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

?

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

1.日內瓦國際發明展及獲獎項目概況

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

東北大學管仁國教授和申勇峰教授等發明的“連續流變擴展擠壓+ACEF短流程制備超細晶鋁材”在第44屆日內瓦國際發明展上獲得金獎。該項發明針對金屬擠壓工藝流程長、能耗高的突出問題，結合金屬半固態流變成形技術特點，提出建立了一種金屬短流程連續半固態流變擴展擠壓方法，實現了從液態金屬到產品的一步加工成形，比傳統工藝節能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, 能大規模生產等優點。將兩種方法相結合，制備了高性能超細晶鋁材，產品綜合性能優于國際同類產品。

2.金獎項目介紹

連續流變擴展擠壓+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一直是材料界追求的目標。而目前金屬常規擠壓工藝流程很長，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。但是現有的大塑性變形方法存在流程長、工藝復雜、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金屬，繼而通過擠壓模具擠壓成形，如圖所示。實現了半固態漿料的制備—流變擴展—擠壓成形的一體化與連續化。已獲得3項目國家發明專利，獲得遼寧省科技進步獎1項，鑄造學會表彰2次，遼寧省優秀碩士學位論文2篇。本發明的優點是：

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

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

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

(4)適應性強，產品多樣化?？梢酝ㄟ^更換模具來實現擠壓管、線、型材等不同斷面的制品。

(5)理論上可以生產無限長的產品。連續流變擠壓采用液態金屬為原料，只要保證液態原料供應，理論上就可以生產無限長的產品。這種方法對解決傳統擠壓或軋制生產工藝中產品長度有限，某些產品不能生產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，而采用連續流變擠壓可以避免出現線纜接頭，根據需要生產任意長度的產品。

(6)實現了短流程制備多種斷面的超細晶合金材料。

基于連續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，連續流變擠壓+累積連續擠壓法(Accumulative Continuous Extrusion Forming，ACEF)。本方法原理：首先采用連續流變擠壓方法制備合金原料桿，將原料桿喂入由旋轉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生搓動剪切流動，產生搓動剪切變形，并在輪槽出口連續經過Φ角的ECAP，接著再經過擴展擠壓模具，發生擠壓變形，因此金屬經過搓動剪切變形- ECAP變形-擠壓變形，共計三次連續累積變形，材料中產生了大變形，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變為5.22，而傳統內轉角Φ為90°，外轉角φ為30°的ECAP的等效應變為1.02，即一道次流變擴展擠壓等效應變量相當于5道次傳統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再結晶。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過程中發生了動態再結晶。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，合金組織內發生再結晶，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。