铝锂合金薄壁曲面构件激光辅助旋压成形机理与工艺基础研究

Aluminum lithium alloy shows low cold spin-formability due to its poor plasticity at room temperature, and the conventional heating method is easy to cause spinning defects such as grain coarsening, so it’s difficult to spin a acceptable aerospace thin-walled curved part. In this project, a local laser heating method is introduced into aluminum lithium alloy spinning process to improve the spinning formability. However, the local laser heating obviously effects on the material deformation behavior and microstructure during aluminum lithium alloy spinning. By researching the material constitutive equations, the material fracture prediction model and the recrystallization microstructure evolution prediction model of aluminum lithium alloy at high temperature, a multi-scale numerical simulation model of laser assisted spinning process is established, and the local deformation mechanism of aluminum lithium alloy under multi-energy fields conditions is revealed. Based on the research mentioned above, the laser assisted spinning process planning method by studying on temperature distribution of aluminum lithium alloy sheet, and a laser-assisted spinning test setup are also developed. These achievements will provide theory and technology for spinning of a large thin-walled curved part of aluminum lithium alloy.

由于铝锂合金室温塑性差，冷旋压成形困难；而传统加热旋压方法易于造成材料晶粒粗大或开裂等缺陷，难以旋压出合格的航天薄壁曲面构件。本项目将激光局部加热方法引入铝锂合金旋压加工中，改善旋压成形性能。然而，在激光局部温度场的反复循环加载/卸载作用下导致变形区材料的不均匀流变更加突出，微观组织演变更为复杂。本项目通过研究高温条件下铝锂合金材料流变应力本构方程、材料损伤数学模型和再结晶组织演变预测模型，建立激光辅助旋压多场多尺度数值仿真模型；通过分析材料局部塑性流动、再结晶组织演变与外加热/力复合能场之间的内在关系，揭示激光辅助旋压铝锂合金薄壁曲面件旋压不均匀流变规律、材料损伤行为与成形极限、微观组织演变规律。在此基础上，通过激光辅助下铝锂合金温度场特征，提出激光辅助旋压条件下热/力能场工艺参数规划方法，搭建激光辅助旋压试验平台，为航天大型铝锂合金薄壁曲面构件旋压成形提供理论与技术基础。

受现有制造技术限制，大型航天曲面构件，如燃料贮箱箱底，仍采用拼焊制造方式，影响运载火箭装备服役性能。使用铝锂合金和构件整体化制造是实现燃料贮箱轻量化重要途径。本项目针对高强度铝合金塑性差和曲面构件窗口窄等问题，开展激光辅助旋压中成形机理和和工艺技术基础研究。. 本项目研究了铝合金热变形中再结晶演变机制和宏微耦合材料本构关系；查明了激光参数对铝锂合金旋压性能影响，探明了曲面构件可旋性和流变均匀性改善途径，完成了铝合金激光辅助旋压工艺试验。. 本项目取得如下三方面成果：在旋压成形理论方面，针对激光辅助成形存在大的厚向温度梯度，探明了2XXX铝合金再结晶演变机制：晶粒破碎与亚晶旋转共存，建立耦合两种机制的多尺度本构模型，实现形变组织精确预测；考虑旋压特有变形特征，基于能量法建立法兰起皱预测模型，实现可旋性精确评估。在先进旋压技术方面，针对激光点热源和旋压局部加载，建立铝锂合金激光辅助旋压仿真方法，揭示出激光热源参数对旋压性能的影响规律；完成了工艺试验台建立，实现了O态和T态铝合金曲面件和锥形件激光辅助旋压技术验证，形成薄壁构件激光辅助旋压工艺方法。在曲面件质量控制方面，针对曲面构件旋压厚度均匀性差的问题，提出了板坯径向差温旋压和法兰约束旋压工艺方法，并阐明厚度均匀性改善机理，提高了曲面薄壁件整体旋压材料利用率。. 本项目所建立的铝合金热变形组织演变预测模型和曲面构件旋压法兰失稳预测模型，克服了现有方法的不足，发展了旋压成形理论；提出的曲面构件激光辅助旋压工艺方法和流变均匀性控制方法，突破了传统加工技术的局限，研究成果将为后续在航天铝合金薄壁构件整体制造工程中应用提供理论指导和技术储备。