强脉冲电流在板材快速超塑成形工艺中的宏微观作用机制

针对目前超塑成形工艺技术较低的加热速度和应变速率，利用脉冲电流的"焦耳热效应"与"电致超塑性效应"，研究并实现轻合金材料的快速超塑成形工艺，解明机理。研究轻合金材料在强脉冲电流作用下的电热特性及微观组织演变，探明电学与热学性质差距很大的轻合金材料在强脉冲电流作用下的不同电热特性，分析强脉冲电流作用下的加热过程微观组织演变特点，解明强脉冲电流作用下轻合金材料动态与静态条件下的孔洞行为；研究强脉冲电流作用下轻合金材料单向应力状态和双向应力状态下的超塑力学特性，揭示脉冲电流作用下轻合金材料的超塑变形机制，发掘材料在高应变速率区的超塑成形性能，以及不同微观组织的材料在此工艺下的不同响应；研究强脉冲电流作用下轻合金材料超塑成形的特殊工艺与工装，确定脉冲电流加热参数，合理配置脉冲电流电路，选择合适的电极与陶瓷模具材料，实现加热速度和温度场均匀性的控制。此研究将为脉冲电流辅助快速超塑成形工艺奠定基础。

本研究选取三种典型的轻合金，基于电热学理论揭示了轻合金板材脉冲电流加热过程中的加热速率、加热温度等与材料热物理性能及电流参数间的关系，掌握了轻合金材料在脉冲电流作用下的微观组织演变规律，为合理地制订加热规范奠定了理论基础。研究重点分析了强脉冲电流对轻合金材料单向应力状态和双向应力状态下超塑性力学特性的影响，结合有电流通过的情况下材料的变形过程特点，通过对比三种轻合金常规胀形和自阻加热胀形发现：电流可提高材料的塑性，降低流动应力，在自阻加热成形过程中。本项目明确了脉冲电流作用下轻合金材料在超塑性成形过程中的位错形态、分布与运动，掌握了微观组织的演变规律，揭示了轻合金材料的脉冲电流辅助超塑变形机制，掌握了非细晶轻合金材料在脉冲电流作用下的电致超塑成形能力，探明了强脉冲电流对于轻合金高温变形机制的影响。研究重点分析了轻合金材料在脉冲电流辅助超塑成形过程的动态条件下孔洞形核与长大机理，总结了不同工艺参数对孔洞的作用效果，明确了非变形的静态条件下强脉冲电流对孔洞的愈合效应。项目进行了强脉冲电流作用下轻合金材料超塑变形的电热力三场耦合有限元分析，探索了脉冲电流辅助超塑成形的有限元模拟技术，重点解决了电流场，温度场，力场三场耦合，解决了满足实际工况的边界条件的设定，材料热物理性能参数的确定等问题。通过模拟探明了脉冲电路配置对温度分布均匀性的影响规律，研究了轻合金材料脉冲电流辅助快速超塑成形的特殊工艺装置，采用可绝缘的陶瓷模具并结合工艺流程及工艺参数的优化，实现了轻合金材料的高速、低能耗超塑成形。