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复合挤压AZ31/GW103K双金属复合材料的组织与力学性能

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复合挤压AZ31/GW103K双金属复合材料的组织与力学性能

作者：孟云鹏太原理工大学

学位级别：硕士

由于镁合金具有优异的综合性能,从而得以被广泛应用于交通运输、航空航天等多种工业领域。然而,镁合金的密排六方晶体结构导致其在室温塑性变形能力差,限制了镁合金在许多工业领域的广泛应用。而稀土镁合金具有较好的成形性和高强度等优... 详细信息

由于镁合金具有优异的综合性能,从而得以被广泛应用于交通运输、航空航天等多种工业领域。然而,镁合金的密排六方晶体结构导致其在室温塑性变形能力差,限制了镁合金在许多工业领域的广泛应用。而稀土镁合金具有较好的成形性和高强度等优点,但由于稀土元素过于稀少,从而导致稀土镁合金价格昂贵。因此,可以将非稀土镁合金和稀土镁合金进行结合,在提高镁合金强度的同时节约成本。非稀土/稀土镁合金双金属复合材料具有两种不同金属的优异性能,能够有效的改善镁合金的力学性能,对增强增韧镁合金具有重要意义。本论文首先通过复合挤压制备了AZ31/GW103K双金属复合棒材,研究了复合挤压对AZ31套筒和GW103K芯部的微观组织和力学性能的影响,并探究了挤压温度对AZ31/GW103K复合棒材界面层以及界面层对复合棒材性能的影响。其次利用不同挤压组合方式制备AZ31/GW103K复合板材,探究不同挤压组合方式对复合板材微观组织和学性能的影响。最后,本论文探究了AZ31/GW103K的复合棒材压缩变形行为,并系统分析了在压缩过程中复合棒材各个区域微观组织和织构的变化。本论文的研究结果表明:（1）AZ31/GW103K双金属复合棒材在不同的挤压温度下均具有良好的结合界面,且界面层厚度随着挤压温度的升高而增厚。与整体挤压相比,复合挤压促进了AZ31套筒中晶粒的生长,同时细化了GW103K芯部中的晶粒。AZ31/GW103K双金属复合棒材压缩屈服强度和抗压强度均介于整体的AZ31和GW103K棒材之间,其塑性与整体的AZ31棒材相近。（2）复合挤压增强了AZ31套筒和GW103K芯部的织构强度,但没有改变它们的织构类型。在相同的挤压温度下,随着AZ31/GW103K双金属复合材料中GW103K体积分数的增加,AZ31/GW103K复合材料的屈服强度越来越偏离混合规则（rule of mixture,ROM）预测值。在350℃下制备的复合棒材界面层最薄,其屈服强度最接近ROM预测值。（3）采用不同挤压组合方式（双半圆挤压型、三明治挤压型）制备的AZ31/GW103K双金属复合板均具有良好的冶金结合性能,并且改变挤压组合方式并不影响复合板界面层的厚度。复合挤压可以促进AZ31和GW103K的动态再结晶（dynamic recrystallization,DRX）,且双半圆型比三明治型对DRX有更好的促进作用。此外,在复合挤压过程中,三明治型中AZ31的织构类型没有发生变化,而双半圆型中AZ31的织构沿TD方向发生偏移。（4）相比于整体的AZ31挤压板材,AZ31/GW103K（A/G）和AZ31/GW103K/AZ31（A/G/A）双金属复合板材均具有较高的屈服强度和抗拉强度。此外,A/G/A复合板材的强度高于A/G复合板材,但延伸率较差。同时,复合挤压降低了AZ31和GW103K的位错密度,且不同挤压组合方式对其位错密度的降低效果不同。（5）对AZ31/GW103K双金属复合棒材在室温下进行压缩,结果表明随着真应变的增加,AZ31套筒和界面区的织构类型发生明显的变化,而GW103K芯部的织构类型和织构强度没有发生明显变化。相比于AZ31合金,AZ31/GW103K复合棒材具有更高的屈服强度,塑性没有明显区别,两者具有明显不同的压缩屈服平台,AZ31合金在压缩过程中会更早的发生屈服。（6）对于AZ31套筒,其压缩变形机制以{10-12}＜-1011＞拉伸孪生为主,而GW103K芯部在压缩过程中存在基面＜a＞滑移和拉伸孪生{10-12}＜-1011＞并存的变形机制。此外,界面区的压缩变形机制是由AZ31合金和GW103K合金共同决定的。在同一真应变下,AZ31合金中的拉伸孪晶数量均多于AZ31套筒中的。

关键词： AZ31/GW103K双金属复合材料复合挤压力学性能界面层织构类型

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复合挤压Mg-Sn合金组织与性能研究

复合挤压Mg-Sn合金组织与性能研究

作者：谭昊天江苏科技大学

学位级别：硕士

镁合金具有密度低、比强度高等优点,因而被广泛应用于航天航空、汽车、电子等领域。Mg-Sn合金铸造成本低,在室温和高温下具有优异性能,但偏析严重、室温成形性能差等问题限制了合金的实际应用。因此,本文在250℃采用不同工艺对MgSn合金... 详细信息

镁合金具有密度低、比强度高等优点,因而被广泛应用于航天航空、汽车、电子等领域。Mg-Sn合金铸造成本低,在室温和高温下具有优异性能,但偏析严重、室温成形性能差等问题限制了合金的实际应用。因此,本文在250℃采用不同工艺对MgSn合金进行挤压变形,研究Sn含量、挤压比、挤压工艺、复合挤压通道转角等对MgSn合金组织细化、织构改性及机械性能的影响,获得如下研究结果:（1）采用FE1工艺细化Mg-Sn合金组织,并使其多峰织构转变为单峰织构,主要强化机制为细晶强化以及织构强化,显著提升了Mg-Sn合金强度。TAZ421合金晶粒尺寸由45.2μm细化至5.1μm,屈服强度为194MPa,抗拉强度为282MPa。随着Sn含量增加,晶粒细化效果增强,TAZ521合金晶粒尺寸由挤压前54.0μm细化至4.5μm。TAZ521合金经过挤压后织构较强,组织细小,屈服强度及抗拉强度分别为205MPa和305MPa,较匀质态合金分别提升了138.4%、106.1%,断后伸长率为13.0%,提升了85.7%。（2）针对FE1工艺挤压合金组织不均匀、塑性一般等问题,采用挤压比更大（λ=4）的FE2工艺对合金进行挤压。与FE1工艺挤压Mg-Sn合金相比,TAZ521合金晶粒尺寸由挤压前54.0μm细化至5.2μm。再结晶晶粒长大使晶粒细化作用减弱,FE2工艺挤压合金强度降低,TAZ421、TAZ521合金屈服强度分别为181MPa和168MPa,而FE2工艺挤压合金组织更加均匀,这进一步提高了合金塑性,TAZ421、TAZ521合金断后伸长率分别为17.2%、16.8%,较匀质态合金分别提升104.8%、140.0%。（3）由于FE2工艺挤压合金组织晶粒较大,采用CE1复合工艺增大应变量,促进了晶粒形核与第二相析出,组织充分再结晶,晶粒细化作用提高,TAZ521合金晶粒尺寸由挤压前54.0μm细化至3.1μm。由于CE1工艺应变较大,晶粒c轴垂直于挤压方向,合金基面挤压织构强度大幅度增加。经过CE1工艺挤压的TAZ521合金断后伸长率为21.5%,较FE2挤压合金提升29.0%,较匀质态合金提升207.1%,组织细小及其均匀性提高是其塑性显著提升的主要原因。（4）为解决CE1工艺挤压合金组织再结晶晶粒长大、合金强度较低等问题,采用通道转角增大的CE2工艺挤压Mg-Sn合金。挤压合金晶粒细化明显,再结晶晶粒细小,TAZ521合金平均晶粒尺寸由挤压前54.0μm细化至2.6μm。CE2工艺与CE1工艺挤压合金的织构类型相似,但强度较小,这是由于通道转角增大,晶粒c轴垂直于挤压方向的驱动力降低。再结晶晶粒细小和织构弱化使得CE2工艺挤压后的Mg-Sn合金综合力学性能明显优于CE1工艺挤压合金。TAZ421合金拉伸屈服强度和抗拉强度分别为204MPa、287MPa,断后伸长率为21.0%。随着Sn含量增加,TAZ521合金综合力学性能提高,屈服强度及抗拉强度分别为215MPa和305MPa,较匀质态合金分别提升150.0%、106.1%,断后伸长率为23.1%,提升230.0%,因此CE2复合挤压工艺是本研究中最优的挤压成型方式。

关键词： Mg-Sn合金复合挤压晶粒细化织构力学性能

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单耳吊具复合挤压成形工艺数值模拟

锻压技术 2023年第8期48卷 104-109页

作者：崔继红郭永强中国机械总院集团北京机电研究所有限公司北京100083

针对单耳吊具薄壁异形的产品结构特点,提出了基于金属流动控制的新成形工艺。分析了闭式挤压过程中金属的流动规律,其中温度场是影响最终充填效果的关键因素,挤压速度的不同会引起变形温度场差异,挤压速度越快,坯料热量损失越少,越有利... 详细信息

针对单耳吊具薄壁异形的产品结构特点,提出了基于金属流动控制的新成形工艺。分析了闭式挤压过程中金属的流动规律,其中温度场是影响最终充填效果的关键因素,挤压速度的不同会引起变形温度场差异,挤压速度越快,坯料热量损失越少,越有利于产品的成形。研究发现,在单耳吊具成形过程中端面的高度差最大达到16.6 mm。为提高产品尺寸的一致性和稳定性,建立了金属流动控制的分析模型,对5种背压力作用下产品成形后的高度差进行了研究,发现在500 kN以上的背压力作用下,高度差能够减小至3 mm以内。最后,在分析的基础上设计了专用的工艺模具和设备,其中背压力加载可采用500~2000 kN可调压力的油缸来实现,并通过试验获得了合格的单耳吊具挤压件,实现了此类产品的成形工艺开发。

关键词：单耳吊具复合挤压薄壁异形件背压成形金属流动控制

变形温度对复合挤压ZK60镁合金组织与性能的影响

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热加工工艺 2023年第17期52卷 89-93页

作者：王浩刘伟石凤健王冀恒王雷刚谭昊天刘昂江苏科技大学材料科学与工程学院江苏镇江212003 江苏奕隆机电科技有限公司江苏如皋226541 江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013 江苏立万精密制管有限公司江苏张家港215632

利用光学显微镜、扫描电镜、万能试验机等研究了变形温度对复合挤压ZK60镁合金组织与力学性能的影响。结果表明:经过不同温度复合挤压的ZK60镁合金晶粒细化,显微硬度、强度与塑性提高,拉压不对称改善。随着变形温度的下降,晶粒细化越明... 详细信息

利用光学显微镜、扫描电镜、万能试验机等研究了变形温度对复合挤压ZK60镁合金组织与力学性能的影响。结果表明:经过不同温度复合挤压的ZK60镁合金晶粒细化,显微硬度、强度与塑性提高,拉压不对称改善。随着变形温度的下降,晶粒细化越明显,硬度值越高。200℃挤压试样的动态再结晶比较充分,晶粒细小,平均显微硬度达到77.8 HV,压缩屈服强度达到250 MPa,比挤压前分别提高20.6%与82.5%。250℃挤压试样的拉伸屈服强度为230 MPa,断后伸长率21.8%,比挤压前分别提高21.1%与24.6%。研究表明,复合挤压是一种有效提升镁合金性能的技术。

关键词：复合挤压 ZK60镁合金变形温度晶粒细化力学性能

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铝镁异种金属复合挤压成形及界面微观组织

材料工程 2017年第11期45卷 78-83页

作者：乔及森向阳芷聂书才张涵兰州理工大学材料科学与工程学院兰州730050 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

基于Deform 2D有限元模拟优化挤压工艺参数,在挤压速率2mm/s,挤压温度470℃下对铝镁双金属进行复合挤压实验,并采用扫描电镜(SEM)、显微硬度测试以及电子背散射衍射(EBSD)对复合挤压件界面结合层进行微观组织观察与分析。结果表明:在铝... 详细信息

基于Deform 2D有限元模拟优化挤压工艺参数,在挤压速率2mm/s,挤压温度470℃下对铝镁双金属进行复合挤压实验,并采用扫描电镜(SEM)、显微硬度测试以及电子背散射衍射(EBSD)对复合挤压件界面结合层进行微观组织观察与分析。结果表明:在铝镁合金接触区反应生成了界面层,层内新的物相为靠近AZ31镁基体一侧的Al_(12)Mg_(17)以及靠近铝基体一侧的Al_3Mg_2。Al_3Mg_2相显微硬度值最高,平均值约为210HV,Al_(12)Mg_(17)相平均硬度约为170HV,因而界面区硬度高于两侧基体母材,形成典型的脆硬结合层,电子背散射衍射(EBSD)结果显示,Al_(12)Mg_(17)相的平均晶粒尺寸为30μm,Al_3Mg_2相的平均晶粒尺寸约为20μm,复合界面结合层区域晶粒取向各异,晶粒尺寸大小也不均匀,而复合外层纯铝基体取向区域均匀,新生成相在晶界上有部分再结晶发生。

关键词：铝镁合金复合挤压脆性相显微硬度电子背散射衍射

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基于空心坯料的离心正反复合挤压工艺研究

基于空心坯料的离心正反复合挤压工艺研究

作者：张超中北大学

学位级别：硕士

近年来,紧随着交通运输、航天航空以及新型装备制造等领域向着模块化、整体化、轻量化方向发展的同时,在工程中应用广泛的薄壁筒形件对于其高性能与低成本的发展需求越来越高。本文以带中心孔“H”型筒形件为研究对象,选材7075铝合金,... 详细信息

近年来,紧随着交通运输、航天航空以及新型装备制造等领域向着模块化、整体化、轻量化方向发展的同时,在工程中应用广泛的薄壁筒形件对于其高性能与低成本的发展需求越来越高。本文以带中心孔“H”型筒形件为研究对象,选材7075铝合金,针对传统制备中心孔“H”型筒形件工艺工序复杂、应变程度小、导致性能难以满足服役条件等问题,提出了一种基于空心坯料的离心正反复合挤压成形工艺,实现带中心孔“H”型筒形件成形的同时,避免了坯料的多道次加热。根据实际生产情况对挤压件的强韧化要求,完成了从坯料到挤压件整体成形的工艺流程设计。通过分析基于空心坯料的复合挤压金属流动规律,掌握了复合挤压成形过程中金属流动特性。通过上限法推导了挤压过程中挤压力计算公式。分析了传统实心坯料与空心坯料不同点,通过改变空心坯料挤压过程中的工艺参数,最终以提高等效应变平均值、降低峰值载荷以及改变上下成形高度为目标,得出了单一工艺参数作用下对目标函数的影响程度。利用正交试验与数值模拟相结合的办法,首先对凸模进给速度、摩擦系数、坯料高径比等工艺参数进行优化,给出了最佳工艺参数,其次通过分析计算后给出一个带中心孔“H”型筒形件的上下高度预测模型。最后根据最佳工艺参数开展物理成形试验,制备出了表面质量良好的挤压成形件。对成形力计算公式以及高度预测模型进行验证,证明了两者的准确性。对最终的挤压成形件取样并进行微观组织观察,研究了挤压态与热处理态下的晶粒组织分布、再晶粒分布及尺寸、晶界取向差角。通过拉伸实验测试了挤压方向的力学性能,T6态相对于挤压态,极大改善了各向异性、提高了断裂伸长率、抗拉强度以及屈服强度。

关键词： 7075铝合金筒形件复合挤压有限元仿真

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基于空心坯料的向心正反复合挤压工艺研究

基于空心坯料的向心正反复合挤压工艺研究

作者：李少琪中北大学

学位级别：硕士

因为铝及铝合金具有密度小、高强度、耐腐蚀和良好的成型性等优点,使其在航空、航天、核工业和兵器行业等领域拥有广泛的应用前景和重要地位。同时,铝及铝合金的创新研制技术也被列为国防科技的重点发展和具有战略地位的基础技术。像轮... 详细信息

因为铝及铝合金具有密度小、高强度、耐腐蚀和良好的成型性等优点,使其在航空、航天、核工业和兵器行业等领域拥有广泛的应用前景和重要地位。同时,铝及铝合金的创新研制技术也被列为国防科技的重点发展和具有战略地位的基础技术。像轮毂这样带凸缘法兰的零件在现实生活中处处可见,作为复合挤压件,传统采用实心坯料制成往往存在挤压载荷大的问题,而且后续机加工比较复杂。因此,基于现有研究,本文提出了基于空心坯料的向心正反复合挤压工艺,并对其工艺进行了研究。本文通过研究此工艺上下金属流动规律,建立基于空心坯料的向心正反复合挤压运动学许可速度场,应用上限法推导出了复合挤压力的计算公式。根据有限元理论,建立了复合挤压数值模拟模型。采用Deform-3D软件分别模拟了不同挤压温度、挤压速度、模具圆角半径和摩擦系数下复合挤压力的变化规律。结果表明,挤压力随挤压温度的升高而减小,随摩擦系数的增大而增大,随挤压速度的增大而增大,随模具圆角半径的增大而减小。另外,采用正交实验,以挤压载荷和应变均匀性系数Ci作为评价指标,最佳工艺参数选择为挤压温度470℃,挤压速度1mm/s,模具圆角半径5mm,摩擦系数应尽量减小。采用1250T挤压机进行复合挤压实验,制出轮毂成形件。实验结果发现挤压力的理论计算值均大于数值模拟值和实验实测值,且误差均在10%以内,证明用上限理论计算出挤压力公式的准确性。对挤压成形件不同位置的微观组织和力学性能进行分析,正挤挤出部分和反挤挤出部分由于晶粒呈纤维状,使得强度和硬度比凸缘部分好。对挤压态合金进行固溶时效处理,合金的显微组织进一步发生变化,析出相重新析出在晶界的周围,成形件的力学性能进一步升高,析出相颗粒的强化作用是其主要原因。

关键词：空心坯料复合挤压成形力数值模拟物理实验

Al/Mg复合挤压工艺优化及Zn层对复合界面的影响

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Al/Mg复合挤压工艺优化及Zn层对复合界面的影响

作者：许佳敏兰州理工大学

学位级别：硕士

近年来复合材料以其优异性能受到人们的青睐,在实际生产中,轻量化设计一直是工业生产中强调的问题。在汽车的轻量化设计中,铝合金、镁合金是首选材料,但镁合金的耐腐蚀性差、塑性变形能力弱,所以铝镁复合材料便应运而生。铝合金与镁合... 详细信息

近年来复合材料以其优异性能受到人们的青睐,在实际生产中,轻量化设计一直是工业生产中强调的问题。在汽车的轻量化设计中,铝合金、镁合金是首选材料,但镁合金的耐腐蚀性差、塑性变形能力弱,所以铝镁复合材料便应运而生。铝合金与镁合金的性能缺点互补,可以延长其服役期限。铝镁复合材料的生产方式有很多,其中复合挤压制备工序简单,材料利用率高等特点,可以大批量工业化生产。但双金属材料因其物理化学性质不同,使其生产工艺的选择缺少理论依据。此外,铝镁复合材料制备的过程中,通过冶金反应产生了金属间化合物,将对其界面的性能影响较大。本文基于数值模拟的结果,选择最优工艺参数,进行试验。有限元软件仿真结果表明,在挤压过程中,温度场、速度场、应力场、应变场均发生了变化。随着挤压过程的进行,坯料的温度上升,在挤压模具工作带附近存在最大变温区,但挤压后期的温度不降反升;坯料速度场呈梯度变化,挤出部分的速度趋于一致;应力在工作带处最大,待坯料挤出后在内层镁合金中存在少量的残余应力;外层铝合金的应变值大于内层镁合金,挤出部分的应变值一致。提出数学标准差概念,对挤出产品的质量进行评定,标准差越小,成形质量越好。当温度为360℃,模具角度为60°,挤压速度为2mm/s时,为最优的挤压工艺参数。对铝镁复合材料的组织和力学性能进行了分析,测得复合界面上的结合层厚度约5μm。界面上的晶粒基本是变形晶粒,晶粒尺寸小于5μm的铝合金晶粒占比为21.52%,小于5μm的镁合金晶粒占比为25.64%。镁合金侧发生的动态再结晶程度比铝合金侧高。动态再结晶的发生,导致晶粒得到细化,提升了两侧金属的硬度。由于Al/Mg复合界面上生成的γ相(AlMg)和β相(MgAl)在提升硬度的同时,也增加了结合层的脆性。在挤压过程中,铝合金侧形成了Barss织构、Goss织构以及S织构,镁合金侧形成了再结晶织构。结合界面的剪切强度为52.48MPa,整体呈现脆性断裂,断裂位置在靠近镁合金一侧。通过将Zn层作为过渡层加入到铝镁之间进行复合挤压,对挤压制品的界面进行研究。发现Zn层的加入可以有效阻碍Al-Mg金属间化合物的生成,形成厚度为400μm的过渡层。在镁合金一侧生成了过饱和镁基固溶体、共晶相Mg Zn以及共晶相Mg Zn,导致其硬度高于Al/Mg界面的硬度。过渡层上的动态再结晶程度最高,界面的晶粒细化程度相较于未添加Zn层时提高了8.55%。由于Zn元素的加入促进了再结晶的发生,同时也增加了再结晶织构的生成。Al/Zn/Mg复合界面的剪切强度较Al/Mg复合界面的剪切强度提升30.74%,由于铝合金侧发生了固溶强化,断裂位置从结合层过渡到镁合金侧。

关键词：复合挤压数值模拟复合界面再结晶共晶相

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复合挤压在铝合金轮毂成形中的应用研究

塑性工程学报 2020年第12期27卷 18-23页

作者：王强孟模房庆龄张治民中北大学材料科学与工程学院国防科技工业复杂构件挤压成形技术创新中心山西太原030051

在正向-反向-径向复合挤压及其金属流动行为研究的基础上,围绕重型车辆传统钢制轮毂难以减重的问题,针对轮毂结构、服役要求以及复合挤压成形的特点,提出了铝合金轮毂正向-反向-径向复合挤压成形新方法,结合数值模拟和实验研究,分析了... 详细信息

在正向-反向-径向复合挤压及其金属流动行为研究的基础上,围绕重型车辆传统钢制轮毂难以减重的问题,针对轮毂结构、服役要求以及复合挤压成形的特点,提出了铝合金轮毂正向-反向-径向复合挤压成形新方法,结合数值模拟和实验研究,分析了坯料尺寸、摩擦因子以及模具圆角半径等工艺参数对等效应变的影响。控制了金属的有序定向流动,提高了挤压变形均匀性,缩短了成形工艺流程,实现了某铝合金轮毂的挤压成形,相较传统钢制轮毂减重达60%,为重型车辆轻量化提供了新途径。

关键词：复合挤压铝合金轮毂金属流动变形均匀性