金属热成形过程接触界面换热特性与氧化机制多尺度研究

In the metal hot forming process, the billet and die are in contact under the conditions of high temperature, high pressure and severe sliding. The surface contact is accompanied by the transfer of heat and force, the material migration, the evolution of structure as well as the oxidation and damage of material. The factors such as plastic deformation heat of billet, interfacial friction heat, heat transfer characteristics across interface and oxidation of materials are complicated, which is a complex trans-scale thermo-mechanical-chemical coupling problem, involved in interdisciplinary knowledge of materials science, mechanics and chemistry. This project aims to establish heat transfer model to study the friction heat, deformation heat and contact heat transfer behaviour under complex working conditions of high temperature, large deformation, oxide layer and die coatings based on actual contact surface, using combined theoretical analysis, macro and micro numerical simulation and experimental research. The reactive molecule dynamics computation combined with micro analysis method will also be carried out to examine the mechanism of oxidation formation, growth and rupture, to reveal the correlation between temperature field, stress field and oxidation. Through this project, a new method of uniform temperature control of billet and die is proposed by controlling the deformation and heat transfer process, which is of great practical significance to improve the product quality and prolong the service life of die.

热成形过程中模具与坯料表面在高温、高压和剧烈滑动下接触，表面接触伴随着热和力的传递、物质的转移、结构的演化、材料的氧化与损伤等。坯料的塑性变形热、界面摩擦热、界面传热特性、材料的氧化等影响因素复杂，是一个复杂的跨尺度的热-力-化学耦合问题，涉及材料学、机械学、化学多学科交叉知识。本项目基于真实接触表面，采用理论分析、宏微观数值模拟、实验研究相结合的方法，从微观角度出发研究金属热成形过程的摩擦热、变形热、接触换热行为,建立高温、大变形、氧化层和模具涂层复杂工况条件的换热模型；采用分子反应动力学结合微观分析方法重点探讨氧化层的形成、生长、破裂机制，揭示温度场、应力场与氧化之间的相互关系和作用机理；通过控制变形过程和传热过程，提出坯料和模具温度的均匀控制方法。开展此项目研究对提高产品质量和延长模具使用寿命具有重要的现实意义。

金属热成形时，坯料与模具在高温、高压和剧烈滑动下接触，表面接触伴随着热和力的传递、物质的迁移、结构的演化、材料的氧化与损伤等。坯料的塑性变形热、界面摩擦热、界面传热特性、模具表面氧化与损伤等影响因素复杂，是一个复杂的跨尺度的热-力耦合问题，涉及力学、材料学、摩擦学、传热学等多学科交叉知识。本项目开发了一套基于真实锻造环境的实验平台用以测试金属热成形时的界面传热特性，基于坯料/模具间的真实接触表面，从微观角度出发研究金属热成形过程中的摩擦热、变形热及热量传递方式，探讨坯料/模具界面接触换热行为的微观机制与传热特性；基于热传导反算中的非线性估算法，建立了求解界面热流及IHTC值的数学模型，并在此基础上开发了热传导反算程序。采用非平衡态分子动力学（NEMD）方法并结合声子散射理论，对微/纳尺度下的模具粗糙界面声子热传递过程进行定性分析，揭示了模具接触界面热量输运的作用机理；同时，实验测试了坯料高温氧化和模具低温氧化过程，建立了氧化动力学曲线，运用ReaxFF反应力场对模具工作表面氧化层的形成、生长过程进行了分子动力学模拟，结果发现了一些有趣的关于界面氧化物的形成、生长机制，为深入理解界面传热对模具表面氧化与模具表面损伤失效的相互关系提供了必要的理论依据。对TC11钛合金齿轮盘的热成形过程进行了热力耦合模拟，探索了模具失效机制，并对锻模表面分别进行了复合陶瓷涂层与多金属耐热涂层处理，通过降低界面接触换热系数（Interfacial Heat Transfer Coefficient，IHTC），达到了改善锻模表面受热状况的目的。同时也研究了热冲压、摩擦离合器等接触界面换热行为，优化了分区加热-冷却的热冲压工艺和组织性能，开发了低热衰退的摩擦离合器。本研究工作为精密塑性成形学科提供了比较准确、可靠的实验数据，也为功能梯度模具材料的设计提供了参考依据，同时为延长模具寿命和提高产品质量奠定了基础。