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《南京航空航天大学》 2011年
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铝/铁基及铝/纯钛基双金属复合管件的冷成形及铝层陶瓷化研究

郭训忠  
【摘要】:核聚变工程包层的管路对电绝缘、抗腐蚀等性能方面具有特殊要求,所以需要在管路内表面制备高质量的氧化铝陶瓷层。但是由于管路连接件如三通、弯头形状相对复杂,采用常规方法难以实现在其内表面制备氧化铝陶瓷涂层的目的。另外,在航空、航天、石化等工程领域中常使用钛合金管道,而钛合金由于自身抗冲刷、耐磨损性能较差,亦需要在复杂的管道内表面制备氧化铝涂层。 基于上述问题,本文提出了新的技术路线:首先采用内爆法将铝管与钢管(或钛管)进行爆炸复合,使纯铝覆层与基管之间实现冶金结合;其次采用冷推弯及液压胀形的先进成形工艺对带有铝层的双金属管坯进行塑性变形,制备双金属复合弯头及三通管件;后采用微弧氧化工艺将铝层实施陶瓷化处理。通过本工艺路线,最终在弯头或三通管件内表面原位生成氧化铝陶瓷层。本文的三项关键技术分别为:制备带有铝层且界面具有冶金结合的高质量双金属复合管;双金属复合弯头及三通的塑性成形规律及变形机理;纯铝层的陶瓷化以获得致密的α-Al_2O_3。 采用爆炸复合工艺制备了尺寸精度高、内表面质量好、界面结合强度高的双金属复合管。对铝-316L不锈钢体系、铝-纯铁体系、铝-CLAM钢体系的双金属复合管起爆端、中部及尾部结合质量进行了评价。采用压剪试验、径向压扁及弯曲试验对双金属复合管的结合性能进行了测试,铝-纯铁、铝-316L不锈钢、铝-CLAM钢的界面剪切强度分别为76.0、75.6、73.8MPa;三种体系的复合管弯曲试样内弯及外弯角度超出138°时、径向压扁率为33%时,界面无任何开裂。结果表明,纯铝覆层与基管的界面结合性能优良,可以经受大的塑性变形。 在铝-316L不锈钢双金属复合管的冷推弯成形中,采用有限元方法系统研究了不同的相对旋转半径、不同的芯棒材料及摩擦系数对推弯成形效果的影响。研究结果表明,在相同的管坯直径条件下,随着弯曲段相对旋转弯曲半径的增大,复合管坯材料的贴模效果、圆截面畸变及壁厚均匀性得以明显改善;芯棒材料对于成形效果具有重要影响,使用刚性芯棒和低熔点合金芯棒对于减小圆截面椭圆度效果最佳,但刚性芯棒的界面剪切应力明显大于低熔点合金;摩擦系数越低,界面最大剪切应力越小,壁厚均匀性越好。在铝-纯铁双金属复合弯头的冷推弯成形中,研究了推弯后的界面结合情况、等效应力场及应变场。另外,研究了两端带有直段且具有矩形截面的铝-CLAM钢双金属特殊弯管冷推弯成形,提出了不同于圆形截面管材的推弯塑性变形机理:材料的流动沿轴向进行,难以越过刚性棱边进行径向补料,故最终造成弯曲段外侧减薄难以快速补料,减薄更加严重;弯曲段内侧则由于刚性区的作用,增厚现象得以抑制。 在铝-316L不锈钢双金属复合三通的内高压成形中,采用有限元模拟方法研究了支管顶部位置及过渡圆角区域的钢层节点、铝层节点随时间变化的历史曲线;其次研究了各金属层在典型截面线上的厚度分布规律,并与单层不锈钢三通壁厚规律进行了对比分析。另外,对复合三通成形中的内压力、摩擦系数以及推进距离对于支管高度以及壁厚减薄率的影响规律进行了系统研究。结果表明,复合三通的成形内压不宜过高;应选择具有较小摩擦系数的润滑剂;轴向推进距离对于复合三通的壁厚均匀性无明显影响,但对支管高度影响较大。在铝-CLAM钢体系的双金属复合三通的内高压成形中,研究了内压及摩擦系数对铝-CLAM钢铁双金属壁厚分布及支管高度影响。根据模拟结果,对铝-316L不锈钢、铝-纯铁及铝-CLAM体系的双金属复合三通进行了实际的内高压成形试验,最终获得了高质量的复合三通管件。 通过上述工艺,可实现在纯钛管件内表面制备氧化铝层。首先对铝-纯钛进行爆炸复合,对复合后的界面形貌、元素分布及物相进行了表征;对内、外层的界面结合强度以及压扁、压缩等性能进行了测试。采用冷推弯及液压胀形工艺成功制备了铝-纯钛双金属复合弯头及三通管件。 采用微弧氧化工艺对铝-316L不锈钢、铝-纯铁、铝-CLAM钢及铝-纯钛体系的双金属复合管件纯铝层进行陶瓷化处理。首先研究了基于硅酸盐体系的电解液配方、电流密度及氧化时间对氧化铝层厚度、显微硬度、表面粗糙度及氧化铝晶型的影响规律并分析了微弧氧化成膜机理。研究结果表明,采用2g/L的氢氧化钾、3g/L硅酸钠、5g/L六偏磷酸钠、10g/L酒石酸钠的电解液,通过20A/dm~2的电流密度90min氧化处理可获得致密的、厚度约为145μm,且α-Al_2O_3含量超出67.2%的高质量陶瓷层。通过使用含有氧化铬粒子的电解液,可以制备出Al_2O_3+Cr_2O_3复合陶瓷层。对制备的陶瓷层分别进行了结合性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能及抗冲刷性能、电绝缘性能的测试。结果表明,氧化铝层、复合陶瓷层与基体的结合性能不低于55N及60N;Al_2O_3+Cr_2O_3复合陶瓷层的磨损量最小,Al_2O_3层次之;带有氧化铝陶瓷层试样的自腐蚀电位Ecoor约为-0.26V,腐蚀电流Icorr约为1.1E-7,Al_2O_3+Cr_2O_3复合陶瓷层的自腐蚀电位约为-0.23V,腐蚀电流约为7.56E-8;氧化铝陶瓷层的抗冲刷性能优良;氧化铝陶瓷层的体积电阻率约为1.73×10~(12) cm,远超出设计值10~4Ω m。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TL626

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