半固态7050铝合金挤压铸造成形工艺与组织性能研究

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7050铝合金因具有高强度、低密度等优势,广泛应用于航空航天、轨道交通以及国防等领域。但是,7050铝合金的铸造流动性较差,凝固收缩区间较大,难以通过传统的液态铸造工艺生产外形较复杂的零件。而半固态挤压铸造技术可以很好的避免这一缺点,通过制备近球状初生固相的半固态材料和降低浇注温度,可以有效提高铝合金的流动性和减小凝固收缩区间。目前,半固态7050铝合金的流变行为研究较少,难以准确预测该合金在压力作用下的变形流动情况及零件的成形效果。因此,本文对半固态7050铝合金的本构方程和表观粘度方程展开研究,为预测该合金在压力作用下的变形流动情况提供理论指导,结合Pro CAST软件模拟该合金挤压铸造的成形过程,并对模拟结果进行试验验证。随后,为提高力学性能,对半固态挤压铸造的7050铝合金进行热处理研究,对不同热处理后的铝合金进行微观组织和性能分析,揭示其强化机理。并针对不同热处理的半固态7050铝合金进行摩擦磨损试验研究,研究其摩擦磨损特性,并分析其摩擦磨损机理。首先,针对电磁搅拌法制备的半固态7050铝合金铸锭进行热模拟试验,研究变形温度为490-520℃、应变速率为0.1-10 s-1下的变形行为,并建立引入修正项的Arrhenius型本构方程。根据热模拟试验中应变速率、载荷等参数间的联系,建立半固态表观粘度方程,研究表观粘度与剪切速率、温度的关系。结果表明:材料的峰值流变应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的降低而减小。引入修正项后本构方程和表观粘度方程预测值和试验值的平均相对误差(ARE)分别为2.3%和4.1%。并将半固态表观粘度方程导入Pro CAST模拟软件中,采用正交试验法模拟不同水平因素下的挤压铸造过程,预测铸件中的缺陷,并优化出最佳的半固态挤压铸造工艺参数。随后采用最佳的工艺参数进行半固态挤压铸造试验,结果表明:试验结果与模拟结果符合较好。其次,采用“固溶+时效”热处理对半固态7050铝合金进行强化。研究发现,当时效时间为12 h时,合金的强度达到峰值,屈服强度为423 MPa,抗拉强度为481 MPa,断后伸长率为9.0%,显微硬度为156.3 HV。当时效时间延长至24 h时,合金的显微硬度达到峰值,为179.3 HV,而强度和伸长率都有所降低,屈服强度为392 MPa,抗拉强度为459 MPa,断后伸长率为7.2%。随着时效时间的增加,由于长大粗化的θ相和杂质相沿晶界分布,导致半固态7050铝合金的塑性持续降低。最后,采用滑动摩擦磨损试验对半固态7050铝合金的摩擦系数、磨损量、磨损形貌以及磨屑形貌进行研究分析,研究发现,随着时效时间的增加,材料的显微硬度持续升高,材料的耐磨损性能得到显著改善。铸态7050铝合金和固溶处理(460℃×1 h)后的半固态7050铝合金的磨损机制主要为磨粒磨损和剥层磨损;经过时效处理12 h和时效处理24 h后的半固态7050铝合金的磨损机制主要为磨粒磨损。
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