复合材料半固态连接—模锻一体化成形技术及组织性能精确控制应用基础研究

随着航空航天、国防工业以及交通运输的发展，传统单一的复合材料已经不能满足零件的制造需求，为满足对材料多种性能或某种特殊功能，复合材料的连接问题越来越突出。半固态模锻是最有应用前途的方法之一，关键在于如何提高和保证半固态连接制件性能的可靠性。.本项目综合了复合材料的连接技术以及半固态模锻成形技术，采用理论分析、模锻成形过程的数值模拟和试验研究结合的方法，研究材料化学成分、凝固组织形态、温度场、坯料始锻时液相体积分数和加载方式对凝固过程均匀性和产生微观缺陷的影响规律，探究产生微裂纹的条件和断裂机理。在此基础上通过化学成分、工艺参数和复合加载等方式改变成形过程应变场状态，控制裂纹的产生，并同时实现半固态连接-模锻制件组织性能均匀化精确控制。为半固态模锻在复合材料连接中的工业应用奠定理论及应用基础。

现代科学技术的进步对材料科学与工程技术的要求日益提高，研制开发新型高性能结构零件以及先进连接技术已经成为广大高科技企业需要迫切解决的问题。由于连接材料的物理和化学性能差异，常规的方法不但使连接困难，而且还影响到接头组织、性能和力学行为，甚至严重影响结构的完整性。本项目综合了材料连接技术以及半固态模锻成形技术，采用理论分析和试验研究结合的方法，研究材料成分和加载方式等对复合材料模锻-连接过程中组织均匀性和微观缺陷的影响规律，探究了半固态模锻成形一体化工艺机理。结果表明:.1、半固态模锻连接工艺实现SiC/Al-2024复合材料齿轮件的成形与连接。630℃、400MPa工艺参数下制件的界面力学性能达到240MPa，抗拉强度可达到337MPa。界面结合良好，界面附近增强相分布均匀性随温度变化先变好后变差。在较高的温度和较高的压力下，在界面处容易产生SiC颗粒的分布不均匀。SiC颗粒的分布不均匀及SiC颗粒的接面的富集是影响界面强度的主要因素。.2、600℃、45min以及615℃、15min下，SIMA法制备的7075可以获得良好的半固态组织；随着机械搅拌温度升高、时间的延长， SiC颗粒在基体中的分布先均匀后偏聚，620℃左右，搅拌时间为10-15min时可以获得较理想的半固态铝基复合材料浆料；随着载荷及温度的增加，SiC/Al-7075复合材料的界面结合强度不断提高；当温度超过一定范围后，基体组织晶粒长大，均匀性变差，整体性能下降。326MPa、615℃时，复合材料连接强度可达到260.85MPa。.3、640℃、 8min、987MPa工艺参数下，高体分率SiC/Al制件组织均匀，致密度高，模锻连接效果良好。随着体分率增加，物理及力学性能降低；颗粒度增大，热膨胀、抗弯强度和致密度降低，热导率提高；加热温度升高，热导率和热膨胀系数降低；随保温时间增加，抗弯强度先提高后降低；成形压力增大，其抗弯强度提高。.4、异种材料半固态模锻—连接机理是：在压力作用下，在半固态温度下实现材料在模具型腔中良好粘性流动充填，界面两侧的材料在半固态温度下进行了充分的扩散和液相渗透，促使界面两侧的材料进行了充分的冶金结合，达到了焊接要求。.通过该项目的研究工作，充分证明利用半固态“固液共存”以及模锻压力的作用，有利于材料的充填和异种材料之间的相互扩散，从而达到了界面冶金结合的结果。