復(fù)雜曲面薄壁構(gòu)件流體壓力成形理論與技術(shù)研究進展

苑世劍

a Institute of High Pressure Fluid Forming Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China b Institute of Precision Forming for High Performance, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

1.引言

復(fù)雜曲面薄壁構(gòu)件是火箭、飛機、汽車和高速列車等運載裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[1–3]。這些構(gòu)件不僅關(guān)鍵，而且量大面廣，如在運載火箭中數(shù)量占比達80%以上，在飛機和汽車中達50%以上。隨著新一代運載裝備對輕量化、長壽命、高可靠要求的大幅提升，傳統(tǒng)的多塊拼焊結(jié)構(gòu)無法滿足這些要求，迫切需要整體化的復(fù)雜曲面薄壁構(gòu)件[4]。這類整體化構(gòu)件的成形存在三方面的挑戰(zhàn)：一是形狀十分復(fù)雜。包括大尺寸與小特征，以及具有明顯不同的曲率、異形封閉截面、超大特征尺寸（管材長度或板材直徑超過5 m）與超薄壁厚（厚徑比小于3‰）等復(fù)雜特征，這些特征使得坯料變形量遠超傳統(tǒng)工藝缺陷形成的極限值[5]。二是材料為難變形合金。高強鋁合金[6,7]、鈦合金[8,9]、金屬間化合物[10]和鎳基高溫合金[11]室溫成形性低，而高溫下組織性能嚴重弱化。三是要求同時具備高尺寸精度和良好的性能[12]。構(gòu)件全面域精度達亞毫米（0.1～1 mm）甚至幾十微米（1～100 μm），因超薄無法成形后再加工，因此必須通過直接成形來保證成形精度，且要求薄壁構(gòu)件的性能（如抗拉強度）優(yōu)于坯料10%。這三方面的挑戰(zhàn)互相耦合疊加，使得構(gòu)件的制造難度極大?，F(xiàn)有基于剛性模具的成形技術(shù)[13]受加載空間的限制無法成形這類復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)，因此此類構(gòu)件常被分解為形狀簡單的小尺寸構(gòu)件，成形后再焊接成整體構(gòu)件。這種多塊拼焊的技術(shù)路線會產(chǎn)生力學(xué)性能較弱的長焊縫區(qū)域，導(dǎo)致構(gòu)件形狀畸變、表面惡化、可靠性低和壽命短等問題，無法滿足新一代運載裝備的發(fā)展需求[14]。

流體壓力成形是一種采用流體介質(zhì)作為傳力加載工具，使簡單的坯料成形為復(fù)雜整體構(gòu)件的金屬成形技術(shù)。利用流體介質(zhì)代替部分剛性模具，具有“以柔克剛、如影隨形”的特點。同時，流體介質(zhì)可進入封閉或半封閉構(gòu)件內(nèi)部的整個區(qū)域，形成均布壓力載荷。流體壓力成形技術(shù)的這兩種獨特優(yōu)勢使其成為一項強大的技術(shù)，可用于將簡單形狀坯料直接成形為整體的復(fù)雜形狀構(gòu)件[15]。20世紀90年代中期，面向汽車對輕量化結(jié)構(gòu)的需求，研究人員發(fā)展了管材液壓成形技術(shù)；因使用壓力高達400 MPa，所以該技術(shù)又被稱為內(nèi)高壓成形技術(shù)[16]。德國、美國等機構(gòu)研究了內(nèi)高壓成形的變形行為、缺陷機制和關(guān)鍵工藝[17,18]，特別是德國的一些公司成功研發(fā)出大型管材內(nèi)高壓成形裝備，并實現(xiàn)了轎車底盤、車身構(gòu)件的批量生產(chǎn)[19]。日本學(xué)者較早開始探索板材液壓成形技術(shù)，并成功研發(fā)出汽車覆蓋件等產(chǎn)品[20]。

本文作者及團隊從1998年開始對流體壓力成形基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，突破制造整體化復(fù)雜曲面薄壁構(gòu)件面臨的挑戰(zhàn)，推動了流體壓力成形技術(shù)從簡單到復(fù)雜形狀、從小尺度到大尺度構(gòu)件、從常溫液壓成形到高溫?zé)峤橘|(zhì)成形的創(chuàng)新發(fā)展；面向管、板、殼三類典型結(jié)構(gòu)和難變形材料構(gòu)件，發(fā)展了新一代流體壓力成形技術(shù)，具體包括管類構(gòu)件低載荷液壓成形、板類構(gòu)件雙向加壓成形、橢球殼體無模液壓成形和難變形材料雙調(diào)熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)等。本文重點介紹了技術(shù)原理、應(yīng)力調(diào)控、缺陷控制和典型應(yīng)用方面的最新進展。

2.技術(shù)體系與應(yīng)力調(diào)控原理

2.1.成形工藝體系

為了制造具有各種結(jié)構(gòu)特征和材料特性的構(gòu)件，歷經(jīng)30年，研究人員利用一系列流體壓力成形工藝及相關(guān)裝備，研發(fā)出成形開口異形空心結(jié)構(gòu)、半封閉深腔結(jié)構(gòu)、封閉薄殼和難變形材料構(gòu)件[21]，如圖1所示。在室溫下，液壓成形采用的加載介質(zhì)為水介質(zhì)或油介質(zhì)；對于高溫成形，采用的加載介質(zhì)為氣體介質(zhì)或固體顆粒介質(zhì)。針對目標(biāo)構(gòu)件的不同結(jié)構(gòu)特點，可以采用管材或板材作為坯料[22]。

2.2.應(yīng)力狀態(tài)調(diào)控原理

復(fù)雜曲面薄壁整體構(gòu)件具有尺寸大、壁厚超薄及截面封閉的特點，這些特點又與復(fù)雜幾何形狀和難變形材料相耦合（圖1），導(dǎo)致成形過程極易產(chǎn)生起皺、開裂和壁厚局部變薄等缺陷，成形難度極大。為克服以上難題，研究人員提出基于流體介質(zhì)加載調(diào)控變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的理論和方法，基本思想是通過控制流體介質(zhì)壓力加載方式和變形區(qū)的形狀，調(diào)控應(yīng)力狀態(tài)使其處于避免缺陷產(chǎn)生的合理區(qū)間[23,24]，具體如圖2 [24]所示。例如，調(diào)控應(yīng)力狀態(tài)，使雙向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橐焕粔簯?yīng)力狀態(tài)，可以抑制開裂。為了抑制起皺，則可利用反向的應(yīng)力調(diào)控。下面結(jié)合管、板、殼三類典型結(jié)構(gòu)的成形工藝具體介紹實際案例中的應(yīng)力狀態(tài)調(diào)控方法。

3.異形管類構(gòu)件低載荷液壓成形

異形管類構(gòu)件是用于高性能輕量化結(jié)構(gòu)的理想構(gòu)件。管類構(gòu)件液壓成形技術(shù)是一種先進成形技術(shù)，可替代傳統(tǒng)多塊拼焊技術(shù)來制造此類高質(zhì)量整體構(gòu)件。通過控制管內(nèi)液體壓力與軸向載荷，管坯逐漸在徑向與軸向發(fā)生塑性變形并貼靠模具型腔，成形為開口異形空心構(gòu)件。由于小圓角整形與變形材料的硬化，異形管類構(gòu)件成形需要高達400 MPa的超高壓力。由此產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變場會導(dǎo)致變形管材產(chǎn)生局部頸縮、起皺與壁厚不均缺陷。因此，如何降低成形壓力一直是發(fā)展該技術(shù)亟待解決的國際難題。

內(nèi)高壓成形的最終壓力與過渡區(qū)圓角半徑成反比。根據(jù)文獻[25]中的經(jīng)驗公式，為了獲得相對圓角半徑r/t（r是圓角半徑，t是管材厚度）小于3的構(gòu)件，屈服強度為450 MPa的鋼管的成形壓力需超過150 MPa。但是，由于工件/模具的界面摩擦作用，在圓角與直邊過渡區(qū)發(fā)生了變形集中及壁厚減薄，造成壁厚不均甚至開裂。對于具有小圓角特征的方形截面管件成形，可利用花瓣狀內(nèi)凹預(yù)制坯代替?zhèn)鹘y(tǒng)圓管作為坯料以降低成形壓力，此時拉應(yīng)力減小。這些內(nèi)凹面減少了工件/模具間的接觸，變形過程中的摩擦力與材料在內(nèi)壓力作用下展平產(chǎn)生的推力促使圓角被充填，如圖3 [26]所示。當(dāng)加壓成形時，內(nèi)壓力產(chǎn)生的切向推力使得坯料的環(huán)向應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，由雙拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橐焕粔簯?yīng)力狀態(tài)（圖2 [24]），提高了變形極限。此外，由于管材內(nèi)凹減少了與模具接觸面積，使得材料更容易向圓角處流動，大幅降低了成形壓力[26]。由圖4所示的實驗研究結(jié)果可知：與采用圓管直接成形相比，采用內(nèi)凹預(yù)制坯成形可使成形壓力降低50%～80%，壁厚均勻性（即壁厚減薄率的降低）提高1倍多。

圖1.構(gòu)件形狀、成形工藝與應(yīng)力狀態(tài)。3D：三維；p：流體壓力；p1：板材反面的流體壓.力；p2：板材正面的流體壓力；T：成形溫度；σθ：環(huán)向應(yīng)力；σz：軸向應(yīng)力；σt：法向應(yīng)力；σφ：縱向應(yīng)力；Fz：軸向力；σ：流動應(yīng)力；ε：應(yīng)變；ε：應(yīng)變速率；K：強度系數(shù)；n：應(yīng)變硬化指數(shù)；m：應(yīng)變速率硬化指數(shù)。

圖2.應(yīng)力狀態(tài)調(diào)控原理[24]。dεθ、dεz、dεt分別是環(huán)向、軸向和法向的應(yīng)變增量。

圖3.成形壓力降低原理[26]。（a）圓管直接成形應(yīng)力分析；（b）內(nèi)凹預(yù)制坯成形應(yīng)力分析。Ff是整形階段管材直壁區(qū)所受的摩擦力；Fp是使用內(nèi)凹預(yù)制坯產(chǎn)生的切向推力。

數(shù)值模擬是預(yù)測管材液壓成形缺陷的有效工具，為了保證預(yù)測精度，首先需解決兩方面挑戰(zhàn)：一方面是變形區(qū)材料承受的全域應(yīng)力；另一方面是薄壁管在制備（擠壓、軋制、拉拔）過程中由于微觀織構(gòu)取向而使其宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的各向異性特性。因此，能否準確地獲得管材的各向異性參數(shù)（厚向異性系數(shù)r值、屈服強度σs），并利用其建立適用于全域應(yīng)力的各向異性本構(gòu)關(guān)系和材料模型，對于數(shù)值模擬實現(xiàn)變形與缺陷的準確預(yù)測至關(guān)重要。目前，常用的各向異性本構(gòu)關(guān)系至少需要三個方向的厚向異性系數(shù)r值（r0、r45、r90）和三個屈服強度σs（σs0、σs45、σs90）才能確定本構(gòu)方程中的待定系數(shù)[27]。對于板材，如圖5（a）[28]所示，可以利用沿板材不同方向的單向拉伸試樣獲得任意方向的各向異性參數(shù)；而管材僅可沿軸向獲得拉伸試樣，如圖5（b）[28]所示。對于沿管材環(huán)向（90°）選取的試樣，目前常用的環(huán)向拉伸實驗始終無法克服摩擦和附加彎曲變形的影響，導(dǎo)致測試結(jié)果誤差較大[29]。目前有關(guān)管材的其他方向的力學(xué)性能參數(shù)還無法準確獲得。

圖4.預(yù)制坯形狀對成形壓力的影響。（a）內(nèi)凹預(yù)制坯；（b）成形壓力。

圖5.板材和管材不同方向的單向拉伸試樣示意圖[28]。（a）板材；（b）管材。

為了解決該問題，研究人員提出了管材任意方向各向異性參數(shù)精確測試理論和方法[30]，研制出內(nèi)壓力和軸向載荷雙向可控加載的脹形測試，構(gòu)建了復(fù)雜加載條件下各向異性薄壁管殼的精確塑性本構(gòu)關(guān)系模型[31]，即f(σz,σθ,σzθ,k)。公式（1）、（2）給出的模型實現(xiàn)了各向異性管殼非對稱起皺和復(fù)雜變形的高精度仿真。如圖6所示，可以對皺紋數(shù)量與形狀進行準確預(yù)測。形成的三個主要皺紋，包括沿軸向傾斜的中間皺紋與在兩側(cè)發(fā)生折疊的皺紋，均可以獲得準確預(yù)測。

式中，σz和σθ分別為軸向和環(huán)向應(yīng)力；σzθ為剪切應(yīng)力分量；k為屈服準則各向異性系數(shù)矩陣；β表示與管材軸線的傾斜角；dεz和dεθ分別為沿軸向和環(huán)向的應(yīng)變增量；dεzθ為剪切應(yīng)變增量；σβ和rβ分別為管材任意方向的屈服應(yīng)力和厚向異性系數(shù)。

圖7是采用基于內(nèi)凹預(yù)制坯的低載荷液壓成形技術(shù)制造的自主品牌轎車底盤副車架產(chǎn)品[32]。該構(gòu)件的軸線為三維曲線，具有十幾個復(fù)雜異形截面，材料的抗拉強度為440 MPa。傳統(tǒng)的圓管坯直接成形方法約需要250 MPa的內(nèi)壓力，而采用內(nèi)凹預(yù)制坯可將成形壓力顯著降低到120～130 MPa。該構(gòu)件自2010年開始采用自主技術(shù)進行批量生產(chǎn)，截止到2019年年底，累計生產(chǎn)裝車47萬件，廢品率小于0.5%。

4.板類構(gòu)件雙向加壓流體壓力整體成形

曲面構(gòu)件是火箭、飛機和航空發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件。隨著新一代裝備對長壽命、高可靠要求的大幅提升，迫切需要將整體化曲面構(gòu)件代替?zhèn)鹘y(tǒng)多塊拼焊構(gòu)件。這類整體化曲面構(gòu)件具有半封閉、深腔（深徑比＞0.5）、壁厚超薄的特點，難以從單個坯料整體成形。當(dāng)厚徑比（壁厚與直徑之比）小于某一極限值時，壁厚超薄，抗壓縮失穩(wěn)能力小，極易發(fā)生起皺缺陷。研究[33,34]表明：對于低碳鋼，厚徑比極限值約為5‰；鋁合金彈性模量小，抗壓縮失穩(wěn)能力低于低碳鋼，其厚徑比極限值約為7‰，如圖8所示。與此同時，這種成形構(gòu)件的半封閉結(jié)構(gòu)對變形具有較大的約束力，導(dǎo)致受力復(fù)雜，容易發(fā)生開裂。起皺和開裂缺陷并存一直是利用傳統(tǒng)成形技術(shù)制造這類半封閉殼體結(jié)構(gòu)難以突破的瓶頸。

圖6.各向異性薄壁管非對稱失穩(wěn)起皺現(xiàn)象。（a）實驗結(jié)果；（b）仿真結(jié)果。

圖7.中國第一汽車集團有限公司自主品牌轎車液壓成形底盤副車架產(chǎn)品。

傳統(tǒng)拉深成形的變形區(qū)處于拉-壓應(yīng)力狀態(tài)，壓應(yīng)力過大導(dǎo)致起皺缺陷，而拉應(yīng)力過大導(dǎo)致開裂缺陷。為了解決起皺和開裂缺陷并存的難題，研究人員提出雙向加壓流體壓力成形方法，如圖9 [35]所示。通過在板材正面、反面同時施加液體壓力，合理控制壓力比使板材變形區(qū)發(fā)生反脹變形，從而把傳統(tǒng)拉-壓應(yīng)力調(diào)控為雙拉應(yīng)力狀態(tài)。沒有壓應(yīng)力的作用，起皺缺陷就不會出現(xiàn)。同時，通過控制施加于板材正面的液體壓力，將拉應(yīng)力調(diào)控在應(yīng)力空間第一象限的一定范圍內(nèi)，避免開裂發(fā)生。

圖10給出了采用雙向加壓成形工藝成功研制的整體結(jié)構(gòu)五通件。該構(gòu)件的原結(jié)構(gòu)在赤道及四個支管處均有焊縫，在低溫載荷沖擊下焊縫有開裂缺陷。相比之下，整體結(jié)構(gòu)五通件完全消除了焊縫，避免了開裂，壁厚均勻性和尺寸精度均滿足設(shè)計要求。

圖8.深腔半封閉構(gòu)件起皺趨勢與厚徑比的關(guān)系。D是構(gòu)件直徑，H是構(gòu)件高度。

為了制造大尺度半封閉構(gòu)件，一系列液壓成形裝備創(chuàng)新技術(shù)得以研發(fā)，從而實現(xiàn)了高壓條件下較大液體體積流量的控制，并成功研制出世界上最大的流體壓力成形機（圖11 [36]）。其高壓液體體積（5 m3）和成形力（150 MN）分別為德國Schuler公司設(shè)備（此前最大的流體壓力成形機）的5倍和1.5倍。利用該設(shè)備，采用與最終構(gòu)件近等厚的薄板可直接成形火箭燃料貯箱整體箱底件[36]，代替了傳統(tǒng)的多塊拼焊結(jié)構(gòu)，消除了約30 m長的焊縫，有效提高了構(gòu)件的可靠性，且制造周期縮短2/3。

5.大型封閉橢球殼體無模液壓成形

橢球殼體具有受力均勻、外形美觀等特點，常用于建筑結(jié)構(gòu)、液體儲存罐及微波通信塔等。針對傳統(tǒng)模壓成形技術(shù)制造橢球殼體存在需要多套模具、焊接變形大和曲率精度低等難題，提出基于橢球殼體無模液壓成形技術(shù)，即利用內(nèi)接于橢球殼體的單曲率多面體殼，通過流體脹形成形橢球殼體[37]。研究[38]表明：對于軸長比（長軸半徑與短軸半徑之比）λ>的扁橢球殼體，因赤道帶存在壓應(yīng)力，導(dǎo)致起皺，使得扁橢球殼體無法成形；而只有軸長比1≤λ≤時可直接成形橢球殼體。為了解決扁橢球殼體赤道帶受壓應(yīng)力起皺的問題，提出雙母線組合殼體成形方法[39]，如圖12（b）[40]所示。在赤道帶用軸長比λ≤的殼體（sector II）代替λ>的殼體（sector I）構(gòu)成具有雙母線的組合殼體，使得組合殼體的軸長比λ>，這樣就可以調(diào)控赤道帶變?yōu)殡p拉應(yīng)力，從而解決扁橢球殼體的起皺難題[圖12（b）[40]]。建立組合殼體體積變化率與軸長比的定量關(guān)系模型，通過控制注入的液體體積實現(xiàn)橢球曲率半徑的精確控制[40]。圖13為采用無模液壓成形方法成形的工業(yè)用橢球殼體[41]，其長、短軸長度分別為4.5 m和3.0 m，軸長比為1.5，壁厚為3 mm。

圖9.板材雙向加壓流體壓力成形原理和應(yīng)力狀態(tài)[35]。（a）成形原理；（b）應(yīng)力狀態(tài)。η為板材正面與反面流體壓力之比。

圖10.整體結(jié)構(gòu)五通件。

圖11.超大型流體壓力成形設(shè)備及整體箱底件[36]。

6.難變形材料構(gòu)件雙調(diào)熱介質(zhì)壓力成形

高強鋁合金（2000系、7000系、Al-Li合金）、鈦合金、鎳基高溫合金等難變形材料是用于飛行器、高速列車和新能源汽車薄壁整體構(gòu)件的常用材料[42,43]。這類構(gòu)件具有大尺寸與小特征、曲率突變與封閉截面等復(fù)雜形狀特征?，F(xiàn)有的基于單一應(yīng)變硬化的冷成形（包括液壓成形），以及基于應(yīng)變速率硬化的高溫超塑成形，因依賴于單一硬化性能，嚴重限制了局部減薄發(fā)生前的變形極限，所以無法成形難變形材料的復(fù)雜形狀構(gòu)件 [44]。

通過研究發(fā)現(xiàn)：合金材料在中溫（0.3Tm～0.5Tm，Tm為材料熔點溫度）和快速（應(yīng)變速率大于0.1 s?1）加載條件下具有應(yīng)變和應(yīng)變速率雙硬化現(xiàn)象[45–47]。通過提高坯料溫度與施加合適的變形速率，可以同時啟動兩種硬化機制（雙硬化）[48,49]。在該前提下，發(fā)明了同時調(diào)控應(yīng)變和應(yīng)變速率以實現(xiàn)雙硬化的雙調(diào)熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)[50]。圖14給出了雙調(diào)熱介質(zhì)壓力成形與傳統(tǒng)成形工藝的微觀機理及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

基于位錯力學(xué)、晶粒度等物理內(nèi)變量[51]和熱介質(zhì)壓力成形的黏塑性本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變和應(yīng)變速率雙硬化拆分方法，實現(xiàn)耦合雙硬化變形的定量表征和精確工藝仿真[52]。通過一系列雙軸可控加載實驗，建立不同合金的調(diào)壓調(diào)溫雙調(diào)熱介質(zhì)成形工藝窗口，如圖15所示。該工藝窗口可以用于優(yōu)化工藝參數(shù)和加載路徑，以實現(xiàn)難變形合金整體薄殼的精確成形[53]。雙硬化熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)能夠克服依賴單一硬化調(diào)控變形工藝的固有局限。圖16為采用雙硬化機制成形得到的鋁合金和鈦合金復(fù)雜形狀薄壁構(gòu)件[47]。成形后的鋁合金構(gòu)件，具有局部小特征（外凸字體LOGO）、三維圓角和復(fù)雜形狀截面（矩形、圓形和花瓣形），且花瓣形截面壁厚分布均勻；對于鈦合金構(gòu)件，其變徑比（大端直徑D2與小端直徑D1之比）達2.15，尺寸精度（貼模度）為0.18 mm，抗拉強度比原始材料高14.5%。

圖12.橢球殼體無模液壓成形應(yīng)力狀態(tài)[40]。（a）單母線；（b）雙母線。

圖13.工業(yè)用橢球殼體示例（軸長比為1.5）。

7.發(fā)展方向與展望

面向下一代航空航天、新能源汽車與高速列車運載裝備對輕量化、高可靠和長壽命的更高需求，流體壓力成形技術(shù)的未來發(fā)展方向如下：

（1）超大尺度非均質(zhì)薄壁構(gòu)件超低載荷整體成形。隨著重型運載火箭、大型飛機和新一代高速列車的發(fā)展，迫切需要超大尺寸（特征尺寸大于10 m）薄壁構(gòu)件。然而，由于板坯幅面的限制，采用的拼焊坯料的多條焊縫導(dǎo)致坯料力學(xué)性能具有非均質(zhì)的特性。這類非均質(zhì)體變形十分復(fù)雜，更容易在焊縫附近發(fā)生開裂。同時，超大尺寸構(gòu)件的成形力巨大。例如，對于直徑為5 m的半封閉結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，成形力達到400 MN，能夠提供如此大載荷和大臺面的設(shè)備的造價十分昂貴。因此，未來需要發(fā)展面向超大尺寸非均質(zhì)薄壁構(gòu)件的超低載荷（降低80%以上）流體壓力成形技術(shù)與裝備。

圖14.成形溫度區(qū)間的微觀機理和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。GBS：晶界滑移；μ：臨界剪切應(yīng)力；α：材料常數(shù)；b：柏氏矢量；ρ：位錯密度。

圖15.雙調(diào)熱介質(zhì)壓力成形工藝窗口。

圖16.熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)制造的具有復(fù)雜形狀的薄壁構(gòu)件[47]。（a）鋁合金構(gòu)件；（b）鈦合金構(gòu)件。

（2）金屬間化合物和高熵合金構(gòu)件精密成形。TiAl、NiAl等金屬間化合物和高熵合金是在高溫服役環(huán)境下代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎳基高溫合金的理想輕質(zhì)耐高溫材料。但是，該類材料在室溫下幾乎沒有塑性，同時受限于原始坯料尺寸。由于這類材料化學(xué)成分與相變特性復(fù)雜，因此需確定變形條件（溫度、形變量與應(yīng)變速率）的影響，以發(fā)展適合金屬間化合物和高熵合金的新型流體壓力成形技術(shù)，同時實現(xiàn)特殊用途構(gòu)件的制造。

（3）智能化流體壓力成形工藝與裝備。目前流體壓力成形工藝與裝備實現(xiàn)了數(shù)字化控制，成形過程的壓力、位移和變形力等工藝參數(shù)均按設(shè)定的加載曲線實現(xiàn)數(shù)字化閉環(huán)精確控制。但是，由于坯料性能波動及模具磨損等工藝不確定性因素的影響，成形構(gòu)件尺寸有時很不理想?；诒ぷ冃涡袨榕c工藝參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，構(gòu)建綜合的智能控制模型，便于設(shè)備線上調(diào)控工藝參數(shù)以實現(xiàn)成形過程中缺陷發(fā)生的智能控制。該智能成形模式可以大幅降低缺陷的發(fā)生概率。

（4）非均質(zhì)/強各向異性薄殼變形理論與精確仿真。流體壓力成形過程從坯料到最終構(gòu)件需要經(jīng)過一次或兩次預(yù)成形工序。坯料可能發(fā)生局部壁厚變化（減薄或增厚）和局部硬化，導(dǎo)致力學(xué)、物理性能不均勻，形成非均質(zhì)特征。從預(yù)成形到終成形的完整過程屬于多工步循環(huán)加載、卸載過程，現(xiàn)有理論與模型無法準確描述這類變形行為，因此，需要發(fā)展全新的屈服方程、流動方程、本構(gòu)關(guān)系模型及復(fù)雜加載條件下的實驗測試方法，以實現(xiàn)工藝仿真的準確預(yù)測與產(chǎn)品制造。

致謝

本研究得到國家杰出青年科學(xué)基金（50525516）及國家自然科學(xué)基金（U1637209、51175111、50375036、59975021）的經(jīng)費支持，作者表示衷心感謝。

作者對研究團隊成員的巨大貢獻表示衷心的感謝，他們分別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體高壓成形技術(shù)研究所的劉鋼教授、徐永超教授、劉偉教授、王小松副教授、韓聰教授、崔曉磊博士、苗啟斌工程師，以及大連理工大學(xué)高性能精密成形研究所的何祝斌教授、林艷麗副教授、凡曉波副教授和鄭凱倫教授。此外，衷心感謝美國伯明翰大學(xué)Trevor A.Dean教授在英文潤色方面提供的幫助。