随着全球经济和科学技术的迅猛发展,环境污染、生态失衡、资源枯竭以及能源消耗剧增等问题日益凸显,如何实现可持续发展成为全人类所面临的共同问题。采用轻量化构件是减小能源消耗和环境污染,实现可持续发展的重要途径之一。空心铝合金型材作为典型的轻量化构件在轨道交通、车辆船舶、建筑结构以及航空航天等领域被广泛使用,而包括热塑性变形和固态焊合两个物理现象的分流挤压工艺是制备空心铝合金型材的关键技术。近年来,随着我国高速列车的快速发展,高速列车车体用高性能大规格复杂截面空心铝合金型材的需求与日俱增。高速列车的高速性、轻量化、舒适性和安全性等特点对高速列车车体铝合金型材在结构、功能和性能等方面与常规轨道交通车体铝合金型材相比存在根本性的不同,这对铝合金型材的微观结构和性能,尤其是焊缝质量,提出了苛刻的技术要求。因此,研究铝合金型材分流挤压焊合行为、界面结构演变规律与焊缝质量控制方法成为制造高速列车用高性能大规格复杂截面空心铝合金型材的关键科学问题之一。目前人们围绕铝合金型材分流挤压工艺,在材料流动行为、挤压工艺与模具结构对分流挤压焊合过程的影响规律、分流挤压焊合机理与焊缝微观结构以及分流挤压型材焊缝质量控制与预测等方面开展了研究工作。然而,仍存在几个关键问题亟待研究和解决:(1)固态焊合过程的物理模拟方法、焊合界面结合程度与界面性能的定量表征方法、固态焊合条件与界面结合程度的定量关系。(2)分流挤压焊合工艺中纵向焊缝、横向焊缝和缩尾缺陷的形成与演变、微观结构、抗腐蚀性能以及其对挤压型材力学性能的影响规律。(3)分流挤压模具结构和工艺参数与分流挤压焊合行为、焊缝微观组织结构及型材力学性能的内在联系以及焊缝质量的控制方法。(4)挤压焊合过程中的固态焊合机理、焊缝微观结构与界面结构的动态演变及其对型材焊缝质量的影响规律。(5)具有普适性的分流挤压型材焊缝质量定量评估方法。针对上述亟待解决的关键问题,本文开展的主要研究工作和取得的研究成果如下:(1)提出了等温热压缩焊合与常规等温热压缩对比研究的新思路,研究了6063铝合金材料在673 K-803 K的变形温度范围和0.001 s-1-10 s-1的应变速率范围内的热变形和固态焊合行为。揭示了两种实验状态下材料的流动应力行为,建立了 6063铝合金材料在固态焊合过程中的本构方程,对比分析了热变形和固态焊合过程中的功率耗散和塑性变形能。研究了在不同变形温度和应变速率下进行热变形和固态焊合时材料的晶粒结构、晶界特征、织构以及焊合界面结构的演变规律。提出了一种表征界面结合率的方法,并建立了界面结合率与变形温度和应变速率的定量关系。研究了变形温度和应变速率对材料显微硬度和剪切强度的影响规律。提出了能够反映焊合界面结合程度的界面性能特征参数。(2)设计并制造了一种结构参数可灵活调控的组合式分流挤压模具,并通过挤压实验获得了板状型材。通过微观结构表征、化学腐蚀以及基于数字化图像相关技术的拉伸过程原位观察实验,研究了分流挤压铝合金型材中纵向焊缝、横向焊缝和缩尾缺陷这三种特征的微观结构、抗腐蚀性能及其在拉伸过程中的断裂行为,发现了在纵向焊缝、横向焊缝以及缩尾缺陷所在位置处会出现应变集中现象,并发现了拉伸过程中存在“均匀塑性变形→应变集中→断裂”和“均匀塑性变形→应变集中→脱粘→断裂”这两种断裂模式。建立了分流挤压过程数值模拟模型,揭示了缩尾缺陷和横向焊缝的形成过程及机理。(3)开展了不同挤压模具结构参数下的挤压实验,并对挤压所得铝合金型材进行了微观组织观察、力学性能测试以及断口形貌分析。揭示了分流桥形状和焊合室深度对横向焊缝演变过程和长度的影响规律以及对纵向焊缝形成过程、微观结构及力学性能的影响规律,并基于数值模拟研究了焊合面上焊合压力与材料流变应力的比值的分布规律以及材料的流动行为,提出了“有效焊合面”的概念。(4)研究了挤压速度和温度对挤压型材纵向焊缝的晶粒结构、界面结构、时效析出相以及力学性能的影响规律,发现了界面微孔洞和晶粒跨越界面生长现象。(5)研究了分流挤压过程中焊合路径上铝合金材料的晶粒结构、微观织构以及力学性能的演变规律。发现了在挤压焊合过程中,晶粒结构呈现出“等轴细晶→条状粗晶→等轴细晶”的演变方式;微观织构呈现出“剪切型织构→戈斯和铜型织构→立方织构”的演变方式。发现了焊合区域出现的条状粗晶和特殊的晶粒取向会造成纵向焊缝显微硬度和拉伸性能的降低。(6)研究了挤压模具型腔内存在气孔和不存在气孔时焊合界面的精细结构,发现了界面非晶层和界面迁移现象,从微纳尺度揭示了分流挤压过程中存在气孔和不存在气孔时分别对应的固态焊合机理。(7)研究了挤压焊合过程中的材料流动行为,揭示了挤出型材中纵向焊缝及宏观焊接缺陷的形成过程。研究了挤压焊合过程中材料质点的轨迹追踪方法,确定了焊合路径。提出了考虑应力三轴度、等效应变速率、温度和接触时间的固态焊合准则,并基于该准则和所确定的焊合路径成功预测了焊缝的焊合质量。(8)开展了非完全对称空心铝合金型材挤压模具的设计、制造与挤压实验,研究了空心型材纵向焊缝的晶粒结构、界面结构及力学性能,提出了一种普适性的纵向焊缝焊合质量定量评估方法。