柱狀晶組織銅鉻鋯合金的變形行為及形變-時效強化機制項目摘要

高強高導Cu-Cr-Zr合金接觸線是高速鐵路列車速度和安全性能提升的關鍵材料，市場需求巨大。目前我國高性能Cu-Cr-Zr合金接觸線制備技術落后、主要依賴進口，嚴重制約了高鐵產業(yè)的快速發(fā)展。本項目將二段式熱冷組合鑄型水平連鑄技術應用于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。通過重點研究和闡明“柱狀晶組織合金的變形特征與機制”、“合金形變-時效交互作用規(guī)律與累積強化機制”兩個科學問題，開發(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坯和表面清洗、工藝流程長、生產成本高等問題。

高強高導Cu-Cr-Zr合金接觸線是鐵路速度和安全性提升的關鍵材料之一，市場需求巨大。然而，目前該合金的制備工藝還存在工藝流程長、生產成本高、產品性能不理想等問題，開發(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，可顯著提升我國高鐵接觸線產業(yè)的國際競爭力。本項目突破了Cu-Cr-Zr合金坯料的二段式熱冷組合鑄型水平連鑄技術，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制，實現(xiàn)了高強高導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-時效交互作用規(guī)律與強化機制，開發(fā)了Cu-Cr-Zr合金的在線固溶-時效處理新技術，并在企業(yè)進行了推廣應用；基于上述研究結果，開發(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。該技術相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點：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程合金成分易偏析、鑄造質量差等問題，所制備棒坯組織致密，成分均勻，且形成了強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；提出的在線感應加熱連續(xù)固溶淬火和時效處理方式，自動化程度高，生產效率高，產品性能均勻性和一致性好，適合于超大盤重、超大長度銅鉻鋯合金接觸線的規(guī)?；I(yè)生產；提出的“軋制/拉拔-時效-拉拔-時效”的二級時效處理工藝，可顯著提高銅鉻鋯合金線材的力學和導電性能，實現(xiàn)高性能銅鉻鋯合金接觸線材的制備加工。

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度，是汽車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量較差，并且合金在烤漆過程中發(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化性能，但對未來汽車板材所用5xxx系合金仍然不足。本項目擬突破傳統(tǒng)5xxx系合金的成分設計思路，通過增加并調節(jié)合金中Zn/Cu的含量，結合適當?shù)念A時效工藝，在合金中形成均勻分布的含Cu以及含Zn強化相，使合金具有較高的快速時效響應能力，顯著提高合金的烤漆硬化性能，同時降低合金的鋸齒屈服效應，提高合金的表面質量。課題將針對快速時效響應的控制及機理進行深入分析研究，同時深入研究新合金的鋸齒屈服機理。建立新型合金成分、預時效工藝、烤漆組織和性能以及鋸齒變形規(guī)律之間的關聯(lián)模型，為研究開發(fā)具有自主知識產權的新型汽車用5xxx系鋁合金奠定基礎。

在啟動、停機和帶負荷過程中，由于加熱和冷卻速度不同所形成的溫差，除了使汽缸和轉子等產生熱膨脹外，還會使汽輪機產生變形現(xiàn)象。

熱變形的規(guī)律

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

汽輪機的幾種熱變形

1．上下缸溫差引起的熱變形

在汽輪機啟動、停止過程中，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，造成動靜摩擦，同時還會使隔板和葉輪偏離正常時的垂直平面，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。下缸布置有回熱抽汽管道，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）汽缸內蒸汽上升，凝結水流至俠缸，使下缸受熱條件惡劣。

（3）當調節(jié)汽門開啟的順序不當造成部分進汽時，也會使上、下缸溫度不勻。

（4）汽輪機啟動中，汽缸疏水不暢；停機時有冷蒸氣從抽汽管道返回汽缸，都會使汽缸溫度下降。

（5）上、下缸保溫不良。

2．汽缸、法蘭內外壁溫差引起的熱變形

由于機械強度的需要，高壓汽輪機法蘭壁厚度比汽缸厚度大得多（約為4倍），因此啟動時法蘭內外壁出現(xiàn)較大的溫差，當法蘭內外壁溫差過大時，將引起法蘭水平方向和垂直方向的變形，變形量與汽缸、法蘭內外壁溫差成正比。

3．轉子的熱彎曲

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