的析出量随冷却速率的增大而减小,而析出转变的温度区间则相对稳定,不随冷却速率的变化而发生明显的变化。当冷却速率在5～50℃/min范围内变化时,固溶态和热压缩变形态7A09合金的热收缩系数随着冷却速率的增大而增大。不同应变速率引起了位错密度的差异,导致了热压缩变形态7A09合金热收缩系数的变化。
　　通过有限元法模拟了7A09铝合金复杂盘类等温精锻件(以下代称目标锻件)的成形过程,确定了锻件内部的等效应变场。采用红外线热像仪测温实验和有限元模拟相结合的方法,确定了目标锻件内部温度梯度的分布情况。结果表明,在成形过程中,锻件各部分的变形量不同,最大塑性变形集中出现在凸耳和附近侧壁区域。在冷却过程中,锻件各处的温度梯度均不相同且随着冷却时间的延长先增大后减小,最大温度梯度始终出现在凸耳和附近侧壁区。
　　使用结构光扫描仪测量了目标锻件的空冷尺寸变化。根据结构光扫描测量法和B样条曲线理论,提出了测量目标锻件特征尺寸动态变化的方法。通过分析锻件的空冷尺寸变化、冷却后的表面残余应力分布和局部的组织特征,结合成形过程、冷却过程数值模拟结果和7A09铝合金的热膨胀机理,系统研究了目标锻件的空冷尺寸变化规律和误差形成机理。结果表明,目标锻件中的残余应力包含热应力和相变应力两部分。相变应力主要在300～430℃温度段内形成并在随后的冷却过程中产生松弛。目标锻件以径向收缩为主要的尺寸变化形式,各方向径向尺寸的收缩程度不一致,且凸耳部位有微小畸变出现。在空冷过程中,锻件中位错密度和温度梯度最大的部位η相的不均匀析出现象最为明显,导致较大的相变残余应力在该处形成。相变残余应力的释放引起了锻件尺寸的附加变化,导致了空冷尺寸误差的形成。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 Al-Zn-Mg-Cu合金的发展与应用

1.3 等温锻造技术应用概况

1.4 精密锻件尺寸误差形成机理研究概况

1.5 合金热膨胀机理的研究概况

1.6 本文的主要研究内容

第2章 T6态7A09合金组织演变及热膨胀行为

2.1 引言

2.2 材料及方法

2.3 T6态7A09合金变温过程组织演变

2.4 组织演变对7A09合金热膨胀行为的影响

2.5本章小结

第3章 工艺参数及冷却速度对7A09合金热膨胀行为的影响

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 工艺参数对7A09合金热膨胀行为的影响

3.4 不同速率冷却条件下7A09合金的组织演变

3.5 冷却速率对7A09合金收缩系数的影响

3.6 热压缩变形态7A09合金的冷却收缩行为

3.7 本章小结

第4章 7A09铝合金复杂盘类精锻件成形及空冷过程有限元分析

4.1 引言

4.2 典型锻件的选择与成形

4.3 成形过程数值模拟

4.4 表面测温实验

4.5 空冷过程温度场数值模拟

4.6 本章小结

第5章 7A09铝合金复杂盘类精锻件尺寸误差形成机理

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 环形座终锻件残余应力的形成

5.4 环形座终锻件空冷尺寸变化及误差形成机理

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其它成果

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致 谢

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