7055铝合金及其颗粒增强复合材料喷射成形技术研究

目录

摘要......................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................... III 目录..................................................................................................................................... V II 图表清单.................................................................................................................................. X I 第1章绪论. (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 喷射成形技术基本原理 (1)

1.3 喷射成形技术研究进展 (2)

1.3.1 熔炼、雾化阶段—喷嘴结构优化与雾化机理研究进展 (3)

1.3.2 飞行、沉积阶段—熔滴的冷却、凝固和沉积行为 (8)

1.4 颗粒增强金属基复合材料研究现状概述 (10)

1.4.1 基体材料及增强相选择 (11)

1.4.2 颗粒增强金属基复合材料制备方法 (12)

1.4.3 颗粒增强金属基复合材料的应用 (15)

1.5 喷射成形技术在颗粒增强金属基复合材料中的应用 (15)

1.5.1 金属基复合材料喷射成形工艺介绍 (15)

1.5.2 增强相对传统喷射成形工艺的影响 (17)

1.6 本论文研究问题的提出及主要研究工作 (19)

第2章实验方案 (23)

2.1 实验材料 (23)

2.2 喷射成形沉积坯制备 (23)

2.3 喷射成形材料致密化和热处理 (24)

2.3.1 热挤压致密化工艺 (25)

2.3.2 热处理工艺 (26)

2.4 喷射成形材料组织特性分析 (26)

2.4.1 光学显微镜组织观察 (26)

2.4.2 过喷粉末形貌及粒度分析 (26)

2.4.3 扫描电镜组织观察 (27)

2.5 喷射成形材料性能测试 (27)

2.5.1 致密度测试 (27)

2.5.2 室温拉伸性能测试及断口形貌观察 (27)

2.5.3 高温等温压缩实验 (28)

第3章低压雾化喷嘴设计及其雾化性能研究 (31)

3.1 引言 (31)

3.2 Laval型超音速雾化喷嘴设计 (31)

3.2.1 气体入口设计 (33)

3.2.2 Laval出气口设计 (34)

3.2.3 结构参数设计 (36)

3.3 雾化喷嘴气动特性分析 (42)

3.3.1 喷嘴出口气流特性 (43)

3.3.2 雾化区气流特性 (44)

3.3.3 导流管顶端压强 (45)

3.4 喷嘴雾化性能验证 (46)

3.4.1 雾化粉末特性分析 (47)

3.4.2 与传统喷嘴雾化能力比较 (49)

3.5 本章小结 (50)

第4章低压喷射成形工艺参数选择及组织细化机制 (53)

4.1 引言 (53)

4.2 低压雾化喷射成形工艺参数选择 (53)

4.2.1 雾化介质 (54)

4.2.2 熔炼温度 (55)

4.2.3 雾化压力 (55)

4.2.4 沉积距离 (60)

4.3 沉积坯组织特性 (61)

4.3.1 沉积坯显微组织特点 (61)

4.3.2 沉积坯组织缺陷 (65)

4.4 微观组织细化机制 (65)

4.4.1 雾化熔滴凝固特性 (66)

4.4.2 沉积坯组织细化机制 (68)

4.5 本章小结 (70)

第5章致密化和热处理对成形材料组织和性能的影响 (73)

5.1 引言 (73)

5.2 喷射成形7055合金致密化工艺研究 (73)

5.2.1 热挤压模具结构与实验方案 (74)

5.2.2 铝合金挤压特性分析 (75)

5.2.3 挤压温度选择 (76)

5.2.4 挤压比对7055铝合金组织性能影响 (76)

5.2.5 热挤压后喷射态与铸态7055铝合金组织性能对比 (81)

5.3 热处理后喷射挤压态7055铝合金组织性能特点 (83)

5.3.1 实验方案 (83)

5.3.2 喷射成形7055铝合金组织性能特点 (84)

5.3.3 喷射态与铸态7055铝合金组织性能对比 (86)

5.3.4 喷射成形7055铝合金拉伸断口形貌 (87)

5.4 本章小结 (88)

第6章气-固两相雾化供粉装置及两相雾化机理研究 (91)

6.1 引言 (91)

6.2 增强颗粒均匀供给装置 (91)

6.2.1 供粉装置及其工作原理 (92)

6.2.2 供粉能力实验验证 (94)

6.3 气-固两相流雾化过程分析 (98)

6.3.1 气-固两相流雾化介质流动特点 (99)

6.3.2 气-固两相流联合破碎机理 (102)

6.3.3 颗粒与液膜之间相互作用 (106)

6.3.4 雾化锥中颗粒与雾化熔滴之间相互作用规律 (108)

6.4 气-固两相流雾化效果验证 (110)

6.4.1 实验过程及结果 (110)

6.4.2 气-固两相雾化能量传递效率分析 (113)

6.5 本章小结 (114)

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 (117)

7.1 引言 (117)

7.2 气-固两相雾化喷射成形7055-SiC p复合材料 (117)

7.3 喷射成形7055-SiC p复合材料组织特性 (118)

7.3.1 沉积坯宏观形貌 (118)

7.3.2 增强相分布规律 (119)

7.3.3 微观组织特性 (120)

7.4 喷射成形7055-SiC p复合材料致密化和热处理工艺 (121)

7.4.1 喷射成形7055-SiC p复合材料致密化工艺 (121)

7.4.2 喷射成形7055-SiC p复合材料热处理 (123)

7.5 喷射成形7055-SiC p复合材料常温压缩实验 (124)

7.5.1 常温压缩强度实验 (125)

7.5.2 常温极限压缩变形能力测试 (126)

7.6 7055-SiC p高温变形流变应力及其本构方程 (127)

7.6.1 7055-SiC p复合材料真应力-真应变曲线 (127)

7.6.2 7055-SiC p复合材料热变形流变应力本构方程 (129)

7.6.3 流变应力本构方程准确性验证 (133)

7.6.4 7055-SiC p复合材料与7055合金高温变形能力比较 (133)

7.7 本章小结 (134)

第8章论文工作总结 (137)

8.1 总结 (137)

8.2 展望 (138)

参考文献 (139)

致谢 (153)

攻读博士学位期间取得成果和参加科研情况 (155)

图表清单

图1-1 喷射成形基本原理图 (2)

图1-2 喷射沉积过程及主要工艺参数 (3)

图1-3 紧耦合雾化喷嘴结构图 (4)

图1-4 高压雾化喷嘴结构图 (4)

图1-5 超声雾化喷嘴结构图 (5)

图1-6 雾化熔滴固相分数随轴向位置变化规律 (9)

图1-7 测试结果 (10)

图1-8 高温合金沉积过程物理模型 (10)

图1-9 惰性气体保护搅拌铸造装置简图[70] (14)

图1-10 增强相预混喷射成形技术 (16)

图1-11 喷射沉积工艺示意图 (17)

图1-12 雾化锥中增强相与熔滴作用示意图 (18)

图1-13 论文研究思路 (20)

图2-1 喷射成形实验装置简图 (24)

图2-2 热挤压实验装置图 (25)

图2-3 热处理设备及工艺过程示意图 (26)

图2-4 测试设备图 (27)

图2-5 拉伸实验机及试样图 (28)

图2-6 高温压缩设备及试样图 (29)

图3-1 喷嘴结构与雾化质量表征参数之间关系图 (32)

图3-2 不同结构形式喷嘴入口示意图 (33)

图3-3 Laval喷管截面图 (34)

图3-4 计算区域及边界条件设置 (36)

图3-5 Laval喷嘴结构示意图 (37)

图3-6 Laval喷嘴雾化区域速度场 (37)

图3-7 不同锥顶角时雾化区气流特征 (38)

图3-8 湍流结构示意图 (39)

图3-9 不同锥顶角时雾化区气流特征 (40)

图3-10 不同突出长度时雾化区气流特征 (41)

图3-11 Laval喷嘴结构图 (42)

图3-12 喷嘴出口气流速度 (44)

图3-13 设计喷嘴雾化区气流特性 (45)

图3-14 导流管出口抽吸压强 (46)

图3-15 喷射成形装置设备简图 (46)

图3-16 雾化金属粉末形貌 (47)

图3-17 雾化粉末粒径分布曲线图 (48)

图3-18 不同雾化压力下铝合金雾化粉末粒径特点 (49)

图4-1 喷射成形装置简图 (54)

图4-2 沉积坯宏观形貌 (55)

图4-3 7055沉积坯截面孔隙分布状况 (57)

图4-4 喷射沉积坯孔隙形成机理[104] (58)

图4-5 7055铝合金沉积坯中的孔隙 (59)

图4-6 7055沉积坯孔隙分布情况和表面形貌图 (60)

图4-7 7055铝合金微观组织 (62)

图4-8 截面SEM图及能谱分析结果 (63)

图4-9 EDS元素面扫描图 (64)

图4-10 铸态7055铝合金截面SEM图以及能谱分析结果 (65)

图4-11 不同粒径7055合金雾化粉末微观组织特性 (67)

图4-12 雾化粉末枝晶间距及冷却速度与熔滴粒径关系曲线 (67)

图4-13 沉积坯中等轴晶形成机制[4] (68)

图4-14 沉积表面温度在线测量结果[152] (69)

图4-15 不同位置沉积坯微观组织特性 (70)

图5-1 热挤压过程应力应变状态图 (74)

图5-2 热挤压模具结构图 (74)

图5-3 挤压棒料表面形貌 (77)

图5-4 喷射成形7055铝合金挤压后金相图 (78)

图5-5 挤压过程中材料流动网格变化图 (79)

图5-6 挤压棒材表层微观结构 (79)

图5-7 7055铝合金致密度与挤压比之间关系 (80)

图5-8 喷射态与铸态7055铝合金金相图 (82)

图5-9 喷射态与铸态7055铝合金力学性能对比 (83)

图5-10 7055铝合金组织性能测试实验流程图 (84)

图5-11 挤压/T6态7055铝合金金相图 (85)

图5-12 喷射态与铸态7055铝合金金相图 (86)

图5-13 喷射态与铸态7055铝合金力学性能对比 (87)

图5-14 拉伸断口形貌SEM图 (88)

图6-1 粉末供给装置示意图 (92)

图6-2 典型文丘里式喷射器及其内部压力特点[166] (93)

图6-3 压差式喷射器结构图 (93)

图6-4 实验系统简图 (94)

图6-5 Al2O3和SiC颗粒粉末形貌 (95)

图6-6 供粉量-供粉时间关系曲线 (96)

图6-7 不同粒径SiC粉末供粉量-供粉时间曲线 (97)

图6-8 气-固两相雾化过程 (98)

图6-9 Laval管内的气-固两相流 (99)

图6-10 不同粒径颗粒自由沉降速度 (101)

图6-11 气体雾化过程中的预成膜效应[172] (103)

图6-12 气体雾化机理图[174] (104)

图6-13 气-固两相雾化机理图[176] (105)

图6-14 风和石头与水面相互作用照片 (106)

图6-15 颗粒-液膜碰撞模型 (106)

图6-16 不同粒径SiC颗粒极限穿透速度 (108)

图6-17 颗粒-熔滴相互碰撞模型[165] (109)

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图6-18 不同粒径SiC颗粒临界侵入速度 (109)

图6-19 气-固两相流雾化实验装置简图 (110)

图6-20 粉末形貌图 (111)

图6-21 气体单相雾化和气-固两相雾化粉末粒径分布曲线图 (112)

图7-1 气-固两相流雾化喷射成形装置 (118)

图7-2 气-固两相雾化沉积7055-SiC p复合材料坯体 (119)

图7-3 沉积坯截面及颗粒微观形貌图 (120)

图7-4 沉积坯微观组织特性 (121)

图7-5 挤压后复合材料内部颗粒分布特点 (122)

图7-6 T6热处理后金相组织 (123)

图7-7 高温退火后7055-SiC p复合材料金相组织 (124)

图7-8 常温压缩实验装置及试样尺寸 (125)

图7-9 压缩过程中应力-应变曲线 (125)

图7-10 挤压试样尺寸及挤压后形貌 (126)

图7-11 高温压缩装置及压缩后试样形貌 (127)

图7-12 7055-SiC p复合材料等温压缩真应力-真应变曲线 (128)

图7-13 压缩过程峰值应力与应变温度、速率之间关系 (129)

图7-14 峰值应力与应变速率之间关系 (131)

图7-15 ln[sinh(αζ)]-ln 关系图 (131)

图7-16 1000T-1-ln[sinh(αζ)]关系图 (132)

图7-17 ln Z-ln[sinh(αζ)]关系图 (132)

图7-18 峰值应力实验值与计算值 (133)

图7-19 7055-SiC p复合材料与7055合金高温压缩峰值应力关系图 (134)

表1-1 常用陶瓷颗粒物理特性 (11)

表2-1 7055合金化学成分 (23)

表2-2 喷射成形工艺参数 (24)

表2-3 热挤压工艺参数 (25)

表3-1 喷嘴物理参数 (42)

表3-2 不同雾化喷嘴雾化金属粉末粒径[128, 132-134] (50)

表4-1 主要工艺参数和部分喷嘴结构参数 (54)

表4-2 不同雾化压力下沉积坯密度和孔隙率 (57)

表4-3 不同沉积距离时沉积坯密度和孔隙率 (61)

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表4-4 沉积坯表面形貌 (61)

表4-5 析出相元素质量分数表 (63)

表5-1 模具结构参数和主要热挤压工艺参数 (75)

表5-2 部分铝合金的可挤压性[158] (75)

表5-3 部分难挤压铝合金参考挤压条件[158] (76)

表5-4 喷射成形7055铝合金力学性能 (81)

表5-5 喷射成形7055铝合金力学性能 (86)

表6-1 压差式喷射器主要结构参数 (94)

表6-2 粉末物理特性 (95)

表6-3 气-固两相流速度计算值 (102)

表6-4 不同雾化工艺雾化粉末粒径 (114)

表7-1 气-固两相雾化工艺参数 (118)

表7-2 等温压缩峰值应力计算值与实验值 (133)

表7-3 7055-SiC p复合材料与7055铝合金等温压缩峰值应力 (134)

第1章绪论

1.1研究背景及意义

喷射成形（Spray Forming）技术是一种利用熔融态金属雾化并快速沉积凝固机理制备金属坯料的工艺方法，是20世纪70年代以来结合快速凝固工艺和粉末冶金技术优势出现的一种新兴的先进材料制备工艺，能够成形具有较高致密度、无宏观偏析、细小等轴晶等特征的金属坯体，近年来喷射成形在国内外得到快速发展，在冶金、汽车制造、航空航天以及电子信息等领域得到了广泛应用[1-4]。

金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）是以连续增强体或增强颗粒作为强化相，金属及其合金作为基体经一定工艺制备而成，它集中了基体材料优良的塑、韧性和强化相高强度等优良特性[5]。从其问世到现在三十年间取得了令人瞩目的发展，成为各国高新技术研究开发的重要领域。金属基复合材料的早期研究主要集中于连续增强体复合材料，但由于使用的增强纤维价格较高，且制备技术复杂对设备依赖较高，同时材料存在显著的各向异性，应用范围有限[6]。为克服上述缺点，研究者开发了工艺性、经济性更好的颗粒增强金属基复合材料（Particle Reinforced Metal Matrix Composites, PRMMCs），颗粒增强复合材料成形所需的设备相对简单，传统方法就可以满足生产需

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要，成本可以大为降低，而且能够避免连续增强体复合材料诸如增强体破坏、纤维与基体反应生成有害相等缺点，因此颗粒增强复合材料在未来材料领域将发挥越来越重要作用，近年来也得到了大量学者的重视[7, 8]。

金属基复合材料与喷射成形两者都是较为新兴的技术，在短短几十年时间内，相关领域的学者进行了卓有成效的研究也取得了许多突破性的成果。但在各自领域都存在许多亟待解决的问题，如采用传统技术和设备制备的金属基复合材料普遍存在的增强体分布不均、基体氧化、强化相与基体之间易发生化学反应等缺点，会极大降低材料的性能[7, 8]。同时喷射成形工艺过程相对复杂且雾化效率的提升主要靠提高雾化压力和气体消耗量等[9]，而现代工业对于轻质、高强度、高温性能稳定材料需求的提高，又给喷射成形带来了新的机遇，对其进行工艺改进和创新研究具有重要意义，同时又可以结合喷射成形的良好工艺性以及金属基复合材料的优异性能，深入研究高质量金属基复合材料的喷射成形工艺。

1.2喷射成形技术基本原理

Singer教授在上世纪60年代最早提出了喷射成形的概念，其基本原理是将金属熔体的“雾化”和“沉积”两个工艺过程相结合，获得具有快速凝固特性的金属材料[10]。70年代初，英国Osprey金属公司致力于将喷射成形技术向产业化推广，先后与牛津大学、斯旺西大学合作对喷射成形机理进行了深入，主要研究描述雾化和凝固过程的数学