摘要
本研究采用半固态连续成形工艺制备Al-Mg-Sc合金线材。半固态连续成形工艺是一种流程短，近净成形，产品长度不受限制，可在线固溶的有色金属成形工艺，具有广泛的应用前景。本文研究的Al-Mg-Sc合金线材的力学性能主要取决于对半固态连续成形工艺的有效控制及Al3Sc相对合金的强化作用。本文采用计算模拟结合实验验证的方法，从微观，宏观两个方面对Al-Mg-Sc合金半固态连续成形工艺展开研究。 首先，对半固态连续成形工艺进行了工艺参数优化。使用Solidworks软件建立半固态连续成形主机的剖面图作为数值模拟的二维几何模型，并采用金属塑性成形有限元软件Deform-2D模拟了半固态连续成形工艺过程，确定了工艺过程中温度、应力应变、速度的分布及变化规律。选取了可控工艺参数浇注温度，挤压轮转速，运转间隙作为正交试验的参考因素进行了工艺参数优化。其次，运用第一性原理计算软件MaterialsStudio围绕Al3Sc相的结构参数、弹性性能、形成热与结合能进行了计算。最后，根据数值模拟提供的最优工艺参数进行了半固态连续成形Al-Mg-Sc合金线材的制备实验，并进行了力学性能测试与显微组织观察。主要研究成果如下： 通过数值模拟方法获得了半固态连续成形主机内金属熔体流动规律及各物理场的分布特征，优化了模具结构。在此基础上选取浇注温度，挤压轮转速，运转间隙作为优化因素，载荷，变形均匀性，损伤值作为优化目标进行正交试验。结果显示最优工艺参数为：浇注温度690℃，挤压轮转速13RPM，运转间隙12mm。通过第一性原理计算的方法计算了Al3Sc相的能量与弹性性质。并从第一性原理计算的角度验证了Al3Sc相作为非均质晶核细化剂理论。 根据数值模拟的最优工艺参数制备了半固态连续成形Al-Mg-Sc合金线材，力学性能测试结果显示工艺参数优化后合金线材的抗拉强度提高8Mpa，延伸率提高1.6%，硬度测试结果表明Al-Mg-Sc合金线材的硬度为108.63Hv。微观组织实验观察到了Al-Mg-Sc合金线材中相的分布特征及形貌，包括初生Al3Sc相及时效阶段析出的次生Al3Sc相。选区电子衍射花样呈现共格界面特性，与第一性原理计算的界面特征相符。断口分析结果表明Al-Mg-Sc合金线材为延性断裂，SEM图像中含有大量的韧窝，与合金线材具有良好的拉伸性能相符合。
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