异种金属复合旋压的成形机理及界面热阻的影响机制

Clad tubes of dissimilar metals are increasingly needed in many industrial fields of petroleum chemistry, ocean development, electrical power and national defense due to their low cost and high adaptability to harsh service conditions. Power spinning has great potential for the manufacture of composite tube of dissimilar metals, yet leads to the low interface bonding strength, which limits the application of as-spun clad metal tube. Thus, the project is proposed to study the forming mechanism and influence of thermal boundary resistance during clad spinning of Steel/Al, Ti/Al and Mg/Al clad tubes. The main content includes: 1) Deformation mechanism of clad spinning and deformation compatibility conditions, 2) Interface bonding mechanism of clad spinning and performance evaluation of composite tubes, 3) Influence of thermal boundary resistance on clad spinning deformation, 4) Quality control and forming process optimization of as-spun composite tube of dissimilar metals. To solve the bottle-neck problems, the study will reveal the deformation mechanism of clad spinning, interface bonding mechanism of dissimilar metals and influencing law of thermal boundary resistance on deformation compatibility. On the basis, the control measures of spinning defects and interface strengthening will be proposed and the processing procedure of as-spun clad tube will be optimized. The study will help to establish the theoretical method of clad tube spinning, which could provide guidance for the manufacture of high-quality clad tube of dissimilar metals and promote their application.

异种金属复合管以其低成本和适应复杂服役环境能力而在石化、海洋、电力及国防等领域应用日益增加。旋压技术在异种复合管制造方面具有良好潜力，但界面结合强度较低使其应用受限。为此，本项目将以Steel/Al、Ti/Al和Mg/Al等复合管为对象，开展异种金属复合旋压成形机理和界面热阻影响机制研究，主要包括：1）复合旋压的变形机理和界面协调变形条件；2）复合旋压的界面结合机制及性能相关性；3）界面热阻对复合旋压变形的影响机制；4）异种金属旋压复合管的成形质量控制及工艺优化。该研究针对异种金属复合旋压的瓶颈问题，将系统揭示异种金属复合旋压的变形机理、界面结合机制及界面热阻的影响，提出异种金属复合旋压成形缺陷和界面强化的控制方法，获得制造异种金属旋压复合管的优化工艺路线。该研究有助于建立异种金属复合旋压成形的理论方法，为高质量异种金属复合管的制造提供科学指导，促进异种金属复合管的应用。

异种金属复合管因兼具基材和包覆管的性能、成本低廉、并可适应复杂服役环境而在石化、海洋、电力及国防等领域具有广阔的应用前景。旋压技术以工具简单、工艺灵活等优点在异种复合管制造方面具有良好潜力，但界面结合质量受材料和工艺参数影响较大。为此，本项目以Al/Al、Cu/Al、Steel/Al、Ti/Al和Mg/Al等复合管为对象，采用理论分析、有限元仿真和实验研究相结合的方法，开展异种金属复合旋压成形机理和界面热阻影响机制研究，主包括以下四个方面：1）复合旋压的变形机理和界面协调变形条件；2）复合旋压的界面结合机制及性能相关性；3）界面热阻对复合旋压变形的影响机制；4）异种金属旋压复合管的成形质量控制及工艺优化。.研究结果表明，异种金属复合旋压过程中由于内外层存在旋轮局部加载引起的应力梯度，导致外层管坯变形大于内层变形。内管强度低于外管强度容易产生界面变形协调，促使界面复合。在一定范围内升高旋压温度和增加减薄率有助于提高界面结合强度。旋压复合过程中内外层界面存在元素互扩散，促使界面产生冶金结合。长时间旋后热处理容易导致界面产生金属间化合物，引起界面强度下降。界面热阻使得异种金属复合管间存在温度梯度，通过控制复合管两侧的温度梯度有利于改善界面两侧金属的变形协调条件。内外管的界面结合受材料强度和热膨胀系数的影响明显：内管越软，伸长越大，导致界面存在附加应力，影响界面结合；内外管热膨胀系数相差较大，容易导致复合热旋压后内外管坯冷却过程中收缩量差异，致使界面开裂。基于上述研究，提出了异种金属复合旋压成形缺陷（隆起、裂纹、界面开裂等）和界面强化的控制方法，获得制造异种金属旋压复合管的优化工艺路线，制造出了高质量的Al/Al、Cu/Al、Steel/Al、Ti/Al、Mg/Al等复合管构件。该研究建立了异种金属复合旋压成形的理论方法，可为高质量异种金属复合管的制造提供科学指导，有助于促进异种金属管复合旋压技术的应用。