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基于电弧增材非平衡凝固效应Al-Ce耐热合金组织性能调控机理研究

批准号:
52105319
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
郭跃岭
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭跃岭

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
金属间化合物增强Al-Ce合金因组织热稳定性高、耐热性能优异,是制造高超音速导弹主结构蒙皮的重要候选材料。然而受近平衡凝固限制,常规铸造Al-Ce合金组织粗大,Al11Ce3增强相含量有限且形成复杂棱面相形态,造成合金强度较低且延展性不足。为解决此瓶颈难题,本项目拟利用电弧增材制造技术,探索热输入最小化与非平衡凝固效应最大化实现方法,研究以非平衡凝固效应为核心的显微组织主动调控机理;分析晶粒尺寸与共晶间距超细化机制,揭示高Ce含量合金初生相Al11Ce3与共晶相、层片状与纤维状共晶竞争生长规律,厘清组织特征尺寸超细、增强相体积分数高、完全纤维状共晶组织形成机理;阐明凝固工艺、显微组织与力学性能的内在联系,实现力学性能提升。本项目旨在利用Al-Ce合金与电弧增材制造的高度匹配性与互补性,基于非平衡凝固组织调控,同步实现合金快速制造与高效控性,为大马赫数导弹主结构蒙皮的研制提供理论和技术支撑。
英文摘要
Owing to the excellent microstructure thermal stability and heat resistance, the intermetallics strengthened Al-Ce alloys are of great potential for fabricating large-scale and complex hypersonic missile structural skins. However, as a result of near-equilibrium solidification and faceted growth of intermetallic Al11Ce3, conventional cast Al-Ce alloys form coarse-grained and complex microstructures, with insufficient volume fraction of Al11Ce3. Such alloy microstructures produce unfavorable mechanical properties. To address this bottleneck issue, we conceive of microstructure tuning for Al-Ce alloys via wire arc additive manufacturing (WAAM), a non-equilibrium solidification pathway. The method to minimize processing heat input and maximize non-equilibrium solidification effect will be explored, as well as the microstructure refinement mechanism, including grain size and Al11Ce3 phase size. The growth behaviors of primary Al11Ce3 and eutectics will be investigated to reveal the phase selection mechanism. We will also focus on the competitive growth of fibrous and lamellar eutectics, and eventually, an untra-fined fibrous eutectic microstructure with a higher volume fraction of intermetallic Al11Ce3 is expected. The improvements in the strength and ductility of Al-Ce alloys can thus be achieved via above microstructure optimization, based on the inherent relationship among WAAM process, microstructure feature and mechanical performance. A breakthrough on the rapid-near-net-shaping of Al-Ce alloys with desired mechanical performance can thus be achieved, based on the optimization of non-equilibrium solidification microstructures. Theoretical and technical support can be provided on the development of structural skins for large-Mach hypersonic missiles.
金属间化合物增强Al-Ce合金因组织热稳定性高、耐热性能优异,是制造高超音速导弹主结构蒙皮的重要候选材料。然而受近平衡凝固限制,常规铸造Al-Ce合金组织粗大,Al11Ce3增强相含量有限且形成复杂棱面相形态,造成合金强度较低且延展性不足。针对此瓶颈难题,本项目利用电弧增材制造技术,提出了热输入最小化与非平衡凝固效应最大化的工艺实现方法,研究了以非平衡凝固效应为核心的显微组织主动调控机理;阐明了晶粒尺寸与共晶间距超细化机制,揭示了高Ce含量合金初生相Al11Ce3与共晶相、层片状与纤维状共晶竞争生长规律,厘清了组织特征尺寸超细、增强相体积分数高、完全纤维状共晶组织形成机理;建立了凝固工艺、显微组织与力学性能的内在联系。研究发现,Al-Ce合金在不同成分、不同凝固速率下具有组织多样性,电弧熔凝非平衡凝固能够促使Al11Ce3相由小平面向非小平面枝晶生长模式的转变、Al11Ce3/α-Al共晶组织形貌由汉字状向层片状和棒状的转变、过共晶组织向完全共晶组织的转变。随着电弧增材制造热输入降低,Al-Ce-Mg合金样品壁厚减小、精度提升,在细化晶粒的同时抑制了Al11Ce3初生相的形成。与铸造合金相比,电弧增材制造Al-Ce基合金室温抗拉强度提高~20%,200℃高温拉伸抗拉强度提高34%、延伸率提高168%,实现强塑性协同提升。在高温条件下电弧增材制造Al-Ce-Mg合金具有良好的抗蠕变能力,主要得益于细小均匀分布的Al11Ce3金属间化合物相;在220℃和250℃条件下,合金表现为位错攀移蠕变机制,而在300℃下合金表现为位错滑移蠕变机制。本项目利用电弧熔丝增材制造高冷速、非平衡凝固以及无模壳自由成形的特点,通过合金成分与凝固动力学耦合控制,挖潜Al-Ce耐热铝合金性能潜力,能够实现大型复杂异型结构Al-Ce耐热合金的快速近净成形与高效控性,进而为高超音速导弹主结构蒙皮以及车辆发动机活塞、航空发动机气缸、压气机叶片等关键耐热部件的选材与制造提供支持。
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