基于空洞演化理论的微通道管挤压成形焊合机理与判定模型

微通道多孔管具有承载能力强、轻量化、传热性能好的优点，代表着多孔挤压管的发展方向，在强化换热、高压微流输送等领域有着非常好的应用前景。由于其尺寸小、排孔间壁薄且孔相互影响，分流模挤压成形中焊合强度难以保证，导致承载能力严重下降甚至失效。本项目基于挤压成形理论和细观塑性力学方法，采用理论推导、物理实验、数值模拟与工艺实验相结合的方法，研究微通道管分流模挤压过程中焊合面细观空洞缺陷的形成、闭合机理，建立宏观应力场作用下焊合面空洞演化模型，形成基于细观空洞演化的微通道管分流面焊合准则。将该准则引入分流挤压过程的有限元模拟，实现成形过程的模拟与焊合质量的控制。本项目研究对于揭示分流挤压焊合缺陷的形成机制，发展分流模挤压理论，具有很好的理论研究价值；对于微通道管材挤压成形技术的进步，促进微通道管未来在节能型、小型化制冷系统的应用，具有重要的社会和经济意义。

微通道管是多挤压管材的一个重要发展方向，其管壁的挤压焊合质量低下是成形的难点。本项目通过理论推导和物理模拟实验，获得焊合过程的宏观力学参数对细观焊合状态的影响规律，建立了可描述细观缺陷演化过程的焊合状态判定模型，完成了研究计划任务。主要工作有：(1)在微通道管焊合位置微观组织和焊合过程机理分析的基础上，提出了一种将焊合过程视为材料损伤至断裂过程的逆过程、利用焊合面细观空洞的闭合过程来描述焊合过程的新方法。该方法可以从本质上反映焊合区材料流变状态对焊合面细观缺陷的影响。(2) 根据焊合面应力状态推导焊合面材料本构方程，并据此推导了空洞闭合过程中孔隙度表达式，得到宏观应力场作用下描述挤压焊合的空洞演化模型，形成焊合质量判定模型。并基于该模型对影响焊合质量的主要因素进行了讨论，获得静水应力影响焊合质量的数学描述。(3)完善了焊合过程物理模拟实验方法，确立了焊合条件－空洞体积分数－焊合界面强度对应关系。(4)利用本项目开发的焊合强度判定模型，优化设计了微通道扁管分流挤压模具，并成功地制备了当量直径为0.5mm、爆破压力达到35Mpa的微通道管。本项目取得了以“基于空洞体积分数的焊合质量判定模型”为主的研究成果，在《Journal of Materials Processing Technology》、《机械工程学报》等期刊发表科技论文，并作为重要组成部分，获得2014年度国家科技进步二等奖。