一种提高SiCp/2024Al基复合材料挤压致密度均匀性的方法与流程

本发明属于复合材料加工技术领域，涉及一种提高sicp/2024al基复合材料挤压致密度均匀性的方法。

背景技术：

铝基复合材料相比于传统的铝或铝合金具有较高的比强度和比模量，sic颗粒作为增强体，具有较高的硬度，因而复合材料的耐磨性会有明显的提高；此外，由于sic颗粒增强体与铝基体金属的复合效应，使得新的复合材料的尺寸稳定、热膨胀系数小、能够承受高温、抗疲劳、抗断裂、抗老化、耐腐蚀等。

目前，该材料已经在航空、航天、电子封装、仪器仪表等行业得到了广泛应用。但是由于sic颗粒作为硬质颗粒嵌入2024铝基体中，导致该复合材料的塑性指标明显低于基体铝合金，且sic颗粒在基体合金中分布并不均匀，塑性比较低，不同的制备工艺制得的铝基复合材料中sic颗粒的分布均匀性也存在很大的差异，影响了后续的塑性变形能力及组织与性能，限制了铝基复合材料在更广阔领域的应用。

近年来，颗粒增强铝基复合材料的研究重点之一就是提高塑性和断裂韧性，以满足航空航天、汽车工业的实际应用需求。如何在塑性加工中采取有效的措施，在保证高比强度、高比模量的前提下逐渐提高复合材料的塑性和组织均匀性具有极其重要的实际意义。

对于sic颗粒增强2024铝基复合材料，由于sic颗粒增强体为非连续硬质增强相，2024铝基体为软相，且该类材料的极限挤压温度、许可变形程度等工艺参数以及模具与润滑等工艺条件和力能变化规律等并不明确，导致其挤压加工较为困难。通过改善挤压加工工艺参数，可使得该种材料挤压棒材制坯的性能得到改善。通过改进提高挤压棒材的致密度，改善sic颗粒分布的均匀性，可提高挤压棒材的综合性能。

目前，关于sic颗粒铝基复合材料的数值模拟已有大量研究。但大多数都是针对材料本身或者研究其成形工艺，而针对如何提高该材料在挤压工艺过程中的致密度均匀性所存在的问题尚未有研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种提高sicp/2024al基复合材料挤压致密度均匀性的方法。以解决目前碳化硅颗粒增强铝基复合材料挤压工艺中材料致密度分布不均匀导致挤压棒材综合性能差的情况。

本发明的技术解决方案是：

基于数值模拟计算结合试验，给出影响挤压比、挤压温度、挤压速度、摩擦系数、模具特征与挤压致密度均匀性影响规率，过程包括以下步骤：

a)首先，采用热物理模拟实验确定该材料的本构关系特征，对该材料在不同变形量、变形温度、应变速率情况下的应力应变关系，根据试验结果对材料的本构关系模型进行拟合构建，热物理模拟实验试验在gleeble热物理模拟试验机上进行，采用直径为8mm，高12mm的圆柱试样，应变量为70％，变形温度为420℃～500℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1的试样进行热压缩试验，试验材料为粉末冶金法制备的sic颗粒增强铝基复合材料挤压棒材，sic颗粒体积分数为17％。压缩试样采用电频感应加热，升温速率为10°/s，试样加热至变形温度后保温5min，然后以恒定的应变速率压缩，压缩完成后迅速水冷至室温，高温压缩过程中由焊接在试样侧面中部的热电偶实时测温，通过闭环温控系统实现温控，温控精度为±1.0℃，从而获得该材料的在变形工艺中的应力应变关系曲线，确定该材料是否为正应变速率敏感材料，如果是，采用zener-hollomon参数的双曲正弦形式来描述，

材料的本构关系拟合构建的方程为：

其中：常数a～4.69405；常数ɑ～0.00122993；激活能δh～-67892.7；应力指数n～4.41327；气体常数r～8.31；

b)sicp/2024al基复合材料挤压工艺数值模拟，采用有限单元法对sicp/2024al基复合材料的挤压工艺进行数值模拟，将复合材料挤压工艺分为三个阶段，

a——挤压预备阶段：即，材料在挤压筒内压实并置留在模具的模孔的阶段,此时模口附近材料的致密度高于远离模口区域的致密度；

b——强力挤压阶段：即材料流过模孔并在模口区域形成应力集中带的阶段，需要的挤压载荷最大，模孔中心区域流速快材料密实，边界区域流速慢材料稀疏；

c——平稳挤压阶段：即材料流过模孔形成棒材的阶段，在保温情况下，挤压载荷平稳，塑性区基本保持不变，材料的致密度分布定型；

c)根据上述步骤a)、b)得出的结果，利用有限单元法，进行材料的致密度均匀性影响因素分析并选择挤压参数，1)选择挤压比，条件是，挤压温度为400℃～490℃，挤压速度为0.1mm/s～20mm/s，选择挤压比的范围在13～15；

2)选择挤压温度，条件是，挤压比的范围在13～15，挤压速度为0.1mm/s～20mm/s，挤压温度为480℃～490℃；

3)选择挤压速度，条件是，挤压比的范围在13～15，挤压温度为400℃～490℃，挤压速度为0.1mm/s～0.15mm/s；

4)选择摩擦系数及模具特征参数，条件是，挤压比的范围在13～15，挤压温度为480℃～490℃，挤压速度为0.1mm/s～0.15mm/s，摩擦系数的范围为0.2～0.25，模具倾角在45°～60°。

所述步骤a)中所用材料模型采用唯象学模型或其他规律模型替代zener-hollomon模型。

所述步骤b)、c)中数值分析有限元软件选择deform或abaqus或其他有限元分析软件用于分析挤压工艺过程，根据计算结果采用流速场与应力应变场等综合分析材料的流动特征。

步骤c)中给定的优化参数范围适用于含17％碳化硅颗粒的2024铝基复合材料挤压工艺过程。

本发明具有的优点和有益效果，本发明首先运用热物理模拟实验机对不同变形温度、应变速率下的碳化硅颗粒增强2024al基材料试样进行高温流变应力测试，并采用唯象学模型建立该复合材料的本构关系模型；然后，采用有限元分析软件deform或abaqus对sicp/2024al基复合材料挤压工艺过程进行数值模拟，建立挤压工艺装备数值分析模型，并将建立的材料本构关系模型嵌入挤压工艺数值分析模型中，根据实际工况设置边界条件并进行模拟计算；再在上述数值分析模型基础上分析挤压比对于挤压棒材致密度均匀性的影响，选取典型挤压比进行不同工况下的工艺模拟仿真，分析模拟结果并结合材料致密度微观测试结果给出挤压比对于棒材挤压致密度均匀性的影响规律；然后，利用上述分析模型并在优选的挤压比条件下分析挤压过程参数对于棒材致密度均匀性的影响，包括挤压温度和挤压速度，给出优化的参数范围；再在上述数值分析模型以及优化参数的基础上分析挤压过程中挤压模具与挤压坯料的摩擦系数对于材料致密度均匀性的影响，给出摩擦系数与材料挤压流速梯度与挤压载荷的关系曲线并给定优化的摩擦系数范围；然后，分析除上述影响因素外的其他因素；最终给出提高sicp/2024al基复合材料挤压致密度均匀性的优化参数，从而指导该复合材料挤压工艺，获得致密度均匀的优化的碳化硅颗粒增强2024al基挤压棒材，提高产品合格率，提升产品综合性能，降低成本。本发明的方法采用材料试验、数值模拟分析与工艺试验相结合，综合全面优选挤压工艺参数，减少了工业试验的成本以及人为经验导致的误差，可以大幅度提高挤压棒材的产品质量，降低生产成本及研制周期，获得性能优异的均匀性良好的碳化硅颗粒增强铝基复合材料挤压棒材。采用数值分析方法，可以全面综合考虑材料的本构关系特征、挤压比、挤压速度、挤压温度、摩擦系数以及模具几何因素等对于材料在挤压过程流动规律的影响，从而给出全面的挤压工艺参数优化方案，可以大幅度提升该复合材料挤压工艺过程中的材料致密度均匀性。

附图说明

图1为sicp/2024al基复合材料流动应力曲线，其中图1a为变形温度420℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1的应力应变曲线；图1b为变形温度460℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1的应力应变曲线；图1c为变形温度480℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1的应力应变曲线；图1d为变形温度500℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1的应力应变曲线；

图2为sicp/2024al基复合材料挤压工艺装备及挤压阶段计算结果，其中图2(a)为挤压装备简图，1为挤压杆，2为挤压筒，3为复合材料，4为垫片，5为挤压模具，6为挤压模模孔；图2(b)为挤压工艺模拟三维数值模型；图2(c)为挤压过程中三个阶段的特征简图，其中a为挤压预备阶段，b为强力挤压阶段，c为平稳挤压阶段。

图3为挤压比对于棒材致密度均匀性的影响，其中图3a为挤压比分别为9，11，13，15的棒材，图3b为不同挤压比下的最大流速与最小流速的比值对比曲线，图3c为碳化硅颗粒稀疏与密实的棒材微观组织对比图；

图4为挤压速度、挤压温度对挤压棒材致密度均匀性的影响；

图5为摩擦系数与流速梯度及挤压载荷的关系曲线；

图6为挤压模具倾角对挤压棒材致密度均匀性影响关系，其中图6(a)为挤压模具，5为挤压模具，7为模具倾角，8为工作带，图6(b)为模具倾角对挤压棒材致密度均匀性影响曲线。

具体实施方式

所述方法包括以下步骤：

材料试验与本构关系建模。采用gleeble热物理模式试验机对直径为8mm，高为12mm的标准圆柱试样进行高温流变应力测试，应变量为70％，变形温度为420℃～500℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1，分析测试结果并建立材料的本构关系模型，可采用如下的唯象学模型或其他经过适用性验证的理论模型。

其中常数a、常数ɑ均与材料相关，δh为激活能，n为应力指数，r为气体常数。以上参数均可以通过试验结果拟合获得:常数a～4.69405；常数∝～0.00122993；激活能δh～-67892.7；应力指数n～4.41327；气体常数r～8.31.这些参数均可以通过试验结果拟合获得，从而确定该材料在变形工艺中的应力、应变函数关系；

材料挤压工艺数值模拟。挤压工艺装备如图2(a)所示，其中1为挤压杆，2为挤压筒，3为复合材料，4为垫片，5为挤压模具，6为挤压模模孔；挤压杆1推动挤压筒2内的复合材料3，通过垫片4引导挤出挤压模具5的模孔6，采用有限单元法对该挤压过程进行数值模拟，图2(b)为挤压工艺三维数模，图2(c)给出计算结果。具体实现方法为：1)建立挤压工装设备三维装配模型并导入有限元分析软件，进行网格划分及接触条件设置；2)嵌入材料本构关系模型，定义工装设备中各部分的材料特征及热物性参数；3)根据实际工况设置边界条件；4)进行计算控制并提交求解器计算；5)提取计算结果，分析材料在挤压过程中的应力场、应变场及流速场等。

运用上述数值分析模型计算不同挤压比特征时挤压棒材的致密度均匀性，结合微观组织测试试验，获得挤压比与致密度均匀性的影响规律。对于sicp/2024al基复合材料，通常选择挤压比的范围在9～15,模拟分别选择挤压比为9，11，13，15四种情况进行工艺仿真模拟，如图3a所示，并在800t挤压机上进行了工艺试验，给出挤压比与材料挤压致密度均匀性影响规律，如图3b所示，并据此给出优化的挤压比范围，其中挤出棒材碳化硅颗粒分布稀疏与密实的棒材微观组织对比图如图3c所示。

通过对挤压温度为460℃，挤压比为14，挤压速度为0.1mm/s～20mm/s，其他参数相同情况下的挤压工艺模型进行数值模拟，计算不同挤压速度下挤压棒材的流速梯度差，分析计算结果并给出挤压温度、挤压速度对于挤压材料致密度均匀性的影响规律，如图4所示，据此给出优化的挤压温度及速度参数范围。

分析接触摩擦条件对于sicp/2024al基复合材料流动与挤压变形行为的影响规律，对不同摩擦系数对于挤压过程中的金属流动行为的影响进行数值模拟。模拟计算采用相同的工艺几何模型及特征参数(挤压比14、挤压温度485℃与挤压速度0.15mm/s)，针对摩擦系数为0.2～0.7的挤压工艺模型进行仿真计算，获得材料挤压流速梯度与摩擦系数的关系曲线，如图5所示，从而给出优选的摩擦系数的范围。

分析挤压模具5的特征参数对于复合材料3的挤压流动行为的影响(见图6)，其中图6(a)为挤压模具，图6(b)为模具倾角7对挤压棒材致密度均匀性影响曲线。在挤压工艺参数与工作带8长度相同的情况下，分别对模具倾角7为0～75°的挤压模具5进行工艺仿真分析，并制造加工特定特征参数的挤压模具5进行工艺试验，获取计算与试验结果如附图6(b)所示。因此给出了模具倾斜角度的优选区间。

本发明通过有限元数值模拟结合工艺试验给出sicp/2024al基复合材料挤压过程的致密度均匀性影响因素及规律，最终给出最优的提高该颗粒增强铝基复合材料挤压致密度均匀性的参数方案，包括挤压比为13～15，挤压速率为0.1～0.15mm/s，挤压温度为485℃～500℃，挤压模具倾斜角在45°～60°，摩擦系数为0.2～0.25，含17％碳化硅颗粒的2024铝基复合材料在此优化工艺参数区间内可以获得致密度均匀性最好的挤压棒材。经过试验与数值分析计算结果对比表明，本发明是一种切实有效的提高碳化硅颗粒增强铝基复合材料挤压过程中致密度均匀性的方法，对于实际的碳化硅颗粒增强铝基复合材料挤压工艺设计与参数优化具有十分重要指导意义。

本发明采用了材料试验、数值模拟分析与工艺试验相结合，综合全面优选挤压工艺参数的方法，该方法大大减少了工业试验的成本以及人为经验导致的误差，可以大幅度提高挤压棒材的产品质量，降低生产成本及研制周期，获得性能优异的均匀性良好的碳化硅颗粒增强铝基复合材料挤压棒材。该方法不仅适用于含17％碳化硅颗粒的2024铝基复合材料挤压工艺优化，也适用于不同配比分数的碳化硅颗粒增强铝基复合材料在挤压工艺过程中致密度均匀化的优化。

采用gleeble热物理模式试验机测试材料的高温流变应力，测试结果如图1所示，根据图1a，图1b，图1c和图1d中不同温度下及应变速率下的应力应变结果，基于z-h法建立材料的本构关系模型，其中高温流变应力测试在gleeble热物理模拟试验机上进行，采用直径为8mm，高12mm的圆柱试样，应变量为70％，变形温度为420℃～500℃，应变速率为0.001s^-1～10s^-1的试样进行热压缩试验，试验材料为粉末冶金法制备的sic颗粒增强铝基复合材料挤压棒材，sic颗粒体积分数为17％。压缩试样采用电频感应加热，升温速率为10°/s，试样加热至变形温度后保温5min，然后以恒定的应变速率压缩，压缩完成后迅速水冷至室温，高温压缩过程中由焊接在试样侧面中部的热电偶实时测温，通过闭环温控系统实现温控，温控精度为±1.0℃，从而获得该材料的在变形工艺中的应力应变关系曲线。

sicp/2024al基复合材料挤压工艺数值模拟。通过挤压工艺参数优化可以提高该复合材料的致密度，还可以改善sic颗粒分布的均匀性，进而提高复合材料的强度，改善其塑性和韧性。采用有限单元法对sicp/2024al基复合材料的挤压工艺进行数值模拟，给出计算结果中的应力应变场与材料流速场。具体实现方法为：1)建立挤压工装设备三维装配模型并导入有限元分析软件，进行网格划分及接触条件设置；2)嵌入材料本构关系模型，定义工装设备中各部分的材料特征及热物性参数；3)根据实际工况设置边界条件；4)进行计算控制并提交求解器计算；5)提取计算结果，分析材料在挤压过程中的应力场、应变场及流速场等。

运用上述数值分析模型计算不同挤压比特征时挤压棒材的致密度均匀性，结合微观组织测试试验，获得挤压比与致密度均匀性的影响规律。挤压比是挤压前后坯料的截面积的比值，挤压比是最为重要的挤压工艺参数。如果挤压比过小，则变形不充分，sic颗粒易出现团聚现象，挤压比过大，又会增加挤压机的负荷能力，导致挤不动甚至损坏设备。对于sicp/2024al基复合材料，通常选择挤压比的范围在9～15,本发明的模拟分别选择挤压比为9，11，13，15四种情况进行工艺仿真模拟，并在800t挤压机上进行了工艺试验，最终给出优化的挤压比范围为13～15。

挤压温度、挤压速度是挤压过程中影响棒材致密度均匀性的重要工艺参数。通过对挤压温度为460℃，挤压比为14，挤压速度为0.1mm/s～20mm/s，其他参数相同情况下的挤压工艺模型进行数值模拟，计算得出不同挤压速度下挤压棒材的流速梯度差，计算结果表明，在其他工艺参数相同的情况下，挤压棒材的流速梯度随挤压速度的增加而增大，流速梯度差是挤压棒材出现缩尾缺陷的直接原因，当挤压速度为0.1mm/s～0.15mm/s时挤压棒材的流速梯度差最小，可以大幅度降低挤压过程中的缩尾现象。根据sicp/2024al基复合材料的热物理性能及力学性能特征，其塑性加工温度通常不超过500℃，数值计算结果表明，在相同的挤压速度下，材料流速梯度差随挤压温度的升高而显著降低，挤压速度越高，这种差异越明显。本发明在优选挤压速度为0.1mm/s～0.15mm/s基础上优选挤压温度为480℃～490℃。

对于挤压工艺，影响材料流动行为的重要影响因素之一就是挤压模具与挤压坯料的摩擦力，为了分析接触摩擦条件对于sicp/2024al基复合材料流动与挤压变形行为的影响规律，对不同摩擦系数对于挤压过程中的金属流动行为的影响进行了数值模拟。模拟计算采用相同的工艺几何模型及特征参数(挤压比14、挤压温度485℃与挤压速度0.15mm/s)，针对摩擦系数为0.2～0.7的挤压工艺模型进行了仿真计算，获得材料挤压流速梯度与摩擦系数的关系曲线。计算结果表明，挤压流速梯度及挤压载荷随摩擦系数的增大而显著增大，当摩擦系数为0.2～0.25时，挤压棒材的流速梯度差最小，棒材的致密度均匀度较好，且通过润滑作用，在实际工艺中可以实现，因此，优选摩擦系数的范围为0.2～0.25。

挤压过程中，除了挤压比、挤压温度、挤压速度、摩擦条件的影响外，挤压模具的特征参数也会影响复合材料的挤压流动行为，进而影响sicp/2024al基复合材料挤压棒材的致密度均匀性。通用的挤压方形棒材的模具特征如附图6(a)所示。影响材料挤压流动行为的因素主要是工作带长度与模具倾角，而工作带长度主要影响挤压棒材的成形性能，在挤压工艺参数与工作带长度相同的情况下，分别对模具倾角为0～75°的挤压模具进行了工艺仿真分析，并制造加工了特定特征参数的挤压模具进行了工艺试验，获取计算与试验结果如附图6(b)所示。结果表明，当模具倾角在45°～60°区间时，挤压棒材的流速梯度差最小，棒材的致密度均匀性最高，因此给出了模具倾斜角度的优选区间，即为45°～60°。

本发明通过有限元数值模拟结合工艺试验给出了sicp/2024al基复合材料挤压过程的致密度均匀性影响因素及规律，最终给出最优的提高该颗粒增强铝基复合材料挤压致密度均匀性的参数方案，包括挤压比为13～15,挤压速率为0.1～0.15mm/s，挤压温度为485℃～500℃，挤压模具倾斜角在45°～60°，摩擦系数为0.2～0.25,含17％碳化硅颗粒的2024铝基复合材料在此优化工艺参数区间内可以获得致密度均匀性最好的挤压棒材。

本发明提出一种提高碳化硅颗粒增强铝基复合材料挤压过程中致密度均匀性的方法，与原有技术方案相比，通过数值分析结合试验技术完成工艺过程优化，可以大大提高产品合格率，降低研发与生产成本，获得性能优良的碳化硅颗粒增强铝基复合材料棒材。