航天ZL205A合金构件淬火-时效过程的屈服强度预测模型
发布时间：2020-12-29 06:23
运载火箭是人类探索宇宙的重要途径,也是衡量一个国家综合国力的主要标志,被越来越多的大国强国所重视。如今,随着人类加快对宇宙探索,运载火箭的需求量也越来越大,因而对运载火箭提出了高可靠、高效率、低成本的要求。ZL205A铝合金是可热处理合金,被广泛用于大型运载火箭构件的生产制造。其力学性能主要取决于热处理条件,主要包括固溶,淬火和时效处理过程。淬火因子分析方法（QFA）已经广泛用于描述连续淬火对金属力学性能的影响,特别是铝合金和钢,该模型基于时间-温度-性能（TTP）曲线或时间-温度-转变量（TTT）曲线,根据已知的淬火速率曲线,计算淬火过程中,材料力学性能的损失量,从而用于预测材料的性能,但是由于材料TTT曲线很难从实验中获得精确的曲线,所以大多使用TTP曲线。由于TTP曲线是根据不同淬火速率下,时效相同时间的材料屈服强度值,所以该模型只能预测不同淬火速率下,时效一定时间材料的屈服强度。而析出强化模型（PS模型）着重于时效处理过程析出物物理参数的演变过程对材料性能的影响,该模型可以预测整个时效过程,材料屈服强度的演变,但是需要淬火后析出物的损耗量作为输入条件。本文基于上述两个分析模型,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大型运
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2了多个零部件的一体化制造，大大地降低了生产周期和成本[15]。然而，这些“一体化”制造工艺下的构件，依然靠取样测试的方法对构件的力学性能进行测试，无法给出构件的整体性能，工艺的流程也只是依靠经验，没有有效的理论模型去指导这一生产制造过程，这就需要大量的时间成本和经济成本，并且由于构件形状的复杂性，在制试样的机加工过程也会对构件相应的部位存在一定的影响，造成对其评估不准确。图1-1大型运载火箭构件图1-2一体化制造工艺流程在建立有效的理论模型之前，首先需要确定具体材料。ZL205A作为运载火箭广泛使用的一种材料，运载火箭的大部分构件都使用这种铝合金，并使用一体化制造工艺生产制造[16]。其合金的主要成分如下表1-1所示:表1-1ZL205A铝合金主要成分（质量百分比）该合金属于可热处理强化合金，主要强化相为θ′相（Al2Cu）。该合金的在高温和低温下都有很高的强度。ZL205A合金在ZL201的基础上加入V、Zr、B等元素，加入少量的Cd可以改善人工时效效果，能使铸件强度大大提升，合金CuMnTiZrVCdBAl4.960.450.170.100.160.150.006Bal.
慷却笥赯L204。该合金具有高强高韧、低密度和机加工性能优良等特性。微量元素虽然含量少，但也起到重要的作用。其中Mn与Al、Cu在固溶处理过程中形成T相（Al12Mn2Cu），能够起到一定的强化作用。Ti，V和Zr的作用相似，会与Al形成化合物，起到细化晶粒，提高机械性能的作用。B与Ti会形成颗粒，作为异质形核的核心，同样起到细化晶粒的作用。相比于上述微量元素，Cd的作用更加显著，会影响Al-Cu合金的时效析出行为，强化时效作用，提高合金抗拉强度和屈服强度[17,18]。但是Cd对时效过程的影响目前并没有定量化研究。如图1-3所示，为大型航天壳体构件在“一体化”制造过程中各参数的演变过程。在“一体化”制造过程中，其中温度参数是随着工艺过程在不断的变化，温度梯度也是不断变化，相应的也会导致合金的微观组织演变有所变化，其强度也在不断的变化，在铸造与固溶阶段，材料的强度有一个稍微的下降，这是由于铸造产生的强化析出相溶解的原因，而在淬火后，随着时效时间的增加，材料的强度在持续增加，这是由于时效期间材料的析出相持续析出和长大，增强了材料的强度，这也是工艺所需要力学特性。但是，在淬火过程中，由于淬火速率快，导致变形和残余应力较大，很难控制，尤其对于大型壳体件，变形量壳占制造过程的70%[19]。另外偏析也是一个问题，由于ZL205A的成分特点，在铸造过程中会产生一定的偏析，其结果是导致构件中的成分分布不均，导致其在后续的热处理阶段出现局部力学性能不达标的情况[20]。图1-3构件制造全过程的各参数演化由于运载火箭构件尺寸较大，且具有一定的壁厚，在淬火过程中构件不同部位的冷却速度也有所区别，所以会影响到后续的人工时效过程，影响到组织演变，从而影响到其性能[21]，如图1-4所示，某大
本文编号：2945180
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大型运
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2了多个零部件的一体化制造，大大地降低了生产周期和成本[15]。然而，这些“一体化”制造工艺下的构件，依然靠取样测试的方法对构件的力学性能进行测试，无法给出构件的整体性能，工艺的流程也只是依靠经验，没有有效的理论模型去指导这一生产制造过程，这就需要大量的时间成本和经济成本，并且由于构件形状的复杂性，在制试样的机加工过程也会对构件相应的部位存在一定的影响，造成对其评估不准确。图1-1大型运载火箭构件图1-2一体化制造工艺流程在建立有效的理论模型之前，首先需要确定具体材料。ZL205A作为运载火箭广泛使用的一种材料，运载火箭的大部分构件都使用这种铝合金，并使用一体化制造工艺生产制造[16]。其合金的主要成分如下表1-1所示:表1-1ZL205A铝合金主要成分（质量百分比）该合金属于可热处理强化合金，主要强化相为θ′相（Al2Cu）。该合金的在高温和低温下都有很高的强度。ZL205A合金在ZL201的基础上加入V、Zr、B等元素，加入少量的Cd可以改善人工时效效果，能使铸件强度大大提升，合金CuMnTiZrVCdBAl4.960.450.170.100.160.150.006Bal.
慷却笥赯L204。该合金具有高强高韧、低密度和机加工性能优良等特性。微量元素虽然含量少，但也起到重要的作用。其中Mn与Al、Cu在固溶处理过程中形成T相（Al12Mn2Cu），能够起到一定的强化作用。Ti，V和Zr的作用相似，会与Al形成化合物，起到细化晶粒，提高机械性能的作用。B与Ti会形成颗粒，作为异质形核的核心，同样起到细化晶粒的作用。相比于上述微量元素，Cd的作用更加显著，会影响Al-Cu合金的时效析出行为，强化时效作用，提高合金抗拉强度和屈服强度[17,18]。但是Cd对时效过程的影响目前并没有定量化研究。如图1-3所示，为大型航天壳体构件在“一体化”制造过程中各参数的演变过程。在“一体化”制造过程中，其中温度参数是随着工艺过程在不断的变化，温度梯度也是不断变化，相应的也会导致合金的微观组织演变有所变化，其强度也在不断的变化，在铸造与固溶阶段，材料的强度有一个稍微的下降，这是由于铸造产生的强化析出相溶解的原因，而在淬火后，随着时效时间的增加，材料的强度在持续增加，这是由于时效期间材料的析出相持续析出和长大，增强了材料的强度，这也是工艺所需要力学特性。但是，在淬火过程中，由于淬火速率快，导致变形和残余应力较大，很难控制，尤其对于大型壳体件，变形量壳占制造过程的70%[19]。另外偏析也是一个问题，由于ZL205A的成分特点，在铸造过程中会产生一定的偏析，其结果是导致构件中的成分分布不均，导致其在后续的热处理阶段出现局部力学性能不达标的情况[20]。图1-3构件制造全过程的各参数演化由于运载火箭构件尺寸较大，且具有一定的壁厚，在淬火过程中构件不同部位的冷却速度也有所区别，所以会影响到后续的人工时效过程，影响到组织演变，从而影响到其性能[21]，如图1-4所示，某大
本文编号：2945180
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2945180.html
