挤压-C方式ECA集成大应变技术及其对铝材组织性能的调控

发布时间：2020-08-12 05:22

【摘要】：随着《中国制造2025》的颁布,低成本高性能材料在航空航天、汽车、武器装备等领域的需求不断增大。本研究首先提出了挤压-C方式ECA(挤压与两道次ECAP)集成大应变技术,并以Deform-3D有限元分析为指导,分析模具型腔不同结构参数对加工材料的影响,并优化模具型腔结构参数。依照实验室现有条件设计模具结构和加工工艺制造模具。使用实验室现有的挤压态7075铝合金和自主熔炼、挤压的超高强铝合金Al-8.72 Zn-2.06 Mg-1.2 Cu-0.218 Zr-0.022 Sr为实验对象,通过研究不同加工阶段各个方向的微观组织、力学性能和抗腐蚀性能,分析挤压-C方式ECA集成大应变技术对铝材组织和性能的调控。具体研究工作和相关结果如下:(1)运用Deform-3D对挤压-C方式ECA集成大应变技术进行了数值模拟与参数优化。结果表明:挤压比增大、模具拐角降低、模具外圆弧角减小、摩擦系数增大,工件获得的等效应变增大,最大挤压载荷呈线性上升;挤压比为2、模具拐角为120°、外圆弧角为60°可以实现高效、连续、平稳的挤压-C方式ECA集成大应变加工。(2)成功设计制造出挤压-C方式ECA集成大应变加工模具,并成功实现了连续推挤式挤压-C方式ECA集成大应变加工。(3)研究了7075铝合金经过挤压-C方式ECA大应变加工及后续热处理下各变形阶段不同方向的组织性能及各向异性和变形机理。结果表明:7075铝合金经过挤压-C方式ECA大应变加工-固溶处理后,三个方向晶粒尺寸均有细化,晶粒细化程度YXZ,同时Y方向晶粒等轴性得到改善,不同方向的晶体取向和微观组织存在一定的各向异性;7075铝合金经过挤压-C方式ECA大应变加工-固溶-时效后,合金延伸率从10.17%提升到15.82%,相比上升55.59%。但是抗拉强度相比下降9.6%,合金强度降低主要是因为位错强化和低角度晶界强化贡献下降以及时效固溶强化贡献下降;合金硬度上升,电导率保持不变,硬度和电导率表现为各向同性;合金在X方向和Y方向上的抗晶间腐蚀性能有所下降但是抗剥落腐蚀性能上升,Z方向抗晶间腐蚀性能没有变化,抗剥落腐蚀性能下降合金各个方向上抗晶间腐蚀性能表现出一定的各向异性。(4)研究了自主熔炼、挤压态超高强铝合金Al-8.72 Zn-2.06 Mg-1.2 Cu-0.218 Zr-0.022 Sr经过挤压-C方式ECA大应变加工及后续热处理下各变形阶段各个方向的组织性能及各向异性和变形机理。结果表明:超高强铝合金经过挤压-C方式ECA大应变加工-固溶后,各个方向都发生动态再结晶,均出现较多的等轴晶,X方向和Y方向结晶程度高于Z方向,合金经过不同阶段,合金内部织构得到改善,最终三个方向上微观组织差异性较小,有效的改善了晶粒各向异性;超高强铝合金经过挤压-C方式ECA大应变加工-固溶-时效后合金硬度基本保持稳定或上升,且各向异性不明显;合金电导率无明显变化;合金延伸率大大提升,达到13.45%,相比原始状态提升49.4%;合金强度降低主要是因为位错强化和低角度晶界强化贡献下降;超高强铝合金经过挤压-C方式ECA大应变加工-固溶-时效显著提升了合金的抗晶间腐蚀和抗剥落腐蚀性能,最终合金X方向和Y方向抗腐蚀能力基本一致,Z方向提升效果不明显,体现出一定的各向异性。本文创造性提出挤压与C方式ECA集成大应变技术,对7075铝合金和超高强铝合金进行了实验,不仅有效细化晶粒和调控组织晶体取向,而且一定程度提升材料硬度和抗腐蚀性能,显著提升材料塑性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
【图文】：

原理图,扭转法,超细晶,材料制备技术

试样在高压力高速旋转冲头的扭转作用下产生摩擦力和剪切力，在两种力的的共同作用下试样获得非常大的塑性变形，积累较大的应变量，从而制得超细晶材料。其原理图如图1.1（d）所示。目前，高压扭转法可制备的样品尺寸为（12~20）mm ×（0.2~1）mm、晶粒为20-150 nm的薄圆片。高压扭转法制备的金属微观组织有明显的变化，但变化不均匀，样品盘中心部位晶粒最大，细化程度最低。到目前为止，高压扭转法已经成功地制备了钛、镍、铜、铝和铝合金等材料以及众多的金属间化合物。由于高压扭转法制备材料组织不均匀、只适用于圆盘形状且不能制备较大块体材料，因此高压扭转法的产业化应用也受到限制。1.2.5 反复折皱压直法（RCS）反复折皱压直法[28]是通过剪切变形的方法将材料进行折皱-压直，由于在加工过程中也不会改变材料横截面的形状，因此可以多次反复进行，最终工件获得较大的塑性变形，获得较大应变量，从而细化晶粒。原理如图1.l（e）所示。由于加工工艺复杂

示意图,基本原理,示意图,挤压加工

图 1.2 挤压基本原理示意图Fig 1.2 Schematic diagram of the basic principle of extrusion2 挤压加工优缺点压加工过程中，被加工金属在塑性变形区处于强烈的三向压应力状有效压合材料在铸造中留下的疏松、气孔和细化杂质。这有利于提变形能力，提高制品的质量，获得大的塑性变形和应变量从而改善和性能。挤压加工技术不仅能提高生产效率、获得较高尺寸精度、加工产生大量的切屑浪费金属原材料，而且还能加工复杂形状零件学性能提升、扩大材料塑性加工的范围，这些都是其他加工方式不有的挤压技术生产出来的铝合金挤压材存在着剪切应变小且方向单程度低、对材料晶体取向调控能力差等不足，导致：铝合金挤压材

原理图,原理图,等通道转角挤压,型腔

挤压-C 方式 ECA 集成大应变技术及其对铝材组织性能的调控1.4.2 等通道转角挤压(ECAP)加工1.4.2.1 ECAP 原理简介等通道转角挤压法技术原理图如图 1.3 所示。试样放入模具竖直型腔中，过加压使得材料从侧面型腔中出模，从而一个道次挤压工作完成。在这一过程中被加工材料在两个通道的相交处会发生剧烈变形，从而对晶粒进行细化，并且料横截面形状和尺寸也得到保持，因此，等通道转角挤压能够无限多次反复进行使材料获得非常大的累积应变量从而不断的细化晶粒[18]。

【参考文献】