航空航天用高性能轻合金大型复杂结构件制造的基础研究

项目名称： 航空航天用高性能轻合金大型复杂结构

起止年限： 依托部门： 件制造的基础研究

李晓谦 中南大学 2010年1月-2014年8月 湖南省科技厅

首席科学家：

一、研究内容

围绕科学问题1---大型复杂构件非均匀塑变成形的热力耦合与晶体缺陷组态演变，结合铝合金整体锻造成形、钛合金局部加载成形的不均匀塑性变形与微观组织、性能演变的特点，展开以下研究： ① 钛合金、超强铝合金锻造成形温度场－应变场－应变速度场与第二相对回复和晶界结构的协同调控：研究锻造成形温度场－应变场－应变速度场与第二相对晶体缺陷组态（亚结构）分布及其回复过程的影响规律，研究严重不均匀塑性变形条件下晶体缺陷增殖与湮灭、组态重构、发展晶体缺陷密度均匀化方法，扩大成形与组织调控的过程窗口， 研究材料宏观变形本构关系与微观组织演化耦合模型，为实现锻件性能最优化奠定基体组织基础。 ② 复杂构件等温/变温锻造成形与缺陷抑制：研究复杂构件等/变温模锻变形抗力与变形条件和缺陷组态及其回复的关系，确立低变形抗力的等/变温模锻热力条件；研究变形参数、润滑条件、模具结构对锻造过程金属流变特性与流线形态的影响规律，发展抑制锻造过程组织缺陷（流线紊乱、涡流、折叠等）的调控方法。研究模锻过程材料在复杂型腔中的充填流变特性，研究复杂型腔不同部位及其润滑状态对模锻件流线形态、表面质量、成形精度、残余内应力的影响，发展复杂构件等温/变温模锻工艺的设计方法与准则。 ③ 成形锻件固溶时效中晶界与析出相演变及其作用：研究回复状态锻件固溶过程中第二相对形变回复亚晶组织和小角晶界的稳定化作用，发展逐步升温固溶稳定微取向回复组织抑制再结晶的方法。研究回复状态锻件时效纳米强化相晶内晶界析出特征及调控方法，研究断裂疲劳腐蚀性能与锻造成形组织晶界结构的关系，揭示组织强韧耐蚀作用机理；研究大型锻件残余内应力对材料断裂韧性、疲劳与腐蚀性能的影响规律及调控方法，突破大型复杂锻件的综合性能。 ④ 局部加载不同变形区及过渡区不均匀协调变形机理与调控机理：研究揭示多模具、多参数、多场作用下大型复杂构件局部加载成形多因素耦合下不同变形区之间及过渡区材料的流动、分流、填充等行为和规律；研究局部加载成形过程中不均匀变形协调的主要因素和影响机制；研究多场耦合作用下预成形毛坯优化设计与多道次变形之间的耦合作用；建立等温局部加载方式等多因素耦合与不均匀变形协调及成形缺陷的关联关系，并揭示局部加载方式等多参数对其的影响规律；获得基于局部加载条件控制的不同加载区及过渡区不均匀变形协调精确成形的机制与调控技术。 ⑤ 基于多尺度、全过程建模仿真的大型整体构件局部加载成形全过程及模具优化设计与精确控制：研究局部加载精确塑性成形过程与构件性能预测的多尺度建模和仿真方法，研究大型复杂整体构件局部加载成形过程、模具和参数优化设计及其反问题，研究通过改变局部加载方式、加载条件及其多因素的耦合控制材料流动、不均匀变形协调及组织演化，揭示不同局部加载条件下工艺—变形—组织—性能的关联关系；以控制与提高成形精度和组织性能为目标，建立大型复杂整体构件局部加载成形过程及模具优化设计与精确控制的理论与方法，为实现轻合金大型复杂构件局部加载精确“成形”和“成性”的一体化制造奠定基础。 围绕科学问题2---构件成形的应力弛豫作用与界面微结构演变与控制展开以下3个方面的研究： （1）复合能场蠕变成形及纳米强化相析出状态调控 ① 蠕变时效成形复杂整体构件形状精度的形成与调控：针对典型铝合金曲面整体壁板构件的成形，以构件材料的蠕变时效本构关系为基础，研究蠕变时效成形的构件几何特征对回弹量的影响机理，研究蠕变时效的弹－塑性转变对构件回弹量的影响机理；揭示构件成形精度与多能场作用参数间的映射规律，建立基于构件成形操作特性（坯料特征，约束条件、工装结构、以及加载方式、成形温度/时间等工艺参数等）的回弹预测模型与计算方法，为确定成形过程操作精度控制的容差范围和制造误差补偿量提供依据。综合考虑局部增强构件提高整体构件使役性能的基本原理，建立复杂整体壁板构件结构的优化设计准则，提高构件的强度、刚度和耐久性/损伤容限，确保大弧度壁板的弯曲与局部增强构件的适应性成形的协同进行，将蠕变成形构件的回弹量最小化。 ② 高强铝合金蠕变时效成形相变/形变行为的交互影响：针对高强铝合金构件蠕变时效成形过程的加载能场特点、蠕变成形的变形程度、满足宏观成形条件下的微结构状态，研究蠕变时效成形的热/力条件对壁板构件所用的典型铝合金强化相析出行为的影响机理，研究典型铝合金成形过程中析出相种类、形态对蠕变、应力松弛等形变行为的影响机制；揭示铝合金相变/形变力学行为的交互影响规律，建立基于微结构强化与软化物理基础的时效强化－变载蠕变－应力松弛本构关系；为发展蠕变时效成形新工艺、创制成形性更高的蠕变成形铝合金打下理论基础。 ③ 构件多能场蠕变时效成形的纳米强化相析出的精确调控：在蠕变时效成形的热/力条件基础上，对成形过程施加具有交变特性的单一或复合温度－应力场，研究多能场条件对成形过程中纳米强化相析出的调控作用，研究预时效处理（包括预先热时效和预先形变时效等）对成形过程中纳米强化相析出的调控作用；揭示多能场耦合作用对相变激活能和相变动力学行为的影响规律，探明高强铝合金构件蠕变时效成形/成性协同控制的多能场加载路径，创建高性能复杂整体构件的多能场蠕变时效成形技术原型。 ④ 高性能构件蠕变时效成形的构件/材料一体化：由大规格轧制厚板成形到大规格复杂结构加工成形，成形全过程的变形程度、变形条件、成形边界条件等必须的环境条件的综合作用规律与在此变形条件下构件内部组织结构的形成-演变至可能获得的服役性能，这两者是并行研究和耦合分析的。从壁板类构件制造的铝合金板材的成分设计及其微结构与织构组态调控出发，研究高强铝合金成分对成形的多能场作用下析出相的应力位向效应对构件各向异性的调控机理，研究成形坯料的织构组态对构件各向异性的调控机理；揭示纳米强化相与基体晶粒织构组态耦合对构件成形/成性的影响机理，创建高性能构件蠕变时效成形的构件/材料一体化制造原理与技术。 （2）大型铝合金薄壁构件塑变与去除成形及其内应力、表面完整性主动控制 ① 大型铝合金薄壁构件板坯制备与切削加工过程中微观结构演化规律：研究大规格铝材制备界面特征对能量传递的影响规律，建立外场环境和界面传热强化调节方法；研究淬火冷却状态、预拉伸变形条件对厚板组织结构演化的影响机制，寻求材料微观组织均匀化的调控方法；研究高速铣削过程外场量对零件表面/亚表面特性（加工表面纹理、表面层残余应力、表面层冷作硬化和表面层微观组织）的影响规律；建立加工表面/亚表面特性演变与服役性能之间映射规律。 ② 大型铝合金薄壁构件制造全过程内应力遗传演化与多尺度预测模型：研究大型铝合金薄壁构件从厚板热处理、预拉伸到切削加工各工艺阶段的材料内部残余应力空间分布规律，建立通过表面无损残余应力测量评估内部残余应力水平的方法；定量描述机械应力、热应力和组织应力在不同外场参量作用下的平衡消长，基于力-热耦合作用机理建立大型铝合金薄壁构件切削加工表面及内部残余应力的多尺度预测模型，实现大型铝合金薄壁构件内部残余应力的控制；研究材料内部残余应力分布对大型铝合金薄壁构件服役性能的影响规律，建立各工艺阶段许可残余应力的确定方法。 ③ 大型铝合金薄壁构件高速切削变形与表面完整性主动控制：分析大型整体薄壁构件铣削变形规律，研究材料去除顺序与自位支撑刚度强化、刀具路径规划与空间切削力分布、数控加工误差补偿等高速铣削变形主动控制技术；研究材料去除尺寸效应、结构敏感性、主传力纤维方向、表面层位错强化与热动性等对表面残余应力影响规律，基于力－热耦合作用机理，建立加工表面残余应力模型，获得零件表面完整性的主动控制技术。 ④ 壁板结构-加工表面完整性-损伤容限的关联机制：以提高壁板结构损伤容限为目的，研究构建材质织构方向-主传力纤维方向的顺应设计、止裂为目的的选择性结构增强设计，研究关键部位表面完整性与结构损伤容限的关联机制，提出壁板结构增强设计-止裂选择性增强-加工表面完整性一体化的制造策略。 ⑤ 大型铝合金薄壁构件形状精度协调与补偿：针对大型薄壁构件的整体配合协调问题，研究外形协调与交点协调时铝合金薄壁构件的形变位移，查明协调形变位移与残余应力再分布的映射关系，分析协调内应力场对构件服役性能的影响。研究协调过程中铝合金薄壁构件形变位移对气动外形精度的影响，研究最小协调形变位移的构件形状设计原则，反演切削路径的可行性参数，提出大规格铝合金厚板构件加工的形状精度工艺补偿策略。 （3)复合能场作用下构件焊接成形及连接区组织与服役性能控制 针对高性能轻质合金大型复杂结构焊接成形，存在材料可焊性较差、焊接质量稳定性和可控性较低，不能满足航天航空极端使役环境要求的关键问题，开展焊接新方法及接头质量控制研究，研究工作从以下三方面展开： ① 超声作用下的搅拌摩擦焊接方法及接头质量控制：研究超声波对焊接区温度－应力－流速三场强耦合关系解耦机理及其降阻、降温和通流效应；研究超声搅拌焊焊缝组织与性能特征；建立超声作用下的搅拌摩擦焊的热－力－流仿真模型；研究超声波对组织不均匀性、弱结合、焊底微虚焊等缺陷的控制作用；形成接头的微观组织与性能的精细控制理论与技术。 ② 强冷外场下的搅拌摩擦焊接行为及其强化效应：研究高速旋转搅拌头周围强冷介质的动态行为；建立搅拌摩擦焊接产热模型，分析强冷外场下的焊接热循环与温度场特征；研究接头各区内的晶粒形态、尺寸、取向以及沉淀相的溶解、析出、长大和分布规律；研究焊接工艺参数对接头性能的影响规律，优化搅拌摩擦焊接工艺，实现接头微观组织和性能的控制。 ③ 电子束焊接的图像传感及接头质量控制：研究熔池的传热、传质及流动行为；建立图象传感系统和熔深控制模型；分析气孔的形成机理、提出气孔的控制方法；研究接头的微观组织、力学性能及其与工艺参数的相关性。 围绕科学问题3-过饱和凝固成形的多能场作用与偏析调控展开以下2个方面的研究： （1）大型复杂梯度材料高性能钛合金构件激光近净成形基础 ① 大型复杂梯度材料高性能钛合金构件激光直接近净成形熔池非均质熔体超常冶金动力学及非平衡快速凝固行为、构件梯度成分和梯度组织演化规律； ② 大型钛合金结构件激光快速成形超常热传输行为及温度场，激光直接近净成形大型复杂梯度材料高性能钛合金构件材料和轻质结构优化设计理论、热处理固态相变行为、特种梯度显微组织形成机理； ③ 大型复杂梯度材料高性能钛合金构件激光直接近净成形工艺、内部特殊冶金缺陷形成机理及内应力形成规律，内部缺陷外场响应与无损检测特性。 （2）高合金化大规格构件锭坯过饱和凝固成形与性能的外场调控 ① 超声外场净化铝合金熔体作用与机理，外场活化铝合金熔体微细质点的形核作用与机理，外场作用下非均匀形核及相变界面形态形成规律，熔体宏观传热流动与微观相变动力学； ② 电磁场大扰动及超声波微冲击的协同作用下大规格铸锭铸造时的流场与温度场分布规律，研究结晶器、冷却介质与熔体、液固界面的传热、传质行为和熔体的过冷行为，界面的隔离与润滑及其传热强化机理； ③ 凝固组织与熔体结构的相关性、外场作用下大规格铸锭铸造时的组织调控方法，揭示在复合能场作用下凝固组织在凝固成形、压力加工、热处理过程的演变规律与组织遗传规律； ④ 多外场协同作用的参数匹配规律，开发多外场精确调控过饱和凝固组织的核心技术与装备，突破大型铸锭和构件的规格极限和组织均匀性极限，形成多外场协同作用下高成形性凝固组织精确调控的技术原型。

二、预期目标

总体目标 本项目结合我国航空航天领域战略发展对轻质高强、高可靠性和功能高效化本体结构的紧迫需求，针对我国大型复杂高性能整体结构件制造技术发展严重滞后的现状和技术瓶颈，研究高性能轻合金大型复杂整体构件形/性一体化制造流程的基本规律，建立独具特色的大型复杂整体构件制造过程中宏微纳多尺度能量通道与形性演变的多物理场调控原理和技术体系，实现铝、钛高性能轻合金大型复杂整体结构件制造技术的跨越，大幅度提升极端服役构件性能水平，推动我国先进制造技术的发展，有力地支撑国民经济发展与国家安全。 五年预期目标 1）揭示框梁类整体构件成形的塑性流变物理场与宏微纳观结构的演变与交互作用机理，建立大型复杂构件不均匀塑变成形热力耦合作用与晶体缺陷组态演变理论，发展构件成形与组织结构性能综合调控原理，创立独具特色的框梁类整体构件超低速等温模锻成形、局部加载成形技术。结合大型运输机需求，研制大型承力隔框（4850×1180×120mm）用新型高强铝合金（7085－T7452）模锻件，性能达到国际标准；结合军机研制需求，形成投影面积2-3 m2钛合金整体隔框类构件近净省力成形技术； 2）探明从铝合金厚板到整体壁板的制造过程中的应力弛豫特性及其影响构件形状精度的规律，揭示多物理场调控加工界面微纳结构提升构件承载性能的机理，创建薄壁构件残余应力状态及铣削表面性能控制方法，发展超声波等复合外场调控的蠕变时效成形和焊接新技术，开辟我国大型航空航天装备急需的具有气动外形复杂结构整体壁板类构件制造的新技术途径。在满足5级（6级）加工精度的前提下，将大型薄壁构件切削加工效率提高30％，铝合金曲率型面壁板的型面贴合度不大于0.5mm，高强铝合金搅拌摩擦焊接接头强度系数不小于0.75，2.7m长钛合金电子束焊接构件直线度不超过0.5mm。 3）系统建立大规格高合金化高成形性构件锭坯过饱和凝固成形、梯度材料/梯度组织高性能钛合金构件激光微区熔化快速凝固成形/成性的宏微纳多尺度能量通道的多能场协同调控原理，建立具有我国特色的复合能场连续铸造和梯度材料/梯度组织钛合金构件激光快速成形的先进技术原型。锭坯规格达800mm厚，等轴细晶，晶粒尺寸小于150μm，突破超高强铝合金铸锭的尺度与性能限制；梯度功能钛合金激光快速成形件达600mm×80mm×80mm。 4）论文专著、专利与获奖：发表论文200篇，其中SCI、EI源刊物150篇，专著2～3本，申报专利30～40项，获省部级以上奖励3～5项。 5）培养出一批大规格高性能轻合金材料制备与构件先进制造领域的中青年学术带头人，造就一支队伍，建立与发展轻合金材料/构件一体化制造领域的基础研究和技术创新基地。 三、研究方案

4.1 学术思路 针对航空航天与武器装备战略产业用高性能大型复杂轻合金构件高完整性成形和高性能成性的重大制造难题，结合大型框梁类主承载整体构件及大型气动复杂外形整体壁板类构件成形制造的全流程，研究其核心科学问题—多能量传递通道及其作用机制、构件/材料成形成性全过程的多尺度结构状态和过程演变、多种结构物理效应向宏观服役性能的转化机制，从高性能轻合金大型复杂整体构件形/性一体化制造的系统层面上开展对高性能超大规格构件的制造新原理与组织性能调控技术的系统研究，从中探索出启动构件高服役性能的结构组态与能量通道，探索出能规避缺陷高完整性大构件成形的制造环境规律，探索出成形成性条件耦合状态下的高品质制造系统，建立大型复杂高性能轻合金构件精确控形控性的理论基础和技术原型，提高超大规格高性能构件的性能和质量，满足国家重大战略工程发展的需要。 国家重大需求、关键科学问题、主要研究内容和预期的源头创新成果列表如下： 国家重大需求 关键科学问题 主要研究内容 源头创新成果 高性能轻质合大型复杂构件金材料大型整非均匀塑变成体主承载框梁形的热力耦合构件制造 与晶体缺陷组大型铝合金复杂结构件整体等温锻造成形与小角度晶界调控 整体构件不均匀流变成形的晶体缺陷组态调控原理与均匀化技术 态演变 大规格钛合金整体构件的超大规格整体构件局部形变与多相微结构演局部流变成形的性变及与宏微不均匀性的调能均匀化调控原理控机制 与技术 大型铝合金薄壁构件制备厚板加工制备与铣高精度复杂气动外形整体壁板制造，突破大型整体组合构件的结构效率与整体服役性能的提升 与加工中内应力与表面完削的外场调控原理 整性主动控制 构件成形的应力弛豫作用与界面微结构演变及调控 复杂整体构件的弹性应力复杂整体壁板多能场下蠕变成形及纳米强化场蠕变时效成形新相析出状态调控 原理与新技术原型 复合能场作用下的焊接新高性能轻合金构件方法及接头微观组织演变的先进焊接方法及与控制 技术原型 梯度材料钛合金构件材料与轻质结构设计理论及其激光成形新技术 大型复杂结构钛合金激光快速凝固成形整过饱和凝固成体构件 形的多能场作梯度功能钛合金构件激光成形的凝固微观组织特性与远平衡能量输运原理 大规格优质高用与偏析调控 大规格优质高强铝合金铸大规格优质铸锭的强高成形性铝合金铸锭 理论源泉 锭成形的外场调控与组织微结构形成机理与性能的影响机制 外场调控技术 制造科学，力学，数学，控制科学，材料科学，物理学 4.2 技术途径 本项目结合国家发展航空航天装备对轻合金大型复杂结构整体构件的重大需求，突破构件成形/成性分阶段孤立进行的传统技术路线，以揭示整体构件成形和性能形成的微纳结构的全程演变机理、探求多种成形方法的多尺度能量传递通道及其调控规律为纽带，围绕大型框梁类主承载整体构件及大型气动复杂外形整体壁板类构件成形的全流程关键技术—包括：铝合金锭坯半连续铸造成形、变温锻造、等温精密模锻、局部加载成形、采用预拉伸板材的整体冷加工成形、焊接成形、蠕变时效成形及激光快速成形等—展开多学科交叉基础研究，揭示轻合金大型复杂整体构件成形/成性的能量通道调控规律与宏微纳结构演变的交互作用机制，建立轻合金大型复杂结构整体构件制造全流程成形/成性的宏微纳结构与性能控制的多物理场调控理论与关键技术；为大型轻合金复杂结构整体构件的高结构效率设计与制造开辟新的技术途径，建立大型复杂构件的宏微纳多尺度结构演变控制原理和材料/构件一体化制造的外场调控与轻合金材料适应性控制技术原型，解决大构件制造加工残余应力、组织性能均匀性与高成型精度一体化控制等关键核心问题，提高超大规格高性能构件的性能和质量，满足国家战略发展的需要。  大型复杂构件非均匀塑变成形的热力耦合与晶体缺陷组态演变 以复杂构件整体锻造精确成形与回复组织及小角度晶界稳定化为调控主线，构建超强铝合金的变形塑性图－抗力图－再结晶图，研究锻造成形温度－应变－应变速度及第二相对回复和晶界结构的协同调控，确立锻造成形中基体晶粒和亚晶微取向回复组织及其小角度晶界稳定化条件，为实现锻件性能最优化奠定基体组织基础。研究复杂构件低速等/变温锻造成形与缺陷抑制，发展抑制锻造过程组织缺陷（流线紊乱、涡流、折叠等）的调控方法，为复杂构件低速等/变温模锻工艺的设计方法与准则提供理论依据。研究低速等温成形锻件固溶时效中晶界与析出相演变及调控方法，揭示锻造成形回复组织的小角晶界结构的强韧耐蚀作用及机理，突破大型复杂锻件的综合性能。 以大型构件局部加载成形中材料不均匀变形、组织性能与形状尺寸的精确控制为主线，着重研究局部加载主动不均匀变形调控理论、多场多因素耦合下微观组织演变与精确控制理论、多模具、多参数协调下全过程优化设计与精确控制理论，在此基础上发展典型代表性的大型复杂构件精确、省力、近净成形技术和理论。具体如下：通过物理模拟试验挖掘影响成形过程的主要工艺因素，分析其基本的成形力学特点、不均匀变形与组织演化特征。采用热模拟试验和拉伸试验建立材料宏观变形与微观组织演化耦合模型；通过研究大型整体构件局部加载成形中复杂不均匀塑性变形、缺陷生成的机理，探明不同变形区及过渡区不均匀协调变形机理及其对精确成形过程的效应和作用机制，形成局部加载多道次下主动不均匀变形调控理论；结合对大型复杂整体构件局部加载不均匀变形协调分析、组织演化控制、预成形毛坯及加载道次优化设计，研究大型复杂整体构件局部加载成形过程、模具和参数优化设计及其反问题，采用正向模拟和反向模拟相结合的方法，研究通过改变局部加载方式及其多因素的耦合控制材料流动、不均匀变形协调及组织演化，获得不同局部加载条件下工艺—变形—组织—性能的关联关系，并建立大型整体构件局部加载成形组织演化与性能预测的多尺度模型和模拟仿真计算方法，揭示多场、多因素耦合下材料组织演化机理及参数的作用机制，形成多场多因素耦合下微观组织演变与精确控制理论；从成形精度和性能要求以及主动控制不均匀塑性变形目标出发，系统研究大型整体构件成形过程的毛坯设计、道次确定、变形量分配、加载条件、润滑方式及模具设计和优化提出创新性构思，形成全过程优化设计及精确控制理论。  构件成形的应力弛豫作用与界面微结构演变及调控 本项目针对我国提升航空航天装备功能的紧迫需求，以高性能低残余应力均质铝合金预拉伸厚板制备和高速铣削为基础，通过引入超声、非均匀交变载荷等，发展多能场蠕变时效成形技术，以及复合外场摩擦搅拌焊接和电子束新焊接技术，开辟航空航天装备所需更高结构效率、超大型整体壁板构件制造的新技术途径。 根据国际上已将蠕变时效成形列为制造具有气动外形复杂结构大型整体壁板关键新技术的发展趋势，本项目将从以下几方面突破蠕变时效成形原理与技术：① 研究不同类型铝合金成形过程中析出相种类、形态对蠕变、应力松弛等形变行为的影响机制，揭示铝合金相变/形变力学行为的交互影响规律，为发展蠕变时效成形新工艺、创制成形性更高的蠕变成形铝合金打下理论基础；② 在蠕变时效成形的热/力条件基础上，在成形过程前和成形过程中施加具有交变特性的单一或复合温度－应力场，研究多能场条件对成形过程中纳米强化相析出的调控作用，探明高强铝合金构件蠕变时效成形/成性协同控制的多能场加载路径，创建高性能复杂整体构件的多能场蠕变时效成形技术原型；③ 从构件壁板类构件制造的铝合金板材的成分设计及其微结构与织构组态调控出发，研究高强铝合金成分、织构组态对成形的多能场作用下析出相的应力位向效应对构件各向异性的调控机理，揭示纳米强化相与基体晶粒织构组态耦合对构件成形/成性的影响机理，创建高性能构件蠕变时效成形的构件/材料一体化制造原理与技术。 针对大型铝合金薄壁构件板坯制备与高速铣削加工过程中残余应力严重影响构件形状精度的现状,在直接测量大规格厚板与构件残余应力的工程技术仍存在巨大挑战的的情况下，只有从材料制备到构件装配全过程残余应力的演变与评估入手，研究大型铝合金薄壁构件加工制造全过程残余应力遗传演化与多尺度预测模型，建立根据构件结构特点对厚板残余应力进行控制与表征的方法，才能攻克制约整体壁板形状精度的残余应力全程控制难题。针对大型薄壁构件的整体配合协调问题，研究最小协调形变位移的构件形状设计原则，反演切削路径的可行性参数，建立形状精度工艺补偿原理。另外，针对铝合金高速铣削加工的非稳态温度场与高应变速率特点，研究切削加工过程中表面、亚表面微观结构演化规律，为大型复杂铝合金薄壁构件高速铣削加工过程的表面完整性和构件性能的主动控制提供依据 针对高性能轻质合金大型复杂结构焊接制造的关键问题，提出采用超声、强冷等外加能场以及图像传感等控制接头质量的新方法，以集成创新及应用基础研究为主，形成具有自主知识产权的焊接新技术，发展多能场下接头微观组织演变控制理论，为大型复杂结构的焊接制造奠定基础。具体路线是： 采用试验研究和模拟分析相结合的方法，分别考虑超声场和强冷场的辅助作用，建立搅拌摩擦焊接的数学模型，揭示焊缝形成的微观机制；借助各种微观分析手段，分析接头微观组织区域的构成及分布特征，提出接头微观组织演变的物理模型，探明超声场和强冷场对接头微观组织演变以及焊接缺陷形成的影响规律，为控制接头质量提供理论依据；研制电子束图象传感系统，提取焊接溶池特征信号，建立焊接熔深控制数学模型，阐明焊接溶池流动对焊缝成形及气孔产生的影响机制，实现大厚度铝合金或钛合金的焊缝成形控制及焊接缺陷控制。为大型复杂构件整体成形、选择性增强和混杂结构等先进航空设计制造理念提供连接技术支撑。  过饱和凝固成形的多能场作用与偏析调控 将“梯度材料高性能构件设计”、激光冶金快速凝固“梯度先进金属材料制备”、大型复杂高性能梯度钛合金结构件直接“近净成形”有机融为一体，研究大型钛合金结构件激光快速成形熔池冶金超常动力学行为及液固界面物理化学行为，揭示大型钛合金结构件激光成形非平衡快速凝固行为及内部缺陷形成机理；研究大型钛合金结构件激光快速成形超常热传输行为及内应力形成规律，建立大型复杂梯度材料高性能钛合金构件激光直接近净成形制造新方法，形成激光快速成形大型复杂梯度材料高性能钛合金构件力学性能评价新方法，实现“构件设计－材料制备－构件近净成形”一体化！ 以电磁场、超声场凝固为手段，突破半连铸铸锭开裂对超强合金高合金化的制约，在单一外场（电磁、应力应变场、超声场和气场）对铝合金凝固结晶影响及调控机制研究工作的基础上，进一步研究复合外场下熔体宏观传热流动与微观结晶凝固动力学行为，研究结晶前沿形态形成规律，探索外场作用下大规格铸锭铸造时的组织调控方法，实现外场作用下大尺寸铸锭铸造时的组元协调与内应力的控制关键技术，研究多外场作用下的凝固组织在后续加工与热处理过程的演变规律，揭示外场凝固组织的后续遗传规律。最终提出实现高强铝合金大型组织均化与消除内部热应力的外场匹配设计控制准则和大型铸锭均质凝固新技术原型。 4.3 创新和特色 创新：以高性能空、天用轻合金大型复杂构件的制造为目标，将几何成型与物理成性全过程进行多尺度耦合研究，建立起轻合金大型复杂构件成形成性统一科学原理和技术支撑体系。 1）通过局部加载并结合等温成形温度控制和预成形设计，实现不均匀塑性变形、组织性能与形状尺寸的精确控制，发展轻合金复杂大件省力、近净先进成形制造技术；紧密围绕大型整体构件成形中不均匀变形主动调控、多场耦合下微观组织演变与精确控制、多模具、多参数协调下全过程优化设计与精确控制等关键基础科学问题，发展相关科学理论，开辟大型复杂整体构件成形技术创新的途径，并提高轻合金复杂大锻件极端制造能力与水平。 2）揭示框梁类构件整体成形的塑性流变物理场与宏微纳观结构的演变与交互作用机理，建立大型复杂构件不均匀塑变成形热力耦合作用与晶体缺陷组态演变理论，发展构件不均匀塑变成形与组织结构性能综合调控原理与方法，创立独具特色的框梁类整体构件低速等温模锻成形技术。 3）建立大规格铝合金厚板加工与构件制造全过程残余应力遗传演化多尺度预测模型；基于高速切削过程切削力和切削热的强耦合作用机制模型，创建以材料高面积去除率为特征的构件加工精度和表面质量的主动控制方法；创立高性能复杂结构整体壁板类构件的大规格铝材均质低残余应力控制、高速铣削加工与多能场蠕变时效成形技术体系，为构件表面完整性和切削变形的主动控制奠定理论基础。为我国大型航空航天装备急需的高性能大型轻合金整体壁板构件制造全流程提供技术支撑 4）揭示复合外场作用下蠕变时效成形的微纳强化相与弹－塑性转变交互影响的物理机制，揭示纳米强化相与基体晶粒织构组态耦合对构件成形/成性的影响机理，创建高性能构件蠕变时效成形的构件/材料一体化制造原理与技术体系。 5）发展外场辅助搅拌摩擦焊、电子束焊等多物理场中能量传递与形性演变控制理论；提出超声波辅助的搅拌摩擦焊接新方法，利用超声振动能量增加焊接过程的可控性，通过降低材料的变形抗力以及焊接热效应，从而改善接头的焊接质量、增强材料可焊性，减小焊接变形；提出强冷场作用下的搅拌摩擦焊接新方法，利用外加的强冷介质显著吸收摩擦产热，实现对接头组织和性能的调控； 提出利用熔池表面图像传感的方法，建立电子束焊接过程中熔深与溶池图象的关系，实现电子束焊接质量的控制。 6）将“梯度材料高性能构件设计”、激光冶金快速凝固“梯度先进金属材料制备”、大型复杂高性能梯度钛合金结构件直接“近净成形”有机融为一体，实现“构件设计－材料制备－构件近净成形”一体化。首次在国内外开展大型复杂梯度材料高性能钛合金构件激光直接近净成形熔池非均质熔体超常冶金动力学、非平衡快速凝固、固态相变行为。 7）通过电磁场、超声波等外场与温度场、流场协同调控，使熔体凝固成形偏离热力学平衡，调控凝固组织，使之朝过饱和、微细化、均匀化等有利方向演变。在建立大规格高合金化高成形性铸锭过饱和凝固成形的宏微纳多能场协同调控理论的基础上，形成具有我国特色的电磁场/超声波复合外场连续铸造新技术。 特色： 1) 重大需求落在实处，针对我国航空航天与武器装备制造战略产业的继续，解决高性能大型复杂结构件制造的难题； 2) 通过多学科的结合，研究同一过程的多尺度多学科综合交叉出现的新问题，同时将科学规律与技术规律紧密结合，贯通微观规律与宏观应用需求； 3）研究队伍体现工程科学的特点，承担单位由高校、研究院所、企业相结合构成。队伍知识结构互补增强，主要技术骨干与单位的学科专业覆盖飞机设计制造、材料加工制备、构件设计制造等领域。 4.4 可行性分析 本项目针对我国十六大高技术产业化重大专项规划的飞机、卫星应用等专项对大型飞机、火箭提出了前所未有的紧迫需求，攻克制约我国航空航天装备工具发展的大规格复杂构件整体构件全流程的成形/成性的宏微纳多尺度结构演变原理与控制关键技术，为国民经济与国防安全提供制造前沿制造技术保障。 本项目的研究工作所涉及的塑性加工理论、局部加载控制不均匀变形理论、等温成形理论、传热传质理论以及计算机建模仿真方法等近年都有了长足的发展，为本项目的完成提供了有力的手段。 本项目的研究方案和技术路线是根据材料制造科学与工程的自身发展规律，总结国内外轻合金复杂大件局部加载近净成形制造基础研究与开发的经验，以及未来发展趋势的基础上提出的，体现了工艺综合、技术综合、学科综合的现代特征。研究内容紧密围绕国防建设和国民经济发展的重大需求，也是企业技术改造与更新的重要方向，可以争取国家其它计划和企业的支持，有利于实用化和产业化。本项目具有明确的研究目标和可操作性，有希望取得重大突破。 本项目突破了构件成形/成性分阶段孤立进行的传统技术路线，在我国高性能铝材与航空航天装备所需整体构件成形研究各自已经获得的科学认识与工程经验的基础上，以揭示整体构件性能形成的微纳结构的全程演变机理和探求多种成形方法的能量通道调控规律为纽带，结合国家重大需求所需的轻合金大型复杂结构整体构件制造的工程实践，寻求材料/结构一体化制造的多物理场调控规律与作用机理，取得复合能场调控凝固技术、回复/蠕变多物理调控的锻造、局部加载、厚板制备与高速铣削的性能与残余应力控制、蠕变时效成形和先进焊接技术的突破，建立我国轻合金大型复杂结构整体构件的材料/结构一体化制造原理与技术体系应是完全可能的。 本项目将高性能铝材制备的优势力量与构件制造的优势力量进行科学整合，承担单位已经具备了各项研究内容所涉及的实验台架和技术力量，为完成本项目的各项研究内容，实现研究目标提供了保障。 北京航空航天大学具有较扎实的高性能梯度材料零件激光近净成形技术研究基础，1999年在国内率先开展大型复杂梯度材料高性能钛合金结构件激光快速成形技术及应用基础研究，激光成形出了TC18/TC2梯度材料钛合金飞机短梁复杂结构件、BT22/TA15/TA2梯度钛合金飞机工字梁、TiAl/TA15梯度高温钛合金材料等高性能轻质钛合金结构件及TA15/Ti3Al/TiAl梯度材料航空发动机压气机叶片等工艺样件并对其梯度组织、性能、热处理行为等进行了深入的研究。 西北工业大学课题组所研究的轻合金复杂大件局部加载近净成形制造技术包括三个方面：大型复杂构件局部加载等温成形技术、大型复杂环件径轴向轧制技术、大型复杂薄壁构件旋压成形技术。这三个方面代表了国内外轻合金复杂大件局部加载近净成形领域的研究开发热点及前沿，具有较好的研究经验和数据积累，经过努力，有把握在关键科学问题和关键技术上取得突破。在以上三个方向上开展研究工作，既可保证项目研究的代表性和学科发展的带动性，又可以减少研究风险，确保研究效益。 主要参加单位西北工业大学和研究队伍是国内材料制造科学与工程领域中与本课题研究内容密切相关的、具有综合实力和研究基础的群体。拥有国家重点实验室和国防科技工业难变形材料锻造技术研究中心、陕西省材料分析测试中心，具有相对先进齐备的轻合金成形制造研究装备和测试分析手段，与中南大学是国内该领域研究开发基地的强强联合。组织了一支以青年科研骨干为主体、中青年相结合的强大的研究队伍。参加单位和人员承担了大量相关的国家自然科学基金、863高技术项目的研究工作，取得了一些重要的研究成果，为本课题的研究打下了良好的基础。通过良好的组织、协调和共同努力，能够按期完成课题研究 上海交通大学机械制造及自动化二级学科是国家重点学科，下设制造技术与自动化装备研究所和计算机集成制造研究所。本学科依靠其人才优势、设备优势等有利条件，积极参与国家与上海市高技术计划，进行“产、学、研”合作研究，已经完成了200余项直接为经济建设和上海市支柱产业服务的科技项目，为区域经济及国民经济的发展作出了重要贡献。已经取得多项国家科技进步二等奖和国家技术发明奖。本学科拥有大量先进的科研基础设备，是国内高校中最早购进高速切削加工中心的单位，并较早从事高效精密加工技术的研究。在切削磨削加工方面的科研工作主要有：难加工材料高速切削加工，高效高精度磨削加工技术，非金属硬脆材料超精密研磨抛光技术，数控机床误差检测、分离及补偿技术，新型高效刀具设计及制造技术，金刚石薄膜刀具制造技术，机械加工过程故障诊断及预报技术，开放式数控系统，先进工装研究等。已经得到多项国家自然科学基金项目、国家863计划项目、国家973项目、教育部项目、上海市科委、教委和经委项目等资助，具有雄厚的技术积累。 哈尔滨工业大学课题组所在的现代焊接生产技术国家重点实验室是我国焊接领域唯一的国家重点实验室，所在的材料科学与工程学院有国防科工委精密热加工重点实验室和分析测试中心。该国家重点实验室与世界著名的焊接研究单位有良好的合作交流关系，在国际上具有一定的影响和地位。主要合作单位中南大学机电学院在我国也享有盛名，其科研成果卓著。课题组长期从事铝合金、钛合金焊接技术研究，成功解决了多项航天飞行器及武器装备复杂构件的焊接制造关键问题。例如，神舟飞船（1-7号）的返回舱薄壁铝合金焊接变形问题、高马赫数导弹的钛合金进气道焊接问题、宇航员出舱用铝合金复杂结构调温调压调湿度构件的焊接制造问题，形成了独具特色的轻质合金材料的焊接研究方向。课题组多年从事焊接应用基础研究，承担多项国家自然基金项目，发表高水平论文100余篇，申请发明专利20余项，获省部级自然科学一、二等奖4项。在国内率先开辟了搅拌摩擦焊接的新方向，进行了各种类型的铝合金（包括铝锂合金）、钛合金及铜合金的搅拌摩擦焊接，在接头形成机理、微观组织演变、摩擦产热、塑化流动以及焊具优化等方面开展了深入细致的研究工作，其中Al-Li合金筒形样件的焊接技术已作为大运载火箭贮箱焊接方案设计的依据。在国内高校中最早开展电子束焊接的应用基础研究，解决了航天领域中钛合金及铝合金的焊接技术难题，具有很好的研究基础。 四、年度计划

年度 研究内容 预期目标 1) 研究钛合金等温局部加载材料1) 钛合金等温局部加载不均匀变形宏观不均匀变形行为与微观组与微观组织演化机理; 2) 钛合金等温局部加载材料宏微观本构耦合模型; 仿真系统; 确定等温均匀变形过程的回复与再结晶调控条件; 形条件; 形变行为的交互影响机制； 基础的7000/2000系铝合金蠕变－时效－应力松弛本构关系； 组织及表面/亚表面特性演化规律； 切削机理； 10) 建立特征曲面映射点的高斯图； 平台； 12) 完成水下、超声焊接系统设计制造； 焊接熔池传热、传质行为； 第 一 年 织演化机理; 2) 研究建立钛合金等温局部加载组织演化耦合模型; 下局部加载精确塑性成形过程与构件性能预测的多尺度建模; 技术,研究高强铝合金等温均匀条件的关系; 材料在复杂型腔中的充填流变特性; 条件对高强铝合金强化相析出行为的影响； 出相种类、形态对蠕变、应力松弛等形变行为的影响； 与回弹预测方法，制作典型件的蠕变成形模具; 9) 研究板坯与薄壁构件加工过程演变； 材料宏观变形本构关系与微观3) 等温局部加载成形多尺度模型和3) 研究多模具、多参数、多场作用4) 建立高强铝合金流变本构关系，4) 研究制备高强铝合金预成形坯5) 初步确定高强铝合金等温模锻变变形抗力和再结晶程度与变形6) 阐明7000/2000系铝合金相变/5) 研究高强铝合金等温模锻过程7) 建立基于微结构强化与软化物理6) 研究蠕变时效成形的基本热/力8) 获得板坯与构件加工过程中微观7) 研究蠕变成形条件下铝合金析9) 揭示高面积去除率为特征的高速8) 研究蠕变成形壁板的结构特点11) 搭建构件残余应力检测评估试验中微观组织和表面/亚表面特性13) 实现水下焊接试验，揭示电子束10) 研究预拉伸铝合金厚板高速切14) 研究出航空航天等领域中具有广年度 研究内容 削过程中材料去除机理与工件表面创成机理； 11) 研究基于高斯映射的构件形状精度映射模型； 12) 设计厚板构件内应力测试试验系统; 13) 各种材料购置，焊接工装夹具设设计组装； 14) 建立超声振动组件的动力学耦合模型，优化设计超声搅拌头，研制超声搅拌摩擦焊接系统； 15) 进行水下搅拌摩擦焊接试验，测环，拍摄水介质的汽化和流动过程； 16) 研究电子束焊接熔池及匙孔的形成特点，分析焊缝成形规律，研究熔池传热、传质及流动行为； 17) 大型复杂梯度钛合金构件材料和轻质结构设计基础研究； 18) 大型复杂梯度钛合金构件激光直接近净成形工艺及专用工艺装置研究； 19) 激光直接近净成形梯度材料/梯度组织钛合金组织分析； 20) 结晶器、冷却介质与熔体之间接触传热系数的确实、液固界面的传热、传质行为分析；外场作用下的流场与温度场模拟； 预期目标 泛应用前景的激光直接近净成形梯度钛合金框梁结构及其梯度钛合金材料/组织体系2～3种； 15) 研发出高精度多通道送粉器、熔池监测等专用工艺装置，形成较为完善的大型复杂梯度钛合金构件激光直接近净成形平台； 传热、传质行为，熔体的过冷行为及铸造工艺参数对温度场与流场分布的影响规律。 17) 无外场作用下的最优化铸造工艺； 4-7项 计制造，水下搅拌摩擦焊接系统16) 揭示在电磁场/超声波作用下的量工件上典型位置的焊接热循18) 发表论文20-26篇，申请专利