挤压-Bc方式ECA集成大应变技术及其对铝合金组织和性能的调控

摘要

近些年，国家颁布了《中国制造 2025》战略计划，大力研发制备高性能材料，重点领域包括高性能医疗器械、航空航天装备、先进轨道交通装备等。其中铝合金因其成本低，综合性能强，在众多领域的需求大幅度增加，但如何高效地研发和制备低成本高性能的铝合金成为当今热点。本文主要是在等通道转角挤压技术（ECAP）的基础上，将挤压工艺和Bc路径融合到ECAP技术中，并自主对挤压-Bc方式ECA集成模具进行设计、制造和装配，同时采用DEFORM软件对其进行数值模拟分析并根据结果进行结构优化。本文以挤压态7075铝合金为实验材料，研究挤压-Bc方式ECA集成大应变技术对该合金的组织和力学性能的影响，验证数值模拟的可靠性。另外，本文针对本课题组自主设计制备的（Al-8.70Zn-2.05Mg-2.01Cu-0.198Zr）超强铝合金，利用该技术对其进行组织调控和力学性能的研究，并探索合金在X、Y、Z方向上的微观组织与性能的变化规律。具体的研究工作及结果如下： （1）利用DEFORM对挤压-Bc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：模具拐角降低和挤压比增大，工件获得的最大等效应变（当挤压比小于3时）几乎呈线性增加，且最大挤压载荷呈线性上升；摩擦系数增大，工件获得的最大等效应变和最大挤压载荷呈抛物性上升；模具拐角Φ=135°、挤压比λ=2、外圆弧角ψ=45°可以实现高效、连续、平稳的挤压-Bc方式ECA集成大应变加工。对工件组织模拟分析，直观地展现了工件在挤压-Bc方式ECA过程中其内部晶粒的形貌演变和再结晶现象。 （2）本文成功的设计制造出挤压-Bc方式ECA集成大应变加工模具，并顺利实现了连续推挤式挤压-Bc方式ECA集成大应变加工；模芯主要尺寸关系如下：进料口直径D=20mm、λ=2、H/D=2~3、L2/d=0.7~0.85、模具拐角（剪切角）Φ=135°、外圆角ψ=45°和模芯外圆锥度4°~8°（参数具体含义见第四章）。 （3）研究了经过挤压-Bc 方式 ECA 集成大应变技术加工和热处理后，7075 铝合金的组织结构和力学性能的变化。实验结果表明：合金经过加工和固溶处理后，在Y 方向上的各位置的组织晶粒分布和大小基本不同，由杂乱粗大逐渐趋于均匀化且细小，平均晶粒尺寸由17.31μm 减小到 9.31μm。在挤压-ECA 过程中发生再结晶现象，与7075铝合金的组织数值模拟的结果基本相似，验证了数值模拟的可靠性。经过加工变形和固溶时效后，合金的硬度从186.88HV提高到200.10HV。X方向的抗拉强度达到517.6MPa略有降低，断裂延伸率达到18.58%左右，将近原来的2倍，大幅度提升其塑性。合金晶间腐蚀深度由最初的32.61μm增加到59.93μm，抗晶间腐蚀能力略有所下降，但晶间腐蚀等级均属于三级，说明影响不是非常明显。 （4）研究了挤压-Bc方式ECA集成大应变技术对本课题组自主设计制备的超强铝合金（Al-8.70Zn-2.05Mg-2.01Cu-0.198Zr）的内部组织调控和力学性能的影响规律。结果研究表明：合金经过加工变形和热处理后，在Y方向上各位置的组织存在差异， A7位置的晶粒细化显著且分布均匀，等轴晶较多，平均晶粒尺寸由12.13μm减小到6.93μm左右。在相同区域（即A7位置）的X、Y、Z方向上的组织形貌有所不同， X方向呈现圆弧状并夹杂细小晶粒，Y方向的晶粒大小均匀，Z方向为带状分布晶粒呈方形，说明合金内部组织存在各向异性。合金的X、Y、Z方向的硬度均超过215HV，其中Y方向的硬度最大为222.34HV。合金X方向的抗拉强度达到561.8MPa，延伸率为24.5%，将近原来的2倍，塑性明显提升。合金Y方向各位置的晶间腐蚀深度不同，末端为39.66μm，腐蚀等级从四级达到三级，抗晶间腐蚀能力增强，同时A7位置上X、Y、Z方向的晶间腐蚀等级均属于三级，抗晶间腐蚀能力相似。 总之，本文创造性提出的挤压-Bc方式ECA集成大应变技术不仅能够有效调控和细化铝合金的组织晶粒还可以大幅提升其塑性，在一定程度上其硬度和抗晶间腐蚀能力有所提升。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪 论

1.1 本文研究背景

1.2 等通道转角挤压技术的国内外研究现状

1.3等通道转角挤压技术（ECAP）

1.3.1 工艺原理

1.3.2 ECAP工艺参数

1.3.3 等通道转角挤压的优缺点

1.4 挤压-Bc方式ECA集成大应变技术

1.4.1 挤压-Bc方式ECA集成大应变技术原理

1.4.2 挤压-Bc方式ECA集成大应变技术优点

1.5 有限元分析技术及Deform介绍

1.5.1 有限元法介绍

1.5.2 DEFORM模拟技术简介

1.6 本文研究目的和主要内容

第二章 试验材料制备及检测方法

2.1 铝合金制备

2.1.1 合金的熔铸

2.1.2 合金成分测定

2.1.3 均匀化处理

2.1.4 合金塑性加工

2.2 挤压-Bc方式ECA模具及处理

2.3固溶和时效处理

2.4 微观组织分析

2.4.1金相组织检测

2.4.2 EBSD和XRD分析

2.5 性能测试

2.5.1 显微硬度

2.5.2 拉伸性能和断口分析

2.5.3抗晶间腐蚀性能

2.6 本章总结

第三章 挤压-Bc方式ECA大应变技术的数值模拟及参数优化

3.1 引言

3.2 有限元的模型的建立

3.2.1 建立有限元模型

3.2.2网格划分

3.2.3定义材料本构模型和速度

3.2.4 数值模拟的参数设定

3.2.5 摩擦因子的选取

3.2.6 生成数据库和运行

3.3 模具结构对大应变加工变形的影响

3.3.1 模具拐角对大应变加工变形的影响规律

3.3.2 挤压比对大应变加工变形的影响规律

3.3.3 摩擦因子对大应变加工变形的影响规律

3.3.4 挤压过程中微观组织的预测与分析

3.4 本章总结

第四章 挤压-Bc方式ECA集成大应变模具的设计与制造

4.1 引言

4.2 挤压-Bc方式ECA集成模具的设计

4.2.1 试验材料和塑性变形路径的选择

4.2.2模具结构的选择

4.2.3模具的型腔设计

4.2.4模具的定位装配设计

4.3 模具的加工制造

4.3.1 模具材料的选择

4.3.2 模具的加工工艺

4.3.3 模具加工实体

4.4 润滑剂的选择

1.5 本章总结

第五章 挤压-Bc方式ECA集成大应变技术对7075铝合金组织和性能的调控

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验结果

5.3.1 OM金相组织分析

5.3.2 EBSD分析

5.3.3 XRD分析

5.3.4 硬度及拉伸性能

5.3.5 抗晶间腐蚀性能

5.4 分析与讨论

5.4.1 组织和力学性能

5.4.2 强化机理

5.5 本章总结

第六章 挤压-Bc方式ECA集成大应变技术及其对铝合金（Al-8.70Zn-2.05Mg-2.01Cu-0.198Zr）组织和性能的调控

6.1 引言

6.2 实验方法

6.3 实验结果

6.3.1 OM金相组织分析

6.3.2 EBSD分析

6.3.3 XRD分析

6.3.4 硬度及拉伸性能

6.3.5 抗晶间腐蚀性能

6.4 分析与讨论

6.4.1 组织和力学性能

6.4.2 强化机理

6.5 本章总结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 本文主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果