双金属复合带材固-液铸轧成形数值模拟及复合机理实验研究

摘要

层状金属复合材料是将物理、化学和力学性能不同的两种或者两种以上金属组元，利用复合技术使其在界面处形成牢固结合而形成的新型结构和功能材料，兼具有各组元金属的优异性能，被广泛应用于航空航天、电子电力、海洋工程和汽车等领域。爆炸复合与轧制复合是目前双金属复合板的主要成形工艺，属典型的固相复合技术，其工业应用已非常广泛。近年来，以双辊铸轧技术为基础发展起来的固-液复合技术，因其具有高效、短流程等优点，成为双金属层状复合板近终成形研究领域的前沿方向，受到国内外学者的广泛关注。
　　本文以授权国家发明专利“一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备及方法(ZL201510040540.7)”为背景，在国家自然科学基金面上资助项目“Cu/Al复合带固-液铸轧电流强化复合技术基础研究”（NO.51474189)资助下，以固-液铸轧复合区内铜/铝界面复合机理为主要研究对象，重点解决复合界面热力学行为的数值模拟、传统双辊铸轧机改造、铜/铝复合带固-液铸轧复合成形机理及其工艺可行性的实验研究。
　　为揭示铜/铝复合带固-液铸轧复合成形过程中温度场和流场分布规律，采用Fluent软件建立了稳态铸轧过程中的二维热-流耦合计算模型，模拟分析了铸轧速度、铜带预热温度、铜带厚度、铝液浇注温度等因素对Kiss点位置及结合界面温度影响的宏观规律。结果表明，铸轧速度和铜带预热温度的提高及铜带厚度的减薄，可有效提高复合界面温度、增加液态区域；同时升高铝液浇注温度，可改善铸轧区内液态金属的流动情况。
　　为开展铜/铝复合带固-液铸轧复合成形工艺实验，对0160X150mm普通双辊实验铸轧机进行了改造，设计构建了铜/铝复合带材固-液铸轧成形实验平台。并以数值模拟结果为基础，确定了合理的铸轧速度、浇注温度、浇注速度等实验工艺参数，当铸轧速度为2m/min，浇注温度为690 ℃，熔池高度30mm，铜带温度为25 ℃时，成功制备了厚度为2mm铜/铝复合带。折弯、剥离等界面特性和力学性能测试结果表明，所制备的铜/铝复合带界面结合质量良好，具有良好力学协同性且剥离强度达到12.13N/mm，满足工业应用要求。
　　为揭示铜/铝复合带材固-液铸轧成形复合机理，利用MSC.MARC生死单元法及其二次开发接口，建立了铜/铝复合带材固-液铸轧复合区热-力耦合模型，计算了温度和界面接触压力的演变规律。同时，利用急停法截取了固-液铸轧复合区内铜/铝复合材料试样，并对其界面进行了SEM和EDS分析。结果表明，铸轧复合初始阶段，铜/铝界面在高温驱动下发生剧烈的反应扩散并形成了厚度约为10pm扩散层，而后在持续压下变形作用下被减薄至5^m，成品界面以a(Al)+CuAb、CuAl和CugAU为主。界面撕裂断口SEM和XRD分析结果表明，断口韧窝明显，断裂位置主要发生在铝基体，薄而均匀的界面层起到强化作用，界面结合强度较高。
　　此外，本文还通过在铸轧辊面上开设孔槽、双辊构成封闭孔型的方式，探索了单金属变截面型材铸轧成形技术和双金属复合型材固-液铸轧复合成形技术可行性，实验达到了预期要求，实现了简单异型截面材料成形领域近净成形技术的又一突破。

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第 1章 绪 论

1 .1研究背景与意义

1 .2双金属层状复合材料加工工艺概况

1 .3双辊铸轧技术及工艺研究概况

1 .4双金属复合界面结合特点与复合机理

1 .5课题来源及主要研究内容

第2章 铜 /铝复合带固-液铸轧热-流耦合模拟研究

2 .1固-液铸轧复合多场耦合模型的建立

2 .2边界条件的处理

2 .3模拟条件

2 .4工艺参数对铸轧区温度场流场的影响规律

2 .5工艺参数对铜/铝复合界面温度影响规律

2 .6本章小结

第3章 铜 /铝复合带材固-液铸轧实验

3 .1实验目的

3 .2实验原理

3 .3实验方案

3 .4实验平台搭建

3 .5实验结果分析

3 .6本章小结

第4章 铜 /铝复合带固-液铸轧成形复合机理分析

4 .1研究方案

4 .2铜/铝复合带固-液铸轧热-力耦合模拟

4 .3铜/铝复合带材固-液铸轧成形机理实验研究

4 .4双金属复合带材固-液铸轧成形机理

4 .5本章小结

第5章双金属复合板变截面铸轧成形试验研究

5 .1变截面板发展应用及其制备

5 .2变截面板带铸轧成形设想

5 .3变截面板铸轧成形实验研究

5 .4实验总结及展望

5 .5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢