复杂高筋薄壁构件旋压-增材复合制造技术发展与展望

复杂高筋薄壁构件在航天飞行器中被广泛应用，整体制造是实现这类构件轻量化的重要途径，也是当前制造领域最具有挑战的工程难题之一，其中旋压-增材复合制造代表了复杂高筋薄壁构件整体制造的前沿。近几年，本文作者研究团队在复杂航天薄壁筒段旋压-增材复合制造方向上开展了较为系统的研究工作。从内筋薄壁筒段旋压成形和等材-增材复合制造两个角度对国内外学者研究工作进行总结；同时，从内筋铝合金筒段旋压断裂机制与组织演变规律、筒壁内增材热力学行为与组织调控、旋压-增材复合制造工艺等方面介绍了当前初步研究成果，并对旋压-增材复合制造技术的发展进行了展望。比较全面地梳理了复杂高筋薄壁筒段复合制造技术现状和发展趋势，为复杂薄壁构件整体制造技术研究提供指导。     

2219铝合金热变形行为对精密旋压成形的影响

采用Gleeble-3500热力模拟试验机对2219铝合金进行物理模拟。通过应力-应变曲线和金相组织观察研究了2219铝合金的高温塑性流变行为及其对合金旋压变形的影响。结果显示:2219铝合金在高温塑性变形过程中的流变应力主要受变形温度和应变速率的影响,变形量对其影响不明显;随着变形温度的提高或应变速率的降低,应力-应变曲线中的峰值应力和稳态流变应力均呈现下降的趋势。另外,采用"Gleeble"物理模拟+工艺试验的研制路线有助于实现2219铝合金大型结构件旋压成形的"控形",基于热模拟结果设计特征旋压温度(300～350℃)、进给比(0.6～1.5 mm/r)、变形量(30%)对2219铝板进行旋压变形,可获得内、外表面质量均良好的大型铝合金壳体,其壁厚差0.2 mm,且壳体内型面与理论型面样板单边间隙0.1 mm。     

带螺旋内筋薄壁筒形件旋压变形特征

采用有限元模拟和实验结合的方法,研究了带螺旋内筋薄壁筒形件旋压变形特征。首先建立带螺旋内筋薄壁筒形件旋压有限元模型,并通过实验验证模型的可靠性。然后基于有限元模拟结果,分析旋轮作用下不同区域的应力特征及成形工件不同区域的应变特征。结果表明:筒壁区材料在旋轮作用下受三向压应力,内筋处外层材料受三向压应力,内层材料径向受压应力,切向和轴向受拉应力;成形后工件具有明显的不均匀变形特征,外层材料应变大于内层材料应变,筒壁区材料应变大于内筋处材料应变;筒壁区材料的应变特征为径向压缩应变,切向和轴向为拉伸应变,而内筋区的应变特征主要为外层材料的径向压缩应变和内层材料的径向拉伸应变。     

挤压态喷射成形GH738合金热变形行为及组织研究

在温度950~1150℃、应变速率0.001~1 s–1及工程应变50%条件下,利用Gleeble-3500TM热模拟试验机对挤压态喷射成形GH738合金进行热压缩实验,研究合金的流变应力,建立合金热变形本构关系,利用EBSD分析合金组织演变。结果表明:合金流变应力随温度的升高和应变速率的减小而降低,在相同变形条件下,具有细晶组织特征的挤压态喷射成形GH738合金峰值流变应力低于粗晶组织的铸锻GH738合金;挤压态喷射成形GH738合金热变形激活能为651.08 kJ·mol–1,GH738合金的热变形激活能随着初始平均晶粒尺寸的减小而升高;形变温度的升高使挤压态喷射成形GH738合金初始被拉长的晶粒逐渐演变为等轴再结晶晶粒,在1000℃以上获得完全动态再结晶组织,再结晶组织随形变温度的进一步升高发生长大。     

铝合金盘型件等温辗压过程中晶粒尺寸演化的数值模拟与实验验证

 为了揭示盘型件双面辗压成形过程中微观组织的演化特征,应用数值模拟方法研究了这一成形过程中所发生的动态再结晶和晶粒长大规律.所研究的盘型件材料为铝合金6061,辗压成形温度为350~500 ℃.晶粒尺寸演化规律的数值模拟结果与实验结果基本符合.与整体锻造不同,双面辗压成形没有变形死区,并且越靠近盘型件表面晶粒细化效果越好;辗压头通过对盘型件厚度方向压缩和表面环向剪切两种方式驱动盘型件变形.计算结果表明,即使压下量零增量辗压也会在沟槽附近产生显著变形和晶粒细化,这说明盘型件变形和组织演化主要源于辗压头对盘型件表面的环向剪切;多遍次辗压过程中,第1遍次辗压对晶粒细化的贡献最大,后续辗压的贡献较小;提高成形温度可能会出现动态晶粒长大区,在这种情况下,盘型件上的点将交替发生动态再结晶和动态晶粒长大,最终晶粒尺寸会有一定程度增加.     

喷射成形7055铝合金热变形行为模拟

为研究喷射成形7055铝合金的热变形行为,在应变速率为0．001～5 s －1、变形温度为300～450℃、工程应变量为50％条件下,在 Gleeble-3500热-力模拟试验机上进行热压缩实验。结果表明：喷射成形7055铝合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度升高而减小。在应变速率为5s －1时由变形热引起的温升达25℃,经修正流变应力比实测值增高20 MPa。采用包含 Z 参数的 Arrhenius 双曲线正弦本构方程可准确描述喷射成形7055铝合金的热变形流变应力行为,变形激活能为146．91 kJ·mol －1。所建本构方程的平均相对误差（Er ）为2．89％,说明可准确预测喷射成形7055铝合金的热变形流变应力。     

焊接及热处理对T250马氏体时效钢薄壁旋压圆筒性能的影响北大核心CSCD

采用脉冲TIG焊对T250马氏体时效钢薄壁旋压圆筒进行焊接,通过优化焊接工艺参数,得到了外观成形良好,内部缺陷达到QJ175—93 0级标准要求的焊缝。在焊前和焊后对T250马氏体时效钢薄壁旋压圆筒进行了热处理,研究了热处理对焊接接头金相组织、显微硬度、角变形和力学性能的影响。结果表明:时效处理后,焊缝金属枝晶晶界中存在逆转变奥氏体组织,显微硬度低于母材;熔合线附近焊接热影响区晶粒长大,最大处晶粒约为基材的6倍;焊前时效处理大幅度减小了焊接接头角变形;在焊后对试样进行500℃时效处理的情况下,焊前时效处理使焊接接头抗拉强度和弯曲角都有所提高;焊前对旋压圆筒进行500℃时效处理,焊后进行500℃时效处理,得到了最佳焊缝强韧性匹配。     

Ti1300合金带台阶筒形件旋压工艺研究北大核心CSCD

为了解决Ti1300合金筒形件成形难题和提高铸造管坯的机械性能,开展Ti1300合金筒形件旋压成形工艺研究,分析了旋压工艺参数对旋压成形的影响规律.研究表明：Ti1300合金热旋压温度为800～900℃时可以避免旋压缺陷的产生;进给比在不同道次间有所不同,开坯旋压时采用小进给,为0.5～0.8mm/r,终旋道次采用大进给比,为1.2～2.0mm/r;Ti1300合金的极限减薄率可以达到85％左右,单道次减薄率可以实现45％,在开坯旋压时不易采用超过30％的道次减薄率,随着材料旋压加工硬化,能够实现大减薄率.     

Ti-6A1-4V板材低温超塑性研究

钛合金板材Ti-6Al-4V是先经过多步等温锻造，然后在650℃以下辗轧制成，微观上呈现亚微晶粒结构，晶粒大小为0．3μm，这种板材在板平面内各向同性并具有较强的基部组织，其室温下的屈服强度、极限抗张强度以及疲劳极限均是微晶粒板材的1.2～1.3倍。该板材在650～750℃时出现超塑性能，在750～800℃时用这种板材通过超塑成形／扩散连接加工过一个复杂的壳式结构，该结构具有高的微观结构一致性，扩散粘接质量很高。     

基于BP人工神经网络喷射成形7055铝合金的本构模型

基于Gleeble热力模拟技术对喷射成形7055铝合金的高温流变应力特征规律进行研究,并构建耦合应变量的唯象型Arrhenius本构方程用以预测合金的流变应力,同时基于BP人工神经网络构建该材料的神经网络型本构方程对比预测流变行为。结果表明:喷射成形7055铝合金的流变应力状况受变形参数的影响较为显著,与变形温度呈负相关,并与应变速率呈正相关。利用两类本构模型预测该合金的流变应力,其中唯象型Arrhenius本构方程的平均相对误差δ值大于2%,该模型的预测误差随变形温度升高呈上升趋势,且在热加工温度区间下(450℃左右),平均绝对误差及平均相对误差达到峰值,较难精准预测该变形区间内合金的流变应力特征。而BP人工神经网络模型的预测准确度更高,平均相对误差δ值仅为0.813%,且具有较高的温度稳定性。     

超高强韧稀土镁合金直筒段锻造成形工艺

基于航天型号对超高强韧稀土镁合金构件产品的迫切需求，本文以航天器中的直筒段产品为研究对象，采用近等温锻造挤压成形工艺技术，开展VW84M高强韧稀土镁合金材料的锻造工艺性能研究，分析了直筒段的工艺结构特点，制定了直筒段的锻造成形工艺，通过三维建模、数值模拟技术和成形工艺试验，研究了直筒段的成形过程，分析了坯料的金属流动、温度变化特点，并通过成形工艺试验试制出锻件产品。结果表明，VW84M稀土镁合金在440 ℃的锻造温度时，在合适的挤压速度下具备良好的塑性成形性能，该材料具备实际工程应用能力；数值模拟得到的挤压载荷为64.72 MN，实际挤压载荷为60 MN，相差7.8 %，数值模拟结果与工程试验有较高的结合度；工艺试验得到的直筒锻产品，切、轴向力学性能指标优于预期，抗拉强度不小于340 MPa、屈服强度不小于210 MPa、延伸率不小于6 %的指标值。直筒段产品金属流线分布较为均匀，切向力学性能优于轴向。     

TA15钛合金环件径轴向辗轧成形全过程组织演变模拟

钛合金环件径轴向辗轧成形制造全过程通常包含加热环坯转移、辗轧成形及轧制环件冷却3个阶段,而每个阶段都将对最终环件的微观组织产生重要影响。因此,研究阐明钛合金材料在该成形制造全过程的微观组织演变特征与规律,对控制环件最终的组织和性能至关重要。以TA15钛合金环件径轴向辗轧为研究对象,首先阐明了TA15钛合金在上述各阶段的微观组织演变机制与演变模型,进而基于ABAQUS软件平台,建立了TA15钛合金环件径轴向辗轧成形制造全过程的宏微观耦合有限元(FE)模型。通过大量模拟研究表明:加热环坯转移阶段促使初生α相的体积分数增加,晶粒尺寸略微增大;辗轧成形阶段一定程度上细化了初生α相晶粒尺寸,而对初生α相体积分数影响不明显;轧制环件冷却阶段会使初生α相体积分数明显增加,晶粒尺寸增大。     

机械合金化Al－Ti合金的力学性能

采用真空热压及热静液挤压将机械合金化Ａｌ－Ｔｉ合金粉末固结成形。测试了挤压棒材的机械性能，并对材料的微观组织结构进行了分析。结果表明，球磨使钛过饱和地溶解于铝基体中，在热固结成形过程中，以细小弥散分布的Ａｌ３Ｔｉ金属间化合物（约３０ｎｍ）析出。由于Ａｌ３Ｔｉ对晶内位错滑移的阻碍作用，使合金强度提高。合金的晶粒细小（约０．３μｍ），且由于Ａｌ３Ｔｉ对晶界迁移的阻碍作用，晶粒尺寸在４００℃热处理时长大不明显，故Ａｌ３Ｔｉ弥散相具有良好的抗粗化能力，使得Ａｌ－Ｔｉ合金具有较好的热稳定性。     

2219铝合金搅拌摩擦焊结构ECA评定

基于含缺陷结构断裂评定的COD设计曲线与净截面屈服失效判据,对2219铝合金搅拌摩擦焊结构进行了工程临界评定(ECA)。分析了2219铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区、热机影响区、热影响区和母材区的临界裂纹尺寸,确定了不同载荷水平下2219铝合金搅拌摩擦焊结构的表面缺陷容限,并对特定内压下2219铝合金运载火箭贮箱筒段搅拌摩擦焊纵缝进行了ECA评定,为2219铝合金搅拌摩擦焊结构的断裂控制提供了参考。研究结果表明,纵向前进边热影响区为2219铝合金搅拌摩擦焊接头断裂控制的关键区域,特定内压条件下给定的表面缺陷可以接受。     

变形参数对挤压成型镍基粉末高温合金 固溶热处理晶粒组织的影响

进行双锥体试样热模拟压缩实验,研究变形温度、应变速率及应变状态对一种挤压成型镍基粉末高温合金固溶热处理晶粒组织的影响,获得在变形温度1060～1120℃,应变速率0.003～0.3 s–1范围内,变形温度、应变速率与热处理晶粒组织的对应关系。结果表明:在相同应变量下,温度一定,应变速率越大,流变应力越大;应变速率一定,温度越高,流变应力越小;在相同应变速率下,较低变形温度的试样晶粒组织出现不均匀的现象;在相同的变形温度下,三种应变速率下的试样平均晶粒尺寸为18～20μm,但较大应变速率的试样明显出现不均匀晶粒组织。为获得均匀的晶粒组织,更适合的热变形参数为:变形温度1120℃,应变速率0.003 s–1。在相同的变形温度和应变速率下,随局部应变的减小,平均晶粒尺寸呈逐渐增大的趋势。     

热变形条件对含银Al-Cu-Mg耐热铝合金流变应力和组织的影响

采用热模拟试验对一种含银Al-Cu-Mg耐热铝合金进行热压缩试验,研究了合金在热压缩变形温度和应变速率分别为340～500℃,0.001～10s-1的条件下的流变应力行为和变形组织.结果表明:合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小.该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程来描述,也可用Zener-Hollomon参数来描述,其变形激活能为196.27kJ/mol.在较低的变形温度或较高的应变速率下,合金组织中主要存在沿垂直于压缩方向拉长了的晶粒.随着变形温度的升高或应变速率的降低,拉长的晶粒发生粗化,并且合金中出现了再结晶晶粒,说明合金中的主要软化机制逐步由动态回复转变为动态再结晶.该合金较适宜的热轧温度为380～460℃,应变速率为0.1～10s-1.     

2219厚板铝合金TIG和MIG焊接接头组织与性能对比研究

对15mm厚2219-C10S铝合金分别进行钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）对接试验,对接头焊缝成形、内部质量、组织形貌及力学拉伸性能进行对比分析。结果表明：TIG焊缝表面光亮洁净,鱼鳞纹美观,焊缝内部近无缺陷,MIG焊接头焊缝飞溅较多,焊缝表面较为粗糙,焊缝内部存在少数单个小气孔。TIG焊缝晶粒尺寸较为细小,分布均匀,MIG焊盖面的焊缝组织晶粒则比较粗大,分布不均,热影响区比TIG焊接头的晶粒更为粗大。两种接头的熔合区组织不均匀,晶粒大小不一。常温拉伸试验中,两种接头均沿熔合区断裂,TIG焊接头强度和塑性要优于MIG接头。     

Haynes 282新型高温合金晶粒长大行为及数学模型研究

为了研究新型合金在高温状态下的晶粒长大行为，进行了Haynes 282合金在973～1 373 K条件下保温0～10 800 s的晶粒长大实验，通过实验分析了保温时间和保温温度对其晶粒尺寸的影响，研究了晶粒尺寸在其实验条件下的演变规律。由此构建了符合Haynes 282合金晶粒长大的数学模型，该模型的建立能够有效表征Haynes 282合金在高温下的晶粒长大行为。     

GH4061合金涡轮球壳模锻成形工艺及微观组织分析

涡轮球壳作为液体火箭发动机的关键件，影响着火箭发射的成败。而采用传统自由锻工艺生产的涡轮球壳性能一直无法满足设计要求，基于此本文提出采用模锻工艺进行涡轮球壳成形，通过对GH4061微观组织及涡轮球壳成形过程仿真模拟，系统地研究了GH4061合金最佳成形温度及临界变形量参数规律和涡轮球壳成形过程的应变分布特点。结果表明：GH4061合金最佳成形温度为1 000 ℃，最佳变形量为20%～40%。涡轮球壳采用挤压模锻工艺生产，坯料在模具中充填完整，不存在缺肉、夹杂、裂纹等缺陷，端面平正，飞边分布均匀，各尺寸及性能满足锻件要求。成形过程中变形量最小的位置在涡轮球壳下端面，晶粒尺寸ASTM 5～6级。     

热等静压对激光选区熔化成形GH4169合金持久性能的影响

采用激光选区熔化(SLM)成形技术制备了GH4169合金,运用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等分析手段分析了热等静压对SLM成形GH4169合金组织及持久性能的影响规律。结果表明:沉积态合金组织中,沿沉积方向的晶粒为柱状晶,晶粒内枝晶组织细小,枝晶间分布大量Laves相;热等静压处理可有效消除组织中气孔缺陷,溶解大部分Laves相,促使组织晶粒等轴化,并减少后续980℃固溶处理过程中δ相在晶内的析出;热等静压处理能提高合金的持久寿命,但会降低合金的持久塑性。