《耐热铝合金》PPT课件.ppt

喷射沉积快速凝固耐热铝合金材料及加工成型研究中南大学,一、研究目的 采用喷射沉积先进工艺，制备新型Al-Fe-V-Si快速凝固耐热铝合金，喷射沉积制备锭坯，反挤压制备大直径管坯，正挤压加工板坯，轧制成板材。应用目标：应用于YJ12型等飞航式导弹外壳、尾翼及其它相应军工领域，为国防军工提供新型铝合金材料。,二、项目任务书、计划或合同完成情况,高温350(保温1000秒),2材料规格,三、主要研究内容及技术创新点,1合金成分优化 以8009合金为基础，研究了Fe/Si比以及V含量的变化对力学性能和加工性能的影响。确定名义成分：Al8.9Fe1.3V1.7Si 合金成分范围：Al（8.59.2）Fe(1.21.4)V(1.61.9)Si,2熔体结构分析,随着温度升高，熔体有序度降低。,熔体原子团簇中的原子数目随着温度升高而逐渐减少；熔体配位数随温度变化规律不明显，最近邻原子距离在900以上也没有变化。,由上述曲线计算，可得出熔体结构参数，见表2，,在两种冷却条件下，相组成主要是-Al和Al12(Fe、V)3Si，而熔体温度为1400的试样中Al12(Fe、V)3Si颗粒的尺寸比1000的小得多。,温度升高，熔体中不可逆团簇减小，但是，各种可逆或不可逆团簇依然存在。,熔体结构对快速凝固组织的影响,固液相关性,9001400内，熔体中存在成分和结构类似于Al12(Fe,V)3Si的原子团簇，熔炼温度升高，Al12(Fe,V)3Si球形颗粒尺寸减小。结合Al-Fe二元相图，在900800 冷却，容易形成Al13Fe4相。因此采用喷射沉积制备合金时，需选在高温下熔炼、雾化，而且冷却时需快速通过900800的温度区间。,3凝固冷却速率与相演变规律研究,Thermo-calc软件计算 平衡条件下，在Al-Fe-Si合金系中存在五种相：-Al、Al13Fe4、-AlFeSi、-AlFeSi、Si，析出顺序：Al13Fe4-Al-AlFeSi-AlFeSiSi。随着Fe含量增加，Al13Fe4相开始析出温度提高，但-Al、-AlFeSi、-AlFeSi相的基本没有发生变化。,a Al-8Fe-1.7Si b Al-8.5Fe-1.7Si c Al-9Fe-1.7Si平衡条件下Al-Fe-Si的凝固曲线,冷却速度对相组成的影响,快速凝固耐热铝合金的冷速要求,1)对比三种合金的析出相种类发现，Al-Fe化合物是主要的，加Si以后，出现了Al-Fe-Si化合物，在Al-Fe-V基础上添加V以后，对析出相的种类没有变化。2)Al13Fe4比Al12(Fe,V)3Si更容易析出，要避免Al13Fe4相的出现，凝固冷却速率要达到103K/S。3)要获得理想组织(Al)+Al12(Fe,V)3Si，凝固冷却速率要达到105K/S。由此可见，要获得理想的锭坯，除保证有1400的熔体过热度外，尽可能增大喷射沉积的冷却速率是关键的技术措施。,4锭坯组织形貌及加热过程中的组织演变,1)喷射沉积Al-Fe-V-Si锭坯的组织特征,在喷射沉积Al-Fe-V-Si合金锭坯中存在着大小不一、形状各异的孔隙、空洞和原始颗粒界面（PPB）除了-Al过饱和固溶体外，有可能观察到少量的h-AlFeSi和单斜-Al13Fe4，甚至还可能出现二十面体准晶、二十面体六方相等亚稳相，形成诸如微胞状平面生长结构、-Al+Al12(Fe,V)3Si两相弥散混合组织、胞状枝晶结构、层片状共晶组织等形态各异的特征组织。,2)喷射沉积Al-Fe-V-Si锭坯加热过程中组织演变,喷射沉积态Al-Fe-V-Si锭坯在热暴露过程中物相变化如图7所示，结合电镜观察，加热温度低于500的组织变化可以归纳如下：胞间溶质富集，亚稳相转变，晶体相聚集与球化；胞晶合并长大，胞间界消失；过饱和-Al固溶体脱溶以及Al12(Fe,V)3Si析出长大，形成均匀弥散的-Al+Al12(Fe,V)3Si两相混合组织，如图8所示。而高于500 Al12(Fe,V)3Si颗粒都会发生明显的Ostwald粗化，颗粒聚集，多边形化，甚至向-Al13Fe4平衡相的转化。,3)喷射沉积Al-Fe-V-Si锭坯热变形过程中组织演变,450挤压态组织中Al12(Fe,V)3Si细小，分布均匀。随着挤压温度提高，硅化物颗粒粗化，且逐渐聚集于（亚）晶界。在高于500挤压时，Al12(Fe,V)3Si颗粒明显粗化，聚集，甚至会产生粗大块状相-Al13Fe4,6合金熔炼工艺研究,1)Al-Fe、Al-Fe-V、Al-Si中间合金的制配2)高温熔剂的研制 研制了一种适合于Al-Fe-V-Si熔炼时兼顾复盖和精炼的Na3AlFe6+NaCl+KCl+CaFe2（编号为HRJ）的专用熔剂，并已申报了专利。3)熔炼工艺 设备为专门研制的中频感应炉，最大容量500kg铝,熔炼温度控制在1100左右，专用熔剂复盖和精炼，最后升温至1400，进行喷射沉积制锭坯.,7喷射沉积设备的设计与制造,1)PSJ500喷射沉积机设计和制造 研制出具有自主知识产权的新型喷射沉积设备PSJ500喷射沉积机。2)垂直下降喷射沉积设备的改进 将浇包和喷沮沿30的斜坡移动改为沿水平方向移动 改进喷咀结构。系统研究和确定了气体流量、压力、沉积下降速度、旋转速率等系列工艺参数及其配合。,新设计的喷射沉积设备沉积装置,喷射沉积监控操作台新喷射沉积装置基本实现自动化控制,新设计喷射沉积腔体：2.11.8 2.5m,图12 喷咀斜移式示意图,图13 喷咀平移式示意图,8过喷粉增冷技术和第二相增强技术的开发,过喷粉增冷技术 采用过喷粉增冷技术制备的锭坯其挤压棒材的抗拉强度可提高10%以上，伸长率也稍有提高。2)TiB2颗粒增强 在8009合金中原位生成添加TiB2材料，室温强度和耐热强度都有明显提高，而对塑性没有不良影响。,9大直径管坯的加工成型,快速凝固耐热铝合金由于合金化程度高，耐热性能好、加工时变形抗力大，加之致密度比铸造锭坯的致密度小，因此加工成型比传统高强铝合金困难得多，而且管坯直径大(530mm)，采用常规的挤压工艺和设备国内目前无法解决，因此是一个重大的技术难题。本研究采用反挤压工艺、固体润滑、计算机模拟制订工艺参数等技术措施，成功挤压出530mm大直径管坯。,1)高温变形过程中的摩擦与润滑研究,采用园环压缩法，将喷射沉积锭坯制成标准的园环试样，在Gleeble-1500热模拟机上，研究固态润滑剂纯Al，以及石墨+机油在300、350、400、450、480的润滑效果，测定其摩擦系数和摩擦因子m。,表6 不同润滑条件和不同温度下的摩擦因子、摩擦系数,采用固体润滑剂纯铝以减小挤压时的摩擦力，是本研究的一个重要技术措施，对保证大直径管坯的挤压成型起了重要的作用。,2)高温变形力学行为研究,在不同润滑条件下测试Al-Fe-V-Si耐热铝合金高温压缩变形的真应力应变曲线，通过实验和计算求得的快速凝固喷射沉积耐热铝合金Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si的各个材料常数见表10。从而得出该材料的塑性本构方程。,表10 求得的各个材料常数,塑性本构方程,3)挤压过程的计算机模拟,为了给选用设备和制订工艺参数提供理论依据，对正挤压和反挤压过程，根据实验参数进行了计算机数值模拟，包括挤压过程中致密度变化，应力、应变、变形速率、温度、挤压力变化等，得出了一系列模拟数据，为制订工艺提供了依据，随后的实验证明，模拟数据与实验数据很接近。,实际挤压工艺模拟计算选用的参数,模拟计算与真实挤压力的比较,4)大直径管坯的反挤压成型,本研究需生产530mm的大直径管坯，即使采用目前国内最大的12000吨卧式水压机，用常规的正挤压方法是无法生产的。工艺参数制定和工艺过程的实施采用了计算机模拟结果和摩擦润滑试验结果。挤压模外径530mm，挤压芯头460mm，挤压模高度600mm。润滑：2mmAl固体润滑+石墨、机油 锭坯直径480mm锻粗至530mm然后挤压 挤压比=5 挤压温度450 锭坯加热：300350400450阶段升温，加热时间24小时,包铝锭坯的反挤压过程,外520/内460mm反挤压管坯,10板坯挤压及板材轧制,为了提高板材的性能，特别是工程塑性，采用挤压开坯，然后轧制的方案。480mm喷射成型锭坯包2mm铝板正挤压成30060mm2截面的板坯。挤压比=11挤压温度480挤压后的板坯，塑性明显提高，在400420轧制成(110)mm300mm定长尺寸的板材。,360mm50mm挤压板坯110mm板材,11Al-Fe-V-Si耐热铝合金搅拌摩擦焊接研究,研究了搅拌摩擦焊对Al-Fe-V-Si耐热铝合金组织性能的影响，并且采用FLUENT软件对8009合金搅拌摩擦焊接过程中的温度场以及流场进行了计算以及模拟，为该合金搅拌摩擦焊工艺选用提供了理论依据。,a 母材透射电镜明场像 b 焊核区透射电镜明场像,在焊核区，8009合金的快速凝固组织被保存下来,完全由大量的球形粒子Al12(Fe,V)3Si均匀弥散分布在-Al基体上。拉伸结果显示，采用横穿焊缝的拉伸试样，断裂发生在母材区域，说明焊接系数达到100,2)搅拌摩擦焊接温度场,采用流体力学软件-FLUENT软件对8009合金搅拌摩擦焊过程的温度场进行了模拟，并与实测结果进行了比较。根据FLUENT软件模拟温度场以及实测温度场，当焊接搅拌头旋转速度为1600RPM，焊接速度为2mm/s时，搅拌头边界处最高温度为497，在420以上停留时间为11s左右。FSW 焊核区的快速凝固亚稳组织得以保存下来。,图26 计算所得稳态温度场,图27 温度距离曲线 图28 温度时间曲线,3)管材搅拌摩擦焊连接,采用3mm板材，用卷板机卷成内径507mm高300mm管坯，采用搅拌摩擦焊焊接成管材，可以进行后续旋压加工。,搅拌摩擦焊接板材,搅拌摩擦焊接筒体,5合金耐热强度与温度的关系,表5 喷射沉积8009合金抗拉强度、伸长率与温度的关系,12技术创新点,1)采用喷射沉积先进工艺成功制备出快速凝固AlFeVSi新型耐热铝合金。为快速凝固耐热铝合金开发应用探索了新的路线。与美国平面流铸造/粉末冶金工艺相比，简化了工艺、降低了成本，而材料性能达到美国平面流铸造/粉末冶金工艺产品水平。,2)采用反挤压工艺，加工出大直径管坯,国内现有的设备和正挤压工艺是不可能生产出520mm大直径管坯的。本课题研究，采用小于管坯直径的锭坯，通过镦粗致密化，采用包铝固体润滑，计算机模拟制订工艺参数等技术，反挤压加工出520mm大直径管坯，国内外未见有报导。,3)开发出快速凝固Al-Fe-V-Si耐热铝合金搅拌摩擦焊技术,搅拌摩擦焊是一种先进的连接技术，在研究Al-Fe-V-Si耐热铝合金的焊接技术时，发现搅拌摩擦焊特别适合于耐热铝合金的连接，其焊接系数达到100%，并对其焊接工艺进行了研究，为Al-Fe-V-Si耐热铝合金的连接，特别是板材和管材的连接，探索出一条新的技术途径，对该合金的开发应用具有重要实际意义。,三、科研基础条件建设情况,1建设了一套新的锭坯喷射成型系统，包括：1)能熔炼500kg铝合金，温度可达1400的中频感应炉。保证了大锭坯一次成形的熔体供应。2)设计制造了一套高压供气系统：192个高压氮气瓶并联供气，保证了喷射时的气流、气压稳定。3)设计制造了一台倾斜式PSJ 500喷射沉积装置，可制备200mm500mm高800mm的锭坯。4)与之配套的除尘环保系统。,2垂直式喷射沉积设备的改造,主要是对喷咀系统进行了改造，将坩埚斜动式改为平移式，对喷咀设计及材料的选用进行了改进。通过对上述主要喷射沉积设备的制造和改进以及相关配套条件的建设，为今后承担和开展快速凝固铝合金的研究工作打下了良好的基础。,四、经费使用情况,支出总计395.2万元，国拨经费380万元，超支15.2万元，超支部分由学校自筹经费解决。,五、用户使用情况,六、创造的社会经济效益及成果推广应用前景,1采用喷射沉积技术制备快速凝固耐热铝合金，简化了工艺、降低了成本，材料性能接近和达到美国平面流铸造/粉末冶金工艺制备的产品性能，对于快速凝固耐热铝合金的开发，具有重要技术和经济意义。2建设了一条比较完整的喷射沉积中试生产线，为快速凝固喷射沉积材料的研制和开发打下了基础，不仅可以研制快速凝固耐热铝合金，而且可以研制快速凝固高强铝合金、铝基复合材料、快速凝固镁合金等材料，实际上已经在这些方面发挥了作用。,3快速凝固耐热铝合金其耐热性能在铝合金中是最好的，而且弹性模量高，（一般高强铝合金的杨氏模量E在72GPa左右，而快速凝固耐热铝合金E可达83GPa以上，即高强铝合金的弹性模量高出10GPa以上），耐蚀性好，相当于6061合金的耐蚀性。耐磨性好，因为第二相Al12(Fe,V)3Si弥散分布，体积分数达30%，其耐磨性相当于Al-Si铸造合金的耐磨性。具有阻尼性能。可焊接，特别适合于搅拌摩擦焊，由于焊后不需要进行热处理，比任何变形铝合金和铸造铝合金的焊接性能都好。鉴于以上这些材料性能的特点，加之又保持了铝合金密度小的优点，因此该材料是有着良好的推广应用前景的。,八、存在的主要问题和进一步研究的设想,存在的主要问题：1在技术上主要问题是工艺的稳定性 2尚未应用到武器装备的型号上,进一步研究的设想：,1在技术上加强工艺稳定性和降低成本的研究，现在已建立了一定规模的实验条件，应在现有的基础上，重点开展工艺稳定性和降低成本的研究。2加强应用开发，首先应将材料的各方面性能进行测定，以供设计人员参考和选用。3重点开发板材。同时结合搅拌摩擦焊接技术进行应用开发。,谢谢！,