超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺机理及组织演变

发布时间：2017-08-04 18:43

  本文关键词：超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺机理及组织演变

  更多相关文章： 超声振动 半固态 搅拌摩擦加工 组织演变 工艺优化

【摘要】：细晶强化是目前常用的金属材料强化手段之一，也是唯一能同时提高强度和塑性的方法。搅拌摩擦加工（FSP）是一种新兴的严重塑性变形材料加工方法，目前已成功利用该技术将晶粒尺寸细化到微米级别，但单纯利用FSP进一步细化晶粒存在较大难度。因此，本课题提出一种超声辅助半固态搅拌摩擦加工（UASFSP）的复合工艺方法，并对其工艺机理进行了研究。 本课题采用ZL101铝合金作为研究材料，利用ANSYS进行了UASFSP数值模拟，确定了超声最佳振动频率为24000-25500Hz，最佳振动位置为：振动源位置可调节时，应保持焊核区位于振动源边沿处；当振动源位置无法移动时，焊缝中间位置B可以作为恒定振动源位置。 采用测温试验确定了可以实现SFSP的加工工艺参数，在n=2000r/min，加工速度分别为v=5mm/min、v=10mm/min、v=15mm/min时，焊核区可以达到半固态状态，其处在半固态温度区间的时间为73s、32s、20s。研究了水冷对SFSP的影响，发现在试验参数n=2000r/min，v=5mm/min时相较于普通SFSP试样，水冷SFSP轴肩影响区和焊核区的过渡更加平缓，晶粒尺寸的变化相对降低，焊核区晶粒细化程度增加。通过对水冷SFSP试样的硬度测试发现，加工区域的硬度总体上要小于母材区，但其变化幅度要明显小于母材区，加工区域存在加工缺陷。 通过聚苯乙烯颗粒-水模型及沙形振动物理试验对空化效应规律及最佳振动源位置进行了研究。发现超声空化效应的影响范围及空化效应强度，随着电磁搅拌器旋转速度的增加而增大，随着聚苯乙烯颗粒浓度的增加而减弱；在沙形振动试验中振动源的位置应位于试板边缘中心位置。 在前述模拟及实验的基础上，进行了UASFSP试验。工艺参数为n=2000r/min，v=5mm/min，加载的振动源功率分别为1000W、1400W、1800W，同时进行喷水强冷。发现当超声功率为1000W时，加工区域存在超声扰流区域，超声扰流区域的晶粒细化程度强于焊核区，硬度相较普通SFSP变化不大；随着超声功率的增加焊核区与超声扰流区融合，焊核区面积增加，焊核区晶粒细化程度增加，，加工缺陷消失，焊核区硬度增加。
【关键词】：超声振动 半固态 搅拌摩擦加工 组织演变 工艺优化
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG66
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 搅拌摩擦加工概述13-16
• 1.2.1 搅拌摩擦加工原理13
• 1.2.2 搅拌摩擦加工的研究现状13-16
• 1.3 超声振动在半固态材料成形中的应用16-18
• 1.3.1 半固态材料成形的原理16
• 1.3.2 超声空化效应的原理16
• 1.3.3 超声振动半固态成形技术的研究现状16-18
• 1.4 超声振动在 FSW/FSP 中的应用18-20
• 1.4.1 超声辅助 FSW/FSP 的原理18-19
• 1.4.2 超声辅助 FSW/FSP 的研究现状19-20
• 1.5 课题科学思维及研究内容20-22
• 第2章 超声辅助半固态搅拌摩擦加工耦合场的数值模拟22-37
• 2.1 ANSYS Workbench 及耦合场分析简介22-24
• 2.2 材料的工程数据及搅拌摩擦加工模型建立24-25
• 2.2.1 ZL101 工程参数24
• 2.2.2 搅拌摩擦加工几何模型建立24-25
• 2.2.3 网格划分及边界条件25
• 2.3 SFSP 温度场模拟25-29
• 2.3.1 热源模型的建立25-27
• 2.3.2 边界条件及热源的施加27
• 2.3.3 温度场模拟结果27-29
• 2.4 SFSP 应力场模拟29-31
• 2.4.1 边界条件及应力的施加29-30
• 2.4.2 SFSP 应力场模拟结果30-31
• 2.5 SFSP 模态分析模拟31-33
• 2.5.1 SFSP 模态分析参数设定31
• 2.5.2 SFSP 模态分析模拟结果31-33
• 2.6 SFSP 谐响应分析模拟33-36
• 2.6.1 SFSP 谐响应分析参数设定33
• 2.6.2 SFSP 谐响应分析模拟结果33-36
• 2.7 本章小结36-37
• 第3章 半固态搅拌摩擦加工的实现37-46
• 3.1 SFSP 温度场检测及试验参数的确定37-41
• 3.1.1 试验方案37-38
• 3.1.2 试验结果38-41
• 3.2 SFSP 材料微观组织及力学性能41-45
• 3.2.1 SFSP 材料微观组织演化41-44
• 3.2.2 SFSP 材料力学性能研究44-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第4章 超声辅助半固态搅拌摩擦加工的试验研究46-64
• 4.1 空化效应物理试验46-55
• 4.1.1 聚苯乙烯颗粒—水模型模拟46-53
• 4.1.2 沙形振动模拟试验53-55
• 4.2 试验方案55-56
• 4.3 UASFSP 对材料显微组织的影响56-61
• 4.4 UASFSP 对材料力学性能的影响61-62
• 4.5 本章小结62-64
• 结论64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 毛卫民,杨继莲,赵爱民,崔成林,钟雪友;浇注温度对AlSi_7Mg合金显微组织的影响[J];北京科技大学学报;2001年01期

2 翁宇庆;超细晶钢理论及技术进展[J];钢铁;2005年03期

3 张勤俭;王会英;徐文胜;韩连江;刘成让;;超声挤压强化技术的研究现状及发展前景[J];电加工与模具;2013年06期

4 季亚娟,马翔生,栾国红,孙成彬;ZL114A铸铝搅拌摩擦焊接头性能[J];焊接;2005年03期

5 李红克;史清宇;赵海燕;李亭;;热量自适应搅拌摩擦焊热源模型[J];焊接学报;2006年11期

6 马慧坤;贺地求;刘金书;;超声对不同铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响[J];焊接学报;2012年01期

7 刘小超;武传松;;超声振动对6061-T4铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响[J];焊接学报;2014年01期

8 朱瑞栋;董文超;陆善平;李殿中;林化强;;基于SYSWELD的A7N01铝合金缓冲梁结构焊接过程数值模拟[J];焊接;2014年03期

9 周龙海;王快社;王文;林兆霞;;搅拌摩擦加工铸态铝铁合金组织和性能研究[J];热加工工艺;2011年21期

10 吕书林;吴树森;戴维;朱泽明;毛有武;万里;;超声振动制备5052合金半固态浆料的研究[J];特种铸造及有色合金;2010年04期

本文编号：621148