基于薄带连铸的非平衡相变与组织一体化调控

发布人:  发布时间:2021-01-21  浏览次数:12

1 项目概述

“基于薄带连铸亚快速凝固的非平衡相变与组织一体化调控”国家自然科学基金重大项目由东北大学牵头,吉林大学、西北工业大学、西安交通大学、中国科学院金属研究所作为参与单位共同完成。项目执行周期为2018年1月至2022年12月。项目的研究目标为:揭示凝固与相变中的组织遗传性规律,阐明热动力学关联性及其对性能影响,获得面向性能的组织一体化调控方法,实现轻合金材料的靶向式设计与性能提升。项目拟解决的关键科学问题为:非平衡凝固和固态相变一体化、非平衡态相变热力学和动力学一体化、非平衡态组织和宏观性能一体化。围绕研究目标及关键科学问题,项目设置五个课题:基于薄带连铸的轻合金全流程一体化设计及制造基础、薄带连铸铝合金的亚快速凝固行为与过饱和固溶组织调控、基于热/动力学协同的非平衡相变组织预测、基于薄带连铸的轻合金强韧化与服役性能研究及基于薄带连铸的熔体性质及组织性能一体化调控研究。项目实施路线图如图1所示。

图1  项 目 实 施 路 线 图

2 项目重要进展

2018-2020年度,“基于薄带连铸亚快速凝固的非平衡相变与组织一体化调控”项目按预期计划顺利执行,在五个课题单位协同合作下,项目取得了阶段性进展。

2.1非平衡凝固和固态相变一体化

为保证项目研究的顺利开展,针对铝合金薄带连铸工艺铸轧力大、扭矩大及控速精度要求高等特点,设计并开发了新型铝合金薄带连铸实验装备;针对改善铸轧板坯溶质元素偏析的理论探索及实验需求,自主研发了电磁振荡场发生装置,并将其与薄带连铸设备结合使用。采用薄带连铸

工艺制备出了凝固区间为11-463℃的多个系列铝合金。突破了薄带连铸只能制备窄凝固区间的1xxx、3xxx、8xxx系合金品种的局限。

阐明了非平衡凝固薄带连铸铝合金板坯溶质偏析、组织性能演化与工艺参数的关联机制。建立了多场耦合作用下的亚快速凝固薄带连铸凝固行为模型,阐明了高成分合金铸轧时溶质分布规律,建立了双辊铸轧熔池区耦合宏观-微观条件的相场模型,揭示了铸轧工艺的结晶过程规律。揭示亚快速凝固铝合金多元溶质分布与偏析机制。阐明了亚快速凝固高冷速下,溶质固溶扩展程度受多元成分影响,突破二元体系中固溶度随冷速增大而一定增大的传统认识。优化出适合亚快速凝固的高性能铝合金成分体系,得出了微观偏析较轻,且具有较好的强塑性匹配的6xxx铝合金成分体系。

揭示了固态相变过程中的一系列组织性能演化规律及机制。揭示了亚快速凝固铝合金板的异常长大现象及抑制方法,表明了微合金化(如Mn、Zr、Ti等)是抑制晶粒异常长大的有效手段;提出了纳米颗粒/晶粒/析出相多层级异构强化的新思路与制备方法。明确了非晶合金及其复合材料的熔体结构演化规律及机制;揭示了非晶合金及其复合材料熔体在双辊铸轧过程中的结构与微观组织演化,发现了铸轧过程中非晶合金过冷熔体的流变导致其发生能量和结构回复的规律;成功制备出厚度介于200-800μm的非晶合金及其内生复合材料厚带。

2.2非平衡态相变热力学和动力学一体化

通过理论建模、多尺度模拟及实验研究,提出了基于热-动力学相关性的三个理论模型:一阶相变非平衡组织的概率密度演化模型、非平衡凝固枝晶生长动力学模型及薄带连铸工艺参数设计、贯通相变与变形的广义稳定性理论。

在一阶相变非平衡组织的概率密度演化模型中,综合考虑一级相变中多尺度与多相竞争问题,将统计系综原理与最大熵产生原理结合,得到了热/动力学协同控制组织演化的Fokker-Pl anck方程(FPE):

虑热-动力学相关性,建立了描述双辊薄带连铸非平衡枝晶凝固的全转变动力学模型,利用热力学极值原理推导考虑热-动力学协同的界面迁移方程,根据正温度梯度特性建立稳态温度场和浓度场方程,得到了稳态枝晶生长模型。并据此预测了啮合点高度,定量证明了热-动力学相关性。基于相变热/动力学相关性,提出广义稳定性概念,即Δ= Q/Q*-?G/?G*。提出了高性能金属结构材料设计准则:大驱动力-大广义稳定性的相变/变形可以产生较佳的力学强度和塑性搭配。

在建立了基于热-动力学相关性的三个理论模型的基础上,实现了模型在描述铝合金析出相的组织演化、设计高强韧纳米块体材料及开发高强韧铝合金上的应用。将一阶相变非平衡组织的概率密度演化模型成功应用于铝合金和铁基合金的析出相模拟,所得Al-2%Cu体系中θ′析出动力学与实验结果吻合;Fe-2at.%C体系中ε-Fe2C、η-Fe2C和θ-Fe3C的竞争析出模拟证实了过去文献中悬而未决的过渡碳化物析出序列ε→η。同时,析出过程中热力学驱动力和动力学能垒随尺寸与温度的此消彼长变化展示了热力学驱动力-动力学能垒-组织间的相互关联。针对工业用Al-Mg-Si和Al-Li-Cu合金,研究了析出相稳定性、团簇结构、组织形貌以及析出热-动力学间对应关系。针对A356合金,在亚快速凝固基础上,设计了两阶段形变热处理工艺,最终合金获得了优异的强塑性搭配。

2.3非平衡态组织和宏观性能一体化。

通过对薄带连铸铝合金非平衡态组织进行系统的微观表征,阐明了其不同尺度特征微观组织(包括晶粒、第二相颗粒和溶质原子等)沿厚度方向呈现出梯度分布特性。其中表层部位晶粒为相对较硬的剪切织构,而心部为相对较软的轧制织构,形成了类似“核-壳”结构的织构梯度分布;表层部位结晶相颗粒沿轧制方向多呈链状和球状分布,而心部结晶相则多呈连续的片状、块状和网状形态,整体上薄带连铸铝合金的结晶相颗粒含量远低于传统凝固后热轧制备的相同成分铝合金薄带材料;表层固溶溶质原子含量高于心部,整体上薄带连铸铝合金由于亚快速凝固的制备方法其固溶原子含量远高于热轧薄带铝合金材料。

发展了薄带连铸铝合金的强化模型和多尺度断裂模型。基于断裂力学、晶体塑性理论和位错理论,同时考虑结晶相颗粒萌生微裂纹的概率分布以及拉伸过程中几何必须位错形成的动态演变,构建了多尺度断裂力学模型,量化地描述了结晶相颗粒和几何必须位错对薄带塑性变形以及拉伸延性的耦合影响,得到了与实验数据吻合良好的计算结果。进一步针对亚快速凝固薄带连铸铝合金中溶质原子高固溶度的特点,通过位错动力学计算模拟阐明了溶质原子(团簇)对位错运动以及塑性变形行为的影响,并提出了原子团簇和纳米沉淀相颗粒抑制Portevin-Le Chatel ier(PLC)效应的结构稳定化途径。

基于薄带连铸铝合金中梯度组织约束效应及其对变形行为影响的深入认识,开发了新型薄带连铸Al-Mg-Si合金,在屈服强度>250MPa的同时拉伸延伸率高达40%左右,满足了某海军装备项目对大塑性、高强度铝合金材料的性能需求。同时采用亚快速凝固的制备方法,开发了新型Al-Cu基耐高温铝合金,满足了中航工业某单位对高温铝合金(300-400℃)的需求。

3 结语

经过三年时间的研究工作,项目完成了计划书的预期阶段目标。项目围绕“三个一体化”,明确了合金熔体性质对凝固组织的遗传作用,阐明了凝固组织、加工变形与后续固态相变的耦合效应,形成了非平衡凝固和固态相变一体化理论;获得了热力学驱动力和动力学能垒间的关联性对非平衡相变路径及终态组织的影响机制,实现了基于热/动力学相关性的非平衡相变组织一体化预测;解析了轻合金薄带材料强韧化及使役性能的关键组织单元与控制机制,形成了非平衡态组织与宏观性能一体化调控。项目研究的基于薄带连铸技术的短流程、低能耗、高均质化金属板带材的一体化生产工艺及绿色化规模制造技术体系可为拓宽薄带连铸的产业化应用范围、保障我国高端金属材料产业可持续发展提供重要的理论基础与工程指导。