开拓塑性成形制造极限共性关键理论及其实践——解读Deformation-based Processing of Materials: Behavior,Performance, Modeling,and Control

随着航空、航天、能源、汽车、电子产品和生物医学工程等领域的持续发展,迫切需要其高端装备关键构件具有高性能、轻量化和高功效等特性,同时要求缩短产品设计开发周期、降低生产成本和实现绿色、智能制造。基于变形特有的体积转移和组织调控优势的材料加工技术即塑性成形方法,具有生产效率高、生产成本低、材料利用率高、产品性能好、服役性能强和产品技术附加值高等优点,成为先进制造领域的基础支撑技术,也是成形制造高端装备关键构件不可替代关键生产工艺。Deformationbased Processing of Materials:Behavior,Performance,Modeling,and Control一书围绕材料变形中宏微观成形缺陷预测和控制这一制约成形精度和极限的关键共性问题,从非均匀变形、损伤断裂、压缩失稳、回弹、表面粗化、流动缺陷、微结构异常缺陷7个方面,系统阐述了材料不均匀变形的现象和机理、材料和成形过程多尺度建模仿真优化,并通过案例阐述了新提出的理论和技术在实际中的应用情况,最后讨论了基于变形的材料加工技术的发展趋势及面临的挑战。     

[成形过程的数据挖掘与深度学习方法]基于机器学习的管材弯曲回弹有效预测与补偿

采用基于优化的误差反向传播(BP)神经网络的机器学习算法建模，提出了考虑材料参数、几何参数等多因素的弯管回弹精确预测和高效控制方法。该方法通过引入非线性惯性权重及遗传算法的杂交算子，改进了粒子群优化(PSO)算法，进而通过改进的PSO算法对BP神经网络进行优化，构建了基于改进的PSO-BP神经网络机器学习回弹预测和补偿模型。以多种规格的铝合金数控弯管构件为对象，将实际生产中不同规格、批次、成形参数下回弹数据作为训练样本，实现了所建机器学习预测模型的应用验证。所建模型获得的预测结果平均相对误差为6.3%，与未优化的BP神经网络等传统模型相比，预测精度最大提高了18.5%，计算时间可从1.5 h缩短至300 s，同时实现了回弹预测与补偿精度以及计算效率的显著提高。     

激光立体成形TC4钛合金的热力场演化

激光立体成形能够实现高性能复杂零件的精确成形，但成形过程中的高温度梯度极易导致残余应力和变形，最终影响构件的几何精度和力学性能。通过搭建基板单边夹持原位热变形测量系统，探究了多道多层TC4钛合金成形件在激光立体成形过程中基板温度、变形的演化规律，分析了不同扫描策略对构件热应力场的影响。研究结果表明，构件的变形发展受其热历史驱使，扫描策略对成形件的热变形具有显著影响。     

Sn改性Ti-Zr-Cu-Ni钎料的微观组织和力学性能

采用自制Ti-Zr-Cu-Ni-Sn钎料钎焊TA2钛合金,研究了不同Sn元素含量改性Ti-Zr-Cu-Ni钎料的熔化特性、微观组织及物相、润湿及熔蚀性、接头拉伸强度。研究表明,Sn含量增加,Ti-Zr-Cu-Ni-Sn钎料固、液相线温度基本升高,但温度差值基本变窄,可更好地抑制钎焊界面脆性化合物形成。Ti-Zr-Cu-Ni-5Sn钎料组织由Ti、Zr基体和晶体相构成,Sn倾向与Ti、Zr结合形成Ti₂Sn₃、Ti₆Sn₅、Zr₅Sn₃等低熔点共晶相。Sn≤1.5%时,随Sn含量增加,钎料对TA2钛合金的润湿性逐渐变差;继续增加Sn,钎料润湿性改善,添加5%Sn的钎料对基体润湿最佳。添加5%Sn并降低Cu、Ni总量的改性钎料对TA2钛合金熔蚀减弱。相同钎焊工艺下,添加5%Sn接头的强度和塑性均有提升。钎焊温度升高,Ti-Zr-Cu-Ni钎料产生更多强化物相,致接头强度大幅提升,而Ti-Zr-Cu-Ni-5Sn钎料产生的含Sn物相强化作用对接头强度提升有限;相...     

基于机器视觉的钛合金焊接过程非平衡凝固组织性能智能控制

信息技术的发展使制造业逐步向“智造”转变。人工智能技术已成为精密铸造、焊接和增材制造等制造工艺由控形走向控性的共性关键技术。在这些工艺中非平衡凝固组织性能调控机理是限制其发展的基础科学问题。基于先进的人工智能技术发展控形控性一体化技术、构建完善的工艺质量体系对推动铸造、焊接、增材制造等制造工艺迈上新的台阶至关重要。与传统的物理冶金和铸造相比,增材制造、焊接、激光熔覆修复、单晶生长等过程的核心理念是“控制微区冶金过程”,即通过控制温度梯度、凝固速率、熔池尺度等关键工艺参量的作用机制,从微观上揭示非平衡条件下固液两相区组织结构和形貌演化规律,特别是合金元素的偏聚行为,界面的传热和传质特性、形核与长大、柱状晶-等轴晶转变、枝晶的竞争生长等。集成计算和实验方法的结合将为智能制造、增材智造和太空智造中先进金属材料的成分-工艺-组织-性能调控提供共性技术和理论支撑。本文以典型的焊接中非平衡凝固组织性能调控为研究方向,对近年来基于视觉传感的焊接调控技术取得的研究成果和进展进行了梳理。归纳了面向复杂工业环境的智能焊接关键技术、先进应用和技术挑战等,展示了基于数字孪生车间的钛合金焊接视觉学习结果。     

熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料研究进展

纳米碳增强体具备优异的力学、热学、电学等性能,是金属基复合材料中理想的增强体之一。将纳米碳增强体与铝基体复合,可以获得具有优异力学性能及导热导电性能良好的复合材料,在新一代飞行器零部件材料展现出巨大潜力。目前急需低成本大规模化制备方法的推广应用,熔铸法是其大规模制备的首选。基于此,本文综述了近年来国内外采用熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料的研究进展,通过纳米碳增强体加入铝熔体方式的不同进行分类,详细介绍了搅拌铸造法、压力铸造法、半固态铸造法、压力浸渗法等纳米碳增强铝基复合材料中主要的铸造方法。分析总结了不同铸造方法的特点及铸件的力学性能,最后指出熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料过程中存在的关键科学问题,并且展望了未来的发展方向。     

新型增压器涡轮的应力和模态共振分析

针对传统的熔模铸造法生产涡轮,存在惯性较大和晶粒粗大等弊端,采用新兴的金属注射成型工艺来制造涡轮零件并作结构改进。使用Blade Gen软件进行涡轮叶片的造型,并用Pro/E软件重新设计涡轮结构和其他零件的连接方式。为确保涡轮能够安全工作,应用有限元软件ANSYS进行了离心力计算以确定其应力和整体变形在安全的范围内;并对涡轮叶片在0、50 000、80 000和100 000 r/min的条件下进行了模态分析,发现不存在共振时的激振频率。     

Ni75CrxAl25-x合金原子替代行为的微观相场模拟

利用微观相场动力学模型模拟研究873K时Ni75CrxAl25-x合金中Cr原子的替代规律。在合金沉淀过程中,Cr原子部分替代Al原子格点形成L12结构的γ’相(Ni3Al1-xCrx)。Cr原子在L12相内的占位几率极限值较小,当Cr含量超过3%时,L12相内Cr原子的浓度接近饱和值。在L12相的有序畴界处,Cr原子完全取代Al原子位置,形成稳定的Ni3Cr相(D022结构)。该合金最终沉淀产物为Ni3Al-Ni3Cr混合相。     

旋转摩擦挤压合金化法制备Al3Ti金属间化合物

采用自制旋转摩擦挤压合金化设备以纯铝板和纯Ti粉为原材料制备了Al-Ti金属间化合物.利用扫描电子显微镜、能谱仪、透射电子显微镜以及X射线衍射仪对合金化产物的微观组织结构及相组成进行了分析,并对其显微硬度进行了测量.结果表明:原材料Al、Ti在摩擦棒的剪切与强烈挤压力的共同作用下,能够在固态下发生合金化反应,生成Al3...     

环件热辗扩成形有限元建模仿真研究进展

环件热辗扩成形问题是多场、多因素耦合作用下集三维连续渐变、非稳态及非对称等特点于一体的高度非线性问题,采用有限元建模仿真方法研究与发展该技术对实现无缝环形构件的高质量、低成本及短周期制造具有重要意义.分别从宏观和微观尺度评述环件热辗扩成形有限元建模仿真的国内外研究现状、存在的问题与发展趋势,进而指明其发展方向如下:大型、复杂环件径、轴双向热辗扩成形全过程自适应建模的仿真方法与关键技术;环件热辗扩成形过程宏观与微观有限元建模仿真无缝集成技术;适用于以环件热辗扩为代表的连续局部塑性成形过程的材料本构模型和组织演变模型以及相应稳健而高效的有限元算法、本构积分算法与组织演变仿真方法;考虑模具的变形、传热及主要失效形式的环件热辗扩成形过程建模仿真技术.