多时空脉冲强磁场成形制造基础研究

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
二、预期目标
3.1 总体目标
针对脉冲强磁场成形技术在板管零件制造方面的巨大技术优势和基础薄弱的现状，围绕我国航空航天运载器对高性能、高可靠性板管构件重大需求，通过对多级多向脉冲强磁场成形技术装备原型的创新设计，全面揭示多时空脉冲强磁场作用下的塑性流动、扩散复合及组织结构演变等科学规律，建立以控形与控性相结合的脉冲强磁场柔性成形制造新原理和核心技术体系，实现传统电磁成形的辅助成形向超常能场驱动下的精确塑性流动控制的直接成形的跃升，实现我国板管零件成形制造能力的突破与跨越，适应复杂、高性能、大尺寸以及难变形材料板管零件的成形成性要求，强有力地支撑国家安全与国民经济的可持续发展。

3.2 五年预期目标
1）理论研究方面：
完善并建立多时空脉冲强磁场成形制造的理论体系，解决复杂板管零件成形制造过程的科学问题，揭示电磁驱动高速变形下材料的微观结构演变规律及变形机制，使我国的多时空脉冲强磁场成形制造研究水平跻身国际前列。

（1）建立多时空脉冲电磁力场的设计理论与方法，在多场耦合分析及特定成形力场的设计、高强度磁体设计与结构优化、多模块电源与时序控制等理论分析与设计方面取得突破；
（2）揭示多时空脉冲强磁场对材料大变形过程的塑性流动及其缺陷形成的影响规律，揭示成形零件形状与质量与电磁成形工艺参数和电磁力场时空分布间规律，发展一种复杂板金构件精确塑性流动控制成形方法。

（3）揭示多时空脉冲强磁场的加载作用与路径对小变形过程的变形几何学规律的影响规律，阐明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，建立基于误差补偿反馈的零件外形调控方法，发展一种基于调形调性的壁板和蒙皮结构的抗疲劳制造方法。

（4）揭示强磁场驱动作用下材料超塑性流动规律和界面扩散行为规律，阐明磁场、温度场和力场耦合作用下的超塑性变形微观组织和缺陷演变规律，揭示多场耦合作用对超塑变形机制和扩散动力学的影响，提出利用强磁场驱动作用下的空心结构制造新方法。

（5）揭示脉冲强磁场对材料局部塑性流动及其缺陷形成的影响规律，提出异型管材零件脉冲强磁场成形制造新方法。

（6）阐明电磁驱动高速变形下材料的微观结构演变规律，揭示材料在多场交互作用下的高速变形机理和断裂失效机制。

2）技术应用方面：
为我国航空航天运载器中的一些关键板管零件的高性能、高效率和高品质制造提供核心技术，建立复杂板管零件多时空脉冲强磁场制造技术体系，取得原创性的研究成果。

（1）建立多级多向电磁成形系统理论与方法，突破多级多向脉冲强磁场设计与制造的关键技术，创建多级多向脉冲强磁场成形技术装备原型，可提供大于40特斯拉的磁场强度，电源能量不低于1000 kJ，能实现三级以上脉冲强磁场的控制，并具有电磁辅助加热、电磁成形、电磁压边和工装一体化功能，实现对高性能复杂板管零件的成形制造试验及控制，为开展脉冲强磁场成形技术研究奠定基础。

（2）突破多时空脉冲强磁场作用下大尺寸、高深径比、强塑性流动的筒形结构零件成形制造的关键技术，并在某导弹蒙皮制造中获得验证。

（3）突破多时空脉冲强磁场作用下大尺寸、小曲率、弱塑性流动的壁板或蒙皮构件成形成性制造的关键技术，并在大型客机机身蒙皮制造中获得验证。

（4）突破强磁场与电场交互作用下多层空心结构制造的关键技术，并在某飞机舱门结构单元件的制造中获得验证。

3）论文、人才方面：
（1）发表论文180篇以上，其中SCI和EI收录100篇以上，撰写专著1～3本，申报专利15~25项。

（2）培养一批在脉冲强磁场成形及相关领域的中青年学术带头人，涌现出一批优秀中青年人才，包括博士后、博士和硕士100名左右，造就一支具有重要国际影响的成形制造研究队伍，在此基础上，争取1个国家创新团队。

三、研究方案
4.1 总体研究思路
总体研究思路如图1 所示。

图1 总体研究思路
项目针对航空航天用轻质合金深冲型构件、壁板类构件、管类构件和空心构件等关键零件成形制造的科学问题，建立多时空脉冲强磁场成形制造装备原型，围绕复杂板金结构精确塑性流动控制成形、多层空心结构超塑扩散连接与胀形一体化制造、蒙皮壁板结构控形控性、异型管材零件成形等关键共性技术研究，在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、多时空脉冲强磁场作用下的金属材料流动规律及成形成性控制、金属材料在电磁成形过程中的微观结构演变及性能变化规律等基础科学问题方面取得突破，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，增强航空航天板管类关键零件的成形制造能力，提高我国的高端成形加工技术水平，满足国家重大战略工程发展的需要。

4.2 研究技术路线
1）多级多向脉冲强磁场系统集成及其时空分布研究
针对轻质合金材料、大尺度与复杂工件高精度的成形难点，研究技术路线为：
首先研究多级多向脉冲强磁场系统理论分析与建模，揭示多线圈系统磁场与电磁力时空分布规律，并进一步阐明磁场穿透、涡流在工件及模具中的分布规律、工件运动及变形过程中磁能与动能转换关系。

在此基础上，提出高场强脉冲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方案，建立多级多向线圈高速电磁成形系统理论与方法。

在电磁场理论分析和电磁力时空分布设计方面，针对成形对象的机电特性、结构等特征，分析所需电磁力分布、大小，反演出磁场与涡流分布要求，并进一步提出线圈系统与电源设计方案。

在此基础上，建立全系统理论仿真分析模型，对成形过程中的磁场、涡流、电磁力等参数进行验证，提出最优化结构布局与设计准则研究。

多时空脉冲强磁场系统采用多个磁体线圈、多套脉冲电源的系统方案。

线圈按预先设计的位臵进行布臵，每套线圈由一套脉冲电源独立供电，成形过程中，每套脉冲电源根据其对应线圈产生磁场的方向与功能不同而在时序上独立控制，从而实现磁场与电磁力的时空分布控制，在材料的变形过程中施加多级多向的电磁力，以适应复杂、高性能、大尺寸以及难变形材料板管零件的成形要求。

磁体线圈采用高强高导材料绕制、高强度纤维增强的分布式加固结构，所产生的磁场可到40特斯拉以上。

电源采用自愈型金属化膜电容器，实现高可靠性、高储能密度和小型化设计。

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线圈电流
图2 两级两向脉冲强磁场成形系统示意图
图2为两级两向成形系统示意图，其工作原理为：一、二级涡流线圈主要产生与工件垂直的短脉冲磁场，在工件中感应涡流；一、二级电磁力线圈主要产
生与工件平行的长脉冲磁场，与工件中的涡流相互作用形成电磁力推动工件向模具运动。

起始时刻，触发一级涡流线圈和一、二级电磁力线圈，工件在电磁力作用下由起始位臵1变形到位臵2，由于一级涡流线圈与工件的距离增加，涡流减小，此时启动二级涡流线圈增加工件中的涡流，使其在一、二级成形线圈的作用由位臵2继续运动到位臵3与模具接触，实现最终成形。

该方案中，根据产生涡流与产生电磁力的不同功能，垂直场与平行场分别由不同线圈产生，能实现独立设计与控制；涡流线圈将一个大线圈分为一、二级两个小线圈，既减小了电路的时间常数，容易实现短脉冲，从而在工件中产生强涡流，同时又能根据工件的位臵分时序控制产生涡流；电磁力线圈的位臵根据工件成形要求布臵，保证工件中持续的电磁力作用。

2）基于多时空分布脉冲强磁场成形制造技术
针对多时空脉冲强磁场的电磁成形制造技术，研究技术路线为：首先通过实验研究的方法，揭示金属材料在电磁力驱动和多场耦合作用下的塑变流动行为以及金属材料连接界面扩散行为；在此基础上，建立电磁力作用下的金属材料的流动模型和缺陷表征模型，实现金属材料电磁成形过程的有限元模拟，以揭示电磁成形的普适规律；然后，进一步研究多时空分布脉冲强磁场作用下的材料流动规律，以及成形构件的服役性能和力学性能变化规律，构建多时空脉冲强磁场的随形分布模型和时序控制模型，以实现成形成性制造。

在大变形塑变流动控制成形方面，将基于金属材料在电磁力作用下的塑性流动规律，通过抽象几何特征，探讨材料的塑形流动过程与几何特征间的关系；通过不同的分时加载时间间隔，研究电磁力的作用时序对材料流动的影响，并探讨电磁力与惯性力的相互作用机制。

以ANSYS为平台，建立有限元分析模型和数值计算方法，并通过物理模拟验证和优化调整分析模型。

采用神经元网络技术，实现基于有限元分析的电磁成形工艺优化，并建立多时空脉冲强磁场时空分布模型与几何特征的对应关系。

在强磁场驱动超塑性流动和扩散连接方面，在磁场环境中，采用高温拉伸试验和扩散连接试验，研究试验参数对超塑性流动规律和界面扩散行为的影响，采用小型试样进行超塑胀形试验，研究双向应力状态下的超塑性流动规律，应用现代分析手段和理论分析，研究界面元素扩散规律及动力学；根据空心结构特征，协调设计磁力扩散、磁力胀形和加热单元方案，将线圈布臵于需要连接的位臵，利用电磁力实现连接与扩散。

同时，在相邻两板上施加反向电流，依靠电磁力实现板件胀形。

在强磁场诱导小变形流动成形方面，采用小型试样试验，研究磁场力分布、加载路径和磁场参数等对变形特征和组织性能变化；采用光学无接触测量等数字化外形测量方法，研究工艺参数与实际外形误差和理论零件外形之间的内在规
律，建立零件外形的调控方法；应用现代测试手段研究内应力演化、残余应力分布和微观组织演化规律；根据壁板单元试验件的结构特征，通过开展磁场分布、加载路径和磁场参数等设计与试验，研究工艺参数对壁板单元件的内应力场和外形精度等的影响。

在研究强约束条件下局部金属电磁流动成形与连接方面，采用平面胀形和管材试验研究强磁场作用下的金属局部流动规律，评价缺陷及其形成机制。

在获得相关规律的前提下，优化磁场时空特性参数和外场约束参数实现异形管件的成形与控制。

在复杂金属管件连接成形方面，采用螺线管线圈，利用磁场与金属管中涡流之间的相互作用力将外管推向内管，从而实现连接。

在金属管复合方面，将通过螺线管线圈布臵，实现胀形复合和缩径复合两种加工模式。

3）电磁高速变形微结构特征及变形机理研究
在电磁高速变形材料微结构特征和变形机理的研究方面，以典型Al合金和Ti合金为对象，以单轴拉伸/压缩实验以及简单胀形（Bulge）实验为标准，研究电磁高速变形规律。

通过磁场强度和脉宽的调控，实现应变率、应变量和涡流大小的变化，研究应变率、因变量和涡流对材料变形行为的影响。

为了避免涡流的趋肤效应对变形的不均匀性影响，我们拟利用Hopkinson杆标准实验，并在样品上施加脉冲电流，以阐明脉冲电流对材料高速变形行为和微结构的影响。

借助SEM、TEM（HRTEM）、XRD等先进的微观分析手段研究材料在高速变形后的晶体缺陷特征和演变规律，进而揭示电磁高速变形的微观机理。

借助XRD极图分析技术，研究材料中的织构现象。

一般认为，电磁高速变形下绝热剪切带以及微裂纹的形成可能源于微孔洞的产生，为此，采用正电子湮灭技术研究材料在高速变形过程中的空位及微孔洞的形成及聚集过程，揭示电磁高速变形材料的断裂机制。

采用数值模拟方法分析电磁高速变形裂纹尖端应力场合应变场的分布，以及高速变形产生的弹性波对裂纹扩展的扰动效应，建立电磁高速变形的材料的失效准则。

此外，通过材料在变形过程中的热力学计算和动力学分析，从理论上分析各种晶体缺陷的形条件，建立缺陷演变的晶体学模型。

最后，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-微观结构-力学性能之间的关系。

4.3 可行性分析
本项目最本质的创新在于：在金属材料成形过程中，通过多时空分布的脉冲强磁场，对金属材料施加不同时序和空间上的电磁力，从而控制材料的流动和扩散过程，实现金属材料的成形成性制造。

目前，脉冲强磁场理论和技术的发展，为实现脉冲强磁场的多时空分布，进而控制电磁力的时空分布提供了理论和技术支撑；而力是驱动材料流动成形的基础，能够控制力的分布及其作用的时序就能
控制材料的流动。

因此，无论从原理上还是技术支撑上本项目都是可行的。

本项目主要是针对航空航天领域轻质合金板管类零件的成形制造问题展开的。

其关键难点包括：在板管类零件的电磁成形（连接）过程中，脉冲强磁场与材料间的相互作用存在着动态的非线性关系，必须对多级脉冲强磁场进行高效精确的时序调控，才能形成驱动板管类零件成形（连接）的有效力场分布；材料的变形（扩散）过程中关联着复杂的电磁场-力场-温度场-应变场的多场耦合作用，直接制约着成形（连接）质量和性能，必须对整个成形过程进行有效的预测和控制。

项目组成员单位的工作积累，为解决上述关键难点问题奠定了良好的基础。

华中科技大学依据国家脉冲强磁场科学中心的技术优势，构建了多线圈系统的建模和数值模拟技术，实现了对电磁场、涡流场、温度场、力场及位移场的耦合分析，开发了具有自主知识产权的分析软件。

在线圈研制方面，采用分布式加固等技术实现了一系列50~75特斯拉不同类型脉冲磁体线圈。

在多级线圈方面，项目首席科学家李亮教授成功研制出两级脉冲磁体线圈，将其应用于荷兰自由电子激光器，实现世界首台脉冲磁场回旋共振装备，并参与美国国家强磁场实验室四级脉冲磁体系统的线圈系统研制开发，成功实现89 特斯拉的世界最高场强。

在高功率密度、高可靠性模块化脉冲电源与时序控制系统方面，已采用高储能密度电容器、光触发晶闸管开关等技术，实现了15个1MJ/25kV/50 kA模块的电容型脉冲电源系统。

每个模块都有独立的充电系统和放电开关，所有模块的充、放电由装臵的控制系统按预先设定的时序来实施，为解决多级多向脉冲电磁成形的电源与控制技术难题奠定了基础。

中航工业北京航空工程制造研究所、北京航空航天大学、西北工业大学等单位，先后采用冲压成形、旋压成形、弯管成形、超塑成形与超塑成形/扩散连接技术、喷丸成形和时效成形技术分别制造出了航空航天运载器的大型板金结构件、复杂管件、空心结构和整体壁板等关键构件，对现有成形制造技术存在的问题有深刻的理解，从而使项目组能够很好地把握研究方向，明确需求，攻克关键科学问题和技术难题。

哈尔滨工业大学是我国最早从事电磁成形制造技术研究的单位之一，近三十年来系统地研究了管胀形、缩径与连接，平板成形与冲裁，高强度铆钉低压电磁铆接等典型工艺及典型线圈结构。

研制开发了电磁成形机十余台，用于国内多家单位的实验研究和生产，为我国航天型号舱体的精密成形研制了电磁校形装臵和工艺，显著提高形位和尺寸精度，为后续数控加工及装配精度提供必要保证。

研制的电磁翻孔工艺解决了航天发动机管路系统中大量使用的三通、四通铝合金接头的成形难题。

在异种金属管电磁成形机械连接的基础上，系统进行了铝合金-碳钢管电磁成形连接的动态响应，已获得较高质量的冶金连接接头。

另外，华中科技大学在板料成形过程的数值模拟技术方面已开展了系统深入地研究，在板材大变形塑性流动成形过程的数学模型建立、逆算法求解技术、。