高品质航空发动机零件模锻过程与微观组织的智能控制方法

The manufacturing of the high quality turbine disks is the pivotal task for the development of advanced aeroengines. However, there are some shortcomings, such as poor uniformity of microstructures, poor homogeneity and stability of properties, and poor durability of geometrical precision. According to these bottlenecks of the manufacturing of turbine disks, the intelligent controlling principle and method of die forging process and microstructures of high-quality aeroengine components will be investigated in this project. The main contents include: (1) the high-temperature flow law of typical nickel-based superalloy under time-varying die-forging condition will be studied and described by the process dependent mathematic models. The online model predictive control strategy for die forging hydraulic press machine will be proposed; (2) the microstructural evolution of typical nickel-based superalloy under time-varying die-forging condition will be studied, and the online predictive model will be established for the microstructures; (3) the online reconfiguration and controlling methods will be proposed to accurately predict the temperature fields of the forging; (4) the intelligent forging platform with perception, learning and decision making will be build, and the intelligent planning system for forging process will be developed. Then, the forging trajectory can be easily planned, and the forging process can be intelligently controlled. Based on the above investigations, the manufacturing law to describe the microstructural evolution, properties generation, shape forming and precision creation will be revealed for the overall manufacturing process of turbine disks. These mechanisms and laws obtained from this project can be used as the theoretical basis and technologies of die forging process of turbine disks for the advanced aroengines.

高性能涡轮盘的制造是研制先进航空发动机的关键任务。本项目拟针对目前涡轮盘微观组织不均匀、品质一致性和稳定性差、几何精度保持性差等难题，在前期研究基础上发展涡轮盘模锻成形过程与组织性能的智能控制原理和方法，具体研究内容如下：（1）研究时变模锻工况下典型镍基合金的高温流变规律及过程的表征方法，提出模锻装备负载和运行速度的在线智能建模与控制方法；（2）研究时变工况参数对微观组织遗传规律的影响，建立在线软测量与控制微观组织的数学模型；（3）提出涡轮盘模锻成形过程中温度场的实时重构方法与控制策略，实现锻件温度场的在线精确调控；（4）构建具有感知、学习和决策功能的智能模锻实验平台，开发面向涡轮盘目标组织性能的锻造工艺智能规划系统，实现锻造工艺轨迹的可视化规划与智能控制。揭示涡轮盘全制造过程从微观组织演变与性能生成到宏观成型及精度创成的制造规律，为完善和推动航空发动机涡轮盘的制造提供理论依据与技术支持。

高性能涡轮盘的制造是研制先进航空发动机的关键任务。本项目针对目前涡轮盘微观组织不均匀、品质一致性和稳定性差、几何精度保持性差等难题，深入研究了涡轮盘（近）等温模锻成形的形性协同机制与智能控制策略，揭示涡轮盘全制造过程从微观组织演变与性能生成到宏观成型及精度创成的制造规律，发展了涡轮盘模锻成形过程与组织性能的智能控制原理和方法，具体研究内容如下：（1）研究了时变模锻工况下典型镍基合金的高温流变规律及过程的表征方法，提出了模锻装备负载和运行速度的在线智能建模与控制方法；（2）研究了时变工况参数对微观组织遗传规律的影响，建立了在线软测量与控制微观组织的数学模型；（3）提出了涡轮盘模锻成形过程中温度场的实时重构方法与控制策略，实现了锻件温度场的在线精确调控；（4）构建了具有感知、学习和决策功能的智能模锻实验平台，开发面向涡轮盘目标组织性能的锻造工艺智能规划系统，实现锻造工艺轨迹的可视化规划与智能控制。本项目研究成果为完善和推动航空发动机涡轮盘的制造提供理论依据与技术支持。项目负责人以第一作者或通讯作者发表学术期刊论文65篇（其中SCI收录62篇、EI收录62篇、中文期刊论文3篇）、申请国家发明专利17项（授权8项）、翻译学术专著1部，培养出站博士后1名、在站博士后2名、毕业博士生6名、毕业硕士生12名，多名学生获湖南省优秀硕博士学位论文荣誉。项目负责人获湖南省科技人才托举工程（2019年）、中国高被引学者（爱思唯尔公司公布，2015年至今连续6年）、2021年全球顶尖前10万科学家（本人排名4396，前5%）、2021年获湖南省首届“优秀研究生导师”等荣誉。