随着经济的快速发展,我国基础金属材料面临总体产能严重过剩、产品结构不合理、高端应用领域尚不能完全实现自给等三大突出问题,面对原有设备基础和技术封锁两大限制,传统行业难以转型进入特殊高端材料行列,因此迫切需要发展高性能、轻量化、功能化的先进基础材料,推动基础材料产业的转型升级和可持续发展。层状金属复合材料是一种新型结构和功能材料,是指将物理、力学等性能不同的金属组元利用复合技术使其在界面处形成牢固结合,兼具各组元金属的优异性能,可广泛用于航空航天、电力电子、海洋工程等领域。本课题基于双辊铸轧工艺,提出了一种双金属复合管固—液铸轧复合工艺(CN201210300999.2;201510480916.6),在河北省高等学校科学技术研究项目“双金属复合管冷芯连续铸轧复合成形机理与实验研究”(QN2015214)和国家自然科学基金面上项目“Cu/Al复合带固—液铸轧电流强化复合成形技术基础研究”(No.51474189)的资助下,重点解决固—液铸轧复合设备设计及可行性验证、数值模拟及工艺因素影响规律分析、固—液铸轧复合成形机理分析等基础问题。为验证双金属复合管固—液铸轧复合工艺的可行性,针对边部侧封、环形均匀布流以及铸轧辊特性三大基础问题,基于燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心的二辊板带铸轧机开发了满足该工艺需求的设备,主要包括孔型铸轧辊系、导卫装置、环形布流装置、环形加热装置、堵流浇铸装置等,并利用Fluent软件和ProCast软件分别建立了环形布流器内部稳态流场和固—液铸轧复合瞬态开浇充型过程的分析模型,将其结果作为理论指导,在铸轧速度1.2m/min成功制备了结合良好的铝/铅复合管,验证了工艺可行性。为验证固—液铸轧复合工艺适用的产品种类及其复合效果,在铸轧速度2.2m/min,浇铸温度700℃时,成功制备了生产中常用的钢/铝、铜/铝、钛/铝复合管以及铜/铝复合棒,利用SEM、EDS等现代材料检测方法和压扁实验分析了铸轧复合后的界面宏微观形貌、扩散层厚度、变形协调性等。结果表明,根据应用环境不同,固—液铸轧复合产品可以作为成品直接使用,也可以作为其他深加工工艺的原料。为确定铸轧区内Kiss点周向分布情况及各工艺因素影响规律,利用Fluent软件建立了稳态铸轧区的热—流耦合模型,分析了熔池高度、铸轧速度、浇铸温度对Kiss点周向分布及内部流场的影响规律,建立了 Kiss点高度和铸轧区出口平均温度的预测模型。结果表明,单变量条件下降低熔池高度、提高铸轧速度和浇铸温度将使Kiss点高度降低,出口平均温度升高,改善熔池内金属流动性。为确定覆层与芯管间的相互作用力学行为,忽略Kiss点以上液态区对变形的影响,利用Marc软件建立了简化的Kiss点以下轧制复合的热—力耦合模型,确定了铸轧区内复合界面压力、温度分布规律以及芯管周向受力分布,为下一步芯管形状保持条件研究及复合机理分析奠定了基础。为解决固—液铸轧复合设备设计时力能参数选取问题,忽略Kiss点以上液态区对轧制力的影响,基体芯管假设为刚性体,将变形区轧制复合过程视为纯减壁的带芯棒轧管过程,并依此推导了固—液铸轧复合过程的轧制力工程计算公式,给出了各参数的取值方法,并分析了单一变量时熔池高度、铸轧速度、浇铸温度对轧制力的影响规律,实测轧制力与计算值基本吻合,验证了工程计算公式的可靠性。为分析固—液铸轧复合机理,利用急停和快速水冷方式,获得了钢/铝铸轧区截面轮廓形状的宏观演变,结合温度、压力因素分析了固—液铸轧复合过程的金属流动和双金属复合管成形机理;在铜/铝固—液铸轧过程中未通保护气氛,将界面产生的氧化物作为示踪剂,分析了复合界面微观形貌演变过程、芯管表面微观形貌对界面复合的影响以及固—液铸轧复合机理。结果表明,固—液铸轧复合过程是在一定温度、压力和变形下的动态演变过程,可细分为四个阶段:固—液接触换热阶段、固—糊(半固态)铸造复合阶段、固—固轧制复合阶段、固—固压力扩散阶段,是在扩散结合、反应结合、机械啮合等共同作用下实现界面的牢固结合。