车身用原位纳米强化铝合金挤压型材的设计、性能调控及应用基础

This project proposes the research on the design, performance adjustment and application basis of the in-situ nano reinforced aluminum alloy extrusion profiles for car body. And the key researching contents of this project are focused on the design rules and models of the in-situ aluminum matrix nanocomposites, the extrusion deformation behavior of the composites, the performance adjusting rules and mechanism of the electromagnetic/ultrasonic fields effecting on the composites, and the establishment of the integrated system for solidification process simulation and stress analysis. The 3 key scientific problems will be solved via this project as follows: ① the design models of the in-situ aluminum matrix nanocomposites for car body; ② the interaction mechanism between the nano reinforcements and the hot extrusion deformation; ③ the controlling of the fatigue and shock resistance of the nanocomposites by electromagnetic/ultrasonic fields. The prospected results will establish a set of design model for the in-situ aluminum matrix nanocomposites used for car body, develop 1~2 types of the in-situ aluminum matrix nanocomposites with high mechanical performance and good forming property. Meanwhile, the rules of the hot extrusion deformation and electromagnetic/ultrasonic adjusting fatigue and shock resistance of the in-situ aluminum matrix nanocomposites will be also obtained, as well as their corresponding mechanisms. Finally, the ProCAST+ANSYS integrated system will be established for the solidification process simulation and stress analysis of the nanocomposites. These above studies will provide the theoretical basis for the application of the high-performance in situ aluminum matrix nanocomposites. And thus, this project has an important academic significance and a high value of engineering application.

本项目开展车身用原位纳米强化铝合金挤压型材的设计、性能调控及应用基础研究。重点研究车身用原位纳米强化铝基复合材料的设计规律和模型，探索复合材料的热挤压变形行为，揭示电磁/超声场调控复合材料性能规律和机制，建立复合材料的凝固过程模拟和应力分析集成系统。拟解决三个关键科学问题：①车身用原位铝基纳米复合材料的设计模型；②纳米增强颗粒与热挤压变形的交互作用机制；③电磁/超声场调控其疲劳和抗冲击性能。预期建立1套车身用铝基纳米复合材料的设计模型，开发出具有优异力学性能和良好成形性能车身用铝基纳米复合新材料１～2种；获得1套铝基纳米复合材料的热挤压变形行为规律以及电磁/超声场调控铝基纳米复合材料的拉压疲劳和抗冲击性能规律，并分析其调控机制，建立车身用原位铝基纳米复合材料的ProCAST+ANSYS集成分析系统，为高性能原位铝基纳米复合材料的应用提供理论基础,具有重要的理论意义和巨大的工程应用价值。

铝车身是汽车节能减排和新能源汽车发展的重要途径，已成为汽车轻量化的重要发展方向。本项目针对我国车身用铝合金材料性能低、微合金强化不足以及挤压加工成型等问题，率先提出并开展原位纳米陶瓷颗粒强化铝合金挤压型材的设计、性能调控及应用基础研究，主要研究内容是研究原位纳米颗粒增强铝基复合材料的设计及模型，热挤压变形行为和机制，外场调控性能规律以及应用基础等 ，获得以下主要研究结果：①设计开发了Al-Zr-B和Al-Zr-B-O新型原位纳米反应体系，实现了一元纳米颗粒（ZrB2）和二元纳米颗粒（ZrB2+Al2O3）的可控合成，建立了多相强韧化设计模型和强度-成分设计准则，获得了断裂韧性与成分关系模型；②揭示了电磁场/超声调控对复合材料微观组织演变的影响规律，研发了力学性能和成形加工性能匹配良好的车身用原位纳米ZrB2、ZrB2+Al2O3颗粒强化AA6111、AA6016、AA6082、AA6063铝合金基复合材料；③揭示了热挤压成形加工对复合材料微观组织和性能的影响规律，获得了车身用原位纳米强化铝合金的热挤压变形行为规律，加工图和最优加工窗口（410~450 ℃/0.37~1 s-1）；④与合作单位开展了联合技术攻关并成功实现了成果转化。研发了气滑电磁半连铸、慢速多孔挤压、等温变速挤压等新技术，开发了车身用多元多相原位纳米强化铝合金，并成功应用于特斯拉、上海通用、捷豹路虎等高端新能源汽车的防撞梁、门槛高、吸能盒、电池包、副车架等车身部件；用户反映良好，产品性能超过了国外同类产品，建成了年产1.5万吨生产线，年销售额达4亿元、净利润达8000万元。.本项目执行期间，在国内外学术期刊发表论文27篇，其中SCI论文26篇，影响因子大于2.0的17篇；申请PCT专利2件，发明专利26件，其中授权8件；成果获得了2019年度江苏省科学技术二等奖；获批牵头制订国家标准1项（编号20182145-T-469）；应科学出版社邀请，由国际著名出版集团Springer资助出版领域首部英文专著《In situ synthesis of aluminum matrix composite》，按合同要求，该书将于2021年正式出版。项目研究成果已在高端汽车、飞机（**大型运输机）得到应用，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。