多功能梯度零件電-磁場(chǎng)柔性復(fù)合熔積控制直接成形結(jié)題摘要

本項(xiàng)目針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核電等多功能高性能金屬零件快速制造的國(guó)家重大需求，以及高性能零件3D打印技術(shù)實(shí)用化中所遇到的瓶頸--性能與成形性難以控制的問(wèn)題，向金屬零件直接成形技術(shù)前沿難題--梯度組織多功能復(fù)合（MFGM）高性能零件的成形性與性能并行控制、高效成形進(jìn)行了挑戰(zhàn)。提出并研究了MFGM零件多特性電磁場(chǎng)柔性復(fù)合控制熔積直接成形新方法。在國(guó)內(nèi)外率先提出時(shí)空可控電磁場(chǎng)與隨動(dòng)半固態(tài)微型軋制復(fù)合增材制造高性能多功能復(fù)雜梯度零件的新方法。 主要研究?jī)?nèi)容為： （1）電磁柔性復(fù)合熔積成形MFGM制件的宏細(xì)微觀機(jī)理研究 （2）電磁柔性復(fù)合熔積成形MFGM制件的成形性與形狀質(zhì)量控制規(guī)律研究 （3）電磁柔性復(fù)合熔積成形MFGM制件的組織形成及控制規(guī)律的研究 （4）MFGM零件電磁柔性復(fù)合熔積成形的試驗(yàn)研究 將外加高頻或恒穩(wěn)磁場(chǎng)與熔積電場(chǎng)柔性復(fù)合，并控制復(fù)合時(shí)序和位向及電磁參數(shù)，既可抑制變形和開(kāi)裂，提高成形效率，又可自由調(diào)控組織形態(tài)空間分布，并強(qiáng)化界面結(jié)合，從而高效創(chuàng)制極限性能MFGM零件。針對(duì)外加電磁場(chǎng)下的電弧熔積成形，建立了電磁--熱--應(yīng)力--流體多場(chǎng)耦合的系統(tǒng)仿真框架，實(shí)現(xiàn)了外加電磁場(chǎng)下的電弧熔積成形過(guò)程的高效有限元電磁計(jì)算。 探索了電-磁復(fù)合場(chǎng)與傳質(zhì)-運(yùn)動(dòng)場(chǎng)耦合作用的超常態(tài)成形過(guò)程熱應(yīng)力與組織演變規(guī)律，利用外加電磁熱減小零件殘余應(yīng)力和變形，提出了外加電磁熱的仿真策略，用宏細(xì)觀多尺度模擬與實(shí)驗(yàn)研究揭示復(fù)合場(chǎng)制備MFGM零件形性并行控制機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了外加縱向磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)了強(qiáng)烈的熔池旋轉(zhuǎn)攪拌流動(dòng)。借助仿真工具和有限元電磁分析，實(shí)現(xiàn)了外加電磁場(chǎng)對(duì)晶粒大小的控制（細(xì)化或粗化），以及對(duì)熔池流場(chǎng)影響的預(yù)測(cè)。 通過(guò)本項(xiàng)目的研究，建立了MFGM零件電磁控制高效直接成形技術(shù)，以及電磁微鑄軋無(wú)模直接制造的創(chuàng)新技術(shù)裝備原型，實(shí)現(xiàn)了新型高性能FGM零件形狀與組織的并行智能化創(chuàng)制與調(diào)控，發(fā)展出特殊物理場(chǎng)短流程制造科學(xué)理論，為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵零件的高性能高效低成本制造提供自主創(chuàng)新核心技術(shù)基礎(chǔ)支持。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核電等多功能高性能金屬零件快速制造的國(guó)家重大需求，挑戰(zhàn)金屬零件直接成形技術(shù)前沿難題-梯度組織多功能復(fù)合（MFGM）高性能零件的成形性與性能并行控制高效成形，提出并研究MFGM零件多特性電磁場(chǎng)柔性復(fù)合控制熔積直接成形新方法。即將外加高頻或恒穩(wěn)磁場(chǎng)與熔積電場(chǎng)柔性復(fù)合，并控制復(fù)合時(shí)序和位向及電磁參數(shù)，既可抑制變形和開(kāi)裂，提高成形效率，又可自由調(diào)控組織形態(tài)空間分布，并強(qiáng)化界面結(jié)合，從而高效創(chuàng)制極限性能MFGM零件。探索電-磁復(fù)合場(chǎng)與傳質(zhì)-運(yùn)動(dòng)場(chǎng)耦合作用的超常態(tài)成形過(guò)程熱應(yīng)力與組織演變規(guī)律，用宏細(xì)觀多尺度模擬與實(shí)驗(yàn)研究揭示復(fù)合場(chǎng)制備MFGM零件形性并行控制機(jī)理，建立MFGM零件電磁控制高效直接成形技術(shù)原型，發(fā)展特殊物理場(chǎng)短流程制造科學(xué)理論，為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵零部件的高性能高效低成本制造提供自主創(chuàng)新核心技術(shù)基礎(chǔ)支持。

激光熔覆成形技術(shù)是一種新的快速原型制造技術(shù)，它具有成形零件性能優(yōu)良、組織結(jié)構(gòu)致密和成本低的優(yōu)點(diǎn)，是快速原型制造技術(shù)中一個(gè)重要的發(fā)展方向。激光熔覆成形技術(shù)在我國(guó)還處于起步階段，需要研究的問(wèn)題很多，如激光熔覆成形零件的變形問(wèn)題、成形零件的尺寸精度問(wèn)題、成形零件的表面質(zhì)量問(wèn)題和成形粉末的設(shè)計(jì)及調(diào)整問(wèn)題等。但激光熔覆成形零件中的微裂紋問(wèn)題是其中最重要的，因?yàn)榧す馊鄹渤尚蔚牧慵绻a(chǎn)生了微裂紋，則這個(gè)零件等于報(bào)廢，零件的其它性能根本都談不上。本項(xiàng)目在深入分析激光熔覆成形工藝規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了控制微裂紋的五種方法，即優(yōu)化熔覆成形基體材料、優(yōu)選和匹配熔覆成形粉末、優(yōu)化熔覆成形環(huán)境、監(jiān)控激光熔覆成形熔池溫度和在激光熔覆成形過(guò)程中引入超聲振動(dòng)。通過(guò)對(duì)這五種方法的深入研究，找到合適的工藝參數(shù)和規(guī)律，達(dá)到控制激光熔覆成形零件微裂紋的目的，促進(jìn)激光熔覆成形技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用，也為其它激光加工技術(shù)提供參考。 2100433B