7075铝合金喷射成形工艺及超音速两相流破碎机制研究

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喷射成形作为新型的先进材料制备工艺,利用气-液两相雾化产生的细小液滴能够快速冷却、后续到达的液滴能对已沉积表面产生冲击等特点,制备的7075铝合金沉积坯中可以有效避免粗大枝晶,细化二次相,削弱合金元素偏析。但是喷射成形过程受到多种因素共同作用,影响规律较为复杂,实际生产过程中也多依赖经验的积累。因此,有必要深入研究不同雾化器结构对应的气体流场特征、雾化过程中两相之间的相互作用以及液态金属破碎机制。本文对超音速雾化过程中的气-液两相相互作用直接进行数学建模与计算,验证了金属液的两种初级破碎机制,探讨了气/液参数值对初级破碎过程的影响,然后通过对制备所得的喷射态7075铝合金进行质量表征,优化了成形工艺参数,并对质量较优的材料的高温变形行为进行了探讨,为进一步通过后处理改善喷射态材料的组织性能提供了依据。具体研究工作如下:利用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟技术,系统研究了超音速两相流雾化过程当中的气流场特征,具体特征包括:链式膨胀波、导液管端部的负压区、导液管下游的回流区以及滞点;依据VOF(Volume of Fluid)两相流模拟结果,发现随着金属液质量流率从0.053kg/s增加至0.265kg/s,初级破碎模式由液膜破碎转换为“微型喷泉”破碎,且随着表面张力减小或雾化压力增大,初级破碎发生时间提前,破碎程度加剧,雾化效率提高。基于喷射成形实验,通过对比不同工艺参数下7075铝合金沉积坯的表观质量和内部孔隙,分析了三种孔隙(堆积孔隙、气孔和凝固缩孔)的形态及其影响因素,其中沉积高度过小、导液管内径过大和金属液初始温度过高容易产生气孔和凝固缩孔;而沉积高度过大、金属液初始温度过低则容易出现堆积孔隙。综合所得沉积坯的宏观质量和内部致密度分析结果,对雾化成形参数进一步优化,结果为:导液管内径D=4.0mm,伸出高度(35)h=1mm,雾化压力P=1.0MPa,沉积高度H=460mm。利用优化后的参数制取7075铝合金沉积坯,并对其微观组织观察和分析,发现晶粒呈等轴状且尺寸明显细化至20-50μm之间,第二相除了沿晶界分布,在单个晶粒内部也以针状和球状大量存在。对喷射态7075铝合金进行300-450℃、0.01-1s-1范围内的Gleeble热模拟等温压缩实验,采用Arrhenius模型对测得的真实应力-应变曲线特征进行描述,确立本构关系,并系统研究其内部组织的演变特征。低温和高应变速率对应的流变应力曲线峰值较大,但是材料整体动态软化效应不显著,在观察的6组实验中,仅在400℃/0.01s-1和450℃/0.1s-1变形时发生了少量动态再结晶。相比于铸态材料,喷射态材料发生动态再结晶时对于变形条件的要求更加严苛。通过对热变形过程中的峰值应力进行对比,发现喷射态7075铝合金较铸态具有更好的高温抗变形能力。
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