耐熱鋁合金2課件

噴射沉積快速凝固耐熱鋁合金材料及加工成型研究中南大學(xué)

1精選完整ppt課件

一、研究目的采用噴射沉積先進(jìn)工藝，制備新型Al-Fe-V-Si快速凝固耐熱鋁合金，噴射沉積制備錠坯，反擠壓制備大直徑管坯，正擠壓加工板坯，軋制成板材。應(yīng)用目標(biāo)：應(yīng)用于YJ－12型等飛航式導(dǎo)彈外殼、尾翼及其它相應(yīng)軍工領(lǐng)域，為國防軍工提供新型鋁合金材料。2精選完整ppt課件二、項目任務(wù)書、計劃或合同完成情況合同規(guī)定指標(biāo)實際達(dá)到指標(biāo)1．材料性能室溫性能σb≥380MPaσ0.2≥320MPaδ≥8%E≥72GPaKIC≥26MPam1/2(參考)ρ≤3.0g/cm3

420MPa380MPa10%83GPa37.5MPa·m1/2~47.2MPa·m1/22.92g/cm33精選完整ppt課件合同規(guī)定指標(biāo)實際達(dá)到指標(biāo)σb≥200MPa218MPaσ0.2≥180MPa192MPaδ≥6%12%E≥55GPa58GPa高溫350℃(保溫1000秒)4精選完整ppt課件優(yōu)質(zhì)錠坯Ф>500mm擠壓管材Ф內(nèi)=480mm板材：300×1000×(1.5~2.5)mm500mm正擠壓錠Ф650mm反擠壓錠Ф外520/Ф內(nèi)480×1000mm反擠壓管坯300×2000×(1.5~8)mm2．材料規(guī)格5精選完整ppt課件三、主要研究內(nèi)容及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1．合金成分優(yōu)化以8009合金為基礎(chǔ)，研究了Fe/Si比以及V含量的變化對力學(xué)性能和加工性能的影響。確定名義成分：Al－8.9Fe－1.3V－1.7Si合金成分范圍：Al－（8.5～9.2）Fe－(1.2～1.4)V－(1.6～1.9)Si6精選完整ppt課件2．熔體結(jié)構(gòu)分析

不同溫度下Al-Fe-V-Si液態(tài)結(jié)構(gòu)的各種函數(shù)曲線(a)衍射強(qiáng)度,(b)結(jié)構(gòu)因子,(c)雙體勢函數(shù),(d)徑向分布函數(shù)(a)(c)(d)(b)隨著溫度升高，熔體有序度降低。7精選完整ppt課件熔體原子團(tuán)簇中的原子數(shù)目隨著溫度升高而逐漸減少；熔體配位數(shù)隨溫度變化規(guī)律不明顯，最近鄰原子距離在900℃以上也沒有變化。Al-Fe-V-Si液態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)溫度(℃)原子團(tuán)簇尺寸rc(10-1nm)原子數(shù)(個)配位數(shù)(個)最近鄰距離r1(nm)14007.5017012.3350.28012007.3517511.4970.28010007.3519512.2500.2809007.6520512.4500.2808007.9023512.0130.285由上述曲線計算，可得出熔體結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表2，

8精選完整ppt課件400nm400nm快凝AlFeVSi薄片TEM組織和Al12(Fe，V)3Si形貌（a,c）1400℃106k/s；（b,d）1000℃106k/s100nm(a)100nm(b)(c)(d)在兩種冷卻條件下，相組成主要是α-Al和Al12(Fe、V)3Si，而熔體溫度為1400℃的試樣中Al12(Fe、V)3Si顆粒的尺寸比1000℃的小得多。溫度升高，熔體中不可逆團(tuán)簇減小，但是，各種可逆或不可逆團(tuán)簇依然存在。熔體結(jié)構(gòu)對快速凝固組織的影響9精選完整ppt課件固液相關(guān)性

900～1400℃內(nèi)，Al-8.9Fe-1.3V-1.7Si熔體中存在成分和結(jié)構(gòu)類似于Al12(Fe,V)3Si的原子團(tuán)簇，熔煉溫度升高，Al12(Fe,V)3Si球形顆粒尺寸減小。

結(jié)合Al-Fe二元相圖，在900～800℃冷卻，容易形成Al13Fe4相。因此采用噴射沉積制備Al-8.9Fe-1.3V-1.7Si合金時，需選在高溫下熔煉、霧化，而且冷卻時需快速通過900～800℃的溫度區(qū)間。

10精選完整ppt課件3．凝固冷卻速率與相演變規(guī)律研究Thermo-calc軟件計算

平衡條件下，在Al-Fe-Si合金系中存在五種相：α-Al、Al13Fe4、α-AlFeSi、β-AlFeSi、Si，析出順序：Al13Fe4→α-Al→α-AlFeSi→β-AlFeSi→Si。隨著Fe含量增加，Al13Fe4相開始析出溫度提高，但α-Al、α-AlFeSi、β-AlFeSi相的基本沒有發(fā)生變化。

aAl-8Fe-1.7SibAl-8.5Fe-1.7SicAl-9Fe-1.7Si平衡條件下Al-Fe-Si的凝固曲線11精選完整ppt課件冷卻速度對相組成的影響冷卻速度K/SAl-8.5FeAl-8.5Fe-1.7SiAl-8.5Fe-1.7Si-1.3V~1α-Al、Al13Fe4α-Al、Al13Fe4、Al8Fe2Si、Al3FeSiα-Al、Al13Fe4、Al8(Fe,V)2Si、Al3(Fe,V)Si~10α-Al、Al13Fe4α-Al、Al13Fe4、Al8Fe2Si、Al3FeSiα-Al、Al13Fe4、Al8(Fe,V)2Si、Al3(Fe,V)Si~102α-Al、Al13Fe4α-Al、Al13Fe4、Al8Fe2Si、Al12Fe3Siα-Al、Al13Fe4、Al8(Fe,V)2Si、Al12(Fe,V)3Si~103α-Al、Al6Fe、AlmFe#α-Al、Al8Fe2Si、Al12Fe3Siα-Al、Al8(Fe,V)2Si、Al12(Fe,V)3Si~104α-Al、Al6Fe、AlmFe#α-Al、Al12Fe3Si、Al8Fe2Siα-Al、Al8(Fe,V)2Si、Al12(Fe,V)3Si~105α-Al、AlmFe#α-Al、Al12Fe3Siα-Al、Al12(Fe,V)3Si12精選完整ppt課件快速凝固耐熱鋁合金的冷速要求1)對比三種合金的析出相種類發(fā)現(xiàn)，Al-Fe化合物是主要的，加Si以后，出現(xiàn)了Al-Fe-Si化合物，在Al-Fe-V基礎(chǔ)上添加V以后，對析出相的種類沒有變化。2)Al13Fe4比Al12(Fe,V)3Si更容易析出，要避免Al13Fe4相的出現(xiàn)，凝固冷卻速率要達(dá)到103K/S。3)要獲得理想組織α(Al)+Al12(Fe,V)3Si，凝固冷卻速率要達(dá)到105K/S。由此可見，要獲得理想的錠坯，除保證有1400℃的熔體過熱度外，盡可能增大噴射沉積的冷卻速率是關(guān)鍵的技術(shù)措施。13精選完整ppt課件4．錠坯組織形貌及加熱過程中的

組織演變1)噴射沉積Al-Fe-V-Si錠坯的組織特征圖5噴射沉積Al-Fe-V-Si合金錠坯的典型金相顯微組織40μm0.25μm圖6噴射沉積Al-Fe-V-Si合金錠坯中呈微胞狀結(jié)構(gòu)的α-Al過飽和固溶體14精選完整ppt課件

在噴射沉積Al-Fe-V-Si合金錠坯中存在著大小不一、形狀各異的孔隙、空洞和原始顆粒界面（PPB）除了α-Al過飽和固溶體外，有可能觀察到少量的h-AlFeSi和單斜

-Al13Fe4，甚至還可能出現(xiàn)二十面體準(zhǔn)晶、二十面體六方相等亞穩(wěn)相，形成諸如微胞狀平面生長結(jié)構(gòu)、α-Al+Al12(Fe,V)3Si兩相彌散混合組織、胞狀枝晶結(jié)構(gòu)、層片狀共晶組織等形態(tài)各異的特征組織。

15精選完整ppt課件2)噴射沉積Al-Fe-V-Si錠坯加熱過程中組織演變圖7噴射沉積Al-Fe-V-Si合金錠坯在不同溫度熱暴露后的X-射線衍射譜0.5μm圖8噴射沉積Al-Fe-V-Si合金錠坯450℃熱暴露10h分解產(chǎn)物的典型形貌16精選完整ppt課件噴射沉積態(tài)Al-Fe-V-Si錠坯在熱暴露過程中物相變化如圖7所示，結(jié)合電鏡觀察，加熱溫度低于500℃的組織變化可以歸納如下：①胞間溶質(zhì)富集，亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變，晶體相聚集與球化；②胞晶合并長大，胞間界消失；③過飽和α-Al固溶體脫溶以及Al12(Fe,V)3Si析出長大，形成均勻彌散的α-Al+Al12(Fe,V)3Si兩相混合組織，如圖8所示。而高于500℃Al12(Fe,V)3Si顆粒都會發(fā)生明顯的Ostwald粗化，顆粒聚集，多邊形化，甚至向θ-Al13Fe4平衡相的轉(zhuǎn)化。17精選完整ppt課件3)噴射沉積Al-Fe-V-Si錠坯熱變形過程中組織演變圖9在不同加熱溫度條件下噴射沉積Al-Fe-V-Si合金擠壓成型后的典型TEM顯微組織（a）450℃，（b）480℃，（c）500℃，（d）520℃0.5μm0.5μm（a）（b）0.5μm0.5μm（c）（d）450℃擠壓態(tài)組織中Al12(Fe,V)3Si細(xì)小，分布均勻。隨著擠壓溫度提高，硅化物顆粒粗化，且逐漸聚集于（亞）晶界。在高于500℃擠壓時，Al12(Fe,V)3Si顆粒明顯粗化，聚集，甚至?xí)a(chǎn)生粗大塊狀相θ-Al13Fe4

18精選完整ppt課件6．合金熔煉工藝研究1)Al-Fe、Al-Fe-V、Al-Si中間合金的制配2)高溫熔劑的研制研制了一種適合于Al-Fe-V-Si熔煉時兼顧復(fù)蓋和精煉的Na3AlFe6+NaCl+KCl+CaFe2（編號為HRJ）的專用熔劑，并已申報了專利。3)熔煉工藝設(shè)備為專門研制的中頻感應(yīng)爐，最大容量500kg鋁,熔煉溫度控制在1100℃左右，專用熔劑復(fù)蓋和精煉，最后升溫至1400℃，進(jìn)行噴射沉積制錠坯.19精選完整ppt課件7．噴射沉積設(shè)備的設(shè)計與制造1)PSJ500噴射沉積機(jī)設(shè)計和制造研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型噴射沉積設(shè)備——PSJ500噴射沉積機(jī)。2)垂直下降噴射沉積設(shè)備的改進(jìn)①將澆包和噴沮沿30°的斜坡移動改為沿水平方向移動②改進(jìn)噴咀結(jié)構(gòu)。③系統(tǒng)研究和確定了氣體流量、壓力、沉積下降速度、旋轉(zhuǎn)速率等系列工藝參數(shù)及其配合。

20精選完整ppt課件新設(shè)計的噴射沉積設(shè)備沉積裝置21精選完整ppt課件噴射沉積監(jiān)控操作臺新噴射沉積裝置基本實現(xiàn)自動化控制22精選完整ppt課件新設(shè)計噴射沉積腔體：2.1×1.8×2.5m23精選完整ppt課件圖12噴咀斜移式示意圖圖13噴咀平移式示意圖24精選完整ppt課件8．過噴粉增冷技術(shù)和第二相增強(qiáng)技術(shù)的開發(fā)

過噴粉增冷技術(shù)采用過噴粉增冷技術(shù)制備的錠坯其擠壓棒材的抗拉強(qiáng)度可提高10%以上，伸長率也稍有提高。2)TiB2顆粒增強(qiáng)在8009合金中原位生成添加TiB2材料，室溫強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度都有明顯提高，而對塑性沒有不良影響。

25精選完整ppt課件9．大直徑管坯的加工成型快速凝固耐熱鋁合金由于合金化程度高，耐熱性能好、加工時變形抗力大，加之致密度比鑄造錠坯的致密度小，因此加工成型比傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金困難得多，而且管坯直徑大(Ф530mm)，采用常規(guī)的擠壓工藝和設(shè)備國內(nèi)目前無法解決，因此是一個重大的技術(shù)難題。本研究采用反擠壓工藝、固體潤滑、計算機(jī)模擬制訂工藝參數(shù)等技術(shù)措施，成功擠壓出Ф530mm大直徑管坯。26精選完整ppt課件1)高溫變形過程中的摩擦與潤滑研究

采用園環(huán)壓縮法，將噴射沉積錠坯制成標(biāo)準(zhǔn)的園環(huán)試樣，在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上，研究固態(tài)潤滑劑純Al，以及石墨+機(jī)油在300℃、350℃、400℃、450℃、480℃的潤滑效果，測定其摩擦系數(shù)μ和摩擦因子m。

27精選完整ppt課件表6不同潤滑條件和不同溫度下的摩擦因子、摩擦系數(shù)T(℃)123456300mμ0.800.2310.210.0610.510.1470.330.0750.330.0950.240.069350mμ0.880.2370.230.0760.50.1440.310.0780.310.0890.270.078400mμ0.850.2600.310.0890.430.1300.300.0810.30.0870.260.075450mμ0.900.2630.330.0950.360.1040.290.0810.290.0840.260.075480mμ0.950.2740.360.104----0.270.0780.250.072采用固體潤滑劑純鋁以減小擠壓時的摩擦力，是本研究的一個重要技術(shù)措施，對保證大直徑管坯的擠壓成型起了重要的作用。28精選完整ppt課件2)高溫變形力學(xué)行為研究

在不同潤滑條件下測試Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金高溫壓縮變形的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線，通過實驗和計算求得的快速凝固噴射沉積耐熱鋁合金Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si的各個材料常數(shù)見表10。從而得出該材料的塑性本構(gòu)方程。

表10求得的各個材料常數(shù)項目nαmm2/NA,S-1Q,kJ/mol數(shù)值14.620.008255.66×1022342.438塑性本構(gòu)方程29精選完整ppt課件3)擠壓過程的計算機(jī)模擬為了給選用設(shè)備和制訂工藝參數(shù)提供理論依據(jù)，對正擠壓和反擠壓過程，根據(jù)實驗參數(shù)進(jìn)行了計算機(jī)數(shù)值模擬，包括擠壓過程中致密度變化，應(yīng)力、應(yīng)變、變形速率、溫度、擠壓力變化等，得出了一系列模擬數(shù)據(jù)，為制訂工藝提供了依據(jù)，隨后的實驗證明，模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)很接近。30精選完整ppt課件

實際擠壓工藝模擬計算選用的參數(shù)

工藝一（正擠）二（鐓粗）三（充型）四（反擠）擠壓機(jī)噸位12500125003000030000擠壓筒直徑/擠壓針尺寸φ650mm/φ340mmφ500mmφ520mmφ520mm制品尺寸φ417/φ340φ500φ520mmφ520/460mm加熱溫度480℃450℃450℃450℃潤滑條件IIIIII工件的熱容，N/mm2/℃2.42.42.42.4工件的傳熱導(dǎo)數(shù)N/s/℃95959595模具材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，N/s/℃20202020工件與模具之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)，N/s/℃1010101031精選完整ppt課件模擬計算與真實擠壓力的比較最大擠壓力正擠壓鐓粗充型反擠壓模擬計算值(噸)6450(10750)1100024005720實際值(噸)110001100024005850誤差2.3%002.2%32精選完整ppt課件4)大直徑管坯的反擠壓成型

本研究需生產(chǎn)Ф530mm的大直徑管坯，即使采用目前國內(nèi)最大的12000噸臥式水壓機(jī)，用常規(guī)的正擠壓方法是無法生產(chǎn)的。工藝參數(shù)制定和工藝過程的實施采用了計算機(jī)模擬結(jié)果和摩擦潤滑試驗結(jié)果。擠壓模外徑530mm，擠壓芯頭Ф460mm，擠壓模高度600mm。潤滑：2mmAl固體潤滑+石墨、機(jī)油錠坯直徑Ф480mm鍛粗至Ф530mm然后擠壓擠壓比λ=5擠壓溫度450℃錠坯加熱：300℃→350℃→400℃→450℃階段升溫，加熱時間24小時33精選完整ppt課件包鋁錠坯的反擠壓過程φ外520/φ內(nèi)460mm反擠壓管坯34精選完整ppt課件10．板坯擠壓及板材軋制

為了提高板材的性能，特別是工程塑性，采用擠壓開坯，然后軋制的方案。Ф480mm噴射成型錠坯——包2mm鋁板——正擠壓成300×60mm2截面的板坯。擠壓比λ=11擠壓溫度480℃擠壓后的板坯，塑性明顯提高，在400~420℃軋制成(1~10)mm×300mm×定長尺寸的板材。35精選完整ppt課件360mm×50mm擠壓板坯1～10mm板材36精選完整ppt課件11．Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金攪拌摩擦焊接研究研究了攪拌摩擦焊對Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金組織性能的影響，并且采用FLUENT軟件對8009合金攪拌摩擦焊接過程中的溫度場以及流場進(jìn)行了計算以及模擬，為該合金攪拌摩擦焊工藝選用提供了理論依據(jù)。37精選完整ppt課件a母材透射電鏡明場像b焊核區(qū)透射電鏡明場像

ab

在焊核區(qū)，8009合金的快速凝固組織被保存下來,完全由大量的球形粒子Al12(Fe,V)3Si均勻彌散分布在α-Al基體上。拉伸結(jié)果顯示，采用橫穿焊縫的拉伸試樣，斷裂發(fā)生在母材區(qū)域，說明焊接系數(shù)達(dá)到100％38精選完整ppt課件2)攪拌摩擦焊接溫度場采用流體力學(xué)軟件-FLUENT軟件對8009合金攪拌摩擦焊過程的溫度場進(jìn)行了模擬，并與實測結(jié)果進(jìn)行了比較。

根據(jù)FLUENT軟件模擬溫度場以及實測溫度場，當(dāng)焊接攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1600RPM，焊接速度為2mm/s時，攪拌頭邊界處最高溫度為497℃，在420℃以上停留時間為11s左右。FSW焊核區(qū)的快速凝固亞穩(wěn)組織得以保存下來。39精選完整ppt課件圖26計算所得穩(wěn)態(tài)溫度場40精選完整ppt課件圖27溫度—距離曲線圖28溫度—時間曲線41精選完整ppt課件3)管材攪拌摩擦焊連接采用3mm板材，用卷板機(jī)卷成內(nèi)徑Φ507mm高300mm管坯，采用攪拌摩擦焊焊接成管材，可以進(jìn)行后續(xù)旋壓加工。

42精選完整ppt課件攪拌摩擦焊接板材攪拌摩擦焊接筒體43精選完整ppt課件5．合金耐熱強(qiáng)度與溫度的關(guān)系表5噴射沉積8009合金抗拉強(qiáng)度、伸長率與溫度的關(guān)系溫度(℃)抗拉強(qiáng)度MPa平均伸長率δ/%平均溫度(℃)抗拉強(qiáng)度MPa平均伸長率δ/%平均室溫432.8434.1426.5431.38888250284.9300.1301.1295.416151615.750396.5406.5411404.71012810300244.5265.6251.6253.912141413.3100363.6381.9374.8373.412111211.7350201.6200.7210.2204.212121011.7150344.3341.2350.8345.412141413.3400180.5184.4178.9181.314161615.3200326.3338.1332.5332.314141514.3450122.4112.6121.5151615.744精選完整ppt課件12．技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1)采用噴射沉積先進(jìn)工藝成功制備出快速凝固Al－Fe－V－Si新型耐熱鋁合金。為快速凝固耐熱鋁合金開發(fā)應(yīng)用探索了新的路線。與美國平面流鑄造/粉末冶金工藝相比，簡化了工藝、降低了成本，而材料性能達(dá)到美國平面流鑄造/粉末冶金工藝產(chǎn)品水平。45精選完整ppt課件強(qiáng)度Mpa溫度℃延伸率％46精選完整ppt課件47精選完整ppt課件強(qiáng)度Mpa溫度℃延伸率％48精選完整ppt課件2)采用反擠壓工藝，加工出大直徑管坯國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備和正擠壓工藝是不可能生產(chǎn)出Ф520mm大直徑管坯的。本課題研究，采用小于管坯直徑的錠坯，通過鐓粗致密化，采用包鋁固體潤滑，計算機(jī)模擬制訂工藝參數(shù)等技術(shù)，反擠壓加工出Ф520mm大直徑管坯，國內(nèi)外未見有報導(dǎo)。49精選完整ppt課件3)開發(fā)出快速凝固Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)

攪拌摩擦焊是一種先進(jìn)的連接技術(shù)，在研究Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金的焊接技術(shù)時，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊特別適合于耐熱鋁合金的連接，其焊接系數(shù)達(dá)到100%，并對其焊接工藝進(jìn)行了研究，為Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金的連接，特別是板材和管材的連接，探索出一條新的技術(shù)途徑，對該合金的開發(fā)應(yīng)用具有重要實際意義。50精選完整ppt課件三、科研基礎(chǔ)條件建設(shè)情況1．建設(shè)了一套新的錠坯噴射成型系統(tǒng)，包括：1)能熔煉500kg鋁合金，溫度可達(dá)1400℃的中頻感應(yīng)爐。保證了大錠坯一次成形的熔體供應(yīng)。2)設(shè)計制造了一套高壓供氣系統(tǒng)：192個高壓氮?dú)馄坎⒙?lián)供氣，保證了噴射時的氣流、氣壓穩(wěn)定。3)設(shè)計制造了一臺傾斜式PSJ500噴射沉積裝置，可制備Φ200mm~500mm高800mm的錠坯。4)與之配套的除塵環(huán)保系統(tǒng)。51精選完整ppt課件2．垂直式噴射沉積設(shè)備的改造主要是對噴咀系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將坩堝斜動式改為平移式，對噴咀設(shè)計及材料的選用進(jìn)行了改進(jìn)。通過對上述主要噴射沉積設(shè)備的制造和改進(jìn)以及相關(guān)配套條件的建設(shè)，為今后承擔(dān)和開展快速凝固鋁合金的研究工作打下了良好的基礎(chǔ)。52精選完整ppt課件四、經(jīng)費(fèi)使用情況支出總計395.2萬元，國撥經(jīng)費(fèi)380萬元，超支15.2萬元，超支部分由學(xué)校自籌經(jīng)費(fèi)解決。53精選完整ppt課件序號類別用途金額(萬元)1設(shè)備費(fèi)中頻感應(yīng)電爐機(jī)組(西安電爐公司)PSJ500噴射沉積機(jī)設(shè)計制造(自制)高壓氮?dú)夤庀到y(tǒng)(組裝)垂直式噴射沉積機(jī)改造(自制)24.542.626.38.22材料費(fèi)金屬材料(Al、Fe-V、Al-Ni、Fe、Si、Al-Ti-B)等坩堝及筑爐材料熔劑及除氣劑輔助材料(測溫、沉積盤工模具)49.87.22.33.83試驗費(fèi)噴射系統(tǒng)試驗擠