连续钛合金丝增强铝基复合型材界面结构与力学性能研究

作     者：贺海鑫 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张存生

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：挤压成形 连续纤维增强铝基复合型材 有限元仿真 铝/钛界面 微观结构 力学性能 

摘      要：铝合金因其密度低、耐腐蚀性能高、比强度高等优点,在航空航天、轨道交通、汽车工业、建筑等领域具有极其广泛的应用。挤压成形为铝合金型材生产的主要方法,为在不改变基体材料的基础上提升沿挤压方向上型材的力学性能,国外学者提出了连续纤维增强铝基复合型材的新型挤压成形工艺。该工艺将高性能的连续纤维嵌入铝基体中,获得的复合型材其性能远高于常规铝型材,已引起了国内外学者的广泛关注。连续纤维增强铝基复合型材挤压工艺是铝基体在挤压杆作用下通过特定的分流模具,与通过送料板的增强纤维在高温高压下相结合的过程。在此过程中,一方面由于分流后的多股金属流入焊合室,此过程中由于铝基体的重新汇合会在型材表面会形成铝/铝界面;另一方面,复合型材挤压过程中铝合金基体与钛合金丝相互接触,在高温高压作用下两种材料的元素会发生扩散,进而形成铝/钛界面。挤压比、纤维直径等工艺参数对型材结合界面结构和力学性能具有重要影响,因此研究挤压比和纤维直径对型材结合界面结构及其力学性能的影响规律、指导实际挤压型材生产具有重要的研究意义。基于数值模拟和实际实验,本文研究了不同挤压比、不同直径连续钛丝增强铝基复合型材挤压过程中的材料流动行为,分析了挤压比与纤维直径对基体材料和增强纤维应力应变状态的影响规律,揭示了挤压比和纤维直径与复合型材界面结构及力学性能的内在关系。主要工作及结论如下:(1)基于建立的纤维增强铝基复合挤压有限元模型,研究了不同挤压比、不同纤维直径下连续钛丝增强铝基复合型材挤压过程中材料的流动行为、等效应变场、等效应力场、位移场、温度场、速度场等物理场规律。(2)独立设计了三套连续纤维增强铝基复合型材挤压模具,获得了系列纤维增强铝基复合型材。研究发现,挤压比为14.14的型材的铝/钛界面结合不良,存在脱粘缝隙并有裂纹从此处萌生且沿着铝基体扩展;而挤压比为18.85的型材铝/钛界面结合紧密且无缺陷产生。(3)随纤维直径的增大,铝/钛界面的结合状态变差。与直径为1mm的钛丝增强复合型材相比,当钛丝直径增加到1.5mm和2mm时,铝/钛界面处的铝合金晶粒在焊合室内受到强烈的剪切作用,易形成强剪切型织构,但铝合金基体的再结晶程度明显减弱。(4)增强纤维的嵌入使复合型材的力学性能显著提升,纤维的直径越大,复合型材的力学性能越佳。然而,由于铝基体与钛合金丝之间物理性能的差异,随纤维直径的增大,铝/钛界面的脱粘间隙相应增大,层状撕裂条纹增多,同时出现了裂纹和微孔洞等缺陷,更容易导致界面发生脱粘。