2011CB012800-G多时空脉冲强磁场成形制造基础研究.

项目名称：多时空脉冲强磁场成形制造基础研究首席科学家：李亮华中科技大学

起止年限：2011.11-2016.8

依托部门：教育部

一、关键科学问题及研究内容

2.1 拟解决的关键科学问题

本项目针对航空航天领域中关键复杂板金构件精确塑性流动控制成形、多层空心板结构的强磁场扩散与胀形、壁板结构强磁场诱导成形、复杂管件成形与连接等共性关键技术问题，以多时空脉冲强磁场的调控规律、耦合高能磁场与温度场条件下的高应变速率对组织结构演变和内应力分布的影响、时空分布的力场-热场-应变场耦合作用及其对材料成形成性控制为探索和认识的突破点，揭示基于多时空脉冲强磁场的成形制造过程的科学规律，建立和发展控形与控性相结合的柔性成形制造新原理和核心技术体系。

1）多级多向脉冲强磁场的时空分布规律及其成形力场的调控

传统电磁成形技术所使用设备存在能量低、磁场低、线圈强度低、线圈结构单一，无法满足复杂结构工件的成形成性要求，为此提出多级多向脉冲强磁场电磁成形系统方案，以实现工件多级加载、分区成形以及模具夹具电磁一体化设计。其面临的主要难点和拟解决的关键科学问题包括：研究多级多向线圈系统磁场与电磁力时空分布，解决电磁场、力场、温度场和位移场间耦合分析难题；研究高场强磁体线圈结构优化设计与增强技术，解决特定空间分布磁场的实现、线圈结构与布局最优化等难题；研究多模块脉冲电源协同充放电与时序控制控制技术，解决模块化电源与多时序控制的难题。在解决上述关键科学的基础上，建立多级多向线圈高速电磁成形系统理论与方法。

2）多时空脉冲强磁场作用下材料流动规律及成形成性控制

在多时空脉冲强磁场作用下，金属材料不仅产生高应变速率变形，同时还存在着时空分布的力场-温度场-应变场间的相互作用，这将使金属材料的塑变流动

行为及性能发生显著的变化，并存在着与准静态变形不同的缺陷生成和湮灭机制，是一个高度非线性的瞬态问题。揭示这一过程的科学规律，是实现轻金属材料的成形成性制造的基础。其面临的主要难点和拟解决的关键科学问题包括：材料特性、工件形状、成形力及成形速度等都会影响塑性流动的均匀性，研究金属材料的本构模型、塑变流动规律、金属材料连接的界面扩散机制、以及金属材料成形过程中的缺陷生成和湮灭机制；探讨成形过程中残余应力的分布与控制方法、材料均匀性流动控制方法、以及成形精度控制方法；研究多时空脉冲对成形构件服役性能的影响；构建高应变速率及多场耦合下的金属材料成形过程的物理模型，并通过数值模拟技术，实现电磁成形工艺的优化。

3）脉冲强磁场驱动下材料高速变形的微观结构演变与控制

材料在脉冲强磁场作用下成形是在电磁场、涡流场、温度场和力场的交互作用下的高速变形，材料的变形行为既不同于准静态下的低速变形，也不同于常规的由单一力场作用的高速变形（如Hopkinson杆实验），特别是对于高温变形，强磁场具有促进固态相变和增强原子固态扩散过程的效应。因此，在多场作用下，金属材料高速变形会将产生不同常规的结构变化，这些结构变化进而影响电磁成形后零部件的服役性能。因此需要研究材料在脉冲强磁场作用下的微结构特征，成形工艺对材料组织结构的影响，如位错的萌生与运动、孪晶、剪切带、亚结构的形成条件与影响因素；研究电磁高速变形下残余应力形成机理、影响因素、及其在服役过程中的稳定性；研究电磁连接过程中的原子扩散行为及异类材料的复合机理；研究电磁成形中材料的断裂行为与失效机制。通过对典型结构件在电磁高速变形下组织结构的系统分析，揭示金属材料在脉冲强磁场作用下的变形机理。通过对在不同工艺下成形，具有不同微结构特征的成形件的力学性能测试，

建立电磁成形工艺－微观结构－宏观力学性能三者之间的关系，为脉冲强磁场成形系统设计及成形工艺的优化提供理论指导。

2.2 主要研究内容

1）多级多向脉冲强磁场系统结构布局优化及设计准则研究

传统电磁成形能量低、成形能力有限，难以实现大尺度、复杂构件的高精度成形，为此，提出建立多级多向脉冲强磁场电磁成形系统。针对不同成形结构，研究磁场与电磁力时空分布规律，提出磁场与电磁力特定时空分布的实现方法；研究在不同材质与不同结构中，磁场穿透与涡流在工件及模具中的分布规律；揭示工件运动及变形过程中磁能与动能转换关系；研究实现上述功能的多级多向脉冲强磁场系统建模，提出高场强电磁线圈以及高功率密度、高可靠性模块化脉冲电源与时序控制系统设计；建立多级多向线圈高速电磁成形系统理论与方法。具体研究内容包括：

多级多向线圈系统及磁场时空分布与电磁力的调控

复杂结构中磁场穿透、涡流分布以及能量转换规律

多级多向脉冲强磁场系统建模与设计准则

高性能、轻量化构件多时空脉冲强磁场可工程应用的集成科学基础研究

2）多时空脉冲强磁场作用下的材料宏观成形过程的基础问题研究

针对航空航天领域轻质合金板管零件变形量大、材料成形性能差，导致常规成形方法难以精确成形等问题，系统开展轻合金在多时空脉冲强磁场下快速成形的机理、特点、性能影响机制和影响规律等基本问题的研究。围绕关键科学问题，建立金属材料在高速变形下的本构模型，揭示塑变流动规律，掌握金属材料连接

的界面扩散机制、以及金属材料成形过程中的缺陷生成和湮灭机制；研究脉冲强磁场作用下的构件内应力演化及残余应力分布规律，建立壁板脉冲强磁场强化、调形与成形及其路径规划的理论方法；研究多时空脉冲对成形构件服役性能的影响，探索高速成形过程控制方法，实现成形工艺优化。具体研究内容如下： 多时空脉冲强磁场作用下的材料塑性流动行为及其精确成形控制

多时空脉冲强磁场驱动材料超塑性流动及超塑/扩散连接机理

时空脉冲强磁场诱导材料流动的精确调形与调性

多时空脉冲强磁场驱动材料局部流动行为及复合界面控制

3）电磁驱动高速变形下材料的微观结构演变规律及性能研究

针对我国航空航天运载器常用的典型铝合金及钛合金，系统研究这两类材料在电磁高速变形条件下微结构特征及变形机理，以及微观结构对材料力学性能的影响规律。重点研究典型铝合金和钛合金在电磁高速变形作用下不同晶体缺陷（位错、孪晶、绝热剪切带）的形成条件及影响因素，研究电磁驱动下涡流和温度的交互作用对材料的变形行为和微观组织结构的影响；研究电磁高速变形作用下材料的断裂行为失效机制。此外，通过对在不同工艺下成形，具有不同微结构特征的成形件的力学性能测试，建立成形工艺-组织结构-材料性能之间的关系。主要研究内容包括：

电磁驱动高速变形下的材料微结构演变规律及变形机理

电磁驱动高速变形下材料微结构的温度响应规律

电磁驱动高速变形下材料的断裂行为及失效准则

电磁高速成形后材料的力学性能与微观结构的关系