微纳尺度颗粒增强型航空紧固件真空吸铸成形研究

• 作 者: 王京
• 出 处: 上海工程技术大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 真空吸铸 铝基复合材料 SiC颗粒 航空铆钉 微观组织 机械性能

随着航空业、交通运输业、电子信息业和军事等多种尖端领域的高速发展,对材料的综合性能出现了更高的标准和要求。轻量化的铆钉作为航空紧固件等重点关注结构对象的连接零件,为飞机“减负”发挥了关键性的作用,故成形优质铆钉的制备工艺成了研究热点。本文利用真空吸铸技术,SiC颗粒作为加强件,获得SiC_p/ZL106复合材料铆钉铸件。首先选定SiC颗粒的表面处理方式,真空吸铸设备使用过程中对吸口直径以及电弧电流大小的调控,SiC颗粒的质量分数以及尺度大小作为三种不同的工艺参数,多次进行实验成形铆钉铸件,对其展开更深层次的研究,最终通过对比实验确定了最佳工艺参数。其次设计了全新的铆钉模具,模拟了成形铆钉铸件的过程,选定吸口直径以及浇注温度作为参数,模拟了缺陷位置,并与实际实验获得的铆钉铸件进行对比验证,得到的重要结论如下:(1)将SiC颗粒进行表面镀铜和预氧化,两种处理方式都能提高与基体的界面湿润性,有效防止有害界面反应产生杂质,改善界面质量。经过预氧化处理的SiC颗粒作为加强件时,获得SiC_p/ZL106复合材料的硬度、抗拉强度以及断裂伸长率最高(94.7HV、297.6MPa、58.9%),较基体依次增加了51.5%、38.2%和61.3%。(2)当吸口直径增加到3mm,电弧电流增加到350A时,α(Al)基体晶粒细化明显,共晶Si数目增多,固溶效果突出。同时强化相也数量较多,SiC颗粒分布的离散且均匀,无积聚状态,缺陷情况也得到了明显改善,数量急剧下降,呈精细的孔洞形状。此参数下SiC_p/ZL106复合材料综合性能最佳。(3)当纳米SiC颗粒质量分数为2%时,呈有序分散的状态,无明显团聚现象,并且SiC_p/ZL106复合材料的硬度值、抗拉强度、断裂伸长率测得最大值(94.7HV、297.6MPa和58.9%),与基体相比增加了51.5%、38.2%和61.3%。(4)纳/微米SiC颗粒作为加强件时所获得的SiC_p/ZL106复合材料具有更细的晶粒,并且硬度、抗拉强度和伸长率依次为109.5HV、301.2MPa和60.1%,与基体相比依次提高了75.2%、39.9%和64.6%。(5)设计了全新的铆钉铸件的模具结构,利用Pro CAST软件模拟出真空吸铸铆钉充形以及凝固过程。铆钉铸件的充形过程,合金液首先径直朝下迅速流入并充满铆钉的头部,随即因为流入迅速以及材料拥有不可倒退性的特质,导致合金液流入铆钉头部中间位置后,呈跳跃式激发回流至铆钉两侧的边缘位置。随着合金液源源不断的充入,沿着主流路径充满整个铆钉长度。而铆钉铸件的凝固过程,随着时间的推移,沿着铆钉头部至端口的路径逐渐结束,其中从下至上的路径符合凝固规律。(6)当浇注温度的设定成700℃时,铆钉缺陷大幅度减少。当吸口直径设定为2.5mm时,成形铆钉的缩孔缺陷较少。将实际实验获得的成形铆钉与模拟成形铆钉结果进行对比,它们的状态完全吻合,数据得到验证。