半固态金属加工中的数值模拟技术研究进展

由于半固态金属加工技术具有短流程、低能耗和高质量的优点,近年来在全世界范围内得到广泛的应用,半固态金属加工过程的数值模拟技术也得到了快速发展。介绍了半固态金属加工过程数值模拟的计算方法,详细阐述了流变铸造、重熔加热和触变成形过程的数值模拟在国内外研究进展,并展望了半固态金属加工过程数值模拟的发展趋势。

钇在AZ91D镁合金熔体中溶解机制的实验研究

研究了在不同温度条件下钇在AZ91D镁合金熔体中的溶解情况。试验结果表明,当试验温度为750℃时,熔体中Y含量增加缓慢。通过分析不同时刻未熔金属块内部微观组织形貌发现,有大量Y原子与Al原子在溶解过程中结合成Al-Y原子团。这些原子团聚集在未熔的金属Y周围,并随着保温时间的延长而不断增长。部分Al-Y原子团在重力作用下沉降到熔液底部,形成Y的偏聚。当试验温度为850℃时,体积较大的Al-Y原子团无法稳定存在,大量体积较小的原子团弥散分布在合金熔液中,从而没有出现偏聚现象。另外,随着温度的升高,Y原子的扩散速度以指数倍数增长,使得850℃合金熔液中的Y元素增加速度比750℃从3.50×10-3%/min增加到3.55×10-2%/min。

用热加工图研究均匀化处理对AZ80热变形行为的影响

在变形温度为250～400℃,应变速率为0.002～1s^-1时,在Gleeble-1500D热模拟试验机上对不同状态（铸态、（410℃,4h）、（410℃,16h））的AZ80镁合金进行热压缩变形行为研究;根据实验结果建立热加工图,并利用热加工图分析均匀化程度对合金再结晶能力的影响。结果表明：随着均匀化程度的提高,相同条件下的峰值应力随之提高,发生动态再结晶的温度和应变速率逐渐提高;410℃、16h处理合金的再结晶能力明显强于其他2种状态合金的,在（400℃、0.01s-1）时动态再结晶晶粒更加均匀、细小,晶间无条带状共晶组织;对AZ80镁合金在大变形之前进行完全均匀化处理有利于动态再结晶组织的控制,其最佳变形温度范围为380～400℃,变形速率范围为0.002～0.1s^-1。

Mg-Y-Nd-Gd-Zr合金动态再结晶实验研究

在温度为523～723K,应变速率为0.002～1s-1,最大变形程度为50%的条件下,采用GLEEBLE-1500热模拟机对Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金进行了高温压缩实验研究。从真应力-真应变曲线上得到了应变硬化率(θ),分别绘制了在不同压缩条件下的θ-σ,-(θ/σ)-σ和lnθ-σ。结果表明:动态再结晶开始发生的临界条件满足((/σ)(θ-σ/))=0,发现动态再结晶开始的临界应力、临界应变与峰值应力、峰值应变的比值在一定范围内变化,动态再结晶过程在真应力-真应变曲线峰值点之前就开始发生。通过金相显微组织研究了该镁合金在不同温度和不同应变速率下的组织演变,采用截线法测量平均晶粒尺寸。结果表明:再结晶晶粒的平均晶粒尺寸随温度的升高、应变速率的减小而增大;随温度的降低应变速率的增大而减小;峰值应力随平均晶粒尺寸的减小而增大,随平均晶粒尺寸的增大而减小。

GWN751K镁合金热压缩实验研究

在Gleeble-1500D热模拟机上进行了单向热压缩试验,研究了GWN751K镁合金在变形温度为623-773K,应变速率为0.002-2s-1条件下热变形行为,变形量为60%.结果表明,在相同变形温度条件下,流变应力随变形速率的增加而上升,在相同的应变速率条件下,流变应力随着变形温度的升高而下降,计算出其平均激活能Q为228.61kJ/mol,应力指数n为4.2.根据材料动态模型,计算并分析了GWN751K合金的热加工图,并确定了合适的挤压加工条件为723K,0.01/s.通过对合金的挤压试验研究,验证了加工条件,挤压后的合金断裂强度为320MPa,延伸率为18%,较铸态合金有显著提高.

复杂多元Cu-Fe-P-Zn-Sn-Mg合金的冷加工硬化及再结晶温度研究

对复杂多元Cu-Fe-P-Zn-Sn-Mg合金的冷加工特性进行研究,绘制其加工硬化曲线。通过测试不同退火态复杂多元铜合金的抗拉强度、伸长率及硬度,并进行显微组织观察,拟合出抗拉强度与退火温度、加工率之间的曲线,确定出合金的再结晶温度。结果表明,Cu-Fe-P-Zn-Sn-Mg合金具有明显的加工硬化特性,随着加工率的增加,该合金的抗拉强度和硬度增加,而伸长率则呈相反的变化规律。当加工率达到80%时,合金抗拉强度可达560 MPa,硬度可达160 HV。在相同的退火时间下,随着退火温度的增加,该合金的抗拉强度呈先缓慢减小,再剧减,最后趋于稳定的变化规律。合金在不同退火温度及加工率条件下,其抗拉强度与退火温度和加工率之间的关系符合y=（2.65ε＋28.05）/[1＋e^（x＋1.62ε-503.04）/（0.006ε＋19.06）]＋0.22ε＋307.68。为有效减少能耗和缩短生产周期,确定Cu-Fe-P-Zn-Sn-Mg合金经80%变形后的合理再结晶退火制度为450℃×1 h。

Cu-Ni-Si-P合金冷加工硬化及再结晶温度的研究

为全面掌握Cu-Ni-Si-P合金的加工特性及再结晶的退火制度,并指导产业化生产,对CuNi-Si-P合金的冷加工特性展开研究,且通过对不同厚度退火后试样进行抗拉强度、延伸率的测试和组织观察,确定出新型Cu-Ni-Si-P合金的再结晶退火制度.试验结果表明,Cu-Ni-Si-P合金具有明显的加工硬化特征;合金的抗拉强度随加工率的增大,呈先快速增大后趋于平稳的趋势,而延伸率和导电率,则呈现相反的变化规律;变形量越大,则相应的开始再结晶温度越低;综合优化出Cu-Ni-SiP合金在80%加工率的再结晶退火温度制度为460℃×1 h.

HSn88-1合金冷加工硬化及再结晶温度的研究

对HSn88-1合金进行了不同程度的冷变形,绘制出合金的加工硬化曲线。通过对不同厚度退火后试样的抗拉强度和伸长率的测试和组织观察,得出了合金的再结晶温度。结果表明,合金经冷轧变形后具有明显的加工硬化效果。合金的强度随加工率的增大是先增大然后趋于稳定,而伸长率和电导率呈相反变化规律。此外,冷加工率越大,合金的开始再结晶的温度越低。

B30铜镍合金的高温热变形行为及加工图

在变形温度为750~1000℃、应变速率为0.01~10 s^(-1)条件下,对铸态BFe30-1-1铜镍合金进行了热压缩实验。综合分析摩擦和温升对合金流变应力的影响,利用修正后的流变应力曲线构建了BFe30-1-1铜镍合金的Arrhenius双曲正弦函数本构关系模型,基于动态材料模型构建合金的热加工图,研究合金热变形过程中的组织演变规律。结果表明:合金的峰值流变应力随着变形温度的降低或应变速率的增加而升高,摩擦和温升能够显著影响合金的真应力-真应变曲线,热变形过程中发生了动态再结晶,本研究构建的合金本构关系模型对峰值应力的预测值与修正后实验值的平均相对误差仅为3.77%,能够准确地预测合金在不同热变形条件下的流变应力。结合热加工图和微观组织分析,合金的较合理的热塑性变形工艺区间为变形温度900~1000℃、应变速率0.04~0.16 s^(-1),在该变形条件下热压缩后的样品可获得更多的动态再结晶组织。

航空用钛合金的研究与应用进展

钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好等特点在航空航天领域得到了广泛的应用。从高强钛合金(Ti-1023,Ti-15-3,(-21S,BT22,TB10)、高温钛合金(Ti-6242S,Ti-1100,IMI834,BT36,Ti-60)、阻燃钛合金(Alloy C,BTT-1,BTT-3,Ti-40)和损伤容限钛合金(Ti-6Al-4VELI,Ti-6-22-22S,TC21)4个研究领域重点介绍了国内外航空用钛合金的研究和应用现状,分析了各领域典型航空用钛合金的成分、组织、性能等特点,并提供了钛合金发展的方向。

高速列车用铜合金接触线用材料及其加工工艺

在研究和分析国内外高速列车用铜合金接触线的基础上,结合目前铜合金接触线的生产现状,对我国铜合金接触线材料和加工工艺进行了分析。随着电气化铁路运行向高速化发展,开发新型的Cu-Cr-Zr系、Cu-Mg系铜合金接触线是必要且可行的。目前我国铜合金接触导线制造技术比较落后,在铜熔体洁净化处理和连铸成形两个关键工序上,缺乏有效手段,大大影响了产品的最终性能。综合考虑产品的最终性能和大规模连续化生产的要求,在加工工艺方面,连铸连轧法和连续挤压法是未来开发的重点。

油气开发用钛合金油井管选材及工况适用性研究进展

钛合金材料由于具有高比强度、低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为严酷工况环境下油井管和海洋开发工具的热门候选材料。目前国内外很多研究机构和学者都开展了用于油气开发领域的钛合金材料的研究,包括钛合金石油管的可行性、钛合金管材的制备加工、实验室内钛合金性能评价以及钛合金管材的现场应用等方面。然而,我国油气开发环境较为恶劣,油井管在井下服役不但要面临高温高压的挑战,还要经受硫化氢、二氧化碳、高浓度盐水/完井液、单质硫和强酸等腐蚀环境的共同作用,因此我国对油井管的要求高于国外一般水平。此外,钛合金是钛含量大于50%的金属的总称,仅我国国标所列举的不同成分钛合金就多达76种。这些已经标准化的钛合金材料大多用于航空航天、石化炼化、生物医学、船舶以及海洋工程领域,这些应用环境和油气开发环境具有巨大的区别,已有牌号的钛合金能否适用于油气开发工况尚不得而知。国内有关钛合金油井管在硫化氢、二氧化碳、高浓度盐水/完井液、单质硫和强酸环境下服役的研究报道和应用经验都较为缺乏,导致油气开发油井管用钛合金材料在选择和使用上存在风险,为了防止钛合金在应用时出现大的安全事故而造成生命财产的损失,迫切需要结合国内外研究经验对可用于油气开发环境的钛合金材料进行筛选和评价,明确每种钛合金材料的工况适用性和使用极限,以保证其使用的安全可靠性。本文在国外近30年已发表的钛合金油井管相关研究成果和国内钛合金油井管最新研究进展的基础上,总结了油气开发用钛合金油井管选材经验,并对七种典型钛合金材料在油气开发工况下的适用性和使用极限做出了归纳总结,分析了钛合金油井管要真正实现大规模应用面临的问题并展望了前景,以期为油气开发用钛合金材料的选用提供参考。

2D70铝合金淬透性研究

采用16,30℃自然水末端淬火试验方法,并通过对材料硬度和电导率指标的测试分析,研究了不同温度对2D70铝合金材料淬透性的影响,描绘出不同温度下该合金的端淬曲线,对比分析了相同条件下2D70和2124合金的端淬曲线。研究结果表明,2D70合金的淬火敏感性很小,16和30℃水温对该合金端淬效果差别不大,该合金自由端淬淬透深度至少大于150mm。

KFC铜合金带材的生产工艺研究

研究了铜合金水平连铸中在线固溶处理方法对合金组织的影响,分析了不同工艺参数下的第二相析出物,同时研究了不同的轧制与热处理工艺的微观组织结构。

AZ80镁合金热变形行为研究

采用圆柱体等温热压缩试验对AZ80镁合金的热变形行为进行研究。结果表明,当变形温度为200～350℃、应变速率为2×10-3～1s-1时,随着应变速率的增加和变形温度的降低,合金的流变应力增加;通过线性回归获得了AZ80镁合金高温条件下的流变应力本构方程,发现应变速率敏感指数m随着温度的升高呈上升趋势;同时采用力学方法直接从流变曲线确定了AZ80镁合金发生动态再结晶的临界应变量,并回归出临界应变量与Z参数的关系式。

稀土在高强高导铜合金中的研究现状与展望

阐述了稀土在高强高导铜合金中的研究概况,总结了稀土在脱气除杂、改善铜合金的显微结构、提高其力学性能及导电率、改变再结晶温度、增强抗氧化和耐腐蚀性等方面的研究现状,还对高强高导铜合金存在的问题进行了分析,并对今后的进一步研究进行了展望。

喷射成形70Si30Al电子封装材料致密化处理及组织性能研究

利用喷射成形技术制备了70Si30Al合金沉积坯件。对沉积坯件进行了差示扫描热分析,研究了热压温度对致密化效果的影响,在560,570,580,590℃下保温0.5h后220MPa保压2h进行了热压致密化处理;研究了压强对致密化效果的影响,在570℃保温0.5h后160,220,300,410MPa保压2h进行了热压致密化处理,测试了材料的密度、热膨胀系数和热导率。结果表明:喷射成形70Si30Al合金在566.4℃时有熔化相出现,理想的致密化工艺参数为570℃保温0.5h后220～300MPa保压2h,此工艺致密化处理后的喷射成形70Si30Al的密度为2.421×103kg.m-3,25℃时的热膨胀系数为6.9×10-6K-1,50℃时的热导率为118K.(W.m-1.K-1)-1。

引线框架用C194铜合金工艺的研究

对国内外引线框架用C194合金的成分及性能进行了对比,分析了不同合金含量对材料性能的影响,随后进行了合金熔铸工艺的研究,用SEM分析了微观组织。结果表明,C194合金性能上的差距是由于铸坯中产生的5～10μm左右的粗大析出颗粒造成的,但这些颗粒的形成不是主要由于元素P、Zn合金元素含量的不同造成的,也不是由于铸造温度及速度的变化产生的,而是由于Cu-Fe和Cu-P中间合金的添加方法不正确带来的。因此,在合金熔炼过程中,Cu-Fe和Cu-P中间合金一定在熔体完全熔化后同时加入。

TA15(ELI)钛合金厚板损伤容限性能研究

研究了两相区双重退火工艺对β相区加工的TA15(ELI)(Extra Low Interstitial,低间隙元素含量)钛合金厚试样的断裂韧性和裂纹扩展速率的影响。结果表明,β相区加工、两相区双重退火的钛合金试样具有很高的断裂韧性和较低的裂纹扩展速率。这主要是由于在该加工和热处理工艺下获得了片层状组织。随着退火温度升高,α片层厚度的增加,疲劳裂纹扩展速率降低,断裂韧性升高。对疲劳裂纹扩展试样断口分析表明,在预裂区和疲劳裂纹稳态扩展区,裂纹以准解理方式扩展。