ECAPT工艺参数对SiC_P/Al复合材料致密度的影响

在不同工艺参数下进行了SiCP/Al复合材料的等径角挤扭(ECAPT)实验,研究变形温度、变形道次和SiC颗粒质量分数对材料变形过程中致密度的影响。通过光学显微镜观察试样金相组织,结果表明:经ECAPT工艺处理后试样的微观孔洞和团聚等缺陷得到改善,SiC颗粒在铝基体中弥散分布,试样致密度显著提高;不同SiC颗粒配比可影响材料的微观孔洞数量,故为ECAPT工艺影响材料致密度的重要参数。

ECAPT过程中TE工艺对ECAP变形规律的影响

通过对纯铝等径角挤压(ECAP)和等径角挤扭(ECAPT)变形行为的数值模拟,获得了材料在不同工艺下的应变和损伤情况。结果表明,在ECAPT工艺中试样通过ECAP通道后能获得比单独的ECAP更高的应变累积,应变累积量随TE通道螺旋角β的增大而增大,同时试样内部的应变分布也得到改善,试样在受到TE工艺的背压后材料表面受到剪切破坏的可能性也明显降低。

ECAPT工艺下纯铝粉末-包套变形行为的数值模拟与实验

采用体积可压缩刚粘塑性热力耦合有限元法,对纯铝粉末-包套ECAPT变形行为进行数值模拟,并实验分析其在ECAPT过程中显微组织和力学性能的演变规律。结果表明:ECAPT工艺对纯铝粉末材料具有强烈的致密和细化效果;变形坯料在模具转角和螺旋通道两处所受剪切变形程度最大,挤压载荷增幅最为明显;ECAPT工艺在提高材料应变累积量的同时可显著改善其变形分布的均匀性。模拟分析与实验结果具有较好的一致性,纯铝粉末坯料经1道次ECAPT变形后实现有效固结,显微组织显著细化,力学性能大幅度提高。

ECAPT工艺对SiC_p/Al基复合材料组织和性能的影响

探究了用等径角挤扭(ECAPT)法制备的SiC_p/Al基复合材料组织演化过程和力学性能。比较了2种体积分数的SiC_p(8.75%和35%)复合材料在ECAPT中组织演化规律,测试了其硬度值及致密度。结果表明,ECAPT形变量大,细化晶粒能力强,SiC_p分布均匀性好,其致密效果SiC_p体积分数大的(35%)比小的(8.75%)差;并且体积分数为35%的SiCp复合材料存在"拱桥效应",但颗粒细化效果优于体积分数为8.75%的SiC_p。

等径角挤扭对SiC_p/Al复合材料微观结构及力学性能的影响

以SiC_p/Al复合粉末为研究对象,开展不同变形程度的等径角挤扭(ECAPT)变形实验,研究等径角挤扭对SiC_p/Al复合材料微观结构及力学性能的影响。利用OM、XRD、TEM和XPS以及排水测密度法、力学性能测试等手段分析不同试样的微观组织和力学性能的演变规律以及界面反应情况。结果表明:随变形道次增加,Si C团聚现象得到改善,微晶尺寸逐渐减小,位错密度逐渐增大;材料界面处发生保护反应生成Al_2O_3,且反应程度随变形道次增加而加剧,未发生有害的界面反应,无Al_4C_3脆性相生成。4道次变形后材料的显微硬度和屈服强度相比1道次分别提高10%和16%。

纯铝等径角挤扭新工艺变形

等径角挤扭(ECAPT)是结合等径角挤压(ECAP)和挤扭(TE)两种典型的大塑性变形(SPD)工艺而产生的一种新型细晶材料制备技术。利用刚塑性有限元技术对纯铝1100ECAPT工艺变形特征进行模拟研究,获得了等效应变和等效应力的大小及分布规律,分析了挤压载荷随变形时间的变化规律及其对试样变形的影响。结果显示,在模具拐角和螺旋通道处,等效应变得到有效积累,最终呈层状分布,且相对较为均匀,应变分布均匀性也得到一定改善,等效应力在上述两处区域达到最大。采用纯铝进行室温3道次ECAPT实验,测量试样显微组织和力学性能的变化。结果表明,实验结果与模拟结果具有较好的一致性;晶粒得到了明显细化,屈服强度、抗拉强度与显微硬度等力学性能得到明显提高,但试样塑性略有降低。

螺旋通道长度对纯铝粉末多孔材料等径角挤扭变形的影响

针对等径角挤压和挤扭两种工艺的不足,在充分发挥各自优势的基础上,提出了一种新型的大塑性变形工艺——等径角挤扭(Equal Channel Angular Pressing and Torsion,ECAPT)。采用DEFORM-3D软件对纯铝粉末多孔材料等径角挤扭成形过程进行单道次三维有限元模拟,重点分析螺旋通道长度对变形试样挤压载荷、等效应变、致密行为等场量变化规律的影响。结果表明,相比于传统的ECAP变形,ECAPT工艺螺旋通道的存在,可大大增加变形试样内部的静水压力;合理的螺旋通道长度,可有效提高变形试样的累积应变量和应变分布均匀性,显著改善变形试样的整体致密效果。文章在综合考虑最优数值模拟结果的基础上,自行设计了螺旋通道长度为30mm的ECAPT模具,并进行了相关实验验证,证明了所建立有限元模型的可靠性。

采用等径角挤扭工艺制备块体超细晶铝

采用数值模拟和实验分析方法，对200℃条件下纯铝粉末材料1~4道次A路径等径角挤扭（ECAPT）变形致密行为、晶粒细化机制以及组织和性能演变规律进行研究，制备出组织和性能优良的块体超细晶铝。结果表明：随变形道次的增加，材料内部所累积的应变量不断增大，出现了加工硬化现象，挤压载荷峰值不断上升。ECAPT工艺有效提高了变形材料内部的静水压力，使坯料整体致密程度和变形均匀性得到明显改善。纯铝组织发生了连续动态再结晶，晶粒在不断被细化的同时，其取向差进一步增大，最终在材料内部形成了细小、均匀且被大角度晶界包围的等轴再结晶组织。4道次ECAPT变形后，组织平均晶粒尺寸约为600 nm，抗拉强度达到123.3 MPa。

含有残余试样的等径角挤扭变形工艺研究

结合实际变形过程,采用DEFROM-3D软件对含有残余试样的等径角挤扭变形过程进行了单道次数值模拟。通过分析对比模拟结果可知,残余试样的存在增大了下一根试样的初始挤压力和载荷峰值,提高了变形试样内部的静水压力和累积应变,显著改善了试样整体变形均匀性及在模具内的填充情况。同时,坐标网格法实验结果与模拟结果具有较好的一致性,证明了所建立有限元模型的可靠性。

碳化硅颗粒增强铝基复合粉末等通道转角挤扭的致密行为

对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行等通道挤扭实验和模拟,研究粉体在变形过程中的致密行为。结果表明,SiCp/Al复合粉末材料在等通道转角挤扭工艺中通过3个剪切面和7个变形区能得到有效致密。ECAPT过程中材料所处的球应力和切应力的叠加状态,是材料孔隙得到有效致密的关键。变形过程中,SiC颗粒被剪切细化,促进了团簇颗粒的分散和孔隙的致密。TE通道的剪切作用能使SiC颗粒进一步细化,但材料的整体致密度略有下降。

等径角挤扭工艺的研究

针对等径角挤压(ECAP)工艺和挤扭(TE)工艺中,材料变形不均匀,1道次变形获得的应变量不够大的缺点,将2种工艺有机结合,提出了等径角挤扭(ECAPT)工艺。利用UG和DEFORM-3D软件进行几何造型和有限元模拟,研究变形过程、应力应变分布和载荷变化,并用纯铝进行2道次ECAPT实验,测量试样显微组织和力学性能的变化。结果表明,ECAPT使组织产生更大的应变量,随着行程的增加,载荷增大,在TE通道平稳阶段达最大值,试样头部挤出TE通道后载荷降低;材料的宏观形貌同模拟结果一致,显微组织发生了明显细化,其中第1道次z面和第2道次y面细化效果明显;力学性能得以较大提高,屈服强度由43.31MPa提升至52.19MPa,抗拉强度由71.30MPa提升至130.38MPa。

基于数值模拟的等通道转角扭挤工艺参数优化设计

对AISI-4140材料的等通道转角扭挤过程进行数值模拟,将扭转角β、背压P、摩擦因子μ和挤压速度v作为挤压工艺参数,以平均等效塑性应变εm、平均等效塑性应力σm、最大损伤值δmax作为优化设计目标。运用追踪点法和灰色系统理论的灰色关联度优化工艺参数,最终使设计目标值达到εmmax、σmmax、δmmianx。结果表明,在施加背压的条件下,ECAPTE工艺使变形材料迅速地形变累积,最大损伤值显著地减小,使剧烈塑性变形材料组织的晶粒获得显著细化。

工艺路径对纯铝粉末材料多道次等径角挤扭变形的影响

结合实际变形过程,采用DEFORM-3D对不同变形工艺路径下纯铝粉末材料等径角挤扭(ECAPT)多道次变形过程进行了三维数值模拟。有限元模拟结果表明:A和C工艺路径可在较小的挤压载荷下实现有效的应变累积和均匀的变形分布,是两种较为理想的变形路径;BA和BC两种工艺路径虽然能够使变形材料累积的等效应变量大大增加,但却会造成试样变形分布的严重不均匀。电子背散射衍射(EBSD)实验结果表明,A路径下纯铝粉末材料经4道次等径角挤扭变形后,可获得组织均匀、性能优良的块体超细晶铝,材料平均晶粒尺寸约为0.8μm,抗压强度高达123.3MPa,验证了前述模拟结果的可靠性。