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東北大學“連續(xù)流變擴展擠壓+ACEF短流程制備超細晶鋁材”項目獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎

1.日內(nèi)瓦國際發(fā)明展及獲獎項目概況

2016年4月，第44屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展日前在瑞士日內(nèi)瓦舉行。日內(nèi)瓦國際發(fā)明展創(chuàng)辦于1973年，是目前世界上規(guī)模最大、連續(xù)舉辦歷史最長的發(fā)明博覽會，注重實用性和與市場的結(jié)合，與德國紐倫堡發(fā)明展、美國匹茲堡發(fā)明展并列世界三大發(fā)明展，由瑞士聯(lián)邦政府、日內(nèi)瓦州政府和世界知識產(chǎn)權(quán)組織聯(lián)合舉辦。本次展會共吸引了來自40多個國家和地區(qū)的1000余項新發(fā)明參展。

東北大學管仁國教授和申勇峰教授等發(fā)明的“連續(xù)流變擴展擠壓+ACEF短流程制備超細晶鋁材”在第44屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展上獲得金獎。該項發(fā)明針對金屬擠壓工藝流程長、能耗高的突出問題，結(jié)合金屬半固態(tài)流變成形技術(shù)特點，提出建立了一種金屬短流程連續(xù)半固態(tài)流變擴展擠壓方法，實現(xiàn)了從液態(tài)金屬到產(chǎn)品的一步加工成形，比傳統(tǒng)工藝節(jié)能40%，降低成本30%。另外，基于該成形中的大變形機制，提出建立了一種短流程制備超細晶金屬的方法ACEF(Accumulative continuous extrusion forming)，與已有的ECAP(Equal-channel angular pressing)相比，具有短流程、低成本, 能大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。將兩種方法相結(jié)合，制備了高性能超細晶鋁材，產(chǎn)品綜合性能優(yōu)于國際同類產(chǎn)品。

2.金獎項目介紹

連續(xù)流變擴展擠壓+ACEF短流程制備超細晶鋁材

高性能金屬材料的短流程加工技術(shù)一直是材料界追求的目標。而目前金屬常規(guī)擠壓工藝流程很長，能耗高。另外，大塑性變形方法(Severe Plastic Deformation，SPD)通過強烈的塑性變形使得金屬晶粒顯著細化，從而提高材料的強度和塑性。但是現(xiàn)有的大塑性變形方法存在流程長、工藝復(fù)雜、模具壽命短、成材率低等問題。

為建立高性能金屬材料的高效短流程擠壓方法，在國家863計劃項目(2007AA03Z111)、國家優(yōu)秀青年科學基金和面上項目(51222405，50974038)以及霍英東青年教師基金(132002)的資助下，將剪切/振動熔體處理方法制備的半固態(tài)金屬澆注到流變擠壓機的擠壓輪槽中，在擠壓輪槽中金屬發(fā)生強烈的剪切變形，晶粒顯著細化，在輪槽出口擴展為大斷面的半固態(tài)金屬，繼而通過擠壓模具擠壓成形，如圖所示。實現(xiàn)了半固態(tài)漿料的制備—流變擴展—擠壓成形的一體化與連續(xù)化。已獲得3項目國家發(fā)明專利，獲得遼寧省科技進步獎1項，鑄造學會表彰2次，遼寧省優(yōu)秀碩士學位論文2篇。本發(fā)明的優(yōu)點是：

(1)短流程，高效節(jié)能，成本低。省去了傳統(tǒng)鑄造-加熱-擠壓-拉拔等多道工序，同常規(guī)金屬塑性加工方法相比，節(jié)約能耗40%以上，成品率達95%以上，降低成本30%以上。

(2)產(chǎn)品性能好。采用半固態(tài)金屬為擠壓原料，比采用液態(tài)金屬為原料時擠壓速度和產(chǎn)品性能同步提高。

(3)采用半固態(tài)擴展成形原理，開辟了大截面、高性能鋁合金管材從液態(tài)金屬一步連續(xù)成形的新途徑。

(4)適應(yīng)性強，產(chǎn)品多樣化。可以通過更換模具來實現(xiàn)擠壓管、線、型材等不同斷面的制品。

(5)理論上可以生產(chǎn)無限長的產(chǎn)品。連續(xù)流變擠壓采用液態(tài)金屬為原料，只要保證液態(tài)原料供應(yīng)，理論上就可以生產(chǎn)無限長的產(chǎn)品。這種方法對解決傳統(tǒng)擠壓或軋制生產(chǎn)工藝中產(chǎn)品長度有限，某些產(chǎn)品不能生產(chǎn)的問題提供了新的途徑。例如，鋁合金的線纜接頭對其使用性能具有重要影響，而采用連續(xù)流變擠壓可以避免出現(xiàn)線纜接頭，根據(jù)需要生產(chǎn)任意長度的產(chǎn)品。

(6)實現(xiàn)了短流程制備多種斷面的超細晶合金材料。

基于連續(xù)流變擴展擠壓的大變形機制，提出了短流程大塑性變形制備超細晶金屬材料的方法，連續(xù)流變擠壓+累積連續(xù)擠壓法(Accumulative Continuous Extrusion Forming，ACEF)。本方法原理：首先采用連續(xù)流變擠壓方法制備合金原料桿，將原料桿喂入由旋轉(zhuǎn)擠壓輪與固定靴組成的擠壓輪槽，在擠壓輪槽中原料桿受到擠壓輪槽側(cè)壁和固定靴方向相反的摩擦力τ動和τ阻的作用，在擠壓輪槽中材料發(fā)生搓動剪切流動，產(chǎn)生搓動剪切變形，并在輪槽出口連續(xù)經(jīng)過Φ角的ECAP，接著再經(jīng)過擴展擠壓模具，發(fā)生擠壓變形，因此金屬經(jīng)過搓動剪切變形- ECAP變形-擠壓變形，共計三次連續(xù)累積變形，材料中產(chǎn)生了大變形，晶粒顯著細化。該方法基本特點是：① 短流程大變形。單道次流變擴展擠壓等效應(yīng)變?yōu)?.22，而傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)角Φ為90°，外轉(zhuǎn)角φ為30°的ECAP的等效應(yīng)變?yōu)?.02，即一道次流變擴展擠壓等效應(yīng)變量相當于5道次傳統(tǒng)ECAP的變形量，因此是短流程大變形方法。②可制備多種斷面尺寸的超細晶金屬材料。根據(jù)需要，將擠壓模更換成所需定徑帶斷面尺寸的擠壓模，制備出多種斷面尺寸超細晶金屬材料。③制備的超細晶材料長度不受限。只要不間斷的供給原料，就可以制備出無限長超細晶材料。

ACEF過程晶粒細化機制為大變形作用下的動態(tài)再結(jié)晶。圖中為Al-0.2Sc-0.1Zr合金桿在ACEF過程中不同位置EBSD組織，由圖可知Al-0.2Sc-0.1Zr合金桿在ACEF過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。原料桿的組織為粗大的等軸晶，在ACEF過程中，合金桿在型腔中受到剪切作用，隨著變形的進行，合金組織內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶，最終制品桿組織中為細小的等軸晶，合金晶粒尺寸從100 μm 細化至0.8 μm。