铝合金等通道转角分流大宽展挤压成形机理研究

摘要

如何实现铝合金大宽展省力低成本高效挤压，是高速列车、地铁、大型运输飞机、鱼雷、导弹和舰艇等领域高性能轻量化大宽板成形制造的迫切需求，也是国际先进塑性成形前沿领域挑战性难题。为此，本文提出了将分流挤压、等通道转角晶粒破碎细化挤压和省力扁挤压筒挤压相结合，实现高性能轻量化铝合金省力高效大宽展挤压的新原理。论文以6005A铝合金为研究对象，以铝合金热变形行为和组织演化研究为基础，采用计算机建模数值仿真与理论分析、实验研究相结合的方法，对铝合金宽板扁挤压筒等通道转角分流(Portholes-equal channel angular pressing(P-ECAP))大宽展挤压原理与模具实现方式、宏微观变形特征和焊合质量进行了深入系统的研究,取得了以下主要研究结果。
　　通过热模拟压缩实验研究获得了6005A铝合金在温度300℃~500℃时，应变为0.69~1.39，应变速率为0.01s-1~10s-1时的应力应变关系以及微观组织特征。研究发现在温度高于350℃时流动应力在应变约为0.2时达到稳态，但温度低于350℃时直到应变达0.7其应力仍处于下降状态，且应力值在350℃~500℃和300℃~350℃温度区间有较大的不同。在两温度区间分别基于 Arrhenius方程建立了相应的系数和变形激活能。6005A铝合金在热压缩变形中在一定条件下发生了动态再结晶，在低温350℃时再结晶不明显，在温度为350℃~500℃时，再结晶现象明显。通过定量金相数据回归得到了再结晶现象明显的温度区间的临界方程、晶粒尺寸方程和再结晶体积分数50％时的应变方程。
　　分析了传统分流焊合挤压、等通道转角晶粒破碎细化挤压、金属流动性好并且省力的扁挤压筒挤压的特点，并结合其优点集成创新，提出了扁挤压筒等通道转角分流大宽展挤压实现高性能轻量化铝合金大宽板省力高效成形制造的新原理。通过分析新原理的金属流动过程论证了其可行性，并发明了实现新原理的组合模具及装置；通过对几何模型、材料模型、网格划分与优化、边界条件等处理，建立了6005A铝合金等通道转角分流大宽展挤压有限元模型，通过缩比实验研究挤压载荷、温度和微观组织，验证了模型的宏微观模型的可靠性。为实现等通道转角分流大宽展挤压宏微观预测奠定了基础。
　　深入研究了挤压比λ、焊合腔深度d、通道转角α、挤压温度T和挤压速度v对扁挤压筒等通道转角分流大宽展挤压的宏观变形特征的影响规律，据此分析优化了模具结构及其参数；结果表明，最优模具结构为挤压比14.0，通道转角145°，焊合腔深度150mm。不同工艺条件下的挤压载荷为60~80MN，所需的挤压机级别较传统挤压方法挤压同规格的宽板有明显的省力效果。研究了坯料预热温度T和挤压速度v对再结晶体积分数、再结晶晶粒尺寸及晶粒尺寸的影响规律。宽板的再结晶体积分数接近100%，宽板晶粒尺寸为15.7μm~19.9μm，较传统方法有效降低；通过金相分析揭示了6005A铝合金在热挤压过程发生了晶粒细化。实现了细晶粒宽板的省力低成本高效挤压。
　　通过理论分析扁挤压筒等通道分流大宽展挤压焊合过程中的主要影响因素，设计了高温压力焊合实验及其装置；系统研究了温度、时间和压力对6005A铝合金可焊合性的影响，分析了焊缝的微观组织和抗拉极限强度，结果表明，可焊合性与压力、时间和温度成三元一次线性正比关系，以此为基础建立了分流焊合强度预测公式；结合有限元仿真，通过研究焊合面上的温度、静水压力和焊合时间，利用分流焊合的强度预测公式，预测了挤压工艺参数的可行域并进行了实验验证。通过优化，挤出宽板的焊缝强度为265.9MPa，不含焊缝的纵向强度为315MPa，明显提高了宽板的性能和质量。

目录

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中文摘要

英文摘要

论文的主要创新和贡献

目录

第1章 绪论

1.1引言

1.2铝合金板成形方法的分类与特点

1.3 铝合金挤压的关键影响因素

1.4 挤压成形研究方法

1.5铝合金挤压成形研究现状

1.6铝合金大宽展挤压技术研发需要解决的关键问题

1.7选题的背景和意义

1.8本文的主要研究内容和研究思路

第2章 本文研究的基础和方法

2.1引言

2.2有限元数值模拟理论基础

2.3实验材料和实验方法

2.4 DEFORM-3D软件平台

2.5本章小结

第3章 6005A铝合金的本构方程和动态再结晶模型

3.1 引言

3.2 真应力-应变曲线

3.3 6005A铝合金热变形本构方程的建立

3.4 变形温度对再结晶微观组织的影响

3.5 应变速率对再结晶微观组织的影响

3.6 6005A铝合金动态再结晶演变模型的建立

3.7 动态再结晶模型的验证

3.8本章小结

第4章 P-ECAP大宽展挤压原理和有限元建模研究

4.1 引言

4.2 等通道转角分流大宽展挤压的技术原理

4.3 等通道转角分流大宽展挤压的模具设计

4.4等通道转角分流大宽展挤压有限元建模及关键技术处理

4.5 6005A铝合金P-ECAP大宽展挤压有限元模型的验证

4.6有限元模型的优化

4.7 本章小结

第5章 P-ECAP大宽展挤压的宏微观变形规律研究

5.1 引言

5.2 研究思路和研究条件

5.3 P-ECAP大宽展挤压的场变量分布与变化规律

5.4挤压载荷随行程变化规律及省力效果

5.5 成形参数对6005A铝合金P-ECAP大宽展挤压的影响

5.6 模具结构的优化

5.7 6005A铝合金P-ECAP成形动态再结晶演变分析

5.8 工艺参数对6005A铝合金宽板挤压成形再结晶演变的影响

5.9 实验挤出宽板的微观组织特征

5.10 本章小结

第6章 扁挤压筒等通道转角分流大宽展挤压焊合性研究

6.1 引言

6.2焊合强度预测公式

6.3 FEM仿真挤压焊合界面焊合参量分析

6.4 6005A铝合金宽板等通道分流宽展挤压的工艺参数可行域

6.5焊缝区域的微观组织

6.6挤出宽板的性能

6.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及申请的专利

致谢

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