柱狀晶組織銅鉻鋯合金的變形行為及形變-時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制

高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金接觸線是鐵路速度和安全性提升的關(guān)鍵材料之一，市場(chǎng)需求巨大。然而，目前該合金的制備工藝還存在工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品性能不理想等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種高性能Cu-Cr-Zr合金接觸線的短流程制備加工工藝取代現(xiàn)有的制備加工工藝，可顯著提升我國(guó)高鐵接觸線產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。本項(xiàng)目突破了Cu-Cr-Zr合金坯料的二段式熱冷組合鑄型水平連鑄技術(shù)，制備了具有柱狀晶組織、表面光亮、低鑄造缺陷、優(yōu)異加工性能的Cu-Cr-Zr合金坯料；明確了柱狀晶Cu-Cr-Zr合金坯料的冷加工變形行為與機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金的高效冷加工變形；明確了柱狀晶Cu-Cr-Zr合金形變-時(shí)效交互作用規(guī)律與強(qiáng)化機(jī)制，開(kāi)發(fā)了Cu-Cr-Zr合金的在線固溶-時(shí)效處理新技術(shù)，并在企業(yè)進(jìn)行了推廣應(yīng)用；基于上述研究結(jié)果，開(kāi)發(fā)了一種Cu-Cr-Zr合金高鐵接觸線的短流程高效制備加工工藝。該技術(shù)相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：水平連鑄工藝可在凝固界面附近建立超高的溫度梯度和較高的冷卻速率，有效解決了銅鉻鋯合金熔煉和凝固過(guò)程合金成分易偏析、鑄造質(zhì)量差等問(wèn)題，所制備棒坯組織致密，成分均勻，且形成了強(qiáng)軸向取向柱狀晶組織，有利于提高合金的后續(xù)冷加工性能；提出的在線感應(yīng)加熱連續(xù)固溶淬火和時(shí)效處理方式，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品性能均勻性和一致性好，適合于超大盤(pán)重、超大長(zhǎng)度銅鉻鋯合金接觸線的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)；提出的“軋制/拉拔-時(shí)效-拉拔-時(shí)效”的二級(jí)時(shí)效處理工藝，可顯著提高銅鉻鋯合金線材的力學(xué)和導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)高性能銅鉻鋯合金接觸線材的制備加工。

高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金接觸線是高速鐵路列車(chē)速度和安全性能提升的關(guān)鍵材料，市場(chǎng)需求巨大。目前我國(guó)高性能Cu-Cr-Zr合金接觸線制備技術(shù)落后、主要依賴(lài)進(jìn)口，嚴(yán)重制約了高鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。本項(xiàng)目將二段式熱冷組合鑄型水平連鑄技術(shù)應(yīng)用于Cu-Cr-Zr合金凝固組織的精確控制，提出采用“二段式熱冷組合鑄型水平連鑄 冷軋變形 形變-時(shí)效處理”的工藝方案制備高性能Cu-Cr-Zr合金接觸線的新思路。通過(guò)重點(diǎn)研究和闡明“柱狀晶組織合金的變形特征與機(jī)制”、“合金形變-時(shí)效交互作用規(guī)律與累積強(qiáng)化機(jī)制”兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種高性能Cu-Cr-Zr合金短流程高效制備加工工藝，解決現(xiàn)有Cu-Cr-Zr合金制備工藝需熱加工開(kāi)坯和表面清洗、工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。

5xxx系鋁合金具有良好的成形性、可焊性以及抗腐蝕性和中等強(qiáng)度，是汽車(chē)減重用板材的最佳選擇之一。但5xxx系鋁合金沖壓后的表面質(zhì)量較差，并且合金在烤漆過(guò)程中發(fā)生軟化，使該系合金的發(fā)展受到了極大的限制。在合金中添加少量的Cu可在一定程度上提高合金沖壓后的烤漆強(qiáng)化性能，但對(duì)未來(lái)汽車(chē)板材所用5xxx系合金仍然不足。本項(xiàng)目擬突破傳統(tǒng)5xxx系合金的成分設(shè)計(jì)思路，通過(guò)增加并調(diào)節(jié)合金中Zn/Cu的含量，結(jié)合適當(dāng)?shù)念A(yù)時(shí)效工藝，在合金中形成均勻分布的含Cu以及含Zn強(qiáng)化相，使合金具有較高的快速時(shí)效響應(yīng)能力，顯著提高合金的烤漆硬化性能，同時(shí)降低合金的鋸齒屈服效應(yīng)，提高合金的表面質(zhì)量。課題將針對(duì)快速時(shí)效響應(yīng)的控制及機(jī)理進(jìn)行深入分析研究，同時(shí)深入研究新合金的鋸齒屈服機(jī)理。建立新型合金成分、預(yù)時(shí)效工藝、烤漆組織和性能以及鋸齒變形規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)模型，為研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型汽車(chē)用5xxx系鋁合金奠定基礎(chǔ)。

在啟動(dòng)、停機(jī)和帶負(fù)荷過(guò)程中，由于加熱和冷卻速度不同所形成的溫差，除了使汽缸和轉(zhuǎn)子等產(chǎn)生熱膨脹外，還會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生變形現(xiàn)象。

熱變形的規(guī)律

從熱膨脹原理知道，當(dāng)金屬部件溫度均勻上升，沿長(zhǎng)度方向的熱膨脹也是均勻的。如果金屬部件受熱不均勻，兩側(cè)溫度上升不一致，當(dāng)上側(cè)溫度高于下側(cè)時(shí)，金屬部件上側(cè)的膨脹量大于下側(cè)的膨脹量，從而使金屬部件向上彎曲，產(chǎn)生了熱變形。熱變形的規(guī)律是：溫度高的一側(cè)向外凸出，溫度低的一側(cè)向內(nèi)凹進(jìn)，即“熱凸內(nèi)凹”。

汽輪機(jī)的幾種熱變形

1．上下缸溫差引起的熱變形

在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停止過(guò)程中，上、下缸存在著溫差，且上缸溫度高于下缸溫度，而使上缸變形大于下缸，引起氣缸向上拱起，發(fā)生熱翹曲變形，俗稱(chēng)貓拱背。這種變形使下缸底部徑向間隙減小甚至消失，造成動(dòng)靜摩擦，同時(shí)還會(huì)使隔板和葉輪偏離正常時(shí)的垂直平面，使軸向發(fā)生摩擦。

引起上、下缸溫差的主要因素：

（1）上、下缸具有不同的重量和散熱面積。下缸布置有回?zé)岢槠艿?，不僅重量大，而且散熱面積大，在同樣的加熱冷卻條件下，下缸加熱慢而散熱快，所以上缸溫度高于下缸溫度。

（2）汽缸內(nèi)蒸汽上升，凝結(jié)水流至俠缸，使下缸受熱條件惡劣。

（3）當(dāng)調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)啟的順序不當(dāng)造成部分進(jìn)汽時(shí)，也會(huì)使上、下缸溫度不勻。

（4）汽輪機(jī)啟動(dòng)中，汽缸疏水不暢；停機(jī)時(shí)有冷蒸氣從抽汽管道返回汽缸，都會(huì)使汽缸溫度下降。

（5）上、下缸保溫不良。

2．汽缸、法蘭內(nèi)外壁溫差引起的熱變形

由于機(jī)械強(qiáng)度的需要，高壓汽輪機(jī)法蘭壁厚度比汽缸厚度大得多（約為4倍），因此啟動(dòng)時(shí)法蘭內(nèi)外壁出現(xiàn)較大的溫差，當(dāng)法蘭內(nèi)外壁溫差過(guò)大時(shí)，將引起法蘭水平方向和垂直方向的變形，變形量與汽缸、法蘭內(nèi)外壁溫差成正比。

3．轉(zhuǎn)子的熱彎曲

轉(zhuǎn)子彎曲有兩種情況：一種是彈性彎曲，即轉(zhuǎn)子徑向存在溫差時(shí)，引起彎曲，溫差消失后轉(zhuǎn)子即恢復(fù)原狀；另一種是塑性彎曲，即轉(zhuǎn)子徑向出現(xiàn)較大溫差時(shí)，引起較大彎曲，溫差消失后，轉(zhuǎn)子不能恢復(fù)原狀。彈性彎曲往往是塑性彎曲的起因，因此運(yùn)行中應(yīng)均勻的加熱或冷卻，以減少?gòu)澢?，避免產(chǎn)生塑性彎曲。