强力旋压制备纳米/超细晶筒形件的方法及机理研究

强烈塑性变形制备纳米金属具有许多诱人的使用性能和发展前景，因而被认为是块体金属实现纳米化最为有效的途径之一。本项目针对目前国内外尚未开展的采用强力旋压制备纳米/超细晶筒形件的成形方法及机理开展研究；获得制备纳米/超细晶筒形件的强力旋压成形方法；研制出能制备纳米/超细晶筒形件的强力旋压工艺装备；在此基础上，采用数值模拟与试验研究相结合的手段，对制备纳米/超细晶筒形件强力旋压成形机理、旋压工艺参数对晶料尺寸的影响进行深入研究；借助于稳健优化设计方法，找出参数间的合理匹配关系，获得优化工艺规范；研制出具有纳米/超细晶结构筒形件；借助于材料表征和检测分析技术，分析旋压件的机械性能与其微观组织结构之间的关系；从而创建采用强力旋压法制备纳米/超细晶筒形件的相关理论；为强烈塑性变形制备纳米金属开创出一种新的工艺方法。本项目的研究在高新技术领域及传统技术领域都将具有重要的科学意义及显著的实用价值。

项目首次提出采用强力旋压技术制备具有纳米/超细晶结构筒形件，并针对其成形方法及成形机理展开研究。采用强力旋压与再结晶退火相结合的方法制备出具有纳米/超细晶结构的筒形件，解决了强力旋压过程中晶粒变形的方向性问题，制备出平均晶粒尺寸为600 nm的高精度薄壁筒形件，并研制出可制备具有纳米/超细晶结构筒形件旋压成形装置。通过对强力旋压工艺及热处理工艺的试验研究，并结合强力旋压过程有限元数值模拟，获得了工艺参数对旋压件宏观成形质量及微观晶粒尺寸的影响规律及主次顺序。采用神经网络与遗传算法，解决了强力旋压过程中多目标优化问题，获得了优化的工艺参数组合。基于上限法，建立了对轮旋压金属流动模型及等效应变分布模型，并与错距旋压进行对比，系统地揭示了采用强力旋压方法制备具有纳米/超细晶结构筒形件的塑性变形机理。对强力旋压时旋轮作用区晶粒变形进行了细观数值模拟，获得了多晶体细观力学响应关系。对制备过程中微观组织演变规律进行了研究，探索出成形过程中晶粒细化机制，获得了纳米/超细晶结构生成条件；结合力学性能测试，获得了旋压件微观组织与力学性能的关系。项目通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段，获得了采用强力旋压技术制备具有纳米/超细晶结构筒形件方法、探明了其塑性变形的本质，突破了制备具有纳米/超细晶结构筒形件的技术瓶颈和工艺局限。本项目的完成，首次实现了具有纳米/超细晶结构筒形件的低成本、高效、高精密生产，对促进块体纳米材料制备技术的发展和完善具有重大的科学意义和应用价值。