脉冲电流辅助流动摩擦近净成形新方法

The flow friction near net shape forming is a local incremental forming method which is developed from the friction stir welding technology. It has great potential application prospect in the grid stiffened panel, cross ribbed local strengthening and structure. However，there are several problems such as insufficient of local metal plastic flow and inhomogeneous deformation etc. The existing research results show that the electroplastic effect of pulse current can improve the plasticity and reduce the deformation resistance. Based on this, the project innovatively proposes pulse current auxiliary flow friction near net forming method, and around the key scientific problems, the metal flow behavior, microstructure and defect evolution are studied. The pulse current induced metal space directional flow rules; dynamic recrystallization and microstructure evolution mechanism; defects formation mechanism and control method are revealed, and to achieve effective control of the microstructure, structure and performance. The research findings can provide foundation of theory and technology for flow friction near net shape technology development.

流动摩擦近净成形是在搅拌摩擦焊接技术基础上发展起来的一种局部渐进成形新方法，该方法在网格带筋整体壁板、十字带筋局部加强等结构成形上具有巨大的潜在应用前景。本项目针对流动摩擦近净成形过程中存在的局部变形区金属塑性流动性差、变形不均匀等问题，结合脉冲电流的电致塑性效应可提高塑性、降低变形抗力的特点，创新性地提出了脉冲电流辅助流动摩擦近净成形新方法。围绕该方法中的关键科学问题，从宏观流变行为和微观变形机制出发，研究局部受控变形区金属的空间流动行为、微结构及缺陷演变规律，揭示脉冲电流诱导流动摩擦近净成形过程金属空间定向流动规律，阐明电-热-力耦合驱动动态再结晶与微结构演变机理，掌握变形区金属的缺陷形成机制及其控制方法，从而实现流动摩擦近净成形过程中材料组织、结构、性能的有效控制，为难变形材料流动摩擦近净成形技术发展奠定理论与技术基础。

本项目针对流动摩擦近净成形过程中存在的局部变形区金属塑性流动性差、变形不均匀等问题，基于流动摩擦焊接的基本原理和技术特点，结合脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应，提出了脉冲电流辅助流动摩擦近净成形方法，围绕该方法中的关键科学问题，综合运用理论分析、数值模拟和工艺实验等研究手段，从宏观流变行为和微观变形机制出发，研究了流动摩擦近净成形过程中局部金属的塑性流变规律、变形区材料的微结构演变规律、脉冲电流对流变形行为及微结构演变的影响规律等，研究结果表明：6061T6铝合金单点流动摩擦挤压成形性能与成形参数和工具头直径有关，在工具头直径D=20mm、转速ω=950r/min、下压速度v=0.6mm/min、下压量∆l=3mm条件下，材料的成形高度最大为15mm。流动摩擦近净成形过程中材料的变形主要集中在与工具头端面直接接触的区域，材料在加工头端面凹槽的带动下发生空间定向流动，材料的流动存在明显的分流面，分流面以内材料向中心线方向流动，且在中心线两侧形成对称漩涡流，而分流面外侧的材料向相反方向流动。成形后试样由热影响区和变形区组成。与原始板材相比，热影响区晶粒形状和尺寸未发生明显变化，与工具头直接接触的搅拌区材料发生空间搅动，组织细化不明显，搅拌挤压复合变形区组织细化明显，平均晶粒尺寸仅为3.75μm，该区域大角度晶界比例明显增高，达到81.8%，变形过程中发生了动态再结晶。脉冲电流的施加降低了材料的变形抗力，促进了变形过程中材料的流动性，提高了变形均匀性和成形性能，在微观方面，脉冲电流促进了位错运动和再结晶的发生，使变形后的组织更加细小均匀，同时由于细晶强化作用，脉冲电流提高了变形后变形区材料的室温拉伸强度。本项目的研究成果为更加全面、系统、深入地解析脉冲电流辅助流动摩擦近净成形技术原理与科学内涵奠定了理论与技术基础，同时为带筋整体壁板和局部带筋加强结构的高效、低成本制造提供了一条新的技术途径。