东北大学“连续流变扩展挤压+ACEF短流程制备超细晶铝材”项目获日内瓦国际发明展金奖



东北大学“连续流变扩展挤压+ACEF短流程制备超细晶铝材”项目获日内瓦国际发明展金奖

1.日内瓦国际发明展及获奖项目概况

2016年4月，第44届日内瓦国际发明展日前在瑞士日内瓦举行。日内瓦国际发明展创办于1973年，是目前世界上规模最大、连续举办历史最长的发明博览会，注重实用性和与市场的结合，与德国纽伦堡发明展、美国匹兹堡发明展并列世界三大发明展，由瑞士联邦政府、日内瓦州政府和世界知识产权组织联合举办。本次展会共吸引了来自40多个国家和地区的1000余项新发明参展。

东北大学管仁国教授和申勇峰教授等发明的“连续流变扩展挤压+ACEF短流程制备超细晶铝材”在第44届日内瓦国际发明展上获得金奖。该项发明针对金属挤压工艺流程长、能耗高的突出问题，结合金属半固态流变成形技术特点，提出建立了一种金属短流程连续半固态流变扩展挤压方法，实现了从液态金属到产品的一步加工成形，比传统工艺节能40%，降低成本30%。另外，基于该成形中的大变形机制，提出建立了一种短流程制备超细晶金属的方法ACEF(Accumulative continuous extrusion forming)，与已有的ECAP(Equal-channel angular pressing)相比，具有短流程、低成本, 能大规模生产等优点。将两种方法相结合，制备了高性能超细晶铝材，产品综合性能优于国际同类产品。

2.金奖项目介绍

连续流变扩展挤压+ACEF短流程制备超细晶铝材

高性能金属材料的短流程加工技术一直是材料界追求的目标。而目前金属常规挤压工艺流程很长，能耗高。另外，大塑性变形方法(Severe Plastic Deformation，SPD)通过强烈的塑性变形使得金属晶粒显著细化，从而提高材料的强度和塑性。但是现有的大塑性变形方法存在流程长、工艺复杂、模具寿命短、成材率低等问题。

为建立高性能金属材料的高效短流程挤压方法，在国家863计划项目(2007AA03Z111)、国家优秀青年科学基金和面上项目(51222405，50974038)以及霍英东青年教师基金(132002)的资助下，将剪切/振动熔体处理方法制备的半固态金属浇注到流变挤压机的挤压轮槽中，在挤压轮槽中金属发生强烈的剪切变形，晶粒显著细化，在轮槽出口扩展为大断面的半固态金属，继而通过挤压模具挤压成形，如图所示。实现了半固态浆料的制备—流变扩展—挤压成形的一体化与连续化。已获得3项目国家发明专利，获得辽宁省科技进步奖1项，铸造学会表彰2次，辽宁省优秀硕士学位论文2篇。本发明的优点是：

(1)短流程，高效节能，成本低。省去了传统铸造-加热-挤压-拉拔等多道工序，同常规金属塑性加工方法相比，节约能耗40%以上，成品率达95%以上，降低成本30%以上。

(2)产品性能好。采用半固态金属为挤压原料，比采用液态金属为原料时挤压速度和产品性能同步提高。

(3)采用半固态扩展成形原理，开辟了大截面、高性能铝合金管材从液态金属一步连续成形的新途径。

(4)适应性强，产品多样化。可以通过更换模具来实现挤压管、线、型材等不同断面的制品。

(5)理论上可以生产无限长的产品。连续流变挤压采用液态金属为原料，只要保证液态原料供应，理论上就可以生产无限长的产品。这种方法对解决传统挤压或轧制生产工艺中产品长度有限，某些产品不能生产的问题提供了新的途径。例如，铝合金的线缆接头对其使用性能具有重要影响，而采用连续流变挤压可以避免出现线缆接头，根据需要生产任意长度的产品。

(6)实现了短流程制备多种断面的超细晶合金材料。

基于连续流变扩展挤压的大变形机制，提出了短流程大塑性变形制备超细晶金属材料的方法，连续流变挤压+累积连续挤压法(Accumulative Continuous Extrusion Forming，ACEF)。本方法原理：首先采用连续流变挤压方法制备合金原料杆，将原料杆喂入由旋转挤压轮与固定靴组成的挤压轮槽，在挤压轮槽中原料杆受到挤压轮槽侧壁和固定靴方向相反的摩擦力τ动和τ阻的作用，在挤压轮槽中材料发生搓动剪切流动，产生搓动剪切变形，并在轮槽出口连续经过Φ角的ECAP，接着再经过扩展挤压模具，发生挤压变形，因此金属经过搓动剪切变形- ECAP变形-挤压变形，共计三次连续累积变形，材料中产生了大变形，晶粒显著细化。该方法基本特点是：① 短流程大变形。单道次流变扩展挤压等效应变为5.22，而传统内转角Φ为90°，外转角φ为30°的ECAP的等效应变为1.02，即一道次流变扩展挤压等效应变量相当于5道次传统ECAP的变形量，因此是短流程大变形方法。②可制备多种断面尺寸的超细晶金属材料。根据需要，将挤压模更换成所需定径带断面尺寸的挤压模，制备出多种断面尺寸超细晶金属材料。③制备的超细晶材料长度不受限。只要不间断的供给原料，就可以制备出无限长超细晶材料。

ACEF过程晶粒细化机制为大变形作用下的动态再结晶。图中为Al-0.2Sc-0.1Zr合金杆在ACEF过程中不同位置EBSD组织，由图可知Al-0.2Sc-0.1Zr合金杆在ACEF过程中发生了动态再结晶。原料杆的组织为粗大的等轴晶，在ACEF过程中，合金杆在型腔中受到剪切作用，随着变形的进行，合金组织内发生再结晶，最终制品杆组织中为细小的等轴晶，合金晶粒尺寸从100 μm 细化至0.8 μm。