多功能梯度零件电-磁场柔性复合熔积控制直接成形中文摘要

针对航空发动机、核电等多功能高性能金属零件快速制造的国家重大需求，挑战金属零件直接成形技术前沿难题-梯度组织多功能复合（MFGM）高性能零件的成形性与性能并行控制高效成形，提出并研究MFGM零件多特性电磁场柔性复合控制熔积直接成形新方法。即将外加高频或恒稳磁场与熔积电场柔性复合，并控制复合时序和位向及电磁参数，既可抑制变形和开裂，提高成形效率，又可自由调控组织形态空间分布，并强化界面结合，从而高效创制极限性能MFGM零件。探索电-磁复合场与传质-运动场耦合作用的超常态成形过程热应力与组织演变规律，用宏细观多尺度模拟与实验研究揭示复合场制备MFGM零件形性并行控制机理，建立MFGM零件电磁控制高效直接成形技术原型，发展特殊物理场短流程制造科学理论，为战略产业关键零部件的高性能高效低成本制造提供自主创新核心技术基础支持。

本项目针对航空发动机、核电等多功能高性能金属零件快速制造的国家重大需求，以及高性能零件3D打印技术实用化中所遇到的瓶颈--性能与成形性难以控制的问题，向金属零件直接成形技术前沿难题--梯度组织多功能复合（MFGM）高性能零件的成形性与性能并行控制、高效成形进行了挑战。提出并研究了MFGM零件多特性电磁场柔性复合控制熔积直接成形新方法。在国内外率先提出时空可控电磁场与随动半固态微型轧制复合增材制造高性能多功能复杂梯度零件的新方法。 主要研究内容为： （1）电磁柔性复合熔积成形MFGM制件的宏细微观机理研究 （2）电磁柔性复合熔积成形MFGM制件的成形性与形状质量控制规律研究 （3）电磁柔性复合熔积成形MFGM制件的组织形成及控制规律的研究 （4）MFGM零件电磁柔性复合熔积成形的试验研究 将外加高频或恒稳磁场与熔积电场柔性复合，并控制复合时序和位向及电磁参数，既可抑制变形和开裂，提高成形效率，又可自由调控组织形态空间分布，并强化界面结合，从而高效创制极限性能MFGM零件。针对外加电磁场下的电弧熔积成形，建立了电磁--热--应力--流体多场耦合的系统仿真框架，实现了外加电磁场下的电弧熔积成形过程的高效有限元电磁计算。 探索了电-磁复合场与传质-运动场耦合作用的超常态成形过程热应力与组织演变规律，利用外加电磁热减小零件残余应力和变形，提出了外加电磁热的仿真策略，用宏细观多尺度模拟与实验研究揭示复合场制备MFGM零件形性并行控制机理，发现了外加纵向磁场驱动了强烈的熔池旋转搅拌流动。借助仿真工具和有限元电磁分析，实现了外加电磁场对晶粒大小的控制（细化或粗化），以及对熔池流场影响的预测。 通过本项目的研究，建立了MFGM零件电磁控制高效直接成形技术，以及电磁微铸轧无模直接制造的创新技术装备原型，实现了新型高性能FGM零件形状与组织的并行智能化创制与调控，发展出特殊物理场短流程制造科学理论，为战略产业关键零件的高性能高效低成本制造提供自主创新核心技术基础支持。

激光熔覆成形技术是一种新的快速原型制造技术，它具有成形零件性能优良、组织结构致密和成本低的优点，是快速原型制造技术中一个重要的发展方向。激光熔覆成形技术在我国还处于起步阶段，需要研究的问题很多，如激光熔覆成形零件的变形问题、成形零件的尺寸精度问题、成形零件的表面质量问题和成形粉末的设计及调整问题等。但激光熔覆成形零件中的微裂纹问题是其中最重要的，因为激光熔覆成形的零件如果产生了微裂纹，则这个零件等于报废，零件的其它性能根本都谈不上。本项目在深入分析激光熔覆成形工艺规律的基础上，提出了控制微裂纹的五种方法，即优化熔覆成形基体材料、优选和匹配熔覆成形粉末、优化熔覆成形环境、监控激光熔覆成形熔池温度和在激光熔覆成形过程中引入超声振动。通过对这五种方法的深入研究，找到合适的工艺参数和规律，达到控制激光熔覆成形零件微裂纹的目的，促进激光熔覆成形技术在我国的发展和应用，也为其它激光加工技术提供参考。 2100433B