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項目名稱： 航空航天用高性能輕合金大型復雜結構件制造的基礎研究首席科學家： 李曉謙 中南大學起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部門： 湖南省科技廳一、研究內(nèi)容圍繞科學問題 1---大型復雜構件非均勻塑變成形的熱力耦合與晶體缺陷組態(tài)演變， 結合鋁合金整體 鍛造成形、 鈦合金局部加 載成形的不均勻塑性變形與微觀組織、性能演變的特點，展開以下研究：① 鈦 合金、超強鋁合金鍛造成形溫度場－應變場－應變速度場與第二相對回復和晶界結構的協(xié)同調(diào)控：研究鍛造成形溫度場－應變場－應變速度場與第二相對晶體缺陷組態(tài)（亞結構）分布及其回復過程的影響規(guī)律，研究嚴重不均勻塑性變形條件下晶體缺陷增殖與湮滅、組態(tài)重構、發(fā)展晶體缺陷密度均勻化方法，擴大成形與組織調(diào) 控的過程窗口， 研究材料宏觀變形本構關系與微觀組織演化耦合模型，為實現(xiàn)鍛件性能最優(yōu)化奠定基體組織基礎。② 復雜 構件等溫/變溫鍛造成形與缺陷抑制：研究復雜構件等/變溫模鍛變形抗力與變形條件和缺陷組態(tài)及其回復的關系，確立低變形抗力的等/變溫模鍛熱力條件；研究變形參數(shù)、 潤滑條件、模具 結構對鍛 造過程金屬流變特性與流線形態(tài)的影響規(guī)律，發(fā)展抑制鍛造過程組織缺陷（流線紊亂、渦流、折疊等）的調(diào)控方法。研究模鍛過程材料在復雜型腔中的充填流變特性，研究復雜型腔不同部位及其潤滑狀態(tài)對模鍛件流線形態(tài)、表面質(zhì)量、成形精度、殘余內(nèi) 應力的影響，發(fā)展復雜構件等溫 /變溫模鍛工藝的設計方法與準 則。③ 成形鍛件固溶時效中晶界與析出相演變及其作用：研究回復狀態(tài)鍛件固溶過程中第二相對形變回復亞晶組織和小角晶界的穩(wěn)定化作用，發(fā)展逐步升溫固溶穩(wěn)定微取向回復組織抑制再結晶的方法。研究回復狀態(tài)鍛件時效納米強化相晶內(nèi)晶界析出特征及調(diào)控方法，研究斷裂疲勞腐蝕性能與鍛造成形組織晶界結構的關系，揭示 組織強韌耐蝕作用機理；研究大型鍛件殘余內(nèi)應力對材料斷裂韌性、疲勞與腐蝕性能的影響規(guī)律及調(diào)控方法，突破大型復雜鍛件的綜合性能。④ 局部加載不同變形區(qū)及過渡區(qū)不均勻協(xié)調(diào)變形機理與調(diào)控機理：研究揭示多模具、多參數(shù)、多場作用下大型復雜構件局部加 載成形多因素耦合下不同變形區(qū)之間及過渡區(qū)材料的流動、分流、填充等行 為和規(guī)律；研究局部加載成形過程中不均勻變形協(xié)調(diào)的主要因素和影響機制；研究多場耦合作用下預成形毛坯優(yōu)化設計與多道次變形之間的耦合作用；建立等溫局部加載方式等多因素耦合與不均勻變形協(xié)調(diào)及成形缺陷的關聯(lián)關系，并揭示局部加載方式等多參數(shù)對其的影響規(guī)律；獲得基于局部加載條件控制的不同加載區(qū)及過渡區(qū)不均勻變形協(xié)調(diào)精確成形的機制與調(diào)控技術。⑤ 基于多尺度、全 過程建模仿真的大型整體構件局部加載成形全過程及模具優(yōu)化設計與精確控制：研究局部加載精確塑性成形過程與構件性能預測的多尺度建模和仿真方法，研究大型復雜整體構件局部加載成形過程、模具和參數(shù)優(yōu)化設計及其反問題，研究通過改變局部加載方式、加載條件及其多因素的耦合控制材料流動、不均勻 變形協(xié)調(diào)及組織演化，揭示不同局部加載條件下工藝—變形—組織—性能的關聯(lián)關系；以控制與提高成形精度和組織性能為目標，建立大型復雜整體構件局部加載成形過程及模具優(yōu)化設計與精確控制的理論與方法，為實現(xiàn)輕合金大型復 雜構件局部加載精確“ 成形”和“成性” 的一體化制造奠定基礎。圍繞科學問題2---構件成形的應力弛豫作用與界面微結構演變與控制展開以下3個方面的研究：（1）復合能場蠕變成形及納米強化相析出狀態(tài)調(diào)控 ① 蠕變時效成形復雜整體構件形狀精度的形成與調(diào)控：針對典型鋁合金曲面整體壁板構件的成形，以構件材料的蠕變時效本構關系為基礎，研究蠕變時效成形的構件幾何特征對回彈量的影響機理，研究蠕變時效的彈－塑性轉變對構件回彈量的影響機理；揭示構件成形精度與多能場作用參數(shù)間的映射規(guī)律，建立基于構件成形操作特性（坯料特征，約束條件、工裝結構、以及加載方式、成形溫度/時間等工藝 參數(shù)等）的回彈預測模型與 計算方法，為確定成形過程操作精度控制的容差范圍和制造誤差補償量提供依據(jù)。綜合考慮局部增強構件提高整體構件使役性能的基本原理，建立復雜整體壁板構件結構的優(yōu)化設計準則，提高構件的強度、剛度和耐久性/損傷容限，確保大弧度壁板的彎曲與局部增強構件的適應性成形的協(xié)同進行，將蠕變成形構件的回彈量最小化。② 高 強鋁合金蠕變時效成形相變/形變行為的交互影響：針對高強鋁合金構件蠕變時效成形過程的加載能場特點、蠕變成形的變形程度、滿足宏觀成形條件下的微結構狀態(tài)，研究蠕 變時效成形的熱/力條件 對壁板構件所用的典型鋁合金強化相析出行為的影響機理，研究典型鋁合金成形過程中析出相種類、形態(tài)對蠕變、應力松弛等形 變行為的影響機制；揭示鋁合金相變/形變力學行為的交互影響規(guī)律，建立基于微 結構強化與軟化物理基礎的時效強化－變載蠕變－應力松弛本構關系；為發(fā)展蠕變時效成形新工藝、創(chuàng)制成形性更高的蠕變成形鋁合金打下理論基礎。③ 構件多能場蠕變時效成形的納米強化相析出的精確調(diào)控：在蠕變時效成形的熱/力條件基礎上， 對成形過程施加具有交變 特性的單一或復合溫度－應力場，研究多能場條件對 成形過程中納米強化相析出的調(diào)控作用，研究預時效處理（包括預先熱時效和預先形變時效等）對成形過程中納米強化相析出的調(diào)控作用；揭示多能場耦合作用對相變激活能和相變動力學行為的影響規(guī)律，探明高強鋁合金構件蠕變時效成形/成性協(xié)同控制的多能 場加載路徑，創(chuàng)建高性能復雜整體構件的多能場蠕變時效成形技術原型。④ 高性能構件蠕變時效成形的構件/材料一體化：由大規(guī)格軋制厚板成形到大規(guī)格復雜結構加工成形，成形全過程的變形程度、變形條件、成形 邊界條件等必須的環(huán)境條件的綜合作用規(guī)律與在此變形條件下構件內(nèi)部組織結構的形成- 演 變至可能 獲得的服役性能，這兩者是并行研究和耦合分析的。從壁板類構件制造的鋁合金板材的成分設計及其微結構與織構組態(tài)調(diào)控出發(fā)，研究高強鋁合金成分對成形的多能場作用下析出相的應力位向效應對構件各向異性的調(diào)控機理，研究成形坯料的織構組態(tài)對構件各向異性的調(diào)控機理；揭示納米強化相與基體晶?？棙嫿M態(tài)耦合對構件成形/成性的影響機理，創(chuàng)建高性能構件蠕變時效成形的構件/材料一體化制造原理與技 術。（2）大型鋁合金薄壁構件塑變與去除成形及其內(nèi)應力、表面完整性主動控制 ① 大型鋁合金薄壁構件板坯制備與切削加工過程中微觀結構演化規(guī)律：研究大規(guī)格鋁材制備界面特征對能量傳遞的影響規(guī)律，建立外場環(huán)境和界面?zhèn)鳠釓娀{(diào)節(jié)方法；研究淬火冷卻狀態(tài)、預拉伸變形條件對厚板組織結構演化的影響機制，尋求材料微觀組織均勻化的調(diào)控方法；研究高速銑削過程外場量對零件表面/亞表面特性（加工表面紋理、表面 層殘余 應力、表面層冷作硬化和表面層微觀組織）的影響規(guī)律；建立加工表面/亞表面特性演 變與服役性能之間映射規(guī)律。② 大型鋁合金薄壁構件制造全過程內(nèi)應力遺傳演化與多尺度預測模型：研究大型鋁合金薄壁構件從厚板熱處理、預拉伸到切削加工各工藝階段的材料內(nèi)部殘余應力空間分布規(guī)律，建立通過表面無損殘余應力測量評估內(nèi)部殘余應力水平的方法；定量描述機械應力、熱應力和組織應力在不同外場參量作用下的平衡消長，基于力- 熱耦合作用機理建立大型鋁合金薄壁構件切削加工表面及內(nèi)部殘余應力的多尺度預測模型，實現(xiàn)大型鋁合金薄壁構件內(nèi)部殘余應力的控制；研究材料內(nèi)部殘余應力分布對大型鋁合金薄壁構件服役性能的影響規(guī)律，建立各工藝階段許 可殘余應力的確定方法。③ 大型鋁合金薄壁構件高速切削變形與表面完整性主動控制：分析大型整體薄壁構件銑削變形規(guī)律，研究材料去除順序與自位支撐剛度強化、刀具路徑規(guī)劃與空間切削力分布、數(shù)控加工誤差補償?shù)雀咚巽娤髯冃沃鲃涌刂萍夹g；研究材料去除尺寸效應、結 構敏感性、主 傳力纖維方向、表面層位錯強化與熱動性等對表面殘余應力影響規(guī)律，基于力－熱耦合作用機理，建立加工表面殘余應力模型，獲得零件表面完整性的主動控制技術。④ 壁板結構-加工表面完整性 -損傷容限的關聯(lián)機制：以提高壁板結構損傷容限為目的，研究構建材 質(zhì)織構方向-主傳力纖維方向的順應設計、止裂為目的的選擇性結構增強設計，研究關鍵部位表面完整性與結構損傷容限的關聯(lián)機制，提出壁板結構增強設計-止裂選擇性增強-加工表面完整性一體化的制造策略。⑤ 大型鋁合金薄壁構件形狀精度協(xié)調(diào)與補償：針對大型薄壁構件的整體配合協(xié)調(diào)問題，研究外形協(xié)調(diào) 與交點協(xié)調(diào)時鋁合金薄壁構件的形變位移，查明協(xié)調(diào)形變位移與殘余應力再分布的映射關系，分析協(xié)調(diào)內(nèi)應力場對構件服役性能的影響。研究協(xié)調(diào)過程中鋁合金薄壁構件形變位移對氣動外形精度的影響，研究最小協(xié)調(diào)形變位移的構件形狀設計原則，反演切削路徑的可行性參數(shù)，提出大規(guī)格鋁合金厚板構件加工的形狀精度工藝補償策略。（3) 復合能 場作用下構件焊接成形及連接區(qū)組織與服役性能控制針對高性能輕質(zhì)合金大型復雜結構焊接成形，存在材料可焊性較差、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性和可控性較低，不能滿足航天航空極端使役環(huán)境要求的關鍵問題，開展焊接新方法及接頭質(zhì)量控制研究，研究工作從以下三方面展開：① 超聲作用下的攪拌摩擦焊接方法及接頭質(zhì)量控制：研究超聲波對焊接區(qū)溫度－應力－流速三場強耦合關系解耦機理及其降阻、降溫和通流效應；研究超聲攪拌焊焊縫組織與性能特征；建立超聲作用下的攪拌摩擦焊的熱－力－流仿真模型；研究超聲波對組織不均勻性、弱結合、焊底微虛焊等缺陷的控制作用；形成接頭的微觀組織與性能的精細控制理論與技術。② 強冷外場下的攪拌摩擦焊接行為及其強化效應：研究高速旋轉攪拌頭周圍強冷介質(zhì)的動態(tài)行為；建立攪拌摩擦焊接產(chǎn)熱模型，分析強冷外場下的焊接熱循環(huán)與溫度場特征；研究接頭各區(qū)內(nèi)的晶粒形態(tài)、尺寸、取向以及沉淀相的溶解、析出、長大和分布規(guī)律；研究焊接工藝參數(shù) 對接頭性能的影響規(guī)律， 優(yōu)化攪拌摩擦焊接工藝，實現(xiàn) 接頭微觀組織和性能的控制。③ 電 子束焊接的圖像傳感及接頭質(zhì)量控制：研究熔池的 傳熱、 傳質(zhì)及流動行為；建立圖象傳感系統(tǒng)和熔深控制模型；分析氣孔的形成機理、提出氣孔的控制方法；研究接頭的微觀組織、力學性能及其與工藝參數(shù)的相關性。圍繞科學問題 3-過飽和凝固成形的多能場作用與偏析調(diào)控展開以下 2 個方面的研究：（1）大型復雜梯度材料高性能鈦合金構件激光近凈成形基礎① 大型復雜梯度材料高性能鈦合金構件激光直接近凈成形熔池非均質(zhì)熔體超常冶金動力學及非平衡快速凝固行為、構件梯度成分和梯度組織演化規(guī)律；② 大型鈦合金結構件激光快速成形超常熱傳輸行為及溫度場，激光直接近凈成形大型復雜梯度材料高性能鈦合金構件材料和輕質(zhì)結構優(yōu)化設計理論、熱處理固態(tài)相變行為、特種梯度顯微組織形成機理；③ 大型復雜梯度材料高性能鈦合金構件激光直接近凈成形工藝、內(nèi)部特殊冶金缺陷形成機理及內(nèi)應力形成規(guī)律，內(nèi)部缺陷外場響應與無損檢測特性。（2）高合金化大規(guī)格構件錠坯過飽和凝固成形與性能的外場調(diào)控① 超聲外場凈化鋁合金熔體作用與機理，外場活化鋁合金熔體微細質(zhì)點的形核作用與機理，外場作用下非均勻形核及相變界面形態(tài)形成規(guī)律，熔體宏觀傳熱流動與微觀相變動力學； ② 電磁場大擾動及超聲波微沖擊的協(xié)同作用下大規(guī)格鑄錠鑄造時的流場與溫度場分布規(guī)律，研究結 晶器、冷卻介 質(zhì)與熔體、液固界面的傳熱、傳質(zhì)行為和熔體的過冷行為，界面的隔離與潤滑及其傳熱強化機理；③ 凝固組織與熔體結構的相關性、外場作用下大規(guī)格鑄錠鑄造時的組織調(diào)控方法，揭示在復合能場 作用下凝固組織在凝固成形、壓力加工、 熱處理過程的演變規(guī)律與組織遺傳規(guī)律；④ 多外場協(xié)同作用的參數(shù)匹配規(guī)律，開發(fā)多外場精確調(diào)控過飽和凝固組織的核心技術與裝備，突破大型鑄錠和構件的規(guī)格極限和組織均勻性極限，形成多外場協(xié)同作用下高成形性凝固組織精確調(diào)控的技術原型。二、預期目標總體目標本項目結合我國航空航天領域戰(zhàn)略發(fā)展對輕質(zhì)高強、高可靠性和功能高效化本體結構的緊迫需求，針對 我國大型復雜高性能整體結構件制造技術發(fā)展嚴重滯后的現(xiàn)狀和技術瓶頸，研究高性能輕合金大型復雜整體構件形/性一體化制造流程的基本規(guī)律，建立獨具特色的大型復雜整體構件制造過程中宏微納多尺度能量通道與形性演變的多物理場調(diào)控原理和技術體系，實現(xiàn)鋁、鈦高性能輕合金大型復雜整體結構件制造技術的跨越，大幅度提升極端服役構件性能水平，推動我國先進制造技術的發(fā)展，有力地支撐國民經(jīng)濟發(fā)展與國家安全。五年預期目標1）揭示框梁類整體構件成形的塑性流變物理場與宏微納觀結構的演變與交互作用機理，建立大型復雜構件不均勻塑變成形熱力耦合作用與晶體缺陷組態(tài)演變理論，發(fā)展構件成形與組織結構性能綜合調(diào)控原理，創(chuàng)立獨具特色的框梁類整體構件超低速等溫模鍛成形、局部加載成形技術。結合大型運輸機需求，研制大型承力隔框（4850×1180×120mm）用新型高強鋁合金（7085－T7452）模鍛件，性能達到國際標準；結合 軍 機研制需求，形成投影面積 2-3 m2鈦合金整體隔框 類構件近凈省力成形技 術；2）探明從鋁合金厚板到整體壁板的制造過程中的應力弛豫特性及其影響構件形狀精度的規(guī)律，揭示多物理場調(diào)控加工界面微納結構提升構件承載性能的機理，創(chuàng)建薄壁構件殘余應力狀態(tài)及銑削表面性能控制方法，發(fā)展超聲波等復合外場調(diào)控的蠕變時效成形和焊接新技術，開辟我國大型航空航天裝備急需的具有氣動外形復雜結構整體壁板類構件制造的新技術途徑。在滿足 5 級（6 級）加工精度的前提下，將大型薄壁構件切削加工效率提高30％，鋁合金曲率型面壁板的型面貼合度不大于 0.5mm，高強鋁合金攪拌摩擦焊接接頭強度系數(shù)不小于 0.75，2.7m 長鈦合金 電子束焊接構件直線度不超過 0.5mm。3）系統(tǒng)建立大規(guī)格高合金化高成形性構件錠坯過飽和凝固成形、梯度材料/梯度組織高性能鈦合金構件激光微區(qū)熔化快速凝固成形/成性的宏微納多尺度能量通道的多能場協(xié)同調(diào)控原理，建立具有我國特色的復合能場連續(xù)鑄造和梯度材料/梯度組織鈦 合金構件激光快速成形的先 進技術原型。錠坯規(guī)格達 800mm 厚，等軸細晶，晶粒尺寸小于 150μm，突破超高強鋁合金鑄錠的尺度與性能限制；梯度功能鈦合金激光快速成形件達600mm×80mm×80mm。4）論文專著、專利與獲獎：發(fā)表論文 200 篇，其中 SCI、EI 源刊物 150 篇，專著2～3 本，申報專利 30～40 項， 獲省部級以上獎勵 3～5 項。5）培養(yǎng)出一批大規(guī)格高性能輕合金材料制備與構件先進制造領域的中青年學術帶頭人，造就一支隊伍，建立與 發(fā)展輕合金材料/構件一體化制造領域的基礎研究和技術創(chuàng)新基地。三、研究方案4.1 學術思路針對航空航天與武器裝備戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)用高性能大型復雜輕合金構件高完整性成形和高性能成性的重大制造難題，結合大型框梁類主承載整體構件及大型氣動復雜外形整體壁板類構件成形制造的全流程，研究其核心科學問題—多能量傳遞通道及其作用機制、構件/材料成形成性全 過程的多尺度結構狀 態(tài)和過程演變、多種結構物理效應向宏觀服役性能的轉化機制，從高性能輕合金大型復雜整體構件形/性一體化制造的系統(tǒng)層面上開展對高性能超大規(guī)格構件的制造新原理與組織性能調(diào)控技術的系統(tǒng)研究，從中探索出啟動構件高服役性能的結構組態(tài)與能量通道，探索出能規(guī)避缺陷高完整性大構件成形的制造環(huán)境規(guī)律，探索出成形成性條件耦合狀態(tài)下的高品質(zhì)制造系統(tǒng)，建立大型復雜高性能輕合金構件精確控形控性的理論基礎和技術原型，提高超大規(guī)格高性能構件的性能和質(zhì)量，滿足國家重大戰(zhàn)略工程發(fā)展的需要。國家重大需求、關鍵科學問題、主要研究內(nèi)容和 預期的源頭創(chuàng)新成果列表如下：國家重大需求 關鍵科學問題 主要研究內(nèi)容 源頭創(chuàng)新成果高性能輕質(zhì)合金材料大型整體主承載框梁構件制造大型復雜構件非均勻塑變成形的熱力耦合與晶體缺陷組態(tài)演變大型鋁合金復雜結構件整體等溫鍛造成形與小角度晶界調(diào)控整體構件不均勻流變成形的晶體缺陷組態(tài)調(diào)控原理與均勻化技術大規(guī)格鈦合金整體構件的局部形變與多相微結構演變及與宏微不均勻性的調(diào)控機制超大規(guī)格整體構件局部流變成形的性能均勻化調(diào)控原理與技術大型鋁合金薄壁構件制備與加工中內(nèi)應力與表面完整性主動控制厚板加工制備與銑削的外場調(diào)控原理復雜整體構件的彈性應力場下蠕變成形及納米強化相析出狀態(tài)調(diào)控復雜整體壁板多能場蠕變時效成形新原理與新技術原型高精度復雜氣動外形整體壁板制造，突破大型整體組合構件的結構效率與整體服役性能的提升構件成形的應力弛豫作用與界面微結構演變及調(diào)控復合能場作用下的焊接新方法及接頭微觀組織演變與控制高性能輕合金構件的先進焊接方法及技術原型大型復雜結構鈦合金激光快速凝固成形整體構件梯度功能鈦合金構件激光成形的凝固微觀組織特性與遠平衡能量輸運原理梯度材料鈦合金構件材料與輕質(zhì)結構設計理論及其激光成形新技術大規(guī)格優(yōu)質(zhì)高強高成形性鋁合金鑄錠過飽和凝固成形的多能場作用與偏析調(diào)控 大規(guī)格優(yōu)質(zhì)高強鋁合金鑄錠成形的外場調(diào)控與組織性能的影響機制大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鑄錠的微結構形成機理與外場調(diào)控技術理論源泉 制造科學，力學，數(shù)學，控制科學，材料科學，物理學4.2 技術途徑本項目結合國家發(fā)展航空航天裝備對輕合金大型復雜結構整體構件的重大需求，突破構件成形/成性分階段孤立進行的傳統(tǒng)技術路線 ，以揭示整體構件成形和性能形成的微納結構的全程演變機理、探求多種成形方法的多尺度能量傳遞通道及其調(diào)控規(guī)律為紐帶，圍繞大型框梁 類主承載整體構件及大型氣動復雜外形整體壁板類構件成形的全流程關鍵技術—包括：鋁合金錠坯半連續(xù)鑄造成形、變溫鍛造、等溫精密模鍛、局部加載成形、采用預拉伸板材的整體冷加工成形、 焊接成形、蠕變時效成形及激光快速成形等—展開多學科交叉基礎研究，揭示輕合金大型復雜整體構件成形/成性的能量通道調(diào)控規(guī)律與宏微納結構演變的交互作用機制，建立輕合金大型復雜結構整體構件制造全流程成形/成性的宏微納結構與性能控制的多物理 場調(diào)控理論與關鍵技術；為大型輕合金復雜結構整體構件的高結構效率設計與制造開辟新的技術途徑，建立大型復雜構件的宏微 納多尺度結構演變控制原理和材料/構件一體化制造的外場調(diào)控與輕合金材料適應性控制技術原型，解決大構件制造加工殘余應力、組織性能均勻性與高成型精度一體化控制等關鍵核心問題，提高超大規(guī)格高性能構件的性能和質(zhì)量，滿足國家戰(zhàn)略 發(fā)展的需要。? 大型復雜構件非均勻塑變成形的熱力耦合與晶體缺陷組態(tài)演變以復雜構件整體鍛造精確成形與回復組織及小角度晶界穩(wěn)定化為調(diào)控主線，構建超強鋁合金的變形塑性圖－抗力圖－再結晶圖，研究鍛造成形溫度－應變－應變速度及第二相對回復和晶界結構的協(xié)同調(diào)控，確立鍛造成形中基體晶粒和亞晶微取向回復組織及其小角度晶界穩(wěn)定化條件，為實現(xiàn)鍛件性能最優(yōu)化奠定基體組織基礎。研究復雜構件低速等/變溫鍛造成形與缺陷抑制， 發(fā) 展抑制鍛造過程組織缺陷（流線紊亂、渦流、折疊等）的調(diào)控方法， 為復雜構件低速等 /變溫模鍛工藝的設計方法與準則提供理論依據(jù)。研究低速等溫成形鍛件固溶時效中晶界與析出相演變及調(diào)控方法，揭示鍛造成形回復組織的小角晶界結構的強韌耐蝕作用及機理，突破大型復雜鍛件的綜合性能。以大型構件局部加載成形中材料不均勻變形、組織性能與形狀尺寸的精確控制為主線，著重研究局部加載 主動不均勻變形調(diào)控理論、多場多因素耦合下微觀組織演變與精確控制理論、多模具、多參數(shù)協(xié)調(diào)下全過程 優(yōu)化設計與精確控制理論，在此基礎上發(fā)展典型代表性的大型復雜構件精確、省力、近 凈成形技術和理論。具體如下：通過物理模擬試驗挖掘影響成形過程的主要工藝因素，分析其基本的成形力學特點、不均勻變形與組織演化特征。采用熱模擬試驗和拉伸試驗建立材料宏觀變形與微觀組織演化耦合模型；通過研究大型整體構件局部加載成形中復雜不均勻塑性變形、缺陷生成的機理，探明不同變 形區(qū)及過渡區(qū)不均勻協(xié)調(diào)變形機理及其對精確成形過程的效應和作用機制，形成局部加載多道次下主動不均勻變形調(diào)控理論；結合對大型復雜整體構件局部加載不均勻變形協(xié)調(diào)分析、組織演化控制、預成形毛坯及加載道次優(yōu)化設計，研究大型復雜整體構件局部加載成形過程、模具和參數(shù)優(yōu)化設計及其反問題，采用正向模擬和反向模 擬相結合的方法，研究通過改變局部加載方式及其多因素的耦合控制材料流動、不均勻變形協(xié)調(diào)及組織演化，獲得不同局部加載條件下工藝—變形—組織—性能的關聯(lián)關系，并建立大型整體構件局部加載成形組織演化與性能預測的多尺度模型和模擬仿真計算方法，揭示多場、多因素耦合下材料組織演化機理及參數(shù)的作用機制，形成多場多因素耦合下微觀組織演變與精確控制理論；從成形精度和性能要求以及主動控制不均勻塑性變形目標出發(fā)，系統(tǒng)研究大型整體構件成形過程的毛坯設計、道次確定、變形量分配、加載條件、潤滑方式及模具設計和優(yōu)化提出創(chuàng)新性構思，形成全過程優(yōu)化設計及精確控制理論。? 構件成形的應力弛豫作用與界面微結構演變及調(diào)控本項目針對我國提升航空航天裝備功能的緊迫需求，以高性能低殘余應力均質(zhì)鋁合金預拉伸厚板制備和高速銑削為基礎，通過引入超聲、非均勻交變載荷等， 發(fā)展多能場蠕變時效成形技術，以及復合外場摩擦攪拌焊接和電子束新焊接技術，開辟航空航天裝備所需更高結構效率、超大型整體壁板構件制造的新技術途徑。根據(jù)國際上已將蠕變時效成形列為制造具有氣動外形復雜結構大型整體壁板關鍵新技術的發(fā)展趨勢，本項 目將從以下幾方面突破蠕變時效成形原理與技術：① 研究不同類型鋁合金成形過程中析出相種類、形態(tài)對蠕變、應力松弛等形變行為的影響機制，揭示鋁合金相變/ 形變力學行為的交互影響 規(guī)律，為發(fā)展蠕變時效成形新工藝、創(chuàng)制成形性更高的蠕變 成形鋁合金打下理論基礎；② 在蠕變時效成形的熱/力條件基礎上，在成形過程前和成形過程中施加具有交變特性的單一或復合溫度－應力場，研究多能場條件對成形 過程中納米強化相析出的調(diào)控作用，探明高強鋁合金構件蠕變時效成形/成性協(xié)同控制的多能場加載路徑， 創(chuàng)建高性能復雜整體構件的多能場蠕變時效成形技術原型；③ 從構件壁板類構件制造的鋁合金板材的成分設計及其微結構與織構組態(tài)調(diào)控出發(fā)，研究高強鋁合金成分、織構組態(tài)對成形的多能場作用下析出相的應力位向效應對構件各向異性的調(diào)控機理，揭示納米強化相與基體晶?？棙嫿M態(tài)耦合對構件成形/成性的影響機理， 創(chuàng)建高性能構件蠕 變時效成形的構件/ 材料一體化制造原理與技術。針對大型鋁合金薄壁構件板坯制備與高速銑削加工過程中殘余應力嚴重影響構件形狀精度的現(xiàn)狀,在直接測量大規(guī)格厚板與構件殘余應力的工程技術仍存在巨大挑戰(zhàn)的的情況下，只有從材料制備到構件裝配全過程殘余應力的演變與評估入手，研究大型鋁合金薄壁構件加工制造全過程殘余應力遺傳演化與多尺度預測模型，建立根據(jù)構件結構特點對厚板殘余應力進行控制與表征的方法，才能攻克制約整體壁板形狀精度的殘余應力全程控制難題。針對大型薄壁構件的整體配合協(xié)調(diào)問題，研究最小協(xié)調(diào)形變位移的構件形狀設計原則，反演切削路徑的可行性參數(shù)，建立形狀精度工藝補償原理。另外，針對鋁合金高速銑削加工的非穩(wěn)態(tài)溫度場與高應變速率特點，研究切削加工過程中表面、亞表面微觀結構演化規(guī)律， 為大型復雜鋁合金薄壁構件高速銑削加工過程的表面完整性和構件性能的主動控制提供依據(jù)針對高性能輕質(zhì)合金大型復雜結構焊接制造的關鍵問題，提出采用超聲、強冷等外加能場以及圖像傳感等控制接頭質(zhì)量的新方法，以集成創(chuàng)新及應用基礎研究為主，形成具有自主知識產(chǎn)權 的焊接新技術， 發(fā)展多能 場下接頭微觀組織演變控制理論，為大型復雜結構的焊接制造奠定基礎。具體路 線 是： 采用試驗研究和模擬分析相結合的方法，分別考慮超聲 場和強冷場的輔助作用，建立攪拌摩擦焊接的數(shù)學模型，揭示焊縫形成的微觀機制；借助各種微觀分析手段，分析接頭微觀組織區(qū)域的構成及分布特征，提出接頭微 觀組織演變的物理模型，探明超聲場和強冷場對接頭微觀組織演變以及焊接缺陷形成的影響規(guī)律，為控制接頭質(zhì)量提供理論依據(jù)；研制電子束圖象傳感系統(tǒng)，提取焊接溶池特征信號，建立焊接熔深控制數(shù)學模型，闡明焊接溶池流動對焊縫成形及氣孔產(chǎn)生的影響機制，實現(xiàn)大厚度鋁合金或鈦合金的焊縫成形控制及焊接缺陷控制。為大型復雜構件整體成形、 選擇 性增強和混雜結構等先進航空設計制造理念提供連接技術支撐。? 過飽和凝固成形的多能場作用與偏析調(diào)控將“梯度材料高性能構件 設計 ”、激光冶金快速凝固“梯度先進金屬材料制備” 、大型復雜高性能梯度鈦合金結構件直接“近凈成形” 有機融 為一體，研究大型鈦合金結構件激光快速成形熔池冶金超常動力學行為及液固界面物理化學行為，揭示大型鈦合金結構件激光成形非平衡快速凝固行為及內(nèi)部缺陷形成機理；研究大型鈦合金結構件激光快速成形超常熱傳輸行為及內(nèi)應力形成規(guī)律，建立大型復雜梯度材料高性能鈦合金構件激光直接近凈成形制造新方法，形成激光快速成形大型復雜梯度材料高性能鈦合金構件力學性能評價新方法，實現(xiàn)“構件 設計－材料制備－構件近凈成形”一體化！以電磁場、超聲場凝固為手段，突破半連鑄鑄錠開裂對超強合金高合金化的制約，在單 一外場（電磁、應力應變場、超聲場和氣場 ）對鋁合金凝固結晶影響及調(diào)控機制研究工作的基礎上，進一步研究復合外場下熔體宏觀傳熱流動與微觀結晶凝固動力學行為，研究結晶前沿形 態(tài)形成規(guī)律，探索 外場作用下大規(guī)格鑄錠鑄造時的組織調(diào)控方法，實現(xiàn)外場作用下大尺寸鑄錠鑄造時的組元協(xié)調(diào)與內(nèi)應力的控制關鍵技術，研究多外場作用下的凝固組織在后續(xù)加工與熱處理過程的演變規(guī)律，揭示外場凝固組織的后續(xù)遺傳規(guī)律。最終 提出實現(xiàn)高強鋁合金大型組織均化與消除內(nèi)部熱應力的外場匹配設計控制準則和大型鑄錠均質(zhì)凝固新技術原型。4.3 創(chuàng)新和特色創(chuàng)新：以高性能空、天用輕合金大型復雜構件的制造為目標，將幾何成型與物理成性全過程進行多尺度耦合研究，建立起輕合金大型復雜構件成形成性統(tǒng)一科學原理和技術支撐體系。1）通過局部加載并結合等溫成形溫度控制和預成形設計，實現(xiàn)不均勻塑性變形、組織性能與形狀尺寸的精確控制，發(fā)展輕合金復雜大件省力、近凈先進成形制造技術；緊密圍繞大型整體構件成形中不均勻變形主動調(diào)控、多場耦合下微觀組織演變與精確控制、多模具、多參數(shù) 協(xié)調(diào)下全過程優(yōu)化設計與精確控制等關鍵基礎科學問題，發(fā)展相關科學理論，開辟大型復雜整體構件成形技術創(chuàng)新的途徑，并提高輕合金復雜大鍛件極端制造能力與水平。2）揭示框梁類構件整體成形的塑性流變物理場與宏微納觀結構的演變與交互作用機理，建立大型復雜構件不均勻塑變成形熱力耦合作用與晶體缺陷組態(tài)演變理論，發(fā)展構件不均勻塑變成形與組織結構性能綜合調(diào)控原理與方法，創(chuàng)立獨具特色的框梁類整體構件低速等溫模鍛成形技術。3）建立大規(guī)格鋁合金厚板加工與構件制造全過程殘余應力遺傳演化多尺度預測模型；基于高速切削過程切削力和切削熱的強耦合作用機制模型，創(chuàng)建以材料高面積去除率為特征的構件加工精度和表面質(zhì)量的主動控制方法；創(chuàng)立高性能復雜結構整體壁板類構件的大規(guī)格鋁材均質(zhì)低殘余應力控制、高速銑削加工與多能場蠕變時效成形技術體系，為構件表面完整性和切削變形的主動控制奠定理論基礎。為我國大型航空航天裝備急需的高性能大型輕合金整體壁板構件制造全流程提供技術支撐4）揭示復合外場作用下蠕變時效成形的微納強化相與彈－塑性轉變交互影響的物理機制，揭示納米強化相與基體晶?？棙嫿M態(tài)耦合對構件成形/成性的影響機理，創(chuàng)建高性能構件蠕變時效成形的構件/材料一體化制造原理與技 術體系。5）發(fā)展外場輔助攪拌摩擦焊、電子束焊等多物理場中能量傳遞與形性演變控制理論；提出超聲波輔助的攪拌摩擦焊接新方法，利用超聲振動能量增加焊接過程的可控性，通過降低材料的變形抗力以及焊接熱效應，從而改善接頭的焊接質(zhì)量、增強材料可焊性，減小 焊接變形；提出強冷場作用下的攪拌摩擦焊接新方法，利用外加的強冷介質(zhì)顯著吸收摩擦產(chǎn)熱，實現(xiàn)對接頭組織和性能的調(diào)控； 提出利用熔池表面圖像傳感的方法，建立電子束焊接過程中熔深與溶池圖象的關系，實現(xiàn)電子束焊接質(zhì)量的控制。6）將“梯度材料高性能構件設計” 、激光冶金快速凝固“梯度先進金屬材料制備” 、大型復雜高性能梯度鈦合金結構件直接“近凈成形”有機融 為一體，實現(xiàn)“構件設計－材料制備－構件近凈成形”一體化。首次在國內(nèi)外開展大型復 雜梯度材料高性能鈦合金構件激光直接近凈成形熔池非均質(zhì)熔體超常冶金動力學、非平衡快速凝固、固態(tài)相變行為。7）通過電磁場、超聲波等外場與溫度場、流 場協(xié)同調(diào)控，使 熔體凝固成形偏離熱力學平衡，調(diào)控凝固組織，使之朝 過飽和、微細化、均勻化等有利方向演變。在建立大規(guī)格高合金化高成形性鑄錠過飽和凝固成形的宏微納多能場協(xié)同調(diào)控理論的基礎上，形成具有我國特色的電磁場/超聲波復合外 場連續(xù)鑄造新技術。特色：1) 重大需求落在實處，針對我國航空航天與武器裝 備制造戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)，解決高性能大型復雜結構件制造的難題；2) 通過多學科的結合，研究同一過程的多尺度多學科 綜合交叉出現(xiàn)的新問題，同時將科學規(guī)律與技術規(guī)律緊密結合，貫通微觀規(guī)律與宏觀應用需求；3）研究隊伍體現(xiàn)工程科學的特點，承擔單位由高校、研究院所、企 業(yè)相結合構成。隊伍知識結構互補增強，主要技術骨干與單位的學科專業(yè)覆蓋飛機設計制造、材料加工制備、構件設計制造等領域。4.4 可行性分析本項目針對我國十六大高技術產(chǎn)業(yè)化重大專項規(guī)劃的飛機、衛(wèi)星應用等專項對大型飛機、火箭提出了前所未有的緊迫需求，攻克制約我國航空航天裝備工具發(fā)展的大規(guī)格復雜構件整體構件全流程的成形/成性的宏微 納多尺度結構演變原理與控制關鍵技術， 為國民經(jīng)濟與國防安全提供制造前沿制造技術保障。本項目的研究工作所涉及的塑性加工理論、局部加載控制不均勻變形理論、等溫成形理論、傳熱傳質(zhì)理論 以及計算機建模仿真方法等近年都有了長足的發(fā)展，為本項目的完成提供了有力的手段。本項目的研究方案和技術路線是根據(jù)材料制造科學與工程的自身發(fā)展規(guī)律，總結國內(nèi)外輕合金復雜大件局部加載近凈成形制造基礎研究與開發(fā)的經(jīng)驗，以及未來發(fā)展趨勢的基礎上提出的，體 現(xiàn)了工藝綜合、技 術綜 合、學科 綜合的現(xiàn)代特征。研究內(nèi)容緊密圍繞國防建設和國民經(jīng)濟發(fā)展的重大需求，也是企業(yè)技術改造與更新的重要方向，可以爭取國家其它計劃和企業(yè)的支持，有利于實用化和產(chǎn)業(yè)化。本 項目具有明確的研究目標和可操作性，有希望取得重大突破。本項目突破了構件成形/成性分階段孤立進行的傳統(tǒng) 技術路線，在我國高性能鋁材與航空航天裝備所需整體構件成形研究各自已經(jīng)獲得的科學認識與工程經(jīng)驗的基礎上，以揭示整體構件性能形成的微納結構的全程演變機理和探求多種成形方法的能量通道調(diào)控規(guī)律為紐帶， 結合國家重大需求所需的輕合金大型復雜結構整體構件制造的工程實踐，尋求材料 /結構一體化制造的多物理 場調(diào)控規(guī)律與作用機理，取得復合能場調(diào)控凝固技術、回復 /蠕變多物理調(diào)控的鍛 造、局部加載、厚板制備與高速銑削的性能與殘余應力控制、蠕 變時效成形和先進焊接技術的突破，建立我國輕合金大型復雜結構整體構件的材料/結構一體化制造原理與技 術體系應是完全可能的。本項目將高性能鋁材制備的優(yōu)勢力量與構件制造的優(yōu)勢力量進行科學整合，承擔單位已經(jīng)具備了各項研究內(nèi)容所涉及的實驗臺架和技術力量，為完成本項目的各項研究內(nèi)容，實現(xiàn)研究目標提供了保障。北京航空航天大學具有較扎實的高性能梯度材料零件激光近凈成形技術研究基礎，1999 年在國內(nèi)率先開展大型復雜梯度材料高性能鈦合金結構件激光快速成形技術及應用基礎研究，激光成形出了 TC18/TC2 梯度材料鈦合金飛機短梁復雜結構件、BT22/TA15/TA2 梯度鈦合金飛機工字梁、 TiAl/TA15 梯度高溫鈦合金材料等高性能輕質(zhì)鈦合金結構件及 TA15/Ti3Al/TiAl 梯度材料航空發(fā)動機壓氣機葉片等工藝樣件并對其梯度組織、性能、熱處理行為等進行了深入的研究。西北工業(yè)大學課題組所研究的輕合金復雜大件局部加載近凈成形制造技術包括三個方面：大型復雜構件局部加載等溫成形技術、大型復雜環(huán)件徑軸向軋制技術、大型復雜薄壁構件旋壓成形技術。這三個方面代表了國內(nèi)外輕合金復雜大件局部加載近凈成形領域的研究開發(fā)熱點及前沿，具有較好的研究經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，經(jīng)過努力，有把握在關鍵科學問題和關鍵技術上取得突破。在以上三個方向上開展研究工作，既可保證項目研究的代表性和學科發(fā)展的帶動性，又可以減少研究風險，確保研究效益。主要參加單位西北工業(yè)大學和研究隊伍是國內(nèi)材料制造科學與工程領域中與本課題研究內(nèi)容密切相關的、具有綜合實力和研究基礎的群體。擁有國家重點實驗室和國防科技工業(yè)難變形材料鍛造技術研究中心、陜西省材料分析測試中心，具有相對先進齊備的輕合金成形制造研究裝備和測試分析手段，與中南大學是國內(nèi)該領域研究開發(fā)基地的強強聯(lián)合。 組織了一支以青年科研骨干為主體、中青年相結合的強大的研究隊伍。參加單位和人 員承擔了大量相關的國家自然科學基金、863 高技術項目的研究工作，取得了一些重要的研究成果，為本課題 的研究打下了良好的基礎。通過良好的組織、協(xié)調(diào)和共同努力，能夠按期完成課題 研究上海交通大學機械制造及自動化二級學科是國家重點學科，下設制造技術與自動化裝備研究所和計算機集成制造研究所。本學科依靠其人才優(yōu)勢、設備優(yōu)勢等有利條件，積極參與國家與上海市高技術計劃， 進行“產(chǎn)、學、研” 合作研究，已經(jīng)完成了 200 余項直接為經(jīng)濟建設和上海市支柱產(chǎn)業(yè)服務的科技項目，為區(qū)域經(jīng)濟及國民經(jīng)濟的發(fā)展作出了重要貢獻。已經(jīng)取得多項國家科技進步二等獎和國家技術發(fā)明獎。本學科擁有大量先進的科研基礎設備，是國內(nèi)高校中最早購進高速切削加工中心的單位，并 較早從事高效精密加工技術的研究。在切削磨削加工方面的科研工作主要有：難加工材料高速切削加工，高效高精度磨削加工技術，非金屬硬脆材料超精密研磨拋光技術，數(shù)控機床誤差 檢測、分離及 補償技術，新型高效刀具設計及制造技術，金剛石薄膜刀具制造技術，機械加工過程故障診斷及預報技術，開放式數(shù)控系統(tǒng)，先進工裝研究等。已經(jīng)得到多 項國家自然科學基金項目、國家 863 計劃項目、國家 973項目、教育部項目、上海市科委、教委和 經(jīng)委項目等 資助，具有雄厚的技術積累。哈爾濱工業(yè)大學課題組所在的現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術國家重點實驗室是我國焊接領域唯一的國家重點實驗室，所在的材料科學與工程學院有國防科工委精密熱加工重點實驗室和分析測試中心。 該國家重點實驗室與世界著名的焊接研究單位有良好的合作交流關系，在國際上具有一定的影響和地位。主要合作單位中南大學機電學院在我國也享有盛名，其科研成果卓著。課題組長期從事鋁合金、 鈦合金焊接技術研究，成功解決了多項航天飛 行器及武器裝備復雜構件的焊接制造關鍵問題。例如，神舟飛船（1-7 號）的返回艙薄壁鋁合金焊接變形問題、高馬赫數(shù)導彈的鈦合金進氣道焊接問題、宇航員出艙用鋁合金復雜結構調(diào)溫調(diào)壓調(diào)濕度構件的焊接制造問題，形成了獨具特色的輕質(zhì)合金材料的焊接研究方向。課題組多年從事焊接應用基礎研究，承擔多項國家自然基金項目，發(fā)表高水平論文 100 余篇，申請發(fā)明專利 20 余項， 獲省部級自然科學一、二等獎 4 項。在國內(nèi)率先開辟了攪拌摩擦焊接的新方向， 進行了各種類型的鋁合金（包括鋁鋰合金）、鈦合金及銅合金的攪拌摩擦焊接，在接頭形成機理、微觀組織演變、摩擦產(chǎn)熱、塑化流 動以及焊具 優(yōu)化等方面開展了深入細致的研究工作，其中 Al-Li 合金筒形樣件的焊接技術已作為大運載火箭貯箱焊接方案設計的依據(jù)。在國內(nèi)高校中最早開展電子束焊接的應用基礎研究，解決了航天領域中鈦合金及鋁合金的焊接技術難題，具有很好的研究基礎。四、年度計劃年度 研究內(nèi)容 預期目標第一年1) 研究鈦合金等溫局部加載材料宏觀不均勻變形行為與微觀組織演化機理;2) 研究建立鈦合金等溫局部加載材料宏觀變形本構關系與微觀組織演化耦合模型;3) 研究多模具、多參數(shù)、多場作用下局部加載精確塑性成形過程與構件性能預測的多尺度建模;4) 研究制備高強鋁合金預成形坯技術,研究高強鋁合金等溫均勻變形抗力和再結晶程度與變形條件的關系;5) 研究高強鋁合金等溫模鍛過程材料在復雜型腔中的充填流變特性;6) 研究蠕變時效成形的基本熱/力條件對高強鋁合金強化相析出行為的影響；7) 研究蠕變成形條件下鋁合金析出相種類、形態(tài)對蠕變、 應力松弛等形變行為的影響；8) 研究蠕變成形壁板的結構特點與回彈預測方法，制作典型件的蠕變成形模具;9) 研究板坯與薄壁構件加工過程中微觀組織和表面/亞表面特性演變；10) 研究預拉伸鋁合金厚板高速切削過程中材料去除機理與工件表面創(chuàng)成機理；11) 研究基于高斯映射的構件形狀精度映射模型；12) 設計厚板構件內(nèi)應力測試試驗系統(tǒng);13) 各種材料購置，焊接工裝夾具設計制造，水下攪拌摩擦焊接系統(tǒng)設計組裝；1) 鈦合金等溫局部加載不均勻變形與微觀組織演化機理;2) 鈦合金等溫局部加載材料宏微觀本構耦合模型;3) 等溫局部加載成形多尺度模型和仿真系統(tǒng);4) 建立高強鋁合金流變本構關系，確定等溫均勻變形過程的回復與再結晶調(diào)控條件;5) 初步確定高強鋁合金等溫模鍛變形條件;6) 闡明 7000/2000 系鋁合金相變/形變行為的交互影響機制；7) 建立基于微結構強化與軟化物理基礎的 7000/2000 系鋁合金蠕變－時效－應力松弛本構關系；8) 獲得板坯與構件加工過程中微觀組織及表面/亞表面特性演化規(guī)律；9) 揭示高面積去除率為特征的高速切削機理；10) 建立特征曲面映射點的高斯圖；11) 搭建構件殘余應力檢測評估試驗平臺；12) 完成水下、超聲焊接系統(tǒng)設計制造；13) 實現(xiàn)水下焊接試驗，揭示電子束焊接熔池傳熱、傳質(zhì)行為；14) 研究出航空航天等領域中具有廣泛應用前景的激光直接近凈成形梯度鈦合金框梁結構及其梯度鈦合金材料/組織體系 2～3 種；15) 研發(fā)出高精度多通道送粉器、熔池監(jiān)測等專用工藝裝置，形成較為完善的大型復雜梯度鈦合金構件激光直接近凈成形平臺；16) 揭示在電磁場/超聲波作用下的傳熱、傳質(zhì)行為，熔體的過冷行年度 研究內(nèi)容 預期目標14) 建立超聲振動組件的動力學耦合模型，優(yōu)化設計超聲攪拌頭，研制超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)；15) 進行水下攪拌摩擦焊接試驗，測量工件上典型位置的焊接熱循環(huán)，拍攝水介質(zhì)的汽化和流動過程；16) 研究電子束焊接熔池及匙孔的形成特點，分析焊縫成形規(guī)律，研究熔池傳熱、傳質(zhì)及流動行為；17) 大型復雜梯度鈦合金構件材料和輕質(zhì)結構設計基礎研究；18) 大型復雜梯度鈦合金構件激光直接近凈成形工藝及專用工藝裝置研究； 19) 激光直接近凈成形梯度材料/梯度組織鈦合金組織分析；20) 結晶器、冷卻介質(zhì)與熔體之間接觸傳熱系數(shù)的確實、液固界面的傳熱、傳質(zhì)行為分析；外場作用下的流場與溫度場模擬； 21) 電磁場與超聲波作用下的熔體過冷行為；22) 無外場作用下的鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化。為及鑄造工藝參數(shù)對溫度場與流場分布的影響規(guī)律。17) 無外場作用下的最優(yōu)化鑄造工藝；18) 發(fā)表論文 20-26 篇，申請專利 4-7 項年度 研究內(nèi)容 預期目標第二年1) 研究多模具、多參數(shù)、多場作用下局部加載近凈成形過程與構件性能預測的多尺度仿真模擬;2) 研究局部加載不同變形區(qū)及過渡區(qū)不均勻協(xié)調(diào)變形機理;3) 研究局部加載方式等多因素耦合與不均勻變形協(xié)調(diào)及成形缺陷的關聯(lián)關系;4) 研究基于等溫局部加載條件控制的不均勻變形調(diào)控方法和理論;5) 研究高強鋁合金等溫低速變形機制；研究高強鋁合金等溫模鍛不均勻變形回復再結晶程度與變形條件的關系;6) 研究高強鋁合金等溫模鍛變形參數(shù)、模具結構對鍛造過程金屬流變特性與流線形態(tài)的影響規(guī)律;7) 研制高強鋁合金承力鍛件；8) 研究典型件構件幾何特征對蠕變成形回彈的影響規(guī)律；9) 研究蠕變成形操作的基本熱/力參數(shù)對構件回彈的影響規(guī)律；10) 研究預處理（包括預先熱時效和預先形變時效等）對鋁合金蠕變成形析出強化相和性能的蠕變量的規(guī)律；11) 設計與制作成形過程中引入多能場的試驗平臺；12) 研究典型結構大規(guī)格鋁合金厚板在預拉伸變形條件下殘余應力分布演化規(guī)律； 13) 研究熱處理和預拉伸工藝參數(shù)對鋁合金厚板殘余應力的影響14) 板坯-構件塑性變形微結構特征的實驗研究；15) 研究切削變形和加工表面完整性的影響規(guī)律；16) 研究超聲攪拌摩擦焊的焊縫成1) 揭示局部加載不同變形區(qū)及過渡區(qū)不均勻協(xié)調(diào)變形機理;2) 局部加載方式等多因素耦合與不均勻變形協(xié)調(diào)及成形缺陷的關聯(lián)模型;3) 不均勻變形調(diào)控方法和理論;4) 確定高強鋁合金等溫模鍛不均勻變形的回復與再結晶調(diào)控條件;5) 形成高強鋁合金復雜構件等溫模鍛成形缺陷抑制的方法;6) 提高高強鋁合金鍛件的耐腐蝕性和斷裂韌性 10%;7) 形成等溫成形實驗研究平臺；8) 建立基于構件幾何特征與蠕變成形基本熱/力參數(shù)的回彈預測模型與計算方法；9) 初步探明構件多能場蠕變成形的蠕變量與析出相協(xié)同調(diào)控規(guī)律；10) 建立成形過程中引入多能場的蠕變成形試驗平臺;11) 7000/2000 系鋁合金蠕變成形回彈量不大于 60%，典型構件型面貼合度不大于 0.75mm;12) 獲得典型結構毛坯內(nèi)部殘余應力分布規(guī)律；13) 獲得厚板板坯內(nèi)應力消減的機械方法技術方案；14) 揭示塑性變形對微結構、殘余應力的影響和作用機理；15) 揭示典型結構零件加工精度和表面完整性的影響規(guī)律；16) 大型鋁合金預拉伸厚板內(nèi)應力控制在±20MPa 以內(nèi);17) 闡明超聲產(chǎn)生攪拌摩擦焊接頭組織和性能及其演變規(guī)律；18) 揭示水下攪拌摩擦焊接溫度場特征，實現(xiàn)電子束焊接熔深控制；19) 獲得大型復雜梯度鈦合金構件激光直接近凈成形熔池超常冶金動力學行為的理論新認識；年度 研究內(nèi)容 預期目標形、微觀組織、接頭性能及其與焊接工藝參數(shù)的變化規(guī)律；17) 分析汽化泡長大及遷移行為，模擬水介質(zhì)的流動特征；建立攪拌摩擦焊接產(chǎn)熱模型，模擬分析焊接溫度場的形態(tài)及特征；18) 研究電子束焊接匙孔形成過程中反沖金屬蒸汽行為，建立金屬蒸汽行為的物理模型；通過試驗分析焊縫成形，對熔透點位置進行分類研究，對深熔焊時熔深的大小進行預測；19) 大型復雜梯度鈦合金構件激光直接近凈成形熔池超常冶金動力學行為研究；20) 梯度鈦合金構件激光直接近凈成形過程內(nèi)應里形成規(guī)律與化學成分梯度演化規(guī)律研究；21) 超聲波對鋁合金熔體的凈化機制及參數(shù)匹配；22) 外場活化鋁合金熔體微細質(zhì)點的形核作用與機理，外場作用下非均勻形核及相變界面形態(tài)形成規(guī)律，熔體宏觀傳熱流動與微觀相變動力學； 23) 無外場條件下冷卻條件對鑄造組織的影響規(guī)律；24) φ500mm 7B50 合金的電磁/超聲波外場鑄造工藝實驗研究。20) 建立構件梯度成分控制方法；21) 激光直接近凈成形梯度鈦合金典型結構試驗件尺寸達到300mm×40mm×40mm；22) 建立外場作用下的凝固動力學模型；23) φ500mm 7B50 合金錠坯等軸細晶，晶粒尺寸小于 200μm；24) 發(fā)表論文 33-43 篇、申請專利 7-11 項；第1) 研究鈦合金構件材料力學性能和微觀組織的關聯(lián)關系；2) 研究不均勻變形協(xié)調(diào)對材料微觀組織演化、缺陷的作用機制；3) 研究局部加載多場耦合作用下微觀組織演化、力學性能及缺陷的預測與控制；4) 研究高強鋁合金等溫模鍛不均勻變形的回復再結晶組織的演變規(guī)律；1) 建立鈦合金構件材料力學性能和微觀組織的關聯(lián)模型；2) 揭示不均勻變形協(xié)調(diào)對材料微觀組織演化、缺陷的影響規(guī)律；3) 建立等溫局部加載微觀組織演化、力學性能及缺陷的預測與控制方法和理論；4) 確立高強鋁合金復雜構件等溫模鍛成形回復再結晶組織的調(diào)控方法與熱力條件；年度 研究內(nèi)容 預期目標三年5) 開展高強鋁合金等溫模鍛不均勻流動填充變形的仿真模擬研究；6) 研究高強鋁合金等溫模鍛的高效潤滑劑；研究潤滑條件對模鍛件流線形態(tài)和表面質(zhì)量的影響;7) 研究成形過程中多能場特性參數(shù)對析出強化相位向效應的影響規(guī)律；8) 研究構件成形過程中多能場特性參數(shù)對典型構件成形精度的影響規(guī)律；9) 研究多能場蠕變成形構件的承載特性;10) 研究厚板熱處理-預拉伸-高速切削工藝過程中殘余應力分布規(guī)律；11) 研究大型整體薄壁零件和大懸伸刀具等弱剛性工藝系統(tǒng)的高效數(shù)控加工工藝參數(shù)規(guī)范；12) 研究壁板幾何結構特征與高速切削方式關聯(lián)機制；13) 研究整體配合要求下構件協(xié)調(diào)形變位移、殘余應力對構件整體形狀與尺寸的影響；14) 研究超聲波對組織不均勻性、弱結合缺陷的控制作用；15) 分析水下攪拌摩擦焊接區(qū)晶粒的形態(tài)、尺寸和取向，研究沉淀相的溶解、析出、長大和分布，確定接頭微觀組織隨焊接工藝參數(shù)的演變規(guī)律；16) 研究電子束焊接氣孔形核特點及氣孔逸出規(guī)律，分析氣孔的生成位置及形成機理，建立相應的模型，提出抑制氣孔產(chǎn)生的方法；17) 大型復雜梯度鈦合金構件激光直接近凈成形熔池非均質(zhì)熔體非平衡快速凝固行為與凝固組織5) 確立高強鋁合金復雜構件等溫模鍛精確成形調(diào)控方法；6) 探明高強鋁合金壁板構件蠕變成形/成性協(xié)同的多能場加載路徑；7) 建立多能場蠕變成形操作參數(shù)的回彈預測模型與計算方法；8) 構建大型鋁合金薄壁構件切削加工表面及內(nèi)部殘余應力的多尺度預測模型；9) 建立高效數(shù)控加工工藝參數(shù)規(guī)范；10) 建立最小能耗切削工藝模型，為提高壁板結構損傷容限創(chuàng)造條件；11) 建立協(xié)調(diào)形變位移分析方法以及大型薄壁構件的協(xié)調(diào)形變位移與殘余應力再分布的映射關系；12) 實現(xiàn)接頭微觀組織及缺陷的控制技術；13) 闡明水下攪拌摩擦焊接頭微觀組織的演變規(guī)律；14) 提出電子束焊接氣孔的抑制方法；15) 獲得大型復雜梯度鈦合金構件激光直接近凈成形快速凝固組織形成規(guī)律的理論新認識；16) 獲得激光直接近凈成形大型復雜梯度鈦合金構件固態(tài)相變行為的理論新認識；17) 建立激光直接近凈成形鈦合金構件梯度組織控制技術；18) 揭示外場參數(shù)與鑄造工藝參數(shù)之間的匹配規(guī)律;19) 厚度 600mm 7B50 合金錠坯等軸細晶，晶粒尺寸小于 200μm;20) 發(fā)表論文 51-62 篇；申請專利 9-13 項。年度 研究內(nèi)容 預期目標形成規(guī)律研究；18) 激光直接近凈成形大型復雜梯度鈦合金構件熱處理工藝及其特種顯微組織研究；19) 梯度組織控制技術研究；20) 研究電磁場對凝固過程的影響，建立電磁場作用下的凝固動力學模型；21) 厚度 600mm 7B50 合金扁錠的電磁/超聲波外場鑄造工藝實驗研究。22) 電磁/超聲波主參數(shù)與 鑄造工藝參數(shù)的匹配。第四年1) 研究多場耦合作用下預成形毛坯優(yōu)化設計與多道次變形之間的耦合作用；2) 研究預成形毛坯優(yōu)化設計、局部加載道次及道次變形量與溫度的確定方法；3) 研究基于多尺度、全過程建模仿真的大型整體構件局部加載成形全過程及模具優(yōu)化設計與精確控制；4) 研究高強鋁合金等溫模鍛鍛件固溶時效組織特征及演變規(guī)律；5) 研究高強鋁合金等溫模鍛鍛件的斷裂腐蝕行為；6) 研制高強鋁合金承力鍛件;7) 研究坯料初始織構組態(tài)和析出相的位向效應對構件各向異性的耦合影響規(guī)律；8) 研究構件成形精度、性能與多能場蠕變成形參數(shù)間的映射規(guī)律；9) 研究蠕變成形對大弧度壁板的彎曲與局部增強結構的適應性。10) 研究材料殘余應力分布對大型鋁合金薄壁構件服役性能的影響規(guī)律；11) 研究切削工藝等對薄壁構件銑1) 建立預成形毛坯優(yōu)化設計方法；2) 形成預成形毛坯優(yōu)化設計、局部加載道次及道次變形量與溫度的確定方法和理論；3) 建立基于多尺度、全過程建模仿真的大型整體構件局部加載成形全過程及模具優(yōu)化設計與精確控制方法和理論；4) 形成投影面積 2～3 m2鈦合金整體隔框類構件近凈省力成形技術原型；5) 揭示高強鋁合金回復亞晶組織強韌耐蝕作用機理；6) 提高高強鋁合金鍛件的耐腐蝕性和斷裂韌性 20%，為大運機用高強鋁合金承力鍛件（4850×1180×120mm）的研制提供技術支撐；7) 建立蠕變成形構件/材料一體化調(diào)控原理與技術；8) 建立整體壁板構件的多能場蠕變成形技術原型；9) 7000/2000 系鋁合金蠕變成形回彈量不大于 50%，典型構件型面貼合度不大于 0.5mm；10) 建立加工表面/亞表面特性演變年度 研究內(nèi)容 預期目標削變形作用規(guī)律；12) 研究構件主傳力纖維方向的順應設計、選擇性結構增強設計與結構損傷容限的關聯(lián)機制；13) 研究協(xié)調(diào)過程中鋁合金薄壁構件形變位移對氣動外形精度的影響。14) 建立超聲攪拌摩擦焊的熱－力－流仿真模型，研究超聲能場與攪拌摩擦焊各物理場的耦合關系及其作用機