变温变速热成形条件下含第二相颗粒面心立方金属的动态再结晶机制

Most structural metallic alloys contain significant second-phase particles in their matrices, the deformation temperature and strain rate both change during industrial hot plastic deformation processes. Their microstructural evolutions through dynamic recrystallization (DRX) are far more complicated than their single-phase counterparts deformed under constant conditions, making it difficult to tailor their microstructure in a quantitative way. This project first investigates the continuous dynamic recrystallization (CDRX) and discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) behaviours of solution-treated FCC AA7050 Aluminium alloy (of high stacking fault energy) and Inconel 718 Nickel-based super alloy (of low stacking fault energy), respectively, under constant hot deformation conditions. The complex dynamic recrystallization behaviours of these two single-phase alloys during variable hot deformation conditions are further investigated, including the concurrent operation of the different DRX mechanisms and the transition from one mechanism to another. The amount and morphology of non-spherical second-phase particles can be tailored by appropriate high temperature aging of the single-phase alloys, and their effects on DRX behaviour during subsequent hot deformation are analysed. A general DRX mean field model which is based on established physical metallurgy principles and is capable to deal with different DRX mechanisms, as well as takes into account the effects from second-phase particles, is developed and verified. The ultimate objectives of the project are to quantitatively tailor the microstructure evolution of particle-containing metallic materials in complex hot deformation conditions and to provide theoretical guidance to the development of new high-performance alloys.

金属结构材料在其基体中通常含有大量的第二相颗粒，并且在其工业生产热成形过程中变形温度和速率是变化的。因此，其微观组织演变过程与单相合金在恒温恒速热成形条件下相比更为复杂，很难实现定量调控。本项目基于航空航天用面心立方高层错能AA7050铝合金和低层错能Inconel 718镍基合金，分别研究其完全固溶单相合金在恒温恒速热塑性变形条件下的连续动态再结晶和不连续动态再结晶规律；探索这两种单相合金在变温变速热塑性变形条件下的复杂动态再结晶行为，包括不同动态再结晶机制同步运行及相互转换规律；对单相合金进行高温时效处理，分析非均匀第二相颗粒在后续热塑性变形过程中对动态再结晶的影响规律；建立一个基于物理冶金知识、综合考虑不同动态再结晶机制、同步耦合第二相颗粒对动态再结晶影响的通用数学模型；实现金属材料在复杂热塑性成形条件下微观组织定量调控，为发展新型高性能合金提供理论指导。

铝合金和镍基高温合金因其优异的性能在航空航天领域得到广泛应用，其最终微观组织与其在热加工过程（锻造、轧制、挤压等） 中发生的动态再结晶过程紧密相关。在热成形过程中， 这些金属材料内部的微观组织转变速度快且不均匀，其内部存在的大量第二相颗粒与动态再结晶交互作用，目前暂无可靠方法实现工业生产过程微观组织实时测量，这给研究其微观组织及性能演变带来了巨大挑战。本项目以在航空航天上广泛运用的面心立方结构的镍基高温合金 Inconel 718及GH4720Li（低层错能金属） 和轻质高强铝合金Al-1Mg及AA2169（高层错能金属） 为研究对象，研究了单相Al-1Mg铝合金热变形行为及微观组织演变机制，揭示了单相铝合金在低温、中温及高温下的不同晶粒细化机制分别为加工硬化导致的剪切带、含稳定取向的连续动态再结晶及动态回复；建立了低、中、高变形温度范围内的单相Al-1Mg铝合金本构模型；通过与单相Al-1Mg铝合金对比，研究了第二相颗粒AA2196铝合金的热变形行为，揭示了第二相颗粒对其微观组织演变及晶粒细化的影响机制；获得了典型高层错能金属铝合金在热变形过程中的晶粒细化机制。针对低层错能金属镍基高温合金，分析了镍基高温合金热析出相演变规律及元素偏析行为，并通过热处理工艺实现了对不同尺度的第二相颗粒的定量调控；探索了镍基高温合金在单相及两相区热变形行为，揭示了镍基高温合金两相区热变形γ’演变机制，建立了镍基高温合金的本构模型。此外，针对金属高温热变形研究过程中易产生的温度不均匀、淬火速度慢等瓶颈问题，开展了热扭转热设备的设计及制造。该设备具有加热温度范围广、 应变速率高、变温变速, 结合开发的加热设备实现均匀加热及快速淬火等特点，可以有效避免非均匀变形并保留热变形组织。这些研究成果为实现含颗粒金属材料在热变形条件下微观组织性能调控及发展新型高性能合金提供了理论指导。研究成果发表SCI学术论文7篇，其中独立通讯作者SCI论文5篇，独立主编英文著作一部，授权发明专利2项。.