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航空学报 2023年第9期44卷 63-74页

作者：唐论余圣甫郑博史玉升陈颖华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

基于Al和NiO的冶金反应设计了圆柱面点阵电弧增材制造自生Al_(2)O_(3)铝合金粉芯丝材,进行了热分析;制备了直径1.2 mm的自生Al_(2)O_(3)铝合金粉芯丝材,研究了其工艺性能,分析了自生Al_(2)O_(3)的尺寸、形貌,并测试了单元杆的热导率和强... 详细信息

基于Al和NiO的冶金反应设计了圆柱面点阵电弧增材制造自生Al_(2)O_(3)铝合金粉芯丝材,进行了热分析;制备了直径1.2 mm的自生Al_(2)O_(3)铝合金粉芯丝材,研究了其工艺性能,分析了自生Al_(2)O_(3)的尺寸、形貌,并测试了单元杆的热导率和强度;利用该粉芯丝材在直径157 mm的圆柱面上成形了两层金字塔点阵结构。结果表明:Al和NiO冶金反应的最大反应速率温度为1038.9℃,能够在电弧增材制造条件下可靠进行;粉芯中含1.5%NiO的铝合金粉芯丝材在电弧增材制造中电弧稳定、熔滴呈均匀小颗粒过渡、过程平稳、飞溅率小于0.74%。研发的粉芯丝材成形点阵单元杆表面粗糙度小于10.40μm,自生成了大量的密排六方α-Al_(2)O_(3),尺寸在50~300 nm之间,与铝基体的界面结合良好;单元杆的热导率为103.68 W/(m·K),平均抗拉强度达到了288 MPa;成形的圆柱面点阵单元杆直径误差在±0.1 mm以内,倾角误差在±0.9°以内,具有较高的精度。在隔热实验中点阵测试件上下表面的温差超过400℃,具有良好的隔热性能。点阵测试件的抗压强度约65 MPa,压缩性能较稳定。

关键词：圆柱面点阵结构电弧增材制造自生Al_(2)O_(3) 铝合金粉芯丝材工艺性能

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圆柱面点阵电弧增材制造自生Al2O3相铝合金粉芯丝材及应用研究

圆柱面点阵电弧增材制造自生Al2O3相铝合金粉芯丝材及应用研究

引用

作者：唐论华中科技大学

学位级别：硕士

具有良好隔热和承载性能的铝合金点阵结构是高超音速飞行器热防护系统的重要组成部分。电弧增材制造具有沉积效率高、成本低等优点,是成形铝合金点阵结构的有效新方法。但现有铝合金丝材电弧增材制造的点阵结构的隔热性能较低,且缺乏电... 详细信息

具有良好隔热和承载性能的铝合金点阵结构是高超音速飞行器热防护系统的重要组成部分。电弧增材制造具有沉积效率高、成本低等优点,是成形铝合金点阵结构的有效新方法。但现有铝合金丝材电弧增材制造的点阵结构的隔热性能较低,且缺乏电弧增材制造曲面点阵结构的成形工艺,难以制备出满足使用要求的点阵结构。为此,本文开发电弧增材制造专用自生AlO相铝合金粉芯丝材,研究并制造具有良好隔热和承载性能的圆柱面铝合金点阵结构。取得以下研究成果:建立了自生AlO相铝合金粉芯丝材Al-Cu-Ni O合金体系,在电弧增材制造过程中,Al和Ni O发生置换反应生成AlO相。开发的自生AlO相铝合金粉芯丝材在点阵单元杆电弧增材制造中的熔滴过渡过程平稳、电弧稳定性好、飞溅率不高于0.8%,成形的单元杆表面粗糙度不超过11μm。研究了开发的自生AlO相粉芯丝材电弧增材制造工艺参数与点阵单元杆尺寸的关系。当送丝速度在3～7 m/min内、CMT周期数在1～5内、电弧枪偏移量在0～0.5mm内时,可精确成形直径在2.20～5.02 mm内和倾角在30°～90°内的点阵单元杆。分析了丝材粉芯中Ni O含量对单元杆组织和性能的影响。粉芯中Ni O含量的增加使得单元杆内的自生AlO相增多,促进了单元杆晶粒的细化,并产生第二相强化,提高了单元杆的强度;同时,自生AlO相与铝基体导热机制不协调而产生热量损耗,且晶粒细化使晶界数量增多而导致热量传递的路程增加,而降低了单元杆的热导率。优化出了点阵单元杆双级时效热处理工艺参数,一级时效温度为105℃、时效时间为10 h,二级时效温度为200℃、时效时间为22 h。双级时效热处理促进了单元杆内AlCu第二相的析出,提高了其对单元杆的第二相强化作用。采用圆柱面切片获得圆柱面金字塔点阵结构的成形路径,利用研制出的自生AlO相铝合金粉芯丝材在圆柱面上电弧增材制造出了包含300个单胞的2层金字塔点阵结构,自生Al2O3相有效的提高了圆柱面点阵结构的隔热性能和承载性能。

关键词：电弧增材制造圆柱面点阵结构铝合金粉芯丝材自生Al2O3相

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