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。