（材料加工工程专业论文）喷射沉积5a06铝合金楔压致密化工艺的研究.pdf

湖南大学硕士学位论文 摘要 坩埚移动式喷射沉积技术作为种先进的材料制备新技术，在制备大尺寸合金及金 属基复合材料方面具有显著的优越性。然而喷射沉积坯件特别是大型坯件通常存在一定 量的孔隙。颗粒表面存在一定量的氧化膜，颗粒之间未能完全达到良好的冶金结合状态， 因此需要进行后续致密化和塑性变形才能获得理想的组织和性能。本文采用一种新型的 楔形压制工艺，即通过局部变形、多道次小变形累积实现大变形的致密化加工方法，对 喷射沉积多孔坯料进行后续致密化和塑性变形，很好地解决了传统加工工艺的难题，大 大降低了生产成本。并系统研究了横向变形量对喷射沉积楔压变形性能的影响和大尺寸 喷射沉积多孔材料楔压致密化规律，这对大尺寸喷射沉积多孔材料的后续致密化和塑性 变形的研究具有重要的指导意义，有利于喷射沉积多孔材料的产业化和推广应用。 首先对比研究了楔形压制工艺与模压致密化工艺，发现楔压坯料的横向变形从上表 层开始，当上表面与模壁接触后，随着高向变形量的增加逐步向下移动，直至坯料充满 模腔；模压坯料的横向变形从坯料中间开始，形成鼓形。高向的密度、硬度分布表明楔 压比模压具有更好的压透能力。 其次研究了横向变形量对单次充分楔压变形性能的影响，结果表明；在同等压卷9 压 力下，横向变形量为1 0 的楔压坯料经充分压制后组织和力学性能最好，相应位置的试 样具有最高的密度和硬度值；横向变形量为s 的楔压坯的密度、硬度值变化曲线最陡， 横向变形量为3 0 的楔压坯的密度、硬度变化曲线较平缓。采用双向楔形压制，大尺寸 喷射沉积5 a 0 6 铝合金楔压坯的组织和性能变化具有如下特点：当高向变形量为2 0 时， 大的孔洞变形破碎为小的i l 洞，或呈线状孔：随着高向变形量的增加，颗粒进一步变形， 孔洞进一步破碎，大孔“吞并”小孔，小孔塌陷并逐步消失；当高向变形量达到6 0 时， 孔洞量大为减少，材料基本致密，组织趋于均匀，楔压坯料的密度、硬度变化曲线接近 水平线，坯料的相对密度达9 9 7 0 ，抗拉强度o b = 4 0 8 m p a ，屈服强度g o 2 = 2 8 9 m p a ，延伸 率5 = 1 3 6 ；对比其它的压制温度，在4 5 0 楔形压制的坯料组织均匀，孔洞及颗粒边界 基本消失，颗粒之间冶金结合良好。 最后，对比研究了不同温度下的楔形压制坯料的断裂行为发现，在4 5 06 c 进行楔形 压制，坯料表面没有出现台阶，呈规则的斜面过渡，侧面也没有出现宏观裂纹。室温拉 伸微观断口为韧窝和撕裂棱混合型韧性断口，材料属延性断裂。 关键词：喷射沉积；锅合金：楔形压制；塑性变形 a b s t r a c t a sa l la d v a n c e dm a t e r i a l sp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , s p r a y d e p o s i t i o nh a ss h o w n r e m a r k a b l e s u p e r i o r i t y i n p r o d u c i n gl a r g e s i z e d a l l o y s a n dm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e s ，h o w e v e r , t h es p r a yd e p o s e t e dp r e f o r m su s u a l l yc o n t a i nac e r t a i nq u a n t i t y o fp o r o s i t y b e s i d e s ，t h eo x i d ef i l m so nt h es u r f a c eo ft h ep a r t i c l e sl e a dt ow e e k m e t a l l u r g i cc o n j u n c t i o nb e t w e e nt h ep a r t i c l e si no r d e rt oo b t a i na ni d e a ls t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e ，t h ep o r o u sp r e f o r m sn e e df u r t h e rd e n s i f y i n ga n dp l a s t i c a lf o r m i n g i nt h i s p a p e r , an e wt e c h n o l o g yn a m e dw e d g ep r e s s i n gw a s u s e dt od e n s i f ys p r a y d e p o s e t e d 5 a 0 6a l u m i n i u ma l l o y , i nw h i c ht h el a r g ed e f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e dt h r o u g ht h e s u m - u po fl o c a ld e f o r m a t i o na n dm u l t i s t e ps m a l ld e f o r m a t i o nt h i sm e t h o dc a na l s o s o l v e dt h ep r o b l e m si nt r a d i t i o n a lp r o c e s s i n ga n dg r e a t l yd e c r e a s e dt h ep r o d u c i n g c o s tw h a t sm o r e ，t h er e s e r c ho nt h ew e d g ep r e s s i n gd e s i f i c a t i o nr u l e sa b o u tt h e l a r g e s i z e ds p r a yd e p o s e t e dp r e f o r m sw a ss i g n i f i c a n ti tw a sv i t a l n o to n l yt ot h e f u r t h e rd e n s i f i c a t i o no ft h ep r e f o u m sb u ta l s ot ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho np l a s t i e a l d e f o r m i n gt h er e s e a r c hw a sa l s ob e n e f i tt ot h ei n d u s t r i a l i z a t i o na nt h ea p p l i c a t i o no f t h es p r a yd e p o s e t e dp o r o u sm a t e r i a l s f i r s t l y ，t h ec o m p a r a t i o ns t u d yb e t w e e nt h ew e d g ep r e s s i n g a n dt h ec o n t o u r f o r g i n gh a ss h o w nt h a tt h et r a n s v e r s ed e f o r m i n gi n i t i a t e df r o mt h es u r f a c eo ft h e p r e f o r m s w h e nt h es u p e r f i c i e sr e a c h e dt h em o u l d i n gw a l l ，t h ed e f o r m i n gm o v e d d o w n w a r d sa st h eh i g h d i r e c t i o nd e f o r m i n gi n c r e a s e d ，t i l lt h em o u l d i n gc h a m b e rw a s f u l lo fs t o c k ；t h et r a n s v e r s ed e f o r m i n go ft h em o u l d i n gp r e s s i n gs t o c ki n i t i a t e df r o m t h ec e n t e ro ft h es t o c kt h e ns u r n e di n t oad r u m - t y p et h ed i s t r i b u t i o no ft h ed e n s i t y a n dh a r d n e s so ft h eh i g h d i r e c t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ew e d g e p r e s s i n ga c q u i r e dab e t t e r a b i l i t yo fp r e s s i n gp e n e t r a t i o n s e c o n d l y , t h ee f f e c to ft r a n s v e r s ed e f o r m i n go nt h ep r o p e r t yo ft h ew e d g e p r e s s i n gw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ew e d g ep r e s s i n gs t o c kw i t ht h e t r a n s v e r s ed e f o r m i n ga m o u n to f10 a c q u i r e dt h eb e s tp e r f o r m a n c et h eh i g h e s t d e n s i t yg o tt h eb i g g e s tr a t eo fs l o p ew h i l ew i t ht h ea m o u n to f3 0 t h ec u r v ew a sm o r e s o m es p e c i a ls t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea sf o l l o w i n g ：t h el a r g ep o r o s i t i e sw a sc r u s h e d i n t os m a l lo rl i n e a ro n e sw i t ht h eh i g h - d i r e c t i o nd e f o r m a t i o na m o u n to f2 0 ；a st h e i n c r e a s i n go ft h eh i g h - d i r e c t i o nd e f o r m i n g ，t h ep a r t i c l e sg o taf u r t h e rd e f o r m i n g ，t h e p o r o s i t i e sg o taf u r t h e rc r u s h i n g ，t h es m a l lp o r o s i t i e sw e r em e r g e r e db yt h el a r g eo n e s a n dt h ef o r m e rt h e nd i s a p p e a r e d ；w h e nt h ea m o u n dr e a c h e d6 0 ，t h eq u a n t i t yo ft h e 喷射沉积5 a 0 6 铝台金楔压致密化工艺的研究 p o r o s i t i e s w o u l do b v i o u s l yd e c r e a s ew h i c hm a d et h em a t e r i a l sc o m p a c t ，t h e m i c r o s t r u e t u r em o r eu n i f o r ma n dt h ed e n s i t ya n dh a r d n e s sc u r v e sm o r eh o r i z o n t a l ，t h e r e l a t i v ed e s i t yc o u l dr e a c h9 97 t h et e n s i l es t r e n g t ho bo ft h ea s - c o m p a c t e ds a m p l e s r e a c h e d4 0 8 m p aw i t ht h ey i e l ds t r e n g t ha st e a c h e d2 8 9 m p aa n dt h ee l o n g a t i o n p e r c e n t a g e 6r e a c h e d136 i na d d i t i o n t h em i e r o s t r u c t u r eo ft h ew e d g ep r e s s i n g s t o c ku n d e rt h ep r e s s i n gt e m p e r e c t u r e o f4 5 0 cw a su n i f o r m ，t h ep o r o s i t i e sa n dt h e b o u n d r i e so ft h eg r a i n sb a s i c a l l yd i s a p p e a r e da n dt h ec o n j u n c t i o nb e t w e e np a r t i c l e s w a sg r e a t f i n a l l y , t h e f r a c t u r eb e h a v i o r o ft h ew e d g ep r e s s i n gs t o c ku n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sw a ss t u d i e d a sar e s u l t ，t h ew e d g ep r e s s i n gu n d e r 4 5 0 。cc o u l da v o i dt h e s t e po nt h es u r f a c eo f t h es t o c ka n dc a na l s oa v o i dm a c r o s c o p i cc r a c k i n go nt h el a t e r a l f a c e b e s i d e s ，t h et e n s i l em i c r o s c o p i cf r a c t u r es u r f a c eu n d e rr o o mt e m p e r a t u r ew a sa d u c t i l ef r a c t u r ei nad i m p l ea n dt e a r i n g e d g em i x e dt y p ea n dt h ef r a c t u r et y p eo ft h e m a t e r i a l sw a st e n s i l e ， k e yw o r d s ：s p r a y - d e p o s i t i o n ；a l u m i n i u ma l l o y ；w e d g ep r e s s i n g ；p l a s t i c a i d e f o r m i n g 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了 文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储躲舌j 璺 嗍撕册夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年织密后适用本授权书。 2 、不保密因f 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 幽日期：7 - , i m , t 一月9 日 曰期：j 如占年r 月，7 日 1 1 引言 第1 章绪论 5 a 0 6 ( l f 6 ) 铝合金是a 1 m g 系合金中的典型合金，具有密度小、较高的强度、 良好的耐蚀性和压力加工性、以及优异的焊接性能等优点，被广泛应用于各个领域。 不同状态的5 a 0 6 铝合金板材是航空、航天、船舶、导弹、汽车制造、制罐工业等 领域主要原材料。而随着科学技术的进一步发展，这些领域中有的需要一些大型和 特大型的轻质化零部件，如飞船前端框体( 环件，直径 a 1 2 0 0 m m ) ，空间站框体( 直 径 0 3 0 0 0 m m ) 、运载火箭燃料储箱( 大型板材和框架结构) 、深水鱼雷壳体( 直径 0 5 0 0 m m 的带加强筋材) 和飞机、船舶的结构件等。 这些特大件在使用过程中一般要求具有力学性能优异、组织均匀性高、使用过 程中的尺寸稳定性理想、产品生产成本低等性能特点。但是传统的铸锭冶金技术已 经难以满足上述要求，于是各种新型材料制备技术应运而生。2 0 世纪6 0 年代出现的 快速凝固技术具有显著细化材料的微观组织、消除成份偏析、形成亚稳相、提高合 金元素的固溶度等特点，从而极大地提高了材料的综合性能i l l 。其中快速凝固粉末 冶金技术得到了越来越广泛的应用，特别是在高新技术领域。 但快速凝固粉末冶金工艺也存在工艺复杂，成本高，易氧化，难以制备大件等 缺点。2 0 世纪7 0 年代初发展的喷射沉积技术把金属熔体的快速凝固过程和雾化液滴 在基底板上沉积成型这两个过程结合起来，得到了近净成形产品。喷射沉积技术作 为种先进的材料制备技术，其特点介于铸造治金和粉末冶金技术之间，同时兼备 两者的大部分优点，克服了各自的主要缺点。 由工艺的特点所决定大多数喷射沉积技术制备的产品是由基体金属和孔洞、少 量颗粒边界的氧化膜组成的，颗粒之间存在机械搭接，微观组织具有一定的不均匀 性，沉积坯料并非完全的冶金结合。孔洞的存在使材料的力学性能下降，因为它们 使材料的承载面积减小，并且孔洞是应力和应变的集中源，是裂纹形核的有利位置， 为裂纹的扩展提供了有利的条件。特别是对于铝合金而言，由于喷射沉积过程中雾 化颗粒存在轻微氧化，这种颗粒问的氧化膜破坏了喷射沉积坯料的完全冶金结合 口j 。即使沉积坯材料密度接近理论密度，这种合金坯料不经过后续加工，性能也比 较低。只有通过后续塑性加工，破坏颗粒间的氧化膜使颗粒间获得良好的冶金结 合，喷射沉积材料才能获得高的力学性能。 正因为喷射沉积材料是介于松散体与连续致密体之间的一类材料，都需要一定 量的后续塑性变形来获得理想的组织和性能。由于孔洞的存在，该类材料的后续塑 性变形和断裂规律完全不同于致密金属材料，因此致密材料的塑性变形理论不再适 用于多孔材料的塑性变形。多孔材料的致密化和塑性变形是一门前沿科学，主要包 括致密化理论、塑性变形理论、断裂理论及粉末体流变理论等。研究多孔材料的致 密化，尤其是特大尺寸材料的致密化，及其变形规律，对于粉末冶金和喷射沉积多 孔材料的产业化具有重要的实践指导意义。 1 2 喷射沉积材料的制备及特征 1 2 1 传统赜射沉积技术 金属喷射沉积技术( m e t a ls p r a yd e p o s i t i o nt e c h n o l o g y ) 又称为喷射成形( s p r a y f o r m i n g ) f 3 】，作为一种近终成形材料制备技术，倍受国内外研究者的青睐【4 7 】。 喷射沉积的概念和原理最早由英国s w a n s e a 大学的a r es i n g e r 教授于1 9 6 8 年 提出哺9 1 。后来r b o o k s 等人成功地将s i n g e r 提出的喷射沉积原理应用于锻造毛坯 的生产，发展成了世界著名的0 s p r e y 工艺1 们。喷射沉积技术的原理是1 1 1 7 ：将熔 融金属或合金在惰性气氛中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经 过撞击聚结、凝固而形成沉积物。喷射沉积是一种新型的快速凝固技术，与铸锭冶 金、粉末冶金工艺相比，具有以下主要特点1 8 q j ：( 1 ) 能够获得缅小的等轴晶组 织，这是由于高压高速气流与熔体强烈的对流换热而使沉积坯凝固时获得很高的冷 却速度，一般冷速为1 0 2 k s 1 以上；同时半固态雾化液滴高速撞击基体或沉积体表 面时，其冲击动能产生足够大的剪切应力，将雾化液滴中的枝晶打碎，形成非枝晶 组织。( 2 ) 生产工序简单。喷射沉积将熔炼一雾化一成形技术紧密地结合起来，可 以明显省掉粉末冶金工艺中粉末的储存、运输、筛分、压制烧结，甚至轧制、锻造 等工序以完成成形，明显减小了各道工序消耗的能量，缩短了生产周期，提高了生 产效率。( 3 ) 合金元素的固溶度显著增加，合金成分偏析程度减小甚至消失，合金 中的氧含量减小，比粉末冶金的低。( 4 ) 可以实现近终成形，生产效率高，生产成 本低。 1 2 2 多层喷射沉积技术 1 2 2 1 多层赜射沉积技术与传统喷射沉积技术的比较 传统的喷射沉积技术虽然获得了很大的发展，但难以制备大尺寸的厚壁管坯 ( 壁厚 5 0 r a m ) 和厚板坯( 厚度 5 0 m m ) 、大直径的圆柱锭坯( 直径 5 0 0 m m ) 和大尺寸环 件。导致这些问题的主要原因是在传统喷射沉积工艺的研究中，研究者通常认为雾 化液滴沉积、聚集为大块锭坯过程的关键问题粘结，喷射沉积工艺设计的出发点是 要获得最佳的粘结条件，以得到最大的沉积坯致密度，因而通常认为理想的沉积条 件是必须在沉积坯表面维持一液态或半固态浆液状薄层，使雾化颗粒能够与沉积坯 表面很好地粘结，通过与表面液相的撞击、对流、聚合、凝固，使沉积坯完全致密 化。由于传统工艺在制餐管坯对采用的是雾化喷枪固定不动、沉积基体只做单向慢 速运动，沉积坯是由雾化液滴一次沉积而成的，这样在制备厚壁管坯时很容易产生 2 铸造化组织，恶化材料的性能；在制备圆柱锭坯时，采用了摆动喷嘴，由于摆动角 度不能很大( 一般 5 0 0 m m ) 喷射沉积5 a 0 6 铝合金圆柱锭，再加工成方坯，然后采用一种新型的“楔形压制”工艺，郎采用局部 变形、多道次小变形累积实现大变形的工艺来实现大尺寸喷射沉积多孔材料的致密 化加工。该工艺与锻造、挤压、轧制等工艺比较，具有模具简单，操作方便，压制 坯件密度分布均匀，以及小压机实现大吨位等诸多优点，大大降低了喷射沉积材料 后续致密化加工成本，解决了制备大件的难题，并将使我国特大件的制备科学的理 论研究取得重要突破，对于发展新型的特大件制备、成形技术及新装置具有重要的 理论指导意义，可以解决国家重大需求问题，意义重大。 本论文研究了喷射沉积多孔材料在不同的横向变形量、楔压温度和高向楔压变 形量条件下材料的组织、力学性能以及致密化和塑性变形规律；探讨了在楔压致密 化过程中孔隙变化；探索了合理的楔压致密化工艺，制备出了高性能的大尺寸喷射 沉积产品。 1 7 2 1 引言 第2 章实验设备及方案 采用局部变形、多道次小变形累积实现大变形的楔压致密化工艺对特大尺寸喷 射沉积5 a 0 6 铝合金坯料进行致密化加工，很好地解决了传统加工工艺的难题，大 大降低了生产成本。本章介绍了坩埚移动式喷射沉积制备大尺寸圆柱锭的实验设 备，以及楔形压制设备：并介绍了材料组织和性能的检测方法。 2 2 实验材料及装置 2 2 1 试验材料 5 a 0 6 ( l f 6 ) 铝合金化学成分( 质量分数) 组成如表2 1 所示。5 a 0 6 属于铝镁 系防锈铝合金【旧l ，有着防锈铝的一般特点：不可热处理强化；可焊；抗腐蚀性良好。 由于含镁较高，加工硬化率大，所以强度较高，塑性较低，但退火状态塑性尚好。 已被广泛地应用于航空航天工业。 表2 15 a 0 6 ( l f 6 ) 铝合金化学成分 2 2 2 喷射沉积装置 实验采用湖南大学陈振华教授等人发明的坩埚移动式喷射沉积装置，如图2 1 所示。 图2 1 坩埚移动式喷射沉积装置 由图可见，坩埚移动式喷射沉积制备大尺寸圆柱锭坯工艺中，采用喷射系统的 移动扫描工艺，即喷射流在沉积坯半径范围内进行反复扫描，雾化喷嘴和坩埚一起 移动，沉积坯的直径取决于雾化喷嘴移动距离，通过基板的旋转和下降的复合运动， 使沉积坯成形。 坩埚移动式喷射沉积工艺参数如表2 2 所示。 表2 2 坩埚移动式喷射沉积工艺参数 喷射沉积5 a 0 6 铝合金圆柱锭实物如图2 2 所示。并机加工成如图2 3 所示的方 坯，其尺寸与模具及实验要求相符。 豳2 2 馈射沉积5 a 0 6 镐合金圆柱锭图23 喷射沉积5 a 0 6 铝合金方坯 2 2 3 楔压装置 实验采用自行设计的楔压模具，其在压力机上的装置原理如图2 4 所示，模腔 尺寸为l x b x h = 3 5 0 m m 2 2 0 m m x 4 0 0 m m 。 楔压模具由楔压头和阴模两部分组成，楔压头采用- - , j , 平面与一斜面光滑过渡 组成或斜面组成的楔形压头，如图2 5 所示。采用普通压机施以一定压力，对模具 中欲致密化的大型喷射沉积坯件进行局部小变形，小平面部分为主变形区，斜面为 预变形区，逐步向斜面方向推进，