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梯温楔压对喷射沉积SiCp/7090致密化的影响

来源期刊:中国有色金属学报2008年第6期

论文作者:王凯 陈振华 张昊 陈刚

文章页码:997 - 997

关键词:SiCp/7090铝基复合材料;梯温楔压;多层喷射沉积;致密化;

Key words:SiCp/7090 Al-base composite; temperature cyclic pressing; multi-layer spray deposition; densification

摘    要:采用一种新的楔压工艺—梯温楔压,对喷射沉积态SiCP/7090铝基复合材料进行致密化加工,并测定压制后坯料的密度和硬度。结果表明,坯料在模具中加热90 min后正面与侧面分别呈现出180 ℃和250 ℃的温度梯度,坯料在高向变形为25%时,致密化效果较好,密度与硬度均呈现出沿高向逐渐减小的趋势,相对密度最高达到98%,与恒温楔压时坯料的相对密度最高为95%相比,梯温楔压工艺有效提高了坯料的相对密度,硬度最高值达到HB92。在315T液压机上实现了高向为200 mm的多孔材料的致密化加工。

Abstract: A novel technique called temperature gradient cyclic pressing was developed to improve the formability of spray deposited aluminum alloy preforms. Spray deposited SiCp/7090 Al-base composite was densified by temperature gradient cyclic pressing, and the density, hardness and microstructure of the composite were studied. The results show that the temperature gradient on the front face of billet is 180 ℃, while 250 ℃ on the side face of the billet is got when heated in the die for 90 min. When the billet reduces by 25% in height, the effect of densification for the billet is better, the maximum relative density is 98%. However, the maximum relative density is 95% when the same billet is pressed with constant temperature gradient cyclic pressing. The maximum hardness is HB92. It is easier for temperature gradient cyclic pressing to densify the porous materials with the height of 200 mm through the 315T hydraulic press.

基金信息:国家自然科学基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2008)06-0997-08

梯温楔压对喷射沉积SiCp/7090致密化的影响

王  凯,陈振华,张  昊,陈  刚

(湖南大学 材料科学与工程学院,长沙 410082)

摘要:采用一种新的楔压工艺—梯温楔压,对喷射沉积态SiCP/7090铝基复合材料进行致密化加工,并测定压制后坯料的密度和硬度。结果表明,坯料在模具中加热90 min后正面与侧面分别呈现出180 ℃和250 ℃的温度梯度,坯料在高向变形为25%时,致密化效果较好,密度与硬度均呈现出沿高向逐渐减小的趋势,相对密度最高达到98%,与恒温楔压时坯料的相对密度最高为95%相比,梯温楔压工艺有效提高了坯料的相对密度,硬度最高值达到HB92。在315T液压机上实现了高向为200 mm的多孔材料的致密化加工。

关键词:SiCp/7090铝基复合材料;梯温楔压;多层喷射沉积;致密化;

中图分类号:TG 146.2       文献标识码:A

Effect of temperature gradient cyclic pressing on densification of spray deposited SiCp/7090 composite

WANG Kai, CHEN Zhen-Hua, ZHANG Hao, CHEN Gang

(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: A novel technique called temperature gradient cyclic pressing was developed to improve the formability of spray deposited aluminum alloy preforms. Spray deposited SiCp/7090 Al-base composite was densified by temperature gradient cyclic pressing, and the density, hardness and microstructure of the composite were studied. The results show that the temperature gradient on the front face of billet is 180 ℃, while 250 ℃ on the side face of the billet is got when heated in the die for 90 min. When the billet reduces by 25% in height, the effect of densification for the billet is better, the maximum relative density is 98%. However, the maximum relative density is 95% when the same billet is pressed with constant temperature gradient cyclic pressing. The maximum hardness is HB92. It is easier for temperature gradient cyclic pressing to densify the porous materials with the height of 200 mm through the 315T hydraulic press.

Key words: SiCp/7090 Al-base composite; temperature cyclic pressing; multi-layer spray deposition; densification

                    


颗粒增强铝基复合材料具有密度低、比强度高、比刚度高、耐磨、耐疲劳、热稳定性好、热膨胀系数小等优异的力学性能与物理性能,是近年来铝基复合材料研究的热点。这种低密度高性能的特点使得颗粒增强铝基复合材料可以作为钢材和钛合金的代替材料,成为航空、航天、交通运输及其它工业部门广泛应用的结构材料[1-2]。采用喷射沉积技术制备颗粒增强复合材料时,增强颗粒分布均匀,而且具有快速凝固等一系列特点[3-6]。然而通过模压、锻造工艺对大尺寸喷射沉积态多孔坯料进行致密化后发现坯料的力学性能改善并不理想[7-8],并且此类大件材料锻造时存在致密化效果不佳的现象[9]。对高向尺寸达到200 mm 的大尺寸喷射沉积态材料致密化加工时,通常采用600 t以上的液压机或者1 250 t的挤压机进行致密化加工,这样大型设备的要求限制了大尺寸喷射沉积材料的应用,陈振华等[10]发明了楔形压制的致密化方法,很好地解决了在小吨位液流压机上对大尺寸喷射沉积材料致密化加工的问题。楔形压制工艺是在小变形量多道次累积的条件下使多孔材料逐步致密化的工艺,然而在恒温楔压时存在坯料底部致密化效果不佳的现象。鉴于在挤压过程中对挤压坯料进行梯温加热后,坯料挤压效果较好[11-12],本实验在恒温楔形压制工艺的基础上引入梯温工艺,采用梯温楔压技术在315 t液压机上对高向尺寸为200 mm的喷射沉积态SiCp/7090坯料进行致密化加工,并对压制工艺和材料性能进行研究。

1  实验

采用多层喷射沉积技术制备SiCp/7090铝基复合材料,利用梯温楔压工艺对坯料进行致密化加工,对楔压后的坯料进行密度,微观组织及力学性能的分析。坯料制备:采用多层喷射沉积技术制备了L×W×H = 157 mm×112 mm×200 mm的方坯,其化学成分如表1所列,基体增强相为平均粒径为14 μm的SiC颗粒。沉积坯料的相对密度为85%。制备方坯时的工艺参数如表2所列,所制备的未进行致密化加工的方坯实物如图1所示。

表1  7090铝合成分

Table 1  Chemical constitution of 7090 aluminum alloy (mass fraction, %)

表2  制备SiCp/7090方坯的工艺参数

Table 2  Processing parameters of preparing SiCp/7090 square billet

图1  喷射沉积态SiCp/7090方坯

Fig.1  Square billet of as-spray deposited SiCp/7090

图2所示为喷射沉积态多孔材料的梯温楔压致密化装置。在压制之前,将坯料加热到350 ℃后放入模具中,同时开启模具底面的电热板4,以及模具侧壁的电管5与水管6,通过控制不同位置电管与水管的开关,使整个模具沿高度方向上呈现出一定的温度梯度。坯料在模具中分别放置30 、60和90 min后用激光测温仪沿高度方向对其正面和侧面进行温度测试,测温位置及测温结果如图3所示,测温时选取坯料的上、中、下3个部位进行测试,每个区域的测温误差范围为±5 ℃。

图2  梯温楔压装置

Fig.2  Schematic of temperature gradient cyclic pressing device: 1—Wedge shape pressure head; 2—Billet; 3—Die; 4—Bottom sheet; 5—Heating pipe; 6—Water pipe;

从图3中可以明显看出,随着加热时间的增加,试样每一个测温位置的温度都逐渐升高,并且呈现至上而下温度逐渐升高的趋势。当试样被加热90 min时,坯料的正面与侧面的最高温度分别为440和500 ℃,坯料的正面及侧面分别呈现出180 和250 ℃的温度梯度。对于SiCP/7090铝基复合材料而言,温度达到450 ℃以上,会出现明显的晶粒粗大现象,材料的力学性能急剧下降,所以在实验中坯料的加热时间不宜超过90 min。在对坯料进行循环压制时,楔形压头1压下后抬起,向右移动一个步进距,然后向下压制,如此循环使坯料2逐步致密化,梯温楔压工艺如表3所列。沉积态坯料共进行4次循环压制,最终得到的压制坯尺寸为162 mm×116 mm×150 mm。

图3  不同位置的温度测试示意图

Fig.3  Schematic plan of thermometric in different sites: (a) Thermometric site; (b) Relationship between time and thermal distribution at different positions on front face; (c) Relationship between time and thermal distribution at different positions on side face


表3  多层喷射沉积SiCP/7090复合材料梯温楔压工艺参数

Table 3  Processing parameters of temperature gradient cyclic pressing on multi-layer spray formed SiCp/7090 composite

2  有限元模拟

为了优化实验条件及对实验过程进行有效预测,利用有限元分析软件对实验过程进行了有限元模拟,所选材料以及模拟条件均与实验一致。在模拟过程中首先利用呈现一定温度梯度的模具对坯料进行加热,加热90 min后坯料中心部位的温度分布如图4所示。

图4  模拟软件生成的坯料温度分布

Fig.4  Temperature distribution of billet generated by simulation software

对形成上述温度梯度的坯料按照表3的实验参数进行楔形压制过程模拟,高向变形分别为5%、10%、15%、20%、25%及30%的坯料相对密度分布模拟结果如图5所示。

图5  不同高向变形量的相对密度模拟结果

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