纳米颗粒增强铝基复合材料半固态坯超声辅助半固态搅拌制备及触变成形机制

In this project, how to fabricate high-quality semisolid billet of nano particle reinforced aluminum matrix composite is the main research target. A novel method for preparing high-quality semisolid billet of nano particle reinforced aluminum matrix composite will be proposed firstly, in which uniform distribution and effective wetting of nano particle is realized through the cavitation and acoustic streaming effects of ultrasonic and supporting effect of solid aluminum particle. At the same time, the high-quality semisolid billet of nano particle reinforced aluminum matrix composite was thixformed in order to achieve the near-net formed composite components with high properties. The main research contents are listed below: 1) Optimal design and manufacturing of the device of ultrasonic assisted semisolid stirring; 2) Influence of process parameters on the quality of semisolid billet; 3) Rheology characteristic of semisolid billet, migration of solid-liquid interface and microstructure formation and evolution mechanisms; 4) Thixoforming technology and numerical modeling of thixoforming process; 5) Accurate control of shape, dimension and properties of the formed component and flowing characteristics of semisolid billet, mechanisms on solidification and plastic deformation under high pressure. A fundamental theory on preparing and thixoforming of nano particle reinforced aluminum matrix composite semisolid billet will be established in this project. It will provide a good support to near-net forming of components in the aerospace and transportation fields.

以制备高质量纳米颗粒增强铝基复合材料半固态坯为研究背景，利用高能超声产生的空化效应、声流效应以及铝固相颗粒的支撑和衬托作用，实现纳米颗粒的均匀分布和有效润湿，从而提出超声辅助半固态搅拌制备纳米颗粒增强铝基复合材料半固态坯方法。同时利用制备的半固态坯进行触变成形，实现高性能纳米颗粒增强铝基复合材料结构件的近净成形。主要研究：1）超声辅助半固态搅拌制备装置的优化设计与制造；2)工艺参数对半固态坯料质量的影响规律；3)半固态坯料的流变学特性、固-液界面迁移及组织形成演变机制；4)半固态坯料触变成形工艺及其过程数值模拟；5)触变成形过程中结构件的形状、尺寸和性能的精确控制及触变成形过程中流动填充特性、高压下凝固和塑性变形机制。通过项目研究，建立纳米颗粒增强铝基复合材料半固态坯超声辅助半固态搅拌制备及触变成形基础理论，为航空、航天和交通运输等领域高性能复合材料构件的近净成形提供技术支持。

针对纳米陶瓷颗粒难以分散的技术瓶颈问题，提出超生辅助半固态搅拌制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料新方法。利用超声产生的空化、声流效应以及半固态浆料特有的粘度特性实现纳米陶瓷颗粒的有效分散，从而制备了纳米陶瓷颗粒分散均匀、铝合金固相晶粒细小且圆整的高质量纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料和纳米Al2O3颗粒增强2024铝基复合材料半固态浆料。研究了工艺参数对制浆质量及微观组织演变的影响规律。在此基础上，利用所制备的半固态浆料进行了半固态流变和半固态触变成形。研究了半固态流变成形及半固态触变成形过程中成形件的质量调控规律。.研究结果表明：在纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料和纳米Al2O3颗粒增强2024铝基复合材料半固态浆料的过程中，半固态搅拌时间、搅拌温度、SiC或Al2O3体积分数和超声震荡的时间，对制备的浆料的固相晶粒尺寸、纳米颗粒分散程度和液相分数有重要影响。对于SiC颗粒增强7075铝基复合材料，搅拌时间达到25min且搅拌温度为620℃时可以获得高质量的浆料。半固态流变成形的纳米SiC增强7075铝基复合材料零件T6热处理处理后的性能已超过挤压棒材的性能。半固态等温处理过程中保温温度为590℃和600℃时半固态坯料具有较小的晶粒尺寸和较好的形状系数。半固态触变成形件经过T6热处理后，Cu元素的偏聚得到了解决，抗拉强度达到了552MPa，延伸率达到7.9%。纳米Al2O3颗粒增强2024铝基复合材料半固态流变成形件T6热处理之后的抗拉强度达到415MPa，延伸率达到5.6%。半固态触变成形的纳米Al2O3颗粒增强2024铝基复合材料零件经过T4热处理，材料的最佳抗拉强度达到394MPa，延伸率为5.2%。.本项目中负责人及其团队发表论文9篇，其中SCI收录7篇，EI收录2篇，获得国家发明专利4项，培养硕士4名，参加国际会议2次，国内会议4次。研究结果对于纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料和纳米Al2O3颗粒增强2024铝基复合材料的制备具有重要的技术参考价值，对于复合材料半固态浆料的制备以及半固态流变、触变成形提供了重要的技术支撑。为航空、航天、交通运输领域铝基复合材料结构件的生产制造提供强有力的技术支持。