大型低熱膨脹金屬模具複合電鑄製造基礎研究

《大型低熱膨脹金屬模具複合電鑄製造基礎研究》是依託南京航空航天大學，由朱增偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大型低熱膨脹金屬模具複合電鑄製造基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱增偉
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

本項目面向航空、航天等領域中大型先進複合材料關鍵結構件的製造和發展需求，為解決目前低熱膨脹大型金屬模具整體加工難度大、生產周期長、成本高等瓶頸問題，提出一種基於大顆粒混合微粒分散技術的負膨脹微粒複合電鑄技術，選擇具有負熱膨脹係數的固體微粒與具有正熱膨脹係數的金屬進行複合電沉積，製備低膨脹乃至零膨脹金屬基複合材料；採取大顆粒混合微粒分散技術提高電鑄液中固體微粒的懸浮和分散性能，獲得適用於大面積複雜形狀模具型面的複合電鑄技術。通過理論分析、仿真建模和試驗研究，突破負熱膨脹微粒與正膨脹金屬的共沉積機理、電鑄液中固體微粒穩定懸浮和均勻分散的實現方式、電場對固體微粒在電鑄層內均勻分散的作用機理、陰極運動對固體微粒共沉積過程的影響等關鍵科學問題，初步建立低膨脹金屬基複合材料模具複合電鑄理論體系，掌握工藝規律，為實現大型、複雜金屬模具型面的高效、高質量一次性整體電鑄成形奠定理論和試驗基礎。

結題摘要

為滿足以碳纖維增強樹脂基複合材料為典型材質的大型高精度先進複合材料構件的製造需求，解決大型低熱膨脹金屬模具型面整體加工難題,本項目開展低熱膨脹合金及金屬基複合材料模具型面的電鑄製造基礎研究，取得了如下重要研究結果： （1）以銅-鎢酸鋯（Cu/ZrW2O8）複合電鑄為例，開展複合電鑄基體銅材料的電鑄研究，採用高酸低銅電鑄液製備出抗拉強度256 MPa，延伸率31%，晶粒小於200nm的高性能銅基體材料；在此基礎上，進行複合電鑄方法試驗研究，發現與傳統複合電鑄相比，沖液上砂複合、超聲輔助及間歇埋砂等複合電鑄方法製備的Cu/ZrW2O8複合電鑄層具有微粒複合量高，顯微硬度大，熱膨脹係數低等優點。 （2）開展模具型面材料鐵鎳合金電鑄研究，進行了游離微珠摩擦輔助、真空輔助及陰極旋轉等電鑄試驗，結果表明：機械或物理輔助措施能直接影響鐵鎳合金電鑄過程，從而改變了合金鑄層的成分比、相結構、晶粒大小等，進而影響合金機械性能和熱膨脹性能。通過調節溫度、電流密度、真空度等工藝參數製備出熱膨脹係數在6~13.3 × 10-6/℃（20~100℃）範圍內可調的鐵鎳合金。 （3）開展模具型面材料Ni/ ZrW2O8複合電鑄試驗研究，發現微粒複合量的變化對鎳基複合電鑄層的熱膨脹係數影響較大。通過調節微粒複合量可以製備出熱膨脹係數寬域可調的鎳基複合電鑄層，低複合量時鑄層的平均熱膨脹係數在20~60×10-6/ ℃之間；高微粒複合量時熱膨脹係數在0~40×10-6/ ℃ (25-100 ℃)之間。 （4）開展模具型面材料Fe-Ni/ZrW2O8複合電鑄研究，發現第二相微粒ZrW2O8的加入可以改變複合鑄層的內應力，ZrW2O8微粒收縮與基體膨脹之間相互作用可以降低熱膨脹係數，電鑄出試樣的平均熱膨脹係數4×10-6/℃ (20-100 ℃)。 本項目還開展了典型模具型面電鑄成形基礎研究，通過陽極最佳化和小間隙電鑄方法提高陰極表面電場分布和電鑄層厚度均勻性，製造出典型薄壁型面縮比樣件。研究成果為製備複合材料成形模具型面材料和實現大型金屬模具型面一次性整體電鑄成形奠定理論和方法基礎，在航空航天等領域複合材料關鍵結構件的製造中具有重要套用價值。