检索结果-南通市图书馆

作者：周宇大连理工大学

学位级别：硕士

燃料贮箱作为重型运载火箭的主要承力结构,对制造质量和可靠性有着极高的要求,贮箱材料为2219铝合金,具有低温力学性能好、断裂韧度高的优点。目前,火箭贮箱的装配工艺以搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术为主,相比于传统熔焊... 详细信息

燃料贮箱作为重型运载火箭的主要承力结构,对制造质量和可靠性有着极高的要求,贮箱材料为2219铝合金,具有低温力学性能好、断裂韧度高的优点。目前,火箭贮箱的装配工艺以搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术为主,相比于传统熔焊技术,FSW接头区域残余应力低,焊接强度高且不易发生焊接变形和热裂纹等缺陷。FSW过程的温度分布和变化直接影响接头的材料流动和成形过程,进而导致不同区域的微观组织和焊接质量出现差异,因此,实现焊接过程温度场获取是实现焊接质量调控的重要前提。但由于轴肩遮挡和材料内部剧烈的塑性变形,焊接温度场测量和表征困难。而CZ-9重型火箭贮箱的厚度达到了18mm,厚度的增大使得接头的温度分布更加复杂,温度场对微观组织和力学性能的影响规律难以表征。为了实现高质量焊接,有必要对铝合金厚板的焊接温度场、微观组织和力学性能展开研究。本文对2219铝合金厚板的温度场、微观组织和力学性能进行了观测和深入分析,主要研究内容如下:(1)开发了FSW温度场检测和分析系统选用适合于FSW热循环环境的温度检测元件和信号传输硬件,搭建了基于K型热电偶的硬件系统;建立适用于温度信号的小波滤波策略,通过理论分析和实验确定滤波参数,基于Lab VIEW编程技术和功能需求,编写了以温度采集模块、温度读取模块和温度对比模块为主体的软件系统,完成FSW温度场检测和分析系统的开发。(2)探究了2219铝合金厚板FSW温度分布规律,建立了温度场表征模型使用自主研发的温度场检测和分析系统进行了18mm厚2219铝合金FSW测温实验,探究了的温度分布规律和不同工艺参数对焊接温度的影响规律,引入线性能量因子概念,进一步综合分析工艺参数对热输入和温度分布的影响规律,从温度角度确定了合理的线性能量因子范围;提出基于最小二乘支持向量机算法(Least Squares Support Vector Machine,LSSVM)的接头不同空间位置点的温度表征模型,实现接头温度场的全面表征。(3)探究了温度场对微观组织的影响规律对接头区域的微观组织进行金相显微观测和分析,获取接头不同区域微观组织形貌,使用温度场表征模型表征不同区域的温度分布,进而分析焊接热循环对晶粒尺寸和晶相的影响规律;探究了搅拌头转速和焊接速度对温度场和微观组织的影响规律,基于线性能量因子分析了工艺参数与热循环温度以及微观组织形貌的关联关系,从微观组织角度确定合理的线性能量因子范围。(4)探究温度场对力学性能的影响规律对焊后接头的抗拉强度进行了分层拉伸试验,根据细晶强化理论,分析了厚度方向上的热输入差异对焊件力学性能的影响规律,根据不同工艺参数组合下的抗拉强度结果,探究了不同温度分布状态下,焊件抗拉强度的变化规律和成因,从力学性能角度确定了合理的线性能量因子范围。本文系统地探究了2219铝合金厚板FSW过程中的温度分布、微观组织和力学性能演变规律,确定了合理的线性能量因子范围,为2219铝合金的高质量焊接和FSW机理研究提供了参考。

关键词：搅拌摩擦焊 2219铝合金厚板温度场微观组织力学性能

铜合金激光-电弧复合增材制造工艺及性能研究

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铜合金激光-电弧复合增材制造工艺及性能研究

作者：吴胜男大连理工大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,航空航天、汽车船舶等产业不断地发展升级,相关领域重要零部件的使役环境越来越恶劣,因此对相关零部件的材料性能提出了更高的要求。铜-铬-锆合金材料具有高导电导热性能的同时,强度高、抗软化温度高、耐磨性能好,已经... 详细信息

随着科技的发展,航空航天、汽车船舶等产业不断地发展升级,相关领域重要零部件的使役环境越来越恶劣,因此对相关零部件的材料性能提出了更高的要求。铜-铬-锆合金材料具有高导电导热性能的同时,强度高、抗软化温度高、耐磨性能好,已经成为大推力火箭发动机燃烧室、火箭发动机喷管、船用螺旋桨等的理想材料,在航空航天、军工国防、海洋船舶等行业都得到了广泛的应用。现阶段,相关领域零部件正朝着复杂化、精密化、结构一体化方向发展,传统的制造工艺,如锻造、铸造等,效率低,工艺过程复杂、成本高、复杂构件成型困难;增材制造(激光增材制造、电弧增材制造)作为一种新兴的加工工艺,加工灵活性高、生产周期短、成本低,是铜合金构件的有效制造方式之一。但激光增材制造中,材料对激光的反射率高,样件致密度低;电弧增材制造中,样件成型精度低,微观组织粗大。为解决上述问题,本文提出了激光-TIG电弧复合增材制造工艺。通过激光与电弧的耦合作用,提高铜合金对激光的利用率,改善样件组织粗大,力学性能差的问题,实现铜-铬-锆合金薄壁样件与圆筒构件的增材制造。对TIG电弧薄壁样件与激光-TIG电弧复合薄壁样件的微观组织和力学性能进行对比研究。主要的研究内容与结论如下:(1)开展了铜合金增材制造工艺实验,优化了TIG电弧工艺参数与激光-TIG电弧复合工艺参数。制备了无裂纹、气孔缺陷的TIG电弧薄壁样件与激光-TIG电弧复合薄壁样件。同时在优化工艺条件下,实现了形貌良好的圆筒构件的增材制造。(2)揭示了不同工艺条件下,样件在宏观形貌、晶粒形态、织构取向、物相组成方面的演变规律,明确了激光热源的作用对薄壁样件宏观形貌与微观组织的影响机理。研究表明,激光-TIG电弧复合样件相对于TIG电弧样件晶粒明显细化,柱状晶长宽比降低;激光热源的加入,样件物相组形成没有发生变化,但织构强度减小;复合样件内部具有更多均匀分布的析出相Cr相,与基体之间保持共格关系。(3)明确了TIG电弧与激光-TIG电弧复合样件的导电性能、显微硬度与拉伸性能,揭示了激光热源对样件导电性能与力学性能的影响机理。对比分析表明,激光热源作用下,样件电导率减小10.3%,显微硬度增加9.4%,抗拉强度提高11.6%,伸长率增加13.1%。析出相数量增多引起的析出强化作用是复合样件拉伸性能提升的主要原因。

关键词：铜-铬-锆合金激光-电弧复合增材微观组织导电及力学性能

航空发动机结构件切削数据库系统构建与参数加载方法研究

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航空发动机结构件切削数据库系统构建与参数加载方法研究

作者：官俊楠大连理工大学

学位级别：硕士

在航空发动机结构件数控加工过程中,合理地确定切削加工参数,对提高生产效率、加工精度和表面质量,降低生产成本有着重要的意义。目前,航空发动机结构件数控加工参数主要由工艺人员查询切削参数手册,经验试切或根据加工工艺经验给出,但... 详细信息

在航空发动机结构件数控加工过程中,合理地确定切削加工参数,对提高生产效率、加工精度和表面质量,降低生产成本有着重要的意义。目前,航空发动机结构件数控加工参数主要由工艺人员查询切削参数手册,经验试切或根据加工工艺经验给出,但通过这些方法获取的切削参数针对性不强,准确性不高,无法充分发挥数控加工机床、加工刀具的切削性能,提高加工效率。为实现航空发动机结构件高效数控加工,从而提高加工质量,本文通过分析航空发动机结构件的加工工艺,提炼出影响切削加工参数选择的主要因素,据此建立适用于航空发动机结构件加工的切削参数数据库系统理论模型,提出了一种基于规则混合推理的切削参数加载方法,推荐切削参数;并设计了切削参数目标优化模型,可选择性地对加载推荐的切削参数进行优化,实现了切削参数的自动加载与优化。首先,本文基于航空发动机结构件制造工艺过程对切削数据库系统进行数据、功能、安全需求分析,明确数据库存储数据对象、实现目标与功能模块。在此基础之上,对切削数据系统进行模型设计,绘制出各数据E-R模型,设计数据表结构及字段信息。最终确定系统总体架构与使用流程。其次,通过分析航空发动机结构件的加工工艺,考虑实际加工条件与影响切削加工参数的主要因素,采用产生式知识规则表示方法,设计切削加工参数知识规则,建立适用于航空发动机结构件加工的切削参数知识规则库,提出一种基于规则的切削参数混合推理算法,实现根据用户输入,智能推理切削参数。然后,在推理获得切削参数的基础上,根据实际加工过程,构建切削参数目标优化模型,确定优化变量、优化目标、约束条件。基于遗传算法求解优化后的切削用量,对推理的切削参数做进一步优化。最后,数据库系统采用B/S软件架构模型,以MySQL作为数据库服务器,NX软件作为客户端,利用NX二次开发技术,将数据库系统与加工软件NX相集成,完成系统界面、功能设计与开发,并以航空发动机典型结构件对开式机匣为案例,演示开发的系统使用方法及流程,验证系统功能的有效性。从案例中可以看出,通过使用开发的数据库系统,实现了航空发动机结构件数控加工过程中切削参数的智能推理与优化,有效减轻工艺人员设计负担,提高零件加工效率。

关键词：航空发动机结构件切削参数数据库混合推理 NX二次开发

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超高强铝合金激光焊接工艺与裂纹抑制方法

超高强铝合金激光焊接工艺与裂纹抑制方法

作者：岳考捷大连理工大学

学位级别：硕士

超高强铝合金因其具有较高的比强度,成为航空航天领域必不可少的轻量化材料之一。然而其焊接接头中常出现裂纹、软化等缺陷,可焊性较差。激光焊接技术具有灵活度高、热输入小等优点,能够改善超高强铝合金的可焊性,拓宽超高强铝合金的应... 详细信息

超高强铝合金因其具有较高的比强度,成为航空航天领域必不可少的轻量化材料之一。然而其焊接接头中常出现裂纹、软化等缺陷,可焊性较差。激光焊接技术具有灵活度高、热输入小等优点,能够改善超高强铝合金的可焊性,拓宽超高强铝合金的应用场景。本文采用脉冲激光焊接7075铝合金(板厚0.8 mm),研究脉冲激光焊接工艺,分析裂纹产生规律。从脉冲激光焊接工艺出发,研究了超高强铝合金焊缝的成形过程与组织特征;针对焊接裂纹缺陷,提出了非稳态热裂模型和裂纹抑制方法,实现了7075铝合金近无裂纹焊接成形,并评价了焊接接头的力学性能。本文主要研究内容及结论如下:(1)通过实验探究超高强铝合金脉冲激光焊接工艺特点,并结合有限元模拟,分析焊缝成形机理。结果表明,焊缝金属在一个脉冲周期内经历了完整的熔化和凝固过程。研究了焊接工艺参数对焊缝宏观形貌的影响:平均峰值功率是决定熔透性的主要因素,脉冲宽度决定了焊缝的宽度,脉冲频率和焊接速度通过改变光斑重叠率,对焊点间的重叠状态产生影响。微观组织显示,焊缝以柱状晶为主,仅在焊缝中心存在少量等轴晶。(2)基于液相回填理论,建立了非稳态热裂模型,阐述了脉冲激光焊接裂纹产生机理,并揭示了裂纹敏感性在时间和空间上的分布。结果表明,冷却速度、晶粒尺寸和液相回填距离的耦合作用决定了裂纹敏感性的大小。相同位置处,裂纹敏感性在凝固过程中逐渐增大;同一时间下,越靠近焊缝边缘,裂纹敏感性越大。在此基础上提出了裂纹抑制策略,并阐述了焊缝中不同裂纹形态的形成原因。(3)提出了填充板条的焊接方法,成功抑制了焊缝中的裂纹缺陷。裂纹抑制机理分析表明,板条熔化后产生的余高能够显著降低熔池的冷却速度(最大可降低70%),增强液相回填效果,从而降低了裂纹敏感性。微观组织显示,随着填充板条体积的增加,晶粒尺寸增大,晶间条状共晶组织由连续变得离散,这些变化均有利于抑制裂纹。(4)微焦点计算机断层扫描技术检测结果显示焊缝中无宏观/微观裂纹存在。显微硬度分析表明,焊缝硬度在135 HV左右,达到母材的73%。拉伸试验结果表明,焊接接头的最大抗拉强度为443.75±16.27 MPa,达到母材的76%;拉伸断裂位置以熔合线为主,具有韧性断裂特征。

关键词：超高强铝合金脉冲激光焊接裂纹抑制微观组织力学性能

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铝合金结构激光—电弧复合增材制造研究

铝合金结构激光—电弧复合增材制造研究

作者：苗秋玉大连理工大学

学位级别：硕士

铝合金因其具有低密度、高比强度、强耐腐蚀性、高热导率、易加工成形、低成本等优点,在航空航天、汽车交通、电子通讯等多个领域有着广泛的应用。采用传统工艺（如铸造）制造复杂铝合金结构存在工艺难度较大、生产周期长、所得样件含... 详细信息

铝合金因其具有低密度、高比强度、强耐腐蚀性、高热导率、易加工成形、低成本等优点,在航空航天、汽车交通、电子通讯等多个领域有着广泛的应用。采用传统工艺（如铸造）制造复杂铝合金结构存在工艺难度较大、生产周期长、所得样件含气孔或夹杂缺陷等问题。增材制造是一种自下而上、材料逐层累加的制造技术,具有极大的加工灵活性,可实现复合结构的自由制造。本文探索了铝合金结构激光-电弧复合增材制造技术工艺,与以丝材为原材料的激光增材制造技术和电弧增材制造技术相比,复合增材制造技术改善了激光增材制造中铝合金对激光反射率高、极易产生飞溅,以及电弧增材制造样件组织粗大等问题。本文通过比较电弧增材制造、激光-电弧复合增材制造4043铝合金结构,分析了成形样件的微观组织和力学性能,以及微观组织对力学性能的影响。主要研究内容及结论如下:（1）选择适当的工艺参数,包括电弧电流等电弧工艺参数、激光功率和脉冲频率等激光工艺参数、搭接率等,制备激光-电弧复合增材制造4043铝合金结构,为后续微观组织分析和力学性能检测提供样件。（2）分析复合增材制造工艺所得成形样件的微观组织演变规律,探究激光和扫描路径对微观组织（晶粒形态、尺寸、生长方向和择优取向）、元素分布和相组成的影响,并与电弧增材制造样件进行对比。结果表明,当采用的激光功率密度达到10～6 W/cm～10～7W/cm时,激光-电弧复合增材制造样件与电弧增材制造样件微观组织存在明显差异,激光-电弧复合增材制造样件热影响区较小,激光作用区晶粒显著细化且该区域内Al、Si元素分布更加均匀。当采用层间交叉扫描时,晶粒生长方向发生变化,XRD结果表明晶粒择优取向发生了变化。（3）开展复合增材制造样件显微硬度和拉伸性能评价。结果表明,激光-电弧复合增材制造样件平均硬度较大,且激光作用区的硬度值显著高于其他区域,采用层间交叉扫描路径后硬度变化较小;分析了拉伸断口特征和拉伸纵向截面的微观组织特征,得到了微观组织与力学性能间的关系,发现加入激光后样件强度和韧性都有所增强,而采用层间交叉扫描路径后成形样件韧性显著改善。

关键词：激光-电弧复合增材制造 4043铝合金微观组织力学性能

电感辅助激光增材制造钛基复材工艺实验及力学性能分析

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电感辅助激光增材制造钛基复材工艺实验及力学性能分析

作者：刘骁大连理工大学

学位级别：硕士

随着航空航天工业的快速发展,航空发动机中的关键零部件将面临更加严峻的服役环境,而新材料、新工艺和新结构对于航空发动机性能提升的贡献率将超过50%。钛基复合材料(Titanium Matrix Composites TMC)作为具有较大发展潜力的材料,受到... 详细信息

随着航空航天工业的快速发展,航空发动机中的关键零部件将面临更加严峻的服役环境,而新材料、新工艺和新结构对于航空发动机性能提升的贡献率将超过50%。钛基复合材料(Titanium Matrix Composites TMC)作为具有较大发展潜力的材料,受到了越来越多的关注,其中Ti C增强的TMC有望在发动机风扇、高压压气机叶片和机壳等航空发动机关键零部件中取代镍基高温合金。虽然Ti C的掺入有效提高了钛合金的硬度,但组织中发达的脆性枝晶使得钛基复材抗拉强度降低。因此,为改善Ti C增强TC4复合材料的拉伸性能,提出了电感辅助激光增材制造(Electromagnetic Induction Assisted Laser Additive Manufacturing,EMI-LAM)技术,开展了工艺实验与有限元分析,揭示了电感辅助对于激光增材制造过程的作用机理,阐明了复合工艺、微观组织以及力学性能三者间的内在联系。具体研究内容与结论如下:(1)设计并搭建了EMI-LAM实验系统,主要包括电感加热设备选型、电感线圈设计以及机械耦合夹具设计;测量了电感辅助系统的加热特性。结果表明,电感辅助系统的预热温升速率与时间成一阶衰减指数函数关系,且在10 s后趋于稳定。当电感辅助系统加热时长达到60 s时,系统的输入电流应小于21 A。(2)开展了工艺实验,揭示了初生Ti C、结合界面等微观组织的演变行为,明确了抗拉强度的提升机制。其中分别采用LAM与EMI-LAM制备了10 wt.%Ti C增强TC4复合材料,分析了有无电感辅助下样件的宏观形貌、微观组织以及力学性能。结果表明,由LAM与EMI-LAM制备的薄壁件均具有较好的宏观形貌,但后者的厚度更大。在微观组织中均发现了初生Ti C与共晶Ti C,且初生Ti C与α-Ti具有半共格界面。但LAM试样组织中的初生Ti C为发达枝晶状,且数量较多,而EMI-LAM试样组织中出现了大量粒径约为1.5μm且分布均匀的颗粒状Ti C,而枝晶状Ti C尺寸减少,且数量减少了约26.2%。归因于颗粒状Ti C颗粒的承载强化,复材的抗拉强度从893±4.1 MPa增大到960±11.5 MPa,提升了约8%。(3)建立了EMI-LAM数值模型,揭示了电感辅助过程焦耳热与洛伦兹力对熔池的影响机制。与LAM相比,EMI-LAM过程中由于受到梯度分布焦耳热的作用,最高温度变化不大,但热作用区显著扩大。由于电感的预热-缓冷作用,熔池未凝固时,其表面中心点的最大冷却速率与最大温度梯度分别下降4.3%与1.0%。同时,固-液界面处的温度梯度减小、生长速率增大,从而增大了成分过冷度,促进颗粒状Ti C的形核。此外,电流在通过固-液界面时提高了界面稳定性,减弱了晶粒生长为枝晶的趋势。而熔池中所存在的由不均匀交变电磁力所产生的压拉力和剪切力,以及溶质驱动的重熔作用,增大了Ti C的破碎率,进而细化了粗大的DPT。熔池凝固后,归因于电感的预热-缓冷作用,其表面中心点处平均温度增大了16.4%,而最大冷却速率与最大温度梯度分别减小了4.2%与0.5%。

关键词：激光增材制造电感辅助钛基复合材料微观组织力学性能

TiC增强TC4涂层超声-激光复合增材制造及力学性能研究

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TiC增强TC4涂层超声-激光复合增材制造及力学性能研究

作者：李杨大连理工大学

学位级别：硕士

随着航空航天高端装备对超高速、高敏捷、快响应的要求越来越高,提高叶轮叶片、排气喷管、发动机机匣等相应高端零部件耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能的研发需求日益迫切。其中,钛合金具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优异性能,被广泛应用... 详细信息

随着航空航天高端装备对超高速、高敏捷、快响应的要求越来越高,提高叶轮叶片、排气喷管、发动机机匣等相应高端零部件耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能的研发需求日益迫切。其中,钛合金具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于航空航天等领域,但是随着高端装备的发展,其较低的硬度与较差的摩擦磨损性能无法适应新型装备发展的需要。随着激光增材制造技术的不断发展,在钛合金表面熔覆陶瓷增强钛合金可有效改善钛合金硬度低、耐磨性差等问题,因此陶瓷增强钛合金涂层被认为是提高钛合金表面硬度和耐磨性的有效手段。但是激光增材制造过程中,极易出现组织分布不均、局部应力过大等问题,采用预热缓冷、磁场辅助、超声辅助等外场辅助方式,虽然能在一定程度上对组织和应力进行改善,但是受到能场施加形式以及成形方式的限制,辅助能场在增材制造过程中难以实现精准、高效的干预。本文提出了一种超声与激光复合的增材制造方法,利用超声的空化、声流、机械和热效应,实时干预熔池的熔凝行为,探索超声-激光复合增材制造TiC增强TC4涂层过程中组织演变规律,揭示微观组织与力学性能之间的联系。具体的研究内容及结论如下:(1)探索超声-激光复合增材制造工艺参数。设计并搭建超声-激光复合增材制造实验平台,通过理论分析与工艺实验,选取合适的激光参数与超声参数范围。针对超声功率这一最能体现超声作用效果的参数,开展超声-激光复合增材制造实验。(2)分析超声功率对TiC增强TC4涂层的影响规律。分析宏观形貌,包括复合涂层的表面轮廓以及横截面形貌;分析涂层微观组织特征,包括物相组成、元素分布、晶粒形态等。结果表明,随着超声功率的提高,复合涂层内未熔TiC数量减少、初生TiC的含量增多且尺寸减少,组织分布均匀性增加,应力集中现象减少。(3)开展TiC增强TC4复合涂层力学性能实验。主要包括显微硬度以及摩擦磨损性能。研究发现,随着超声功率的提高,复合涂层的平均显微硬度明显提高,当超声功率为1800 W时,复合涂层的平均显微硬度达到最高为656.70 HV,相比于TC4基体提高了83.21%,相比于无超声作用下提高了26.44%。同时,随着超声功率的提高,复合涂层的平均摩擦系数有逐渐增加的趋势,复合涂层的磨损机制由磨料磨损逐渐过渡到粘着磨损。

关键词：超声-激光复合增材制造 TiC增强TC4涂层微观组织耐磨损性能

TiCp/TC4复合材料直接激光沉积工艺及力学性能研究

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TiCp/TC4复合材料直接激光沉积工艺及力学性能研究

作者：余超大连理工大学

学位级别：硕士

随着航空航天等领域对高端零部件的稳定性、可靠性要求越来越高,传统合金难以满足严苛的使役要求。钛合金虽然表现出高强度、优异的耐腐蚀等特性,但硬度低、耐磨性和导热性较差,应用前景受限,迫切需要与强化材料复合以提升性能。相比于... 详细信息

随着航空航天等领域对高端零部件的稳定性、可靠性要求越来越高,传统合金难以满足严苛的使役要求。钛合金虽然表现出高强度、优异的耐腐蚀等特性,但硬度低、耐磨性和导热性较差,应用前景受限,迫切需要与强化材料复合以提升性能。相比于传统铸造、粉末冶金等技术,直接激光沉积能近净成形组织细密、性能良好的钛基复合材料零部件,有效改善钛合金的硬度、耐磨性等性能。本文通过直接激光沉积制备高比例TiCp/TC4复合材料,研究TiCp比例、激光能量密度对复材宏观形貌、微观组织的影响,重点分析该工艺对TC4基体、增强体TiC、结合界面的影响,揭示微观组织与力学性能的关联规律。主要研究内容与结论如下:（1）直接激光沉积制备无裂纹、高致密的10-50 wt.%TiCp/TC4复合材料样件,分析TiCp比例、激光能量密度对样件宏观形貌、未熔TiCp的影响。在合理的工艺窗口下,TiCp增强的复合材料均无宏观裂纹,相对密度大于98%。随着TiCp比例增加,未熔TiCp增多并逐渐分布均匀。高的激光能量促进TiCp熔化,有利于减少粘粉量和未熔TiCp含量。（2）基于初生TiC、TC4基体、结合界面的变化,研究TiCp比例、激光能量密度对复合材料微观组织的影响。添加TiCp后,发现α-Ti晶粒细化,大角度晶界增多,且其织构弱化;初生TiC的尺寸和含量逐渐增大,且一些初生TiC与α-Ti存在一定的晶格关系,表明Ti相可以在初生TiC的{111}密排晶面上异质形核。随着激光能量密度增加,初生TiC的形核率增加且粗化生长;伴随高激光能量沉积,未熔TiCp的C扩散层变宽,且α-Ti晶粒有细化趋势;一些初生TiC与α-Ti的晶格错配度较小,表明高激光能量利于Ti相的异质形核。（3）揭示TiCp/TC4复合材料微观组织与力学性能的关联规律。硬质的初生TiC增多使显微硬度从380.5 HV0.2增加到730.2 HV0.2,增幅达92%。更多的初生TiC与未熔TiCp参与磨损,抵抗磨料对基体的挤压和剪切作用,显著改善了TC4钛合金的耐磨性,且复合材料的磨损机制也不同。但这些增强颗粒具有本征脆性,且微裂纹在拉伸过程中不断扩展、合并,导致复合材料的拉伸性能从950.5 MPa降低到515.5 MPa。因此,需要根据使役要求综合拉伸、磨损等性能选择复合材料类型和沉积工艺。

关键词：直接激光沉积 TiCp/TC4复合材料微观组织力学性能

2219铝合金脉冲激光焊接工艺实验及力学性能评价

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2219铝合金脉冲激光焊接工艺实验及力学性能评价

作者：张超大连理工大学

学位级别：硕士

2219铝合金由于具有强度高、密度小等特性,已经成为航空航天领域重要的轻量化结构优选材料之一,被人们称为“航空铝”。目前,2219铝合金在航空航天领域的的燃料箱、运载火箭舱体、飞机壁板、高铁车身等薄壁构件中得到了广泛应用,其中对... 详细信息

2219铝合金由于具有强度高、密度小等特性,已经成为航空航天领域重要的轻量化结构优选材料之一,被人们称为“航空铝”。目前,2219铝合金在航空航天领域的的燃料箱、运载火箭舱体、飞机壁板、高铁车身等薄壁构件中得到了广泛应用,其中对中大型铝合金结构件的高质量连接技术需求迫切,而在当前主流的连接技术中,焊接作为一种重要的连接技术,具有能够实现连接处冶金结合、适用的连接材料种类限制小等优势。对于2219铝合金材料,当前主流焊接方法包括电弧焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等,主要易产生的焊接缺陷包括气孔、裂纹、焊接变形、链状粗大脆硬共晶、热影响区软化等。本文提出利用脉冲激光焊接的方法来焊接2219铝合金,通过优化工艺参数范围,减少焊接缺陷。分析焊缝区域的晶粒形貌、织构取向、物相组成、元素分布等微观组织特征,以及抗拉强度、显微硬度等力学性能,探究工艺参数对于焊接接头处的微观组织、宏观形貌以及力学性能的影响,揭示共晶组织及裂纹的产生机理。本论文主要研究内容及结论如下:（1）探索脉冲激光焊接工艺参数。脉冲激光由于间歇式的热输入,具有独特的优势,但是相关参数较多,合适的工艺参数窗口较窄,因此先优化出相对较为合适的工艺参数范围。针对脉冲频率这一最能体现脉冲激光特色的参数,做单因素实验。（2）分析脉冲频率变化对焊接接头的影响规律。分析宏观形貌,包括焊缝表面平整度、有无飞溅咬边、有无余高等;分析焊缝的微观组织特征,包括元素分布、晶粒形貌、物相组成、织构取向等。结果表明,在一定范围内,随脉冲频率的提高,宏观形貌逐渐优化,微观尺度上的元素偏析等缺陷也得到一定程度上的抑制。（3）开展焊接接头力学性能实验。主要包括抗拉实验,发现随脉冲频率在一定范围内提高,抗拉强度也逐渐提高力学性能提升的原因包括宏观形貌及微观组织两个方面。脉冲频率为27 Hz时由于宏观及微观缺陷抑制良好,焊缝抗拉强度为270.3±0.9MPa,约为母材69%。分析拉伸过程焊接接头断裂机制。断口兼具脆性断裂及韧性断裂的特点,从断口正面观察可以观察到大量韧窝及河流状花样,断裂方式兼具脆性断裂及韧性断裂,从断口侧面可以观察到穿晶断裂及沿晶断裂的特征。

关键词：脉冲激光焊接 2219铝合金微观组织抗拉强度

高强铝合金栅格结构激光-电弧复合增材制造工艺研究

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高强铝合金栅格结构激光-电弧复合增材制造工艺研究

作者：王儒政大连理工大学

学位级别：硕士

以Al-Cu合金为代表的高强铝合金因其比强度高、断裂韧性好、可焊性优良、耐热性和耐腐蚀性强等优点,在航空航天领域轻量化构件中得到了广泛应用。栅格结构作为轻量化结构的典型代表,具有强度-质量比高、空间刚度和损伤容限大、制造成本... 详细信息

以Al-Cu合金为代表的高强铝合金因其比强度高、断裂韧性好、可焊性优良、耐热性和耐腐蚀性强等优点,在航空航天领域轻量化构件中得到了广泛应用。栅格结构作为轻量化结构的典型代表,具有强度-质量比高、空间刚度和损伤容限大、制造成本低等优势,应用潜力巨大。增材制造技术通过逐层累积材料实现结构制造,是实现高强铝合金栅格结构制造的有效手段之一。但栅格结构存在交叉节点特征,激光增材制造易开裂,而电弧增材制造易产生粗大组织,严重影响制造构件的服役性能。为解决上述问题,本文提出了激光-电弧复合增材制造Al-Cu合金栅格结构的新方法,探究了激光-电弧复合热源作用以及扫描路径对微观组织的影响,建立了栅格结构典型交叉节点熔池流动数值模型,分析了微观组织与力学性能间的关系,揭示了复合增材制造过程微观组织演变和力学性能变化规律。主要研究内容以及相关结论如下:（1）开展了复合增材制造工艺实验,建立了交叉节点成形过程数值模型,实现了栅格结构增材制造。选取合适的工艺参数,如激光功率、电弧电流、扫描和送丝速度、搭接程度以及扫描路径等,制备出Al-Cu合金栅格结构试样;基于计算流体力学方法构建包括几何模型、热源模型、熔滴模型和熔池作用力模型在内的三维数值模型,对栅格结构交叉节点的增材制造过程进行数值模拟。模拟结果与实际偏差仅为1.1%,在交叉节点处都观察到了明显的弧形交叉特征。（2）揭示了复合增材制造栅格结构试样交叉节点处横、纵截面的微观组织分布和演变规律。依据晶粒形态差异,将横、纵截面分为顶层与其余层。其余层单层内分为电弧区（AZ）和激光区（LZ）,AZ内主要为粗大柱状晶,而LZ内较小的G/R、较大的G·R和反冲压力共同促进了细小等轴晶的生长,Cu元素分布较为均匀,且观察到针状θ’相存在。顶层节点重熔区（RZI）内从边界到中心G/R的减小有利于等轴枝晶向等轴晶转变。Cu元素呈树枝状分布,析出相主要为大尺寸θ相。（3）评价了成形试样的显微硬度和拉伸性能,明确了断裂机制。发现顶层RZI内的平均显微硬度分别为98.6±4.5 HV0.1和97.1±5.9 HV0.1,相比于未重熔区最高提升12.1%,但与其余层相比降低了7.9%;试样屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为146.5±2.2MPa、290.3±5.9 MPa和13.6±0.8%,析出相的沉淀强化和共晶组织细化是强度提升的关键因素。AZ内的主要断裂模式为沿晶断裂,而LZ以穿晶断裂为主。相比于较少的气孔,沿晶界分布的共晶组织是试样断裂的主要原因。

关键词：激光-电弧复合增材制造 Al-Cu合金栅格结构微观组织力学性能