热加工工艺杂志

热加工工艺杂志2024年第5期

• Al-Zn-Mg-Cu系铝合金增材制造研究进展

  余申卫, 王成辉, 周茜, 王惠梅,

  Al-Zn-Mg-Cu系（即7xxx系）铝合金是军民两用最为广泛的一类超高强度铝合金，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金增材制造技术具有复杂零件精密成形与轻量化设计等显著优势，市场需求广泛。本文综述了Al-Zn-Mg-Cu系合金增材制造技术的研究进展，总结了国内外增材制造7075铝合金目前存在的问题和改进措施。对7075铝合金增材制造技术未来的研究热点和发展方向进行了展望。

• 增材制造点阵夹芯混合结构的振动特性

  张佳乐, 王星, 耿小亮, 刘军, 李欣, 董炜璘, 张恒, 熊若钦,

  采用增材制造（additive anufacturing，AM）技术制备了钛合金点阵夹芯梁，使用硅橡胶作为阻尼材料对点阵空隙进行了填充。测试对比了有/无填充的点阵夹芯悬臂梁的模态振型，并对其进行了扫频振动激励。试验结果表明：填充阻尼材料不会改变结构振型，但可显著降低振动响应幅值。开展了硅橡胶的动态力学分析试验（dynamic mechanical analysis，DMA），结合广义麦克斯韦（generalized Maxwell model，GMM）粘弹性模型，标定了频域粘弹性模型参数。通过硅橡胶单轴拉伸试验标定了多项式型超弹性模型参数。基于粘超弹性模型及标定参数，对有填充的点阵夹芯悬臂梁进行了振动响应有限元模拟，与试验结果相符，证明本文采用的粘超弹性模型和其参数标定方法可有效用于混合结构的振动特性计算。

• K4169合金激光增材修复组织调控及拉伸性能研究

  陈志镔, 刘奋成, 刘丰刚, 程诗翔, 汤洛天, 王宏, 魏宏,

  采用激光增材修复方法对K4169合金基材进行了高质量修复,研究了均匀化处理+固溶处理+双级时效处理（SIDA）对激光增材修复K4169合金显微组织与力学性能的影响规律。研究表明：激光增材修复K4169合金修复情况良好,渗透探伤与X射线探伤均未检测到缺陷产生。试样修复区显微组织为沿沉积方向外延生长的典型的粗大柱状晶组织,细小松针状的Laves相在枝晶间大量析出。经过SIDA热处理后,贯通各个修复层的亚稳柱状枝晶组织转变为细小的等轴晶,脆性Laves相发生固溶,呈现出碎化现象。修复态试样平均抗拉强度为521 MPa,经SIDA处理后可达856 MPa,高于铸件的825 MPa,伸长率由修复态的31.4%下降到20.3%,但仍高于铸件的5%。所有室温拉伸试样断裂位置均在热影响区并且均为韧性断裂。

• 基于二次通用旋转组合设计的冷金属过渡电弧增材制造AZ31镁合金焊道截面尺寸研究

  王一丰, 张忠明, 马威龙, 祁嘉伟, 徐春杰, 杨长林,

  基于冷金属过渡的电弧增材制造技术制备了AZ31镁合金单道试样，测试了单道试样的焊道宽度和焊道高度。根据二次通用旋转组合试验设计与二次多项式逐步回归分析，建立了高度显著的焊道宽度和焊道高度与摆动宽度、焊接速度、送丝速度和基板温度等工艺参数间的关系式。结果表明，工艺参数对焊道宽度的影响主次顺序依次为摆动宽度、送丝速度、基板温度、焊接速度，对焊道高度的影响主次顺序依次为焊接速度、摆动宽度、基板温度、送丝速度。随摆动宽度的增大，焊道宽度逐渐增大，焊道高度逐渐减小；随焊接速度的提高，焊道宽度和焊道高度均逐渐减小；随送丝速度的提高，焊道宽度和焊道高度也随之同步增大；随基板温度升高，焊道宽度增大，焊道高度降低。

• 电弧增材制造铝合金的“控形”和“控性”技术研究现状

  宿佳琪, 邢飞, 锁红波, 刘常升, 董呈, 郭翰铭,

  电弧增材制造铝合金具有沉积速度快、设备成本低、材料利用率高等优点，受到工业界和学术界的极大关注。但电弧增材制造固有的熔化和凝固特性决定最终材料存在“控形”“控性”的难题。本文从“控形”“控性”两方面对电弧增材制造铝合金的国内外进展进行分析，重点阐述了工艺参数优化、在线处理方式如基板预热、冷轧、熔池在线监测、微铸锻、搅拌摩擦焊等，以及后处理方式，讨论了不同技术的发展现状及趋势，并提出电弧增材制造铝合金“控形”“控性”的发展方向。

• 搅拌摩擦增材制造技术研究进展

  张镜斌, 高磊, 张伟强, 陈喜锋,

  搅拌摩擦增材制造技术是一种全新的固相增材工艺，具有增材效率高、材料范围广、性能优、成本低等优点。搅拌摩擦增材制造方法主要分为板材叠加增材制造、搅拌摩擦沉积增材制造和损耗型摩擦堆焊增材制造。本文对搅拌摩擦增材制造技术的基本原理、沉积层微观组织演变和力学性能进行了论述，最后对搅拌摩擦增材制造技术的潜在应用进行了展望。

• 点环激光超窄间隙焊与电弧焊高强钢厚板组织性能对比研究

  陈锦涛, 胡祺, 兰玲, 徐沛至, 聂璞林, 李铸国, 孙军浩,

  为消除激光超窄间隙焊易产生的侧壁熔合缺陷，开发了点环激光填丝焊工艺，利用中心点激光对焊丝加热，利用环激光对窄间隙坡口加热，完成30 mm厚10CrNi3MoV低合金高强钢的焊接，并与传统电弧焊接头开展组织和性能对比分析。结果表明，激光超窄间隙填丝焊接头焊缝区由针状铁素体、粒状贝氏体与少量的马氏体组成，电弧焊接头由针状铁素体和粒状贝氏体组成。激光焊的快速冷却特点使其焊缝组织较弧焊更加细小。激光焊接头热影响区由较多的铁素体和粒状贝氏体组织和较少的M-A组元组成，有利于接头性能的提高。激光超窄间隙填丝焊接头抗拉强度与电弧焊接头近似相当，但激光超窄间隙填丝焊接头具有更好的冲击韧性。

• 船舱格子型角焊缝移动焊接机器人系统设计

  张勇, 高延峰, 张华,

  针对大型船舱格子型角焊缝空间狭小，大型自动化设备与工人难以高质量完成焊接作业的现状，设计了一种可进行连贯直角角焊缝焊接的移动焊接机器人系统。该机器人由机械结构与电路控制系统组成，其中机械结构包括双轴后驱车体、可伸缩接触式传感器、机器人升降旋转复合机构、焊枪位姿调整机构；电控系统硬件包括PLC控制器、行程限位开关、步进电机与配套驱动器、直流减速电机和配套的运动状态调控板。另外，还建立了机器人在直角段角焊缝焊接过程的运动学模型，获取了该段焊缝在均分为10段后每段焊枪的伸缩速度与机器人旋转角速度的数值，为直角型角焊缝焊接的跟踪控制过程提供了PLC编程的数据基础；并基于可伸缩接触式传感器，实现了直线型角焊缝的路径跟踪。实验证明，该机器人能实现小空间直角型角焊缝与直线型角焊缝的连贯焊接，焊缝成型质量好，无焊穿、气孔、焊瘤、咬边、裂纹等不良状况。

• 激光熔覆光斑形状对铁基涂层组织结构及耐磨性能的影响研究

  张世洲, 殷咸青, 王轲岩, 余超峰, 李林森,

  采用线光斑激光熔覆技术和圆光斑激光熔覆技术在热作模具钢H13钢上制备铁基耐磨涂层，使用XRD、SEM、EDS等对比研究不同光斑形状对铁基涂层的熔覆效率、成分物相、组织结构和耐磨性能的影响。结果表明：采用圆光斑激光熔覆技术和线光斑激光熔覆技术制备的涂层皆为无缺陷涂层，由于线光斑激光熔覆技术具有更大的光斑面积、更快的扫描速度，使得线光斑激光熔覆涂层的熔覆效率是圆光斑激光熔覆涂层的4.4倍，稀释率更小，约为圆光斑激光熔覆涂层的1/5。因为圆光斑的线能量比线光斑的线能量大，导致圆光斑激光熔覆涂层中的马氏体和碳化物的含量高于线光斑激光熔覆涂层中马氏体和碳化物的含量，圆光斑激光熔覆涂层的硬度和耐磨性高于线光斑激光熔覆涂层。

• 不同搭接形式下铜/钢电磁脉冲焊接界面分析

  韩佳良, 迟露鑫, 冉洋, 黄岩, 张玉虎, 郑旭明, 梁仕发,

  由于铜/钢的物化参数相差较大，熔钎焊时存在接头脆性、应力集中等问题，本研究借助新型电磁脉冲焊接技术，通过设计锥度或台阶形式的搭接方法，获得了铜/钢焊接接头，并借助界面微观SEM、EDS观察及显微硬度测试，分析不同搭接形式下的接头连接特征。结果表明：直接搭接时界面波形较差，有少量孔隙；台阶搭接时界面波形较大，但是，波形界面存在前后漩涡，且有“熔合区”；锥度搭接时界面为近似均波连接特征。当采用锥度结构设计时，波状界面的扩散区宽度为5 μm，两种材料结合相对紧密。界面塑性变形、元素扩散程度决定界面硬度分布，采用锥度搭接设计时金属粒子流能够飞出界面，产生的塑性变形相对较小，其硬度过渡平缓，有利于冶金结合。

• 铝合金回填式搅拌摩擦点焊研究现状

  闫林波, 张达, 熊江涛, 李京龙, 张强,

  回填式搅拌摩擦点焊作为一种先进的固相焊接技术，能够有效避免液相焊接的固有缺陷，同时消除搅拌摩擦点焊带来的匙孔，因此，在铝合金、镁合金等轻质金属点连接领域有着无可替代的优势，受到了国内外学者的广泛关注。经过多年的发展，回填式搅拌摩擦点焊已经不再局限于早期的套筒下扎模式，而是出现了多种不同的类型和模式，如额外填充式搅拌摩擦点焊、两阶段回填式搅拌摩擦点焊等。本文综述了近年来回填式搅拌摩擦点焊在铝合金焊接领域的研究现状，涉及点焊过程的基本工作原理，焊接工艺及接头组织性能研究，以及焊接接头的常见失效行为分析。本文对工程中回填式搅拌摩擦点焊接头性能的优化、工艺参数的合理选择提供一定的借鉴作用。

• 大尺寸涡轮铸件工艺仿真设计及验证

  马敏团, 夏鹏举, 杨小建, 曹鑫,

  涡轮是增压器上具有复杂曲面结构的高速旋转部件，质量要求高。采用ProCAST软件对大尺寸涡轮铸造工艺进行了仿真设计，实现了涡轮铸件铸造工艺的优化，并结合生产实际开展了细晶工艺研究，生产出组织、性能和尺寸精度满足要求的大尺寸涡轮铸件。

• 热处理工艺对铜电缆组织及性能的影响

  陈威, 祝平, 徐恩光, 汪勇, 陈静, 徐静, 陈兴武, 李华强,

  针对当前新能源汽车充电电缆中铜导线强度与导电率难以兼顾的难题，采用不同工艺对常用充电电缆的铜线导体（φ0.8 mm）进行再结晶退火处理，旨在优化其力学性能与电学性能。结果表明：拉拔态铜线具有较高的强度（抗拉强度Rm=385 MPa），较低的电学性能（导电率σ=99.4% IACS），以及较低的弯折性能（136次）。对拉拔态铜线进行不同温度（180、200、220、550、800℃）及保温时间（30 min、18 s、8 s）退火并测量样品的力学性能和导电率，发现在200℃×30 min退火后样品具有较好的综合性能，导电率增大至103.3% IACS，弯折性能增大至318次。再结晶退火使铜线内部的微观结构发生明显变化，性能的变化与微观组织的变化息息相关。

• 烧结温度对氮化硅层状陶瓷材料微观组织和力学性能的影响

  刘家宝, 宋金鹏, 高姣姣, 胡士恒, 孟维其, 王瑶,

  采用交替铺层技术成功制备了以α-Si3N4为基体，Y2O3-MgO-WC和GdF3-MgO分别作为A层和B层添加相的层状素坯。采用真空热压烧结技术，分别以烧结温度为1550、1600、1650、1700、1750℃，压力为30 MPa，保温时间为60 min，制备了Si3N4-Y2O3-MgO-WC/Si3N4-GdF3-MgO层状陶瓷材料，并研究了烧结温度对氮化硅层状陶瓷材料微观组织和力学性能的影响。结果表明：氮化硅层状陶瓷材料的断裂韧度随着温度的升高先增后减，最高断裂韧度出现在烧结温度为1650℃时，其中面断裂韧度为7.844 MPa·m1/2，层断裂韧度为7.294 MPa·m1/2。同时，层状陶瓷材料的抗弯强度和硬度随烧结温度升高先减后增。当烧结温度为1550℃时，抗弯强度为841.797 MPa，面维氏硬度为16.227 GPa。此外，层状陶瓷材料的断裂方式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合模式。

• 高频脉冲微TIG焊接电弧基值效应研究

  王燮阳, 曹彪, 庞世炫, 王奕楷, 黄增好,

  为了探索微TIG焊接的焊接电流下限，研制了一种高频脉冲微TIG焊接电源，利用脉冲基值电弧电特性的改善提高焊接稳定性。通过电弧电流、电压波形，分析了电弧的电压滞后性，探讨了脉冲频率对脉冲电弧基值效应的影响，并进一步对零基值脉冲TIG进行了研究。结果表明，高频脉冲下的微电弧基值电压较稳态电弧大幅下降，更有利于维持微电弧的燃烧；在基值电流为0 A的条件下高频脉冲电弧也可维持燃烧，平均焊接电流可低至0.5 A，极限0基值时间与脉冲电流大小呈正相关。对于微细漆包线和端柱的微型工件连接，零基值脉冲微TIG焊获得了较好的焊接效果。

• 三重热处理对径向锻造Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响

  王惠梅, 周茜, 余申卫, 汪勇, 魏刚, 王成辉, 马迪, 曹鑫,

  研究了几种三重热处理制度对径向锻造Ti-6Al-4V钛合金棒材组织和性能的影响。结果表明，在接近相变点进行三重热处理时，组织为网篮状组织；第一重热处理形成的网篮组织，经过两相区的二重固溶和三重时效后组织状态变化不大；随着固溶温度的增加，合金的强度逐渐上升，且距相变点越近，增加的幅度越大；伸长率和断面收缩率有下降趋势，在接近相变点时，下降幅度更大。在两相区进行三重热处理时，Ti-6Al-4V钛合金组织是典型的双态组织，包括近等轴α相和β转变组织，β转变组织内部为针状的次生α相和残余β相；当固溶温度在920～950℃时，强度和塑性呈现出良好的匹配关系，在热处理制度为950℃/1 h，AC+950℃/1 h，OQ+560℃/4 h，AC时，材料获得最佳高强度和高塑性匹配关系。

• 基于Cast Designer的壳体铸件铸造工艺设计及智能优化

  巩红涛, 张怀章, 杨磊, 杨国超, 马永健, 李丰,

  使用Cast Designer铸造仿真分析软件，通过可铸性评估系统DFM，完成浇冒系统的辅助设计，然后使用DOE技术和基于遗传算法GA的智能优化技术，评估不同工艺设计方案与铸造过程参数对壳体铸件质量的影响，分析在不同的冒口、冷铁和浇注温度条件下得料率和缩孔量的关系。根据对DOE模拟结果的分析，发现顶冒口和侧冒口尺寸是影响得料率和缩孔量的关键因数，再利用遗传算法GA选择最佳设计方案和参数。通过帕累托曲线得到了生产壳体铸件的最优工艺方案。

• 3D打印树脂模在重型燃机透平叶片制造中的应用技术研究

  赵仕志, 温志勋, 吴欣洲, 赵代银, 张琼元, 郝悦, 郭维华,

  针对重型燃机高温透平叶片精铸流程长、试验迭代慢的特点，介绍了3D打印树脂模在燃机叶片精密铸造开发过程中的应用情况。重点阐述了3D打印树脂模的材料特性、强度控制方法、表面特性以及适应精密铸造过程的工艺匹配方法，为采用树脂模直接成型叶片创造了条件。

• 基于局部均匀化多尺度方法的机织复合材料单轴拉伸力学行为研究

  员尔瑾, 孙杰, 王开钰, 蔡洪能,

  机织碳纤维增强树脂基复合材料在厚度方向存在纤维的相互交织，拥有较复杂的纤维空间结构，因此具有优异的比刚度和比强度。本文建立了平纹机织复合材料的“微观-介观-宏观”的多尺度有限元渐进损伤模型，并对介观模型中的各成分进行具有等效性能的局部均匀化简化。基于微观力学失效理论判断纤维/基体损伤起始，通过ABAQUS有限元分析平台，开发用户自定义的子程序VUMAT，对平纹机织复合材料进行拉伸力学行为和损伤机理分析。结果表明：在拉伸载荷模拟中纤维束树脂损伤最为严重，纤维失效发生在经向纤维束中，且外层损伤相较于内层更加严重。试验和数值分析的结果误差均在2%以内，表明多尺度渐进损伤模型的可靠性。

• 不同驱动参量的金属材料疲劳裂纹扩展速率模型综述

  张亚军, 张新烨, 徐阳, 单建军, 张欣耀,

  疲劳裂纹扩展速率da/dN是金属材料进行损伤容限设计时用到的一项重要力学性能指标，其获得并不直接依赖于裂纹扩展的驱动参量，这为采用不同驱动参量表征da/dN提供了可能性。本文分别介绍了以裂纹尖端应力强度因子范围ΔK、能量释放率变化范围ΔG、J积分变化范围ΔJ、张开位移变化范围Δδ、塑性区变化范围Δr、裂纹前缘附近应变范围ΔεT等为疲劳裂纹扩展驱动参量的裂纹扩展速率模型及应用，为研究疲劳裂纹扩展规律时不同驱动参量的选择提供依据。

• 热处理工艺对铸造Al-Mg-Si-Sc-Zr合金组织与性能的影响

  李刚, 王志平, 陈砚池, 邵丽雄, 李险峰,

  采用显微维氏硬度计、拉伸试验机、扫描电镜和透射电镜研究了多级热处理工艺对铸造Al-Mg-Si-Sc-Zr合金组织与性能影响。结果表明：在固溶温度575℃下,随着时间的延长,在晶界上呈网状分布的长条状Mg2Si转变为颗粒状的Mg2Si；对于Al3（Sc,Zr）相来说,最佳的高温时效制度为320℃×1 h,热处理后的基体中有大量的纳米尺寸的Al3（Sc,Zr）相,可显著强化基体；对于时效析出相来说,随着低温时效温度的升高,时效析出相由GP区向β”相转变。经优化热处理后的铸造Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到197.8 MPa、288.2 MPa、13.3%,对应的热处理工艺为：575℃×0.5 h+320℃×1 h+120℃×46 h。

• TC4焊接接头热变形行为及组织演变研究

  朱晓宇, 廖志谦, 吕逸帆, 吴晓飞, 贾晓飞, 王志毅, 李新, 戴乐,

  基于Gleeble高温拉伸试验，研究TC4钛合金焊接接头在温度为700～950℃、应变速率为10-4～10-1 s-1条件下的热变形行为，使用Arrhenius双曲正弦模型建立TC4焊接接头的热变形本构方程，并采用金相显微镜、SEM、EBSD等手段研究焊接接头在热变形过程中的显微组织演变规律。结果表明：TC4焊接接头在热拉伸过程中的流变应力对变形温度和应变速率敏感，随变形温度的升高和应变速率的降低而降低；焊接接头的伸长率受变形温度和应变速率的耦合作用，随变形温度的升高和应变速率的降低而升高。通过本构方程计算得出焊接接头在（α+β）两相区的变形激活能为547.385 kJ/mol，软化机制为动态再结晶。随变形温度的升高，焊缝金属内部β相含量升高、大角度界面减少、几何必要位错密度降低，导致焊接接头的流变应力降低，伸长率升高。

• TiB2颗粒增强6061铝合金的组织及力学性能

  郝志飞, 刘志伟, 解佩佩, 余申卫, 何源, 董其娟, 魏作山, 李政霖, 尚金翅,

  TiB2颗粒对铝合金有良好的强化作用。通过超声辅助重熔稀释法制备TiB2/6061复合材料，研究了TiB2颗粒对铸态及挤压T6热处理态6061铝合金的微观组织及力学性能的影响。研究结果表明：添加2wt%TiB2颗粒后，铸态平均晶粒尺寸从未添加TiB2的355.7 μm细化至117.5 μm；TiB2颗粒可以促进再结晶过程中的形核，并抑制晶粒长大；挤压热处理态TiB2/6061复合材料的屈服强度为330 MPa、抗拉强度为385 MPa，相比未添加TiB2的合金分别提高了11.8%和7.0%，其主要强化方式为热错配强化和Orowan强化。

• 不同陶瓷颗粒表面处理对陶瓷/高铬铸铁复合材料微观界面的影响

  汪勇, 余申卫, 刘春溪, 魏昂, 王成辉, 王惠梅,

  采用传统的高铬铸铁制备电厂用磨煤机磨辊、磨盘已无法满足耐磨需求，陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料成为替代传统耐磨材料的首选。本文研究了镀镍、镀钛表面处理对陶瓷/高铬铸铁复合材料微观界面的影响。结果表明，表面处理后陶瓷与高铬铸铁界面润湿性改善，可获得较好的铸渗效果。镀镍陶瓷颗粒与高铬铸铁复合材料没有明显的中间过渡层，二者之间的结合强度不高，陶瓷与高铬铸铁结合为机械结合。镀钛陶瓷颗粒与高铬铸铁复合材料的界面由于Ti元素的作用发生化学反应，形成明显的中间过渡层，界面结合强度高，陶瓷与高铬铸铁结合为冶金结合。

• SiCp/2024铝基复合材料冷压成形致密化特性研究

  王成辉, 王惠梅, 余申卫, 汪勇, 周茜,

  采用单轴模压法，以50 μm、10 μm双粒径SiCp和2024铝粉混合粉末为原料，研究在102、204和306 MPa冷压条件下混合粉的冷压致密化行为、机理。采用粉末冶金法制备了SiCp含量为20vol%的SiCp/Al基复合材料，研究了热压烧结成形复合材料的组织和断口特征。结果表明，随着冷压压力的增大，冷压坯和复合材料的致密度均增加，204 MPa之后冷压坯致密度的增幅不明显，306 MPa冷压条件下冷压坯致密度最高达到85.8%，烧结后铝基复合材料的致密度最高达到99.87%。铝基复合材料的双粒径SiCp与Al基体界面呈冶金结合，未出现SiC/Al界面脱粘现象及孔隙产生，复合材料断口中SiCp均发生穿晶断裂，显示出良好的界面结合性能。

• 双尺度SiCp增强Al基复合材料的制备及耐磨性研究

  李龙, 余申卫, 王成辉, 范玉虎, 王惠梅, 汪勇, 杨蕾, 付永红,

  采用粉末冶金法制备了双尺度SiCp增强Al基复合材料，SiCp双粒径50 μm：10 μm的比例分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及5∶1，添加总含量为20vol%。通过销盘式摩擦磨损试验机对复合材料及对比试样HT300材料的耐磨性能进行了测试，使用SEM、EDS对复合材料及HT300摩擦磨损前后的微观形貌进行了表征，并对复合材料摩擦磨损机理进行了分析。结果表明，SiCp与Al基体界面结合良好，无界面脱粘及孔隙产生。任一碳化硅颗粒粒径配比的SiCp/Al基复合材料的耐磨性能均优于HT300，其中颗粒粒径配比为3∶1时耐磨性能最优，HT300磨损量约为颗粒粒径配比3∶1时的7～13倍。