项目名称： 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首席科学家： 李晓谦 中南大学起止年限： 2010年1月-2014年8月依托部门： 湖南省科技厅一、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。