高精度陀螺仪表关键零组件材料稳定性及调控机理研究

Gyroscope is the kernel part of certain model weapon on active service, and its accuracy determines the precision of the whole guidance system. Compared with developed countries, such as the United States and Russia, the navigation precision of gyroscope in our country is generally 1-2 orders of magnitude lower. It is contributed to the relative poor stability of the used materials. Limited systematic study was done on stability of the materials and its tailoring mechanism. Based on thermodynamics, crystallography and elastic-plastic mechanics theories, modern physical characterization methods and finite element technology, this program will study the evolution of microstructure and residual stress of three key materials (including beryllium, GT35 and ODS copper alloy) during manufacturing, machining and servicing process; investigate their effects on the dimensional stability of materials; discover the dimensional stability mechanism and tailoring method under coupling multi-field effect; build the micro elastic deformation model and structure-performance relationship; conform suitable organization structure and appropriate residual stress range, determine the method for characterization of micro dimensional change; establish the evaluation standards of micro dimensional change on key materials of high precision gyroscope. Research results will provide guidance for characterizing micro dimensional changes on other materials of high precision gyroscope. It will also lay the feasible theory and practice foundation for manufacturing and developing high precision gyroscope.

高精度陀螺仪表作为现役型号武器惯性制导系统中的核心部件，是整个制导系统精度的决定因素。目前我国陀螺仪表导航精度比美俄等发达国家普遍低1-2个数量级，其核心制约因素是材料的稳定性相对较差。国内外针对高精度陀螺仪表用材料的稳定性及调控机理缺乏系统深入研究。本项目拟采用现代物理分析表征手段，基于热力学、晶体学和弹塑性力学等相关理论，结合有限元技术，研究关键材料铍材、GT35和ODS铜在制备、精加工和使役过程中组织结构与残余应力的演变规律及其对材料尺寸稳定性的影响，探明多场耦合作用下关键材料尺寸稳定性调控方法及机理，建立材料微弹性变形模型和构-效关系模型，确定关键材料合理的组织结构与合适的残余应力范围，明确关键材料微尺寸变化表征手段，制定高精度陀螺仪表用关键材料尺寸变化评价标准。研究成果同时为其它材料的微尺寸变化表征提供指导，为我国高精度陀螺仪表的生产研发奠定理论与实践基础。

高精度陀螺仪表作为现役型号武器惯性制导系统中的核心部件，是整个制导系统精度的决定因素。陀螺仪表核心部件材料的尺寸稳定性直接决定了陀螺仪表精度，因此，需要对高精度陀螺仪表用材料的稳定性及调控机理进行系统深入研究。本项目以高精度陀螺仪表用三浮马达用Be材、摩擦副用GT35合金、转子用ODS铜和框架平台用高强铝合金为研究对象，采用现代物理分析表征手段及相关理论分析，研究了多种材料不同状态下的组织结构及其对尺寸稳定性的影响规律，探明了材料在制备、加工和热处理过程中残余应力的演变规律，分析了残余应力对材料尺寸稳定性的作用机制，分析了深冷处理、稳定化热处理、蠕变时效等多场作用条件下材料尺寸稳定性调控方法及机理，建立了材料组织结构-性能-应用的构-效关系，形成了材料微尺寸变化表征方法及评价规范。并优化出材料尺寸稳定化处理的工艺参数，对材料组织结构、残余应力和微屈服强度进行了有效调控，成功制备出具有低残余应力、高微屈服强度、组织结构均匀、综合性能达到项目要求的高精度陀螺仪表用材料（Be材：抗拉强度≥420MPa，延伸率≥3%，微屈服强度≥95MPa；GT35：抗弯强度≥1650MPa，硬度≥86HRC，微屈服强度≥150MPa；ODS铜：抗拉强度≥345MPa，延伸率≥8%，微屈服强度≥110MPa，电导率≥95%IACS），并成功应用在某型号陀螺仪的制造上，使相关设备运行的稳定性和精度性都得到有效提高。系列研究成果不但为高精度陀螺仪表的制造提供了具有高尺寸稳定性的原材，并为高精度陀螺仪表用其他材料的微尺寸变化研究提供了详实的实验数据和理论基础，在实践与理论上都对提升我国高精度陀螺仪表的精度和长期稳定性提供了重要支撑。基于以上研究，在国内外期刊发表论文25篇（SCI/EI检索23篇），获专利11篇，并获得国家奖一项（国家科技进步二等奖）和省部级奖一项（有色金属工业科技一等奖）。