关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统

技术领域

本发明属于工业材料制备技术领域，尤其涉及一种关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统。

背景技术

以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.63～2.85g/cm3，有较高的强度(σb为110～650MPa)，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用；然而，现有关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统不能准确检测铝合金铸件硬度；同时，对铝合金铸件腐蚀敏感性评估方法时间长、费用高、准确性差。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统不能准确检测铝合金铸件硬度。

(2)对铝合金铸件腐蚀敏感性评估方法时间长、费用高、准确性差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统。

本发明是这样实现的，一种关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统包括：

混合模块、熔炼模块、注入模块、保压模块、凝固模块、硬度检测模块、腐蚀敏感性评估模块；

混合模块，与熔炼模块连接，用于将纯铝粉末、纯钛粉末及硼氢化钛粉末混合均匀后形成细化剂混合粉末；

所述混合模块混合方法如下：

配置监测设备参数，通过监测设备监测混合器工作状态；

将纯铝粉末、纯钛粉末及硼氢化钛粉末倒入混合器中，调节混合器转动速度；设定混合时间；

混合结束后，通过摄像器拍摄混合粉末图像，并对图像进行增强处理，对处理后的图像进行观察，评价混合粉末混合效果；

熔炼模块，与混合模块、注入模块连接，用于将混合粉末放入熔炼坩埚进行熔炼成铝合金金属液；

注入模块，与熔炼模块、保压模块连接，用于采用6m/s的压射速度将铝合金金属液注入模具腔中；

保压模块，与注入模块、凝固模块连接，用于对模具腔进行抽真空处理；将模具腔压力增压至10Mpa，进行保压处理；

凝固模块，与保压模块、硬度检测模块连接，用于将模具腔形成的铸件完全凝固，将模具腔的压力卸压至常压，即得铝合金铸件；

硬度检测模块，与凝固模块、腐蚀敏感性评估模块连接，用于对铝合金铸件硬度进行检测；

腐蚀敏感性评估模块，与硬度检测模块连接，用于对铝合金铸件腐蚀敏感性进行评估。

进一步，所述硬度检测模块检测方法如下：

(1)配置实验设备参数，通过实验设备进行铝合金铸件激光表面织构加工实验，测量获取不同激光工艺参数下激光织构化铝合金铸件表面的硬度值；

(2)建立激光织构化铝合金铸件表面硬度与激光加工工艺参数的多元二次响应面回归模型，根据模型及各工艺参数显著性分析结果，确定激光织构化铝合金铸件表面预测硬度模型，并进行验证实验检验预测模型的正确性；

(3)结合铝合金铸件激光表面织构加工实验结果及硬度预测模型，获得关键工艺参数对激光织构化材料表面硬度的影响规律，以及确定工艺参数之间交互作用关系。

进一步，所述实验设备的铝合金铸件激光表面织构实验：

运用中心复合试验技术进行响应面分析试验，通过执行结构化的测试集节省实验过程的时间和成本，获得理想的激光表面织构试验结果；选择对铝合金铸件激光织构表面硬度有显著影响的三个关键激光加工工艺参数：激光单脉冲能量密度、激光重复频率和激光扫描速度，进行三因素五水平的M组激光微槽织构加工试验；每组激光织构实验完成后，沿微槽织构方向等距离取五个截面，每个截面微槽左右两侧距离表面A处取两个硬度测量点；记录所选两点的硬度读数，取其平均值作为所在截面的硬度值；去除最大值和最小值后，剩余三个截面硬度值的平均值即为该组工艺参数对应的激光织构化铝合金铸件表面硬度。

进一步，所述建立激光织构化铝合金铸件表面硬度与加工工艺参数的多元二次响应面回归模型：

针对铝合金铸件表面激光织构化实验的响应曲面建模，采用广义二阶多元回归方程式来逼近相对小区域内的真正函数形式：

式中，η-响应变量，xi-自变量，i＝1,2,.....k，α0，αi，αii，和αij分别代表截距，线性，二次和相互作用项的回归系数；ε-误差项，通常假设服从正态分布N(0,σ2)。

进一步，所述预测模型显著性分析，并进行验证实验检验预测模型的正确性：

利用统计分析软件DesignExpert基于步骤1加工试验测量数据对步骤2获得的预测模型进行显著性分析，检验所建模型能否反映加工工艺参数与激光织构化表面硬度之间的关系；要进行N组验证实验以检查模型有效性，每个实验重复三遍；比较实验值和预测值之间的相对误差；

确定关键激光加工工艺参数对激光织构化铝合金铸件表面硬度的单因素和多因素交互作用规律。

进一步，所述确定关键激光加工工艺参数对激光织构化铝合金铸件表面硬度的单因素和多因素交互作用规律：

根据共进行的M+N组激光表面织构加工实验硬度测量结果，分别从单因素和多因素交互作用角度获得关键工艺参数对激光织构化铝合金铸件表面硬度的作用规律；根据激光微槽织构加工试验硬度测量数据，利用公式(1)进行多元回归分析，得到硬度对激光单脉冲能量密度、激光重复频率和激光扫描速度的二次回归方程：

其中，Hv-铝合金铸件激光织构表面硬度，e-激光单脉冲能量密度，f-激光重复频率，v-激光扫描速度。

进一步，所述腐蚀敏感性评估模块评估方法如下：

1)高通量测量大型铝合金铸件挤压型材的不同微观组织样品的显微硬度值、腐蚀开路电位值、表面面电阻值数据以及晶粒尺寸；

2)在获取上述数据过程中，采用了手持便携、简易、无损的检测方法，对同一大型铝合金铸件挤压型材的首尾及中部进行了相应的数据获取，表面电阻检测器测试铝合金铸件型材的表面电阻，手持式硬度计及其冲压杆测试铝合金铸件型材的表面硬度，便携式电化学工作站测量铝合金铸件型材的腐蚀电位；

3)显微硬度值、腐蚀开路电位值以及表面面电阻值数据为输入值，不同微观组织晶粒的尺寸作为输出值，以上获取的数据形成了数据集，利用机器学习的算法，建立预测模型；将待测表面的显微硬度值、腐蚀开路电位值以及表面面电阻值数据输入预测模型中，得到待测表面晶粒尺寸，进一步判定对应挤压型材的应力腐蚀敏感性。

进一步，所述大型铝合金铸件挤压型材的不同微观组织分别为二次再结晶粗晶、一次再结晶细晶和挤压带状晶三种微观组织。

进一步，所述应力腐蚀敏感性为应力敏感性高指铝合金铸件挤压型材在中性3.5％NaCl溶液中进行应力腐蚀试验时最大抗拉强度下降≥15％，最大延伸率下降≥1％。

进一步，所述应力敏感性低指铝合金铸件挤压型材在中性3.5％NaCl溶液中进行应力腐蚀试验时最大抗拉强度下降≤10％，最大延伸率不变。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明通过硬度检测模块利用实验设备进行激光表面织构加工实验，根据铝合金铸件激光织构表面硬度测量值，利用响应曲面法建立硬度预测模型，预测铝合金铸件激光织构表面硬度值，并获得关键工艺参数对激光织构化材料硬度的影响规律，以及确定工艺参数之间交互作用。该方法能准确可靠实现激光织构化铝合金铸件表面硬度预测；同时，通过腐蚀敏感性评估模块可以快速、准确且价格低廉地评估大型铝合金铸件型材应力腐蚀敏感性。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明通过硬度检测模块利用实验设备进行激光表面织构加工实验，根据铝合金铸件激光织构表面硬度测量值，利用响应曲面法建立硬度预测模型，预测铝合金铸件激光织构表面硬度值，并获得关键工艺参数对激光织构化材料硬度的影响规律，以及确定工艺参数之间交互作用。该方法能准确可靠实现激光织构化铝合金铸件表面硬度预测；同时，通过腐蚀敏感性评估模块可以快速、准确且价格低廉地评估大型铝合金铸件型材应力腐蚀敏感性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统结构框图。

图2是本发明实施例提供的硬度检测模块检测方法流程图。

图3是本发明实施例提供的腐蚀敏感性评估模块评估方法流程图。

图1中：1、混合模块；2、熔炼模块；3、注入模块；4、保压模块；5、凝固模块；6、硬度检测模块；7、腐蚀敏感性评估模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的关于铝合金铸件振动时效与深冷处理低应力耐蚀制备系统包括：混合模块1、熔炼模块2、注入模块3、保压模块4、凝固模块5、硬度检测模块6、腐蚀敏感性评估模块7。

混合模块1，与熔炼模块2连接，用于将纯铝粉末、纯钛粉末及硼氢化钛粉末混合均匀后形成细化剂混合粉末；

所述混合模块混合方法如下：

配置监测设备参数，通过监测设备监测混合器工作状态；

将纯铝粉末、纯钛粉末及硼氢化钛粉末倒入混合器中，调节混合器转动速度；设定混合时间；

混合结束后，通过摄像器拍摄混合粉末图像，并对图像进行增强处理，对处理后的图像进行观察，评价混合粉末混合效果；

熔炼模块2，与混合模块1、注入模块3连接，用于将混合粉末放入熔炼坩埚进行熔炼成铝合金金属液；

注入模块3，与熔炼模块2、保压模块4连接，用于采用6m/s的压射速度将铝合金金属液注入模具腔中；

保压模块4，与注入模块3、凝固模块5连接，用于对模具腔进行抽真空处理；将模具腔压力增压至10Mpa，进行保压处理；

凝固模块5，与保压模块4、硬度检测模块6连接，用于将模具腔形成的铸件完全凝固，将模具腔的压力卸压至常压，即得铝合金铸件；

硬度检测模块6，与凝固模块5、腐蚀敏感性评估模块7连接，用于对铝合金铸件硬度进行检测；

腐蚀敏感性评估模块7，与硬度检测模块6连接，用于对铝合金铸件腐蚀敏感性进行评估。

如图2所示，本发明提供的硬度检测模块6检测方法如下：

S101，配置实验设备参数，通过实验设备进行铝合金铸件激光表面织构加工实验，测量获取不同激光工艺参数下激光织构化铝合金铸件表面的硬度值；

S102，建立激光织构化铝合金铸件表面硬度与激光加工工艺参数的多元二次响应面回归模型，根据模型及各工艺参数显著性分析结果，确定激光织构化铝合金铸件表面预测硬度模型，并进行验证实验检验预测模型的正确性；

S103，结合铝合金铸件激光表面织构加工实验结果及硬度预测模型，获得关键工艺参数对激光织构化材料表面硬度的影响规律，以及确定工艺参数之间交互作用关系。

本发明提供的实验设备的铝合金铸件激光表面织构实验：

运用中心复合试验技术进行响应面分析试验，通过执行结构化的测试集节省实验过程的时间和成本，获得理想的激光表面织构试验结果；选择对铝合金铸件激光织构表面硬度有显著影响的三个关键激光加工工艺参数：激光单脉冲能量密度、激光重复频率和激光扫描速度，进行三因素五水平的M组激光微槽织构加工试验；每组激光织构实验完成后，沿微槽织构方向等距离取五个截面，每个截面微槽左右两侧距离表面A处取两个硬度测量点；记录所选两点的硬度读数，取其平均值作为所在截面的硬度值；去除最大值和最小值后，剩余三个截面硬度值的平均值即为该组工艺参数对应的激光织构化铝合金铸件表面硬度。

本发明提供的建立激光织构化铝合金铸件表面硬度与加工工艺参数的多元二次响应面回归模型：

针对铝合金铸件表面激光织构化实验的响应曲面建模，采用广义二阶多元回归方程式来逼近相对小区域内的真正函数形式：

式中，η-响应变量，xi-自变量，i＝1,2,.....k，α0，αi，αii，和αij分别代表截距，线性，二次和相互作用项的回归系数；ε-误差项，通常假设服从正态分布N(0,σ2)。

本发明提供的预测模型显著性分析，并进行验证实验检验预测模型的正确性：

利用统计分析软件DesignExpert基于步骤1加工试验测量数据对步骤2获得的预测模型进行显著性分析，检验所建模型能否反映加工工艺参数与激光织构化表面硬度之间的关系；要进行N组验证实验以检查模型有效性，每个实验重复三遍；比较实验值和预测值之间的相对误差；

确定关键激光加工工艺参数对激光织构化铝合金铸件表面硬度的单因素和多因素交互作用规律。

本发明提供的确定关键激光加工工艺参数对激光织构化铝合金铸件表面硬度的单因素和多因素交互作用规律：

根据共进行的M+N组激光表面织构加工实验硬度测量结果，分别从单因素和多因素交互作用角度获得关键工艺参数对激光织构化铝合金铸件表面硬度的作用规律；根据激光微槽织构加工试验硬度测量数据，利用公式(1)进行多元回归分析，得到硬度对激光单脉冲能量密度、激光重复频率和激光扫描速度的二次回归方程：

其中，Hv-铝合金铸件激光织构表面硬度，e-激光单脉冲能量密度，f-激光重复频率，v-激光扫描速度。

如图3所示，本发明提供的腐蚀敏感性评估模块7评估方法如下：

S201，高通量测量大型铝合金铸件挤压型材的不同微观组织样品的显微硬度值、腐蚀开路电位值、表面面电阻值数据以及晶粒尺寸；

S202，在获取上述数据过程中，采用了手持便携、简易、无损的检测方法，对同一大型铝合金铸件挤压型材的首尾及中部进行了相应的数据获取，表面电阻检测器测试铝合金铸件型材的表面电阻，手持式硬度计及其冲压杆测试铝合金铸件型材的表面硬度，便携式电化学工作站测量铝合金铸件型材的腐蚀电位；

S203，显微硬度值、腐蚀开路电位值以及表面面电阻值数据为输入值，不同微观组织晶粒的尺寸作为输出值，以上获取的数据形成了数据集，利用机器学习的算法，建立预测模型；将待测表面的显微硬度值、腐蚀开路电位值以及表面面电阻值数据输入预测模型中，得到待测表面晶粒尺寸，进一步判定对应挤压型材的应力腐蚀敏感性。

本发明提供的大型铝合金铸件挤压型材的不同微观组织分别为二次再结晶粗晶、一次再结晶细晶和挤压带状晶三种微观组织。

本发明提供的应力腐蚀敏感性为应力敏感性高指铝合金铸件挤压型材在中性3.5％NaCl溶液中进行应力腐蚀试验时最大抗拉强度下降≥15％，最大延伸率下降≥1％。

本发明提供的应力敏感性低指铝合金铸件挤压型材在中性3.5％NaCl溶液中进行应力腐蚀试验时最大抗拉强度下降≤10％，最大延伸率不变。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明工作时，首先，通过混合模块1将纯铝粉末、纯钛粉末及硼氢化钛粉末混合均匀后形成细化剂混合粉末；其次，通过熔炼模块2将混合粉末放入熔炼坩埚进行熔炼成铝合金金属液；通过注入模块3采用6m/s的压射速度将铝合金金属液注入模具腔中；通过保压模块4对模具腔进行抽真空处理；将模具腔压力增压至10Mpa，进行保压处理；通过凝固模块5将模具腔形成的铸件完全凝固，将模具腔的压力卸压至常压，即得铝合金铸件；然后，通过硬度检测模块6对铝合金铸件硬度进行检测；最后，通过腐蚀敏感性评估模块7对铝合金铸件腐蚀敏感性进行评估。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

本发明通过硬度检测模块利用实验设备进行激光表面织构加工实验，根据铝合金铸件激光织构表面硬度测量值，利用响应曲面法建立硬度预测模型，预测铝合金铸件激光织构表面硬度值，并获得关键工艺参数对激光织构化材料硬度的影响规律，以及确定工艺参数之间交互作用。该方法能准确可靠实现激光织构化铝合金铸件表面硬度预测；同时，通过腐蚀敏感性评估模块可以快速、准确且价格低廉地评估大型铝合金铸件型材应力腐蚀敏感性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。