精密成形工程

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• 挤压速率对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金LPSO相演变及动态再结晶的影响

  杜泽龙, 张至柔, 郭恩宇, 王同敏

  目的 针对高强镁合金成形性差的难题,通过调控挤压速率以优化Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的微观组织与力学性能,为高塑性镁合金的热加工提供新的理论依据。方法 以Mg-9.5Gd-3Y-2Zn-0.3Zr合金为研究对象,在挤压速率分别为0.1 mm/s和1 mm/s条件下进行热挤压实验。通过金相显微镜、扫描电子显微镜、背散射电子衍射技术和透射电子显微技术等手段系统表征显微组织演变、第二相分布、动态再结晶行为及织构特征,并通过室温拉伸实验分析力学性能变化规律。结果 挤压后,显微组织由拉长的变形晶粒与动态再结晶晶粒组成。第二相沿晶界呈拉长形态分布,晶粒内部则动态析出片层状LPSO相,且其弯曲变形程度随挤压速率的提高显著加剧。随挤压速率的提高,动态再结晶体积分数增加,导致合金强度显著下降,延伸率仅小幅提升。结论 提高挤压速率虽在一定程度上提高了塑性,但会导致强度明显降低,反而不利于合金综合力学性能。挤压速率通过影响动态再结晶程度与织构特征,显著调控了合金的强塑性匹配。因此,合理选择挤压速率,是优化该镁合金强塑性平衡的关键工艺路径。

• Ti6554钛合金低温力学性能及机器学习预测模型

  刘传焜, 曲周德, 武川

  目的 研究Ti6554钛合金在低温环境下的力学行为及组织演变,揭示温度对其力学性能的影响机制。方法 利用液氮结合拉伸实验获取载荷-位移曲线,并通过真应力-真应变分析、断口观察、加工硬化率测定及EBSD表征进行深入分析,同时构建了支持向量回归-粒子群优化算法模型（PSO-SVR）和EBP神经网络预测模型。结果 随着温度降低,合金应力显著升高,孪晶与位错的交互作用强化了屈服强度但导致延伸率下降,在0~-180 ℃区间内,断裂方式由韧性断裂逐渐转变为韧脆性混合断裂。模型精度评估结果表明,PSO-SVR模型最优R2为0.94,RMSE平均值为11.12 MPa,MAE平均值达到9.024 MPa;EBP模型最优R2高达0.98,RMSE的平均值为4.01 MPa,MAE平均值为2.067 MPa,展现的性能更优。结论 低温显著提升了材料的屈服强度与抗拉强度,其根本原因在于原子间结合力增强,导致位错滑移需克服的晶格摩擦阻力更高,同时原子热运动减弱,使位错难以获得足够能量克服障碍。然而,这种强化伴随塑性下降、延伸率降低。随着拉伸温度从0 ℃降低至-180 ℃,合金的主导断裂机制由韧性断裂转变为韧脆性混合断裂。EBP神经网络预测模型预测精度显著优于支持向量回归-粒子群优化算法模型（PSO-SVR）的预测精度。

• 直壁筋板异形Al-Mg-Zn合金线夹成形工艺优化

  胡宁, 张治民, 任贤魏, 李智勇

  目的 针对目前某种通过开式模锻制备的直壁筋板异形铝合金线夹成形飞边严重、材料利用率低的问题,设计了一种带有闭式型腔结构的成形模具,优化得到与终锻模腔相匹配的预锻件几何参数,实现了该线夹的精确模锻成形。方法 针对两种成形工艺,在Deform-3D中进行有限元模拟,通过优化预锻件的形状和尺寸,确定了合适的模具结构及预锻件几何参数,进一步通过正交实验,研究了成形温度与应变速率对成形载荷及应变分布的影响,得到了适合该铝合金线夹的成形工艺参数。最后,通过试验验证了该成形方案的可行性。结果 通过模拟分析确定了适合直壁筋板异形铝合金线夹的预锻件形状、尺寸以及成形模具,并通过正交实验优化得到该直壁筋板异形铝合金线夹的较优成形工艺参数为成形温度450 ℃、挤压速度1 mm/s,解决了该线夹成形飞边多、最高的直壁填充不饱满的难题,与采用开式模锻的预锻件最终成形件相比,闭式模锻的材料利用率提高了31.39%,成形飞边面积减少了69.9%,成形载荷降低了56.73%。结论 有限元模拟优化结果表明,与开式模锻工艺相比,采用闭式模锻工艺制备的直壁筋板异形铝合金线夹,不仅材料利用率更高,加工余量面积更小,而且填充饱满,成形载荷更低。在1 600 t压力机上成形了该直壁筋板异形铝合金线夹,其尺寸满足生产实际需求。

• 高温氧化处理对Mg-Nd合金腐蚀性能的影响

  夏守鑫, 岳思宇, 王丽, 龙家宝, 王庆航

  目的 研究不同Nd含量的铸态Mg-xNd合金（x=1.1%、5.5%、9.9%,质量分数,下同）及高温氧化态Mg-xNd合金在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的腐蚀行为与耐蚀性能。方法 利用析氢法和电化学法对比分析合金试样的腐蚀性能。通过X射线衍射仪获取合金试样的相组成。采用扫描电子显微镜观察合金试样腐蚀前后的微观形貌特征。通过激光共聚焦显微镜分析合金试样去腐蚀产物后的腐蚀深度。结果 在铸态和高温氧化处理条件下,随着Nd元素含量的增加,合金试样的腐蚀速率均呈现递增趋势。尤其在高Nd含量铸态合金中,Mg12Nd相和镁基体产生严重的电偶腐蚀,极大程度地降低了合金试样的耐蚀性能。但是,经过高温氧化处理的样品表面形成了致密的Nd2O3/MgO复合保护膜,进一步隔绝了Cl-对镁基体的侵蚀,有效地改善了合金的耐蚀性能,其中以高温氧化态Mg-1.1% Nd合金的耐蚀性能最为优异。结论 合金试样的耐蚀性能是Nd含量、相组成、热处理状态及氧化膜结构共同作用的结果。尽管随着Nd元素含量的增加,合金的腐蚀速率增大,但经过高温氧化处理后,可利用Nd元素形成致密的Nd2O3/MgO复合保护膜,从而在一定程度上抵消其对腐蚀的促进作用,实现耐蚀性能的提升。

• HFC-134a浓度对Mg-8Gd-4Y合金高温氧化行为的影响

  赵信毅, 肖遥, 覃鸿, 孙杨, 李天庆

  目的 研究HFC-134a浓度对高温下镁合金氧化行为的影响,分析HFC-134a/CO2混合气体的阻燃机制以及HFC-134a的合理浓度范围,为新型镁合金阻燃保护气的开发提供理论依据。方法 以Mg-8Gd-4Y合金为研究对象,以氧化温度和HFC-134a浓度为变量,对合金进行恒温氧化实验,并采用XRD、SEM分析表面氧化层的成分结构,在此基础上,结合热力学计算揭示了表面保护性氧化层的形成机理。结果 HFC-134a浓度的升高会使氧化层由MgO向MgF2与稀土氧化物的混合层转变。在600 ℃固态氧化过程中,无法形成连续的稀土氧化层,且稀土氧化物以Y2O3为主,但是700 ℃液态氧化时可以形成连续的稀土氧化层,且Gd2O3含量增加。结论 HFC-134a浓度的升高使表面氧化层的保护性增强,但是当体积分数超过10%后,铸件表面质量变差,因此,以10%（体积分数）HFC-134a/CO2混合气作为保护气最佳。

• 从专利视角看铝合金增材制造的研究现状

  王晓丽, 景怀宇

  采集了2011年以来全球铝合金增材制造相关专利数据,聚焦专利申请趋势、地域布局、重要技术分支、主要申请人及核心专利,全面挖掘铝合金增材制造领域的知识产权战略态势,为后续相关研究提供参考。研究显示,全球铝合金增材制造技术生命周期经历了萌芽期、成长期,目前正处在成熟稳定期。在地域分布上,中国、美国、欧专局位居前三名。在主要专利局之间专利流向方面,美、法、日三国专利流出量占优势,欧专局、美国、中国流入排名前三。专利热点技术分支包括铝基合金、由金属粉末制造工件或制品的增材制造方法、金属粉末及其处理、由金属粉末用压实或烧结的方法制造工件或制品。法国肯联铝业以118件专利申请位居申请人榜首,中南大学、上海交通大学分别以53件和42件位列其后。在主要申请人中,中国申请人多在中国本土集中开展申请,国外申请人则在本国以外也有相当数量的专利布局。另外,Top 5高被引用的专利中有3件来自美国、2件来自中国。

• 冷喷涂增材制造镁/铝双金属热变形行为及热加工性能

  张启绪, 刘思桐, 龙锦川, 蔺永诚, 邓磊, 韩旭

  目的 探究冷喷涂增材制造镁/铝双金属热变形过程中的流变行为及工艺窗口。方法 先采用冷喷涂工艺制备镁/铝双金属复合材料,随后在温度523~673 K、应变速率0.001~1 s-1、最大变形量50%的条件下,开展热压缩变形试验。通过对试验结果进行观察,分析镁/铝双金属的流变曲线特性,建立了基于Z参数的Arrhenius高温本构模型,并计算了不同变形条件下材料的热变形激活能,构建了三维激活能图。此外,利用修正的动态材料模型和Murty流变失稳判据,构建了三维热加工图;通过将二者结合以建立激活能-加工图,获得了材料在不同变形条件下的流变失稳区和安全变形区。结果 镁/铝双金属的流变曲线随应变的增加呈现明显的再结晶软化特征,并对变形温度和应变速率因素十分敏感,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小。结论 所建立的高温本构模型能够对不同变形条件下双金属的流变应力进行精确预测;基于激活能-加工图获得的最优热变形工艺窗口为：变形温度530~570 K,应变速率0.001~0.006 s-1。

• 等离子弧沉积高强钢微观组织及缺陷演化规律

  郭正华, 卢安, 赵明杰, 欧阳祥海, 涂骏扬, 姜丽红

  目的 优化等离子弧增材制造300M钢成形质量。方法 以300M钢为研究对象,采用实验和有限元模拟相结合的方法,探究沉积层冷却过程中温度场的动态演变对等离子沉积300M钢微观组织和缺陷的影响规律。结果 沉积层等轴晶区域厚度主要与单位长度送粉量有关,随单位长度送粉量的增加而增加,与等离子弧电流无显著关系,而沉积层等轴晶占比与单位长度送粉量之间未呈单调线性关系。为探究工艺参数对沉积层等轴晶演化机制的影响规律,建立了柱状晶-等轴晶转变预测模型,预测误差为4%。此外,微观缺陷分析发现,孔隙率随体能量密度的增加而降低,基于体能量密度优化的工艺参数如下：等离子弧电流为150 A、扫描速度为0.06 m/min、送粉速率为9 g/min,优化工艺参数后的孔隙率减小到0.37%。结论 增材过程中的温度梯度越小、凝固速率越大,越有利于等轴晶的形成。体能量密度对孔隙具有显著影响,提高体能量密度可以有效减小孔隙率。

• CMT电弧增材制造梯度过渡高强耐磨层工艺研究

  吴家鑫, 王金凤, 郭亿, 李文娟, 魏佳安

  目的 采用CMT电弧增材制造技术,在高强度模具钢表面构建具有梯度过渡特征的高强耐磨复合熔覆层,旨在提升模具钢表面硬度与耐磨性能,从而延长模具的使用寿命。方法 基于CMT电弧增材制造技术,通过选择合适的焊接材料设计出具有硬度梯度过渡的复合熔覆层。以通用的H13模具钢为基材,采用FK1000焊丝作为中间过渡层、YD322焊丝作为高强耐磨层进行逐层熔覆,以达到硬度和韧性梯度过渡的目的。结果 对熔覆后的复合材料进行微观组织和力学性能研究,结果表明,熔覆试样宏观成形良好,无明显冶金缺陷。高强耐磨层主要由细小的板条马氏体以及残余奥氏体组成,过渡层主要为贝氏体及铁素体,二次受热区和热影响区均有回火组织出现。该复合熔覆层从基材到过渡层再到高强耐磨层硬度呈梯度式提升,硬度逐级升高。该复合材料硬度从基材的248HV提升至耐磨层的581HV,硬度提高了135%。冲击韧性较基材略有下降,从基材的12 J下降到复合试样的9.3 J,其断裂方式为解理断裂。耐磨层的磨损质量为1.3 mg,磨损系数为0.365,与基材相比,磨损质量减少了69.7%,平均磨损系数从0.43降低至0.365。

• 无支撑电弧增材制造Cr13Ni5Mo不锈钢尺寸规律及力学性能研究

  成传诗, 秦岩平, 陈伟东, 徐宁, 麻太德, 蔡鑫

  目的 针对在大型悬垂构件原位再制造过程中直接应用电弧增材制造成形时,易出现流淌、驼峰以及强度不足等问题,研究无支撑电弧增材制造的成形工艺。方法 采用电弧冷金属过渡技术在竖直基板上增材制造Cr13Ni5Mo不锈钢,建立电弧增材制造工艺参数与成形形貌的数学模型,研究送丝速度、焊接速度及焊枪偏转角度对单道焊道截面尺寸的影响规律,采用二次回归拟合方程选定的最佳工艺参数成形单道多层试样,并对试样进行力学性能检测,按照规范完成制样,使用万能拉伸试验机测试无支撑电弧增材制造Cr13Ni5Mo不锈钢的拉伸力学性能。结果 数学模型预测结果与实际结果较为符合,根据方差分析求得焊宽、余高及余高偏移量方程模型的F值分别为18.64、9.78、8.99,由显著性水平α=0.01查找F_α表,再根据fR、fQ,得出F_0.99 (fR, fQ)=4.94,显著水平均超过0.99。送丝速度对焊宽影响最为显著,焊接速度对余高影响最大,焊枪偏转角度对余高偏移量影响最大。拉伸力学性能测试结果表明,横向平均抗拉强度为1 017.3 MPa,延伸率为13.7%,纵向平均抗拉强度为1 067.5 MPa,延伸率为15.6%。结论 基于Cr13Ni5Mo不锈钢的无支撑电弧增材制造成形工艺不仅能够控制流淌、驼峰等缺陷,还能实现优良的力学性能,为后续大型构件的原位增材制造提供了参考。