鋁-鐵基及鋁-純鈦基雙金屬復(fù)合管件的冷成形及鋁層陶瓷化研究.pdf

1、核聚變工程包層的管路對(duì)電絕緣、抗腐蝕等性能方面具有特殊要求，所以需要在管路內(nèi)表面制備高質(zhì)量的氧化鋁陶瓷層。但是由于管路連接件如三通、彎頭形狀相對(duì)復(fù)雜，采用常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)在其內(nèi)表面制備氧化鋁陶瓷涂層的目的。另外，在航空、航天、石化等工程領(lǐng)域中常使用鈦合金管道，而鈦合金由于自身抗沖刷、耐磨損性能較差，亦需要在復(fù)雜的管道內(nèi)表面制備氧化鋁涂層。
　　 基于上述問題，本文提出了新的技術(shù)路線：首先采用內(nèi)爆法將鋁管與鋼管(或鈦管)進(jìn)行爆炸復(fù)

2、合，使純鋁覆層與基管之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；其次采用冷推彎及液壓脹形的先進(jìn)成形工藝對(duì)帶有鋁層的雙金屬管坯進(jìn)行塑性變形，制備雙金屬復(fù)合彎頭及三通管件；后采用微弧氧化工藝將鋁層實(shí)施陶瓷化處理。通過本工藝路線，最終在彎頭或三通管件內(nèi)表面原位生成氧化鋁陶瓷層。本文的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分別為：制備帶有鋁層且界面具有冶金結(jié)合的高質(zhì)量雙金屬復(fù)合管；雙金屬復(fù)合彎頭及三通的塑性成形規(guī)律及變形機(jī)理；純鋁層的陶瓷化以獲得致密的α-Al2O3。
　　 采用爆炸復(fù)合

3、工藝制備了尺寸精度高、內(nèi)表面質(zhì)量好、界面結(jié)合強(qiáng)度高的雙金屬復(fù)合管。對(duì)鋁-316L不銹鋼體系、鋁-純鐵體系、鋁-CLAM鋼體系的雙金屬復(fù)合管起爆端、中部及尾部結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。采用壓剪試驗(yàn)、徑向壓扁及彎曲試驗(yàn)對(duì)雙金屬復(fù)合管的結(jié)合性能進(jìn)行了測試，鋁-純鐵、鋁-316L不銹鋼、鋁-CLAM鋼的界面剪切強(qiáng)度分別為76.0、75.6、73.8MPa；三種體系的復(fù)合管彎曲試樣內(nèi)彎及外彎角度超出138°時(shí)、徑向壓扁率為33％時(shí)，界面無任何開裂。結(jié)果

4、表明，純鋁覆層與基管的界面結(jié)合性能優(yōu)良，可以經(jīng)受大的塑性變形。
　　 在鋁-316L不銹鋼雙金屬復(fù)合管的冷推彎成形中，采用有限元方法系統(tǒng)研究了不同的相對(duì)旋轉(zhuǎn)半徑、不同的芯棒材料及摩擦系數(shù)對(duì)推彎成形效果的影響。研究結(jié)果表明，在相同的管坯直徑條件下，隨著彎曲段相對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲半徑的增大，復(fù)合管坯材料的貼模效果、圓截面畸變及壁厚均勻性得以明顯改善；芯棒材料對(duì)于成形效果具有重要影響，使用剛性芯棒和低熔點(diǎn)合金芯棒對(duì)于減小圓截面橢圓度效果最佳，

5、但剛性芯棒的界面剪切應(yīng)力明顯大于低熔點(diǎn)合金；摩擦系數(shù)越低，界面最大剪切應(yīng)力越小，壁厚均勻性越好。在鋁-純鐵雙金屬復(fù)合彎頭的冷推彎成形中，研究了推彎后的界面結(jié)合情況、等效應(yīng)力場及應(yīng)變場。另外，研究了兩端帶有直段且具有矩形截面的鋁-CLAM鋼雙金屬特殊彎管冷推彎成形，提出了不同于圓形截面管材的推彎塑性變形機(jī)理：材料的流動(dòng)沿軸向進(jìn)行，難以越過剛性棱邊進(jìn)行徑向補(bǔ)料，故最終造成彎曲段外側(cè)減薄難以快速補(bǔ)料，減薄更加嚴(yán)重；彎曲段內(nèi)側(cè)則由于剛性區(qū)的作用

6、，增厚現(xiàn)象得以抑制。
　　 在鋁-316L不銹鋼雙金屬復(fù)合三通的內(nèi)高壓成形中，采用有限元模擬方法研究了支管頂部位置及過渡圓角區(qū)域的鋼層節(jié)點(diǎn)、鋁層節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的歷史曲線；其次研究了各金屬層在典型截面線上的厚度分布規(guī)律，并與單層不銹鋼三通壁厚規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。另外，對(duì)復(fù)合三通成形中的內(nèi)壓力、摩擦系數(shù)以及推進(jìn)距離對(duì)于支管高度以及壁厚減薄率的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，復(fù)合三通的成形內(nèi)壓不宜過高；應(yīng)選擇具有較小摩擦系數(shù)的潤滑劑

7、；軸向推進(jìn)距離對(duì)于復(fù)合三通的壁厚均勻性無明顯影響，但對(duì)支管高度影響較大。在鋁-CLAM鋼體系的雙金屬復(fù)合三通的內(nèi)高壓成形中，研究了內(nèi)壓及摩擦系數(shù)對(duì)鋁-CLAM鋼鐵雙金屬壁厚分布及支管高度影響。根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)鋁-316L不銹鋼、鋁，純鐵及鋁-CLAM體系的雙金屬復(fù)合三通進(jìn)行了實(shí)際的內(nèi)高壓成形試驗(yàn)，最終獲得了高質(zhì)量的復(fù)合三通管件。
　　 通過上述工藝，可實(shí)現(xiàn)在純鈦管件內(nèi)表面制備氧化鋁層。首先對(duì)鋁-純鈦進(jìn)行爆炸復(fù)合，對(duì)復(fù)合后的界面形

8、貌、元素分布及物相進(jìn)行了表征；對(duì)內(nèi)、外層的界面結(jié)合強(qiáng)度以及壓扁、壓縮等性能進(jìn)行了測試。采用冷推彎及液壓脹形工藝成功制備了鋁-純鈦雙金屬復(fù)合彎頭及三通管件。
　　 采用微弧氧化工藝對(duì)鋁-316L不銹鋼、鋁-純鐵、鋁-CLAM鋼及鋁-純鈦體系的雙金屬復(fù)合管件純鋁層進(jìn)行陶瓷化處理。首先研究了基于硅酸鹽體系的電解液配方、電流密度及氧化時(shí)間對(duì)氧化鋁層厚度、顯微硬度、表面粗糙度及氧化鋁晶型的影響規(guī)律并分析了微弧氧化成膜機(jī)理。研究結(jié)果表明，采

9、用2 g/L的氫氧化鉀、3g/L硅酸鈉、5g/L六偏磷酸鈉、10 g/L酒石酸鈉的電解液，通過20 A/dm2的電流密度90 min氧化處理可獲得致密的、厚度約為145μm，且α-Al2O3含量超出67.2%的高質(zhì)量陶瓷層。通過使用含有氧化鉻粒子的電解液，可以制備出Al2O3+Cr2O3復(fù)合陶瓷層。對(duì)制備的陶瓷層分別進(jìn)行了結(jié)合性能、摩擦磨損性能、耐腐蝕性能及抗沖刷性能、電絕緣性能的測試。結(jié)果表明，氧化鋁層、復(fù)合陶瓷層與基體的結(jié)合性能不低