超高应变率下的精密微体积成形相关基础理论研究

以低成本批量化制造复杂微构件为目的，提出利用激光诱导冲击波效应实现超高应变率下精密微体积成形新技术。选微挤压件为研究对象，系统研究冲击应力均匀加载机制、激光多步微体积成形工艺优化与控制及超高应变率下微成形理论的科学问题。在探索激光与材料作用机制的基础上，研究轴向与径向冲击力的空间分布与发展规律，建立微尺度冲击加载的机理模型；构建集成激光加载、微模具和成形监控的超高应变率体积成形系统，揭示微构件成形质量与激光、工艺和模具几何参数之间的内在联系，结合遗传算法优化工艺和参数；基于晶体塑性理论、动力学、介观力学和应变梯度塑性理论，建立超高应变率加载及微挤压模约束作用下的多尺度理论模型和数值模型，研究超高应变率、材料流动、摩擦和润滑，以及材料特性、组织性能和尺度效应对成形的影响。形成超高应变率精密微体积成形工艺、理论和系统，实现微构件形状和性能的控制，丰富高应变率微塑性成形理论和微制造技术。

复杂微构件的低成本精密成形方法是微成形领域的研究热点，项目提出了利用激光诱导冲击波效应实现超高应变率下的精密微体积成形新技术。围绕冲击波力学加载模型、激光冲击微体积成形规律、工艺优化和控制进行了深入研究。首先，在探索激光与材料作用机制的基础上，建立了冲击加载的理论模型，并获得冲击成形系统相互间的作用关系；搭建了集成激光加载、微模具和辅助装置的超高应变率体积成形系统，在此系统上进行了系统实验，揭示了微构件成形质量与激光、工艺参数和模具几何参数之间的内在联系，并进行了优化，分析了成形失效形式，提出了质量控制的措施；结合理论分析、实验和模拟，建立了超高应变率加载及微挤压模约束作用下的微挤压成形数值模型，研究了材料性能、组织性能、摩擦与润滑、尺度效应等对成形的影响规律；提出了可以解释第I类尺寸效应的表面层细化模型，并进行了验证，为微尺度下坯料及体积成形提供了更准确的分析手段。项目的研究成果拓展到微极板的成形、微陶瓷注射等应用领域。项目已发表核心论文18篇（2篇SCI刊源、9篇EI检索源，ISTP3篇），申请发明专利10项，授权发明专利4项，申请并授权实用新型1项，培养硕士生8人，国际会议交流11人次。