航天铝合金大型构件制造全流程的组织演化机理与变形控制

The distortion control of large aluminum components becomes the bottleneck for developing the new generation of commercial launch vehicles and weapon products. It is urgent to investigate the theory and technology on manufacturing processes of aerospace components. To aim at the significant requirement, this proposal focuses on the through-process research of large aluminum components, which is in sequence of low-pressure casting, quenching, creep aging, and machining processes. The material evolution is investigated on grains, micro-porosity and chemical elements, and the microstructure-based model of mechanical behavior is proposed. The fundamental framework of data and digitalized model on the through-process manufacturing will be constructed to reveal the principle of residual stress and distortion. The performance and distortion of the representative component can be predicted by using the theory and models and new technologies for distortion control will be designed. The research achievements will provide theoretical foundation and technical support for developing large components of the new generation of launch vehicles.

航天铝合金大型构件变形控制是影响新一代中小型商业运载火箭及武器型号产品研制的关键瓶颈问题，亟需开展其制造工艺的机理研究与技术探索。本申请针对这一重大需求，面向大型构件低压铸造、淬火、蠕变时效、机加工的制造全流程，重点研究晶粒、微观孔洞、元素等组织特征的演化历程，建立基于微观组织耦合的力学行为模型；构建制造全流程的基础数据框架与数字化模型，揭示大型构件制造过程残余应力与变形的演化机理。最终实现典型航天大型构件的性能预测，揭示其变形规律，提出变形控制新方法，为新一代箭体构件大型化、轻量化、一体化、复杂化研制提供制造理论支撑与工程指导。

航天铝合金大型构件变形控制是影响新一代中小型商业运载火箭及武器型号产品研制的关键瓶颈问题，亟需开展其一体化制造的机理研究与技术探索。本项目针对这一重大需求，面向大型构件低压铸造、淬火、时效的制造全流程，重点研究晶粒形态、析出相、微观孔洞、元素等组织特征的演化规律，实现了Al-Cu-Cd合金凝固过程微观组织的共晶、枝晶及气泡等相场模拟，建立了θ’相析出的第一性原理-相场-宏观屈服强度的跨尺度模型。研究揭示了淬火过程中温脆性、微孔洞作用以及温度分段的力学特性，构建了宽温度范围本构模型，并量化表征了铸造偏析、淬火冷速、外部应力等关键工艺因素对最终时效屈服强度的影响规律。集成了机理研究的基础数据与数字化模型，采用UMAT开发了应用程序，已用于航天实际构件制造的应力、变形及力学性能预测。针对卫星支架等一批典型零件，在制造变形机理分析的基础上，进一步提出了工艺优化方法，实现了关键尺寸变形的有效控制，卫星支架底部变形从8mm减小到2mm，有力地支撑了长二丙火箭“一箭三星”发射任务。本项目支持下共发表研究论文37篇，其中SCI源刊30篇，EI检索6篇，申请/授权发明专利4项，软件著作权1项。项目执行期间培养博士后1人，博硕士研究生8人，赴海外交流访学3人，组织培训首都航天机械公司等单位技术人员15人次。丰富的研究成果为新一代箭体构件大型化、轻量化、一体化、复杂化研制提供制造理论支撑与工程指导。