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2195铝锂合金板材热变形-淬火复合成形规律与强化机制

凡晓波  
【摘要】:为满足新一代运载火箭发展要求,提高火箭的有效运载能力,迫切需要实现箭体结构零件轻量化。轻质高强的铝锂合金具有广泛的应用前景。为解决铝锂合金薄壁零件常温成形易开裂、回弹大以及成形后热处理变形大的难题,本文提出了基于冷热组合模的热变形-淬火复合成形方法,将成形和热处理相结合,同时实现零件形状和性能控制。本文以新一代箭体材料2195铝锂合金板材为主要研究对象,揭示固溶热变形机理和高温形变热处理强化机制,探索不同冷热模具淬火条件下的强化规律,为实际工艺制定提供理论指导和技术支持。通过热拉伸试验研究了不同固溶温度(460-540℃)和应变速率(0.01-1s-1)条件下热态力学性能,分析了拉伸变形过程中流动应力变化特征,建立了描述流动应力变化的本构模型。通过热态气压胀形试验,研究了气压加载速度对充分固溶后板材在双拉应力状态下的变形行为的影响规律,分析了不同胀形阶段的轮廓变化和壁厚分布规律,揭示了应变强化和应变速率强化对变形均匀性的调节机制。快速加压条件下,应变强化协调能力明显增强,使变形转移到临近变形抗力相对较小的区域,避免了集中变形。变形后期应变速率的增加,进一步促进了应变速率强化对均匀变形的调节作用。通过SEM、EBSD、TEM分析测试方法,研究了不同固溶温度和应变速率下的热变形组织演变规律,揭示了固溶热变形微观物理机制。变形机制主要为晶内滑移,无晶粒异常长大。软化机制主要取决于变形速度和变形程度,当变形速度较快(1s-1)时,为动态回复;变形速度较慢(0.01-0.1s-1)时,变形前期的动态回复能够促进动态再结晶发生。断裂机制则主要取决于固溶温度,固溶温度较低(460℃)时为微孔聚集型的穿晶断裂;固溶温度较高时为穿晶断裂和沿晶断裂的混合形式,且固溶温度越高,沿晶断裂比例越大。通过完全固溶条件下的单向拉伸和气压胀形试验,研究了不同应变速率(0.01-1s-1)和应变(0.68)下变形对时效强化的影响规律。固溶热变形能够促进时效强化,硬度随单拉应力状态变形增加而增加,随双拉应力状态变形先增加而后保持不变。通过TEM表征了析出相及其分布规律,揭示了固溶热变形对时效析出的促进机制,表现为固溶热变形导致位错和亚晶界形成,为T1相提供了更多的形核质点,使其大量弥散析出,进而促进了时效强化。并且,促进作用主要取决于变形程度,变形速度的影响相对较小。通过热变形-淬火复合成形实验,分析了U型截面和双曲率截面试件的回弹规律,研究了不同冷热模具组合条件下的强化规律,获得了强化效果调控的模具温度窗口。热变形-淬火复合成形过程中,回弹显著降低,U型试件法兰回弹角小于0.1o,成形试件尺寸精度高。对于不同强度级别的铝合金板材,成形试件在常温模具内冷却时均能获得98%以上的峰时效强度水平。模具温度在超过200℃以后,强化效果随模具温度升高而降低。冷热组合模具成形时,冷上模冷却仍可实现98%以上的峰时效强化效果,可通过提高热下模温度来减缓板材温度下降,且不会影响后续的强化效果。


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