变形铝合金触变锻造过程中固液相协调变形机制及缺陷控制研究

The heterogeneous flow of the solid/liquid phases results in the segregation and formation of damage during thixoforging, which in turn affects the mechanical properties of the final parts.. The mechanism of the coordinated deformation of solid/liquid phases and the formation of damage will be experimentally and numerically investigated at both macroscopic and microscopic level:. The tensile and compression tests at various processing conditions will be performed by using the High Temperature Confocal Laser Scanning Microscopy (HT-CLSM) to in situ observe the microstructure evolution (solid/liquid flow and granular deformation behavior) and the formation of the defects (segregation and hot tearing). The effects of the microstructure evolution on the mechanical response of the material will be analyzed to reveal the coordinated deformation of solid/liquid phases and the formation of damage；. By combining micro mechanism and macro characteristic, statistical characteristics of the semi-solid microstructure will be studied and used for proposing a 3D granular mesoscale model for investigating the heterogeneous flow behavior and microstructure evolution. The thixoforging process will be simulated and compared with the experimental results in order to both validate the predications of the model and explain the experimental observations.. The research will resolve and explain several key scientific problems which could not be done or explained by normal experiments and simulation methods. It will also enrich the rheological behavior theories of semi-solid metal alloys, and supply experimental data and theories for process control and optimal design, which will finally promote the application of thixoforging process.

触变锻造过程中固液相不均匀流动易导致成形件的偏析和断裂现象，从而影响制件最终力学性能。本项目拟结合试验研究和模拟计算，从宏/微观尺度上系统研究触变锻造过程中固液相协调变形机制和缺陷产生的机理：利用高温共聚焦激光扫描显微镜进行原位压缩和拉伸试验，在线描述触变成形过程中微观组织演变（固液相运动及固相变形）和缺陷形成（偏析，热裂）过程，分析微观组织演变对宏/微观力学响应的影响规律，揭示固液相协调变形机制及其对缺陷形成的影响; 基于实际半固态微观结构，创建具有统计意义微观结构并考虑液相作用的多晶粒三维本构模型，模拟成形过程并结合试验结果验证本构模型并解释试验观察到的物理现象。本项目拟解决利用常规热模拟实验和宏观有限元法无法完成的微观结构演变与触变性能之间的关系问题，不仅会加深对微观结构演变过程和触变性能的理解，而且对促进模拟技术的发展、优化触变工艺实现对材料流动行为的控制都具有重要意义。

为了适应国家对精密、经济、高效的新型技术制造的要求，结构件的成形制造技术向着近净成形发展。触变锻造结合了传统锻造和铸造的优点，能够加工出性能优、形状复杂的零件，具有较大的发展空间。但由于固液两相在变形过程中的流动不均匀性易导致零件的偏析等缺陷，从而影响最终性能。因此，触变锻造过程中的固液相均匀流动控制是助推触变锻造发展亟待解决的瓶颈问题。本项目研究了变形铝合金7075触变锻造流动行为，对7075在加热及半固态等温过程中的组织演变规律进行了探索，利用压缩试验得出了变形行为，提出了半固态材料宏观、微观的材料模型，并进行了数值模拟和实验对比。.通过对挤压态7075铝合金等温处理可以实现近球状均匀的金相组织，避免了专用半固态浆料制备。在加热过程中，加热时间、加热速率、保温时间、和加热温度等对半固态坯料的晶粒尺寸、形状系数及液相分布有重要影响。快速加热（10℃/s）至590-610℃并保温1-5min即可获得高质量半固态坯料。.通过半固态下的压缩试验，分析了不同参数下的材料流动行为和微观组织演变规律，建立了材料本构模型。半固态变形包含加工硬化，流变软化和稳态变形三个阶段。通过微观组织分析表明在压缩试样在低应变速率下试样边缘存在液相偏析；较高应变速率下由于液相未能形成流动路径，易出现多峰值应力现象；高应变速率下有利于材料均匀性。上述研究丰富了已有的触变锻造变形理论，同时为均匀性变形零件的工艺参数优化提供了实验数据，有利于助推触变锻造工艺的产业化应用。.同时，针对触变锻造的两相材料创建了多晶粒有限元模型，并针对液相率、形状系数等对材料流动行为进行了模拟仿真。从定性上讲，这些模拟结果与实验及文献结果有很好的相关性，如固体分数的影响、应变率的影响、固体骨架形态的影响。该方法是一种真实的两相方法，可以考虑变形过程中的晶粒重排机制和流体流动，能够为高固相率触变成形过程中的流动研究提供理论支持。