水下搅拌摩擦加工制备大尺度超细化镁合金的可行性研究解读

1、第1页2018/9/28水下搅拌摩擦加工制备大尺度超细化镁合金的可行性研究一、内容提要?立项背景?搅拌摩擦加工的原理及特点?研究内容及方案?拟解决的关键技术问题?研究目标及意义?特色与创新之处?项目进度安排?项目可行性分析二、立项背景?镁合金作为轻质高强材料在航空航天、交通运输等领域具有巨大的应用潜势。但相对于高技 术工业产品的发展速度，合金强度仍需要进一步提高，才能满足承载结构应用需求。发展高 强轻合金因而成为材料行业的重要研究方向。除了添加不同合金元素发展新型的高强合金牌 号，制备超细晶（vim）合金也是一个重要的发展方向。?现有制备超细晶的方法： 低温球磨、 等通道转角挤压 （ ECAP

2、） 、 高压扭转 （HPT） 、 多向度 锻造 （MDF）等。?然而上述方法的共同缺点是制备的样品尺寸都受模具或设备加工能力的限制，制备大尺度超细化材料尚有一定的困难。三、搅拌摩擦加工原理?搅拌摩擦加工的原理：搅拌摩擦加工技术（Friction Stir Processing，FSP）是在搅拌摩擦焊 （FrictionStir Welding, FSW） 的基础上发展而来的。FSP 原理与 FSW 相同，是一种固态加 工技术。通过高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的温升使工件软化，并带动工件材料产生高 应变速率的塑性流动，使得搅拌区的组织发生动态连续和不连续再结晶过程，导致组织细化。?搅拌摩擦焊视

3、频演示四、搅拌摩擦加工的特点?可同时实现组织细化、均匀化和致密化，可用铸态、锻态甚至冷压实的粉末锭坯进行加工；?高效、短流程，一道次加工即可获得所需的微观组织；?不改变工件的外形尺寸，因而可以得到超细结构的厚截面零件；?通过调整工具形状尺寸和工艺参数以及外部冷却条件可以精确控制微观组织；?可局部加工，实现局部微观结构改性和性能控制；?节能无污染。加工过程与铣削类似，不需对工件加热；?可通过多道次搭接加工实现大尺寸工件的加工。五、研究的内容及方案（1） 水下搅拌摩擦加工系统的设计及制作：设计制作水下搅拌摩擦焊接系统， 初步确定试验参数范围。进行水下搅拌摩擦焊接试验。（2） 水下搅拌摩擦加工热循环

4、及温度场分布特征研究：采用多通道温度采集系统，研究不同工艺参数条件下的热循环和温度场（3） 工艺参数对搭接区域的微观组织的影响规律：对比研究搭接加工中搅拌重叠区域与单道次搅拌区的微观结构特征及其对性能影响，以及 搭接加工后材料的组织性能均匀性；（4） 力学性能测试和分析：利用电子拉伸机显微硬度计测试制备板材的力学性能，并与未加工板材进行比较分析。第 2 页2018/9/28六、拟解决的关键技术问题要得到细化的组织， 控制加工过程中的冷却是非常必要的， 通过快速的冷却来控制再结晶过 程，进而达到控制晶粒尺寸的目的。 为此利用 FSP 制备大尺度超细化组织，必须解决两个关键技术 问题：（1） 多道

5、次搭接加工时搭接区域的微结构和组织均匀性控制（2） 加工过程中的冷却控制。然而现有的研究报道中，针对上述两个问题的研究非常少。七、研究目标及意义 本课题提出的水下搅拌摩擦加工方法是一种行之有效的新方法。通过将被加工材料置于水下 进行搅拌摩擦加工， 不但能改变加工区的热循环曲线， 有效控制加工区以及多道次搭接区的温度场 分布，进而获得超细化的、均匀的大尺度板材，而且这种方法的研究与应用对于促进水下焊接技术 的发展也会起到有效地推动作用。 因此，探索水下搅拌摩擦加工技术具有重要的理论意义和实际意 义。八、特色与创新之处 本项目的特色和创新之处体现在：? 提出采用水下搅拌摩擦加工制备大尺度超细化镁合

6、金的思路， 设计并制备水下搅拌摩擦加工 系统；? 研究水下搅拌摩擦加工的热循环特征和温度场分布， 进而控制加工区和搭接区的冷却， 获得 超细化的微观组织。九、项目组成员分工陈 磊 : 试验方案设计，试验辅助装置设计 李艺君 : 试验辅助装置制造，工艺试验 唐兴东 : 微结构分析，力学性能测试十、项目计划进度安排? 2009,1 -2009, 3:完成水下搅拌摩擦加工系统的设计和制造；完成试验前期的各项准备工作。? 2009, 4 -2009, 8:完成水下搅拌摩擦加工的各项试验工作。? 2009, 9 -2009, 12: 完成组织和微结构分析工作；完成力学性能测试工作。? 2010, 1 -

7、2010, 4: 撰写研究报告和论文，并申请结题。十一、项目的可行性分析（1） 本项目的学生及指导教师所在的材料科学与工程学院拥有于2007 年购进的一台搅拌摩擦焊 设备，目前运行状态良好。此外还拥有先进的材料加工和分析检测设备，完全可以保证课题的顺利 完成。（2） 本项目在原理上是可行的，即通过控制冷却来控制再结晶的形核和长大，进而得到超细化 的组织。（3） 专业基础知识条件：当本项于明年一月份开始的时候，该课题组的学生已经完成专业课材 料科学基础的学习，已能掌握所需要的专业基础知识。（4） 本项目计划周期为一年零四个月，结题时正是毕业设计阶段，因此可在预定时间内完成本 课题的研究工作。第3页2018/9/28十二、项目经费预算丁号支出项目预算金额（元）测算依据1资料费4,000复印、网络和差旅费2材料费7,000AZ31 镁合金，70 元/kg3设备改造费6,000设计并加工水下搅 拌摩擦加工附具。搅 拌头加工费4外协费2,000微拉伸性能 10 个，200 元/个;5论文发表费2,000SCI, El 收录刊