ob体育

答辩博士：李正芳

指导教师：鲁世红教授/博导

论文题目：钛合金自阻电加热渐进成形关键技术研究

答辩委员会名单：

答辩秘书：闫崇京讲师/硕导

答辩时间：2021-5-8 下午2:00

答辩地点：南航明故宫校区15#341

学位论文简介：

钛合金是一种具有高比强度、耐高/低温、抗腐蚀、电热物理性能良好、优质焊接性能等特点的轻质合金材料，广泛应用于航空及兵器装备领域，也被称为“太空金属”。因此，钛合金成为了航空器、航天器构件的首选材料。本文以钛合金自阻电加热渐进成形工艺为研究对象，开展了系统的宏微观机理研究，提出了新的宏观控制方法及多物理场耦合数值模拟技术，建立了新的成形质量控制方程，探明了钛合金渐进成形的微观变形机理，对于填补难加工材料快速制造领域急需的关键理论与实践经验具有重要意义。

论文主要完成的工作及取得的成果如下：

（1）为改善初始接触间隙电离放电所致的电弧烧伤现象，基于宏观变形机理，提出轴向压力响应的控制方法来判定初始接触的稳定性，研制了自阻电加热渐进成形的电源通断装置，并建立了材料变形过程中接触面积与轴向力的计算模型。在此基础上，引入了材料的电-热效应机制，提出采用两个压力临界值来控制电源启动与电流介入，保证成形过程中电源工作的稳定性。

（2）针对单点自阻电加热渐进成形中电-热-力三场耦合的复杂数值模拟问题，提出了一种动态直接耦合的有限元分析方法来实现整个成形过程中焦耳热效应与热应力的实时更新，建立了变形中接触区域体积变换速率、等效电阻、热叠加效应的计算模型。在此基础上，结合ABAQUS-VUINTER子程序，实现了成形工具与板料接触区域多物理场动态交互作用的精确数值模拟。

（3）开展了钛合金单点自阻电加热渐进成形试验，揭示了电热效应及热应力交互作用下零件宏观尺度误差的变化规律。基于响应面与非支配排序的多目标优化算法，探明了成形工艺参数对零件多尺度误差影响的显著性及优化参数对计算精度的影响规律，建立了零件多尺度误差的预测及优化模型，获得了较优参数配置，并将其成功应用于钛合金蒙皮试验件的制造，实现了钛合金自阻电加热渐进成形宏观尺度的多目标优化控制。

（4）针对自阻电加热渐进成形中载流摩擦机制复杂及润滑困难的突出问题，提出了一种操作简单且成本低的新型固-液润滑方法来改善零件的表面质量。在此基础上，通过实验研究揭示了此类润滑条件下的磨损机制，即磨粒流抛光、干摩擦及高温黏着磨损的交互作用，结合成形工艺参数对成形精度的影响，形成了钛合金单点自阻电加热渐进成形质量的控制方法。

（5）针对单点自阻电加热渐进成形中材料微观组织变化机理不明确的问题，建立了宏观工艺参数与材料晶粒度之间映射关系，提出了钛合金单点自阻电加热渐进成形宏微观协同调控方法。同时，分析了宏观工艺参数对材料晶粒度等级影响的显著性，探明了材料多尺度方向微观组织及显微硬度的演变规律，揭示了钛合金电热渐进成形中微观组织的变化机制，形成了单点自阻电加热渐进成形的形性控制方法。

主要创新点：

（1）提出了轴向压力响应控制钛合金自阻电加热渐进成形初始间隙电离烧伤现象的方法。结合材料的宏观变形机理及电热效应，建立了变形区域轴向力的解析模型，并自主研发了自阻电加热渐进成形的电源通断系统，改善了此类成形工艺中初始接触间隙电离放电所致的板料与成形工具表面的电弧烧伤现象；

（2）提出了钛合金自阻电加热渐进成形中电-热-力多物理场耦合的数值模拟方法。结合宏观参数及材料的电热物理属性，建立了自阻电加热渐进成形中变形区域的体积瞬时变化速率模型及等效电阻模型，结合焦耳热模型，建立了变形区域的等效热流模型。基于ABAQUS-VUINTER模块，实现了电-热-力耦合作用下材料变形区域动态实时控温控形的有限元仿真分析；

（3）提出了一种钨基粉末与高温润滑油液混合的新型固液润滑方法。基于自阻电加热渐进成形中载流摩擦、干摩擦、边界摩擦等多种摩擦混合作用机制的特征，揭示了此类润滑方法中动态变形区域的摩擦磨损机制，并探明了润滑参数对表面质量的影响规律，实现了载流高温高压条件下钛合金自阻电加热渐进成形零件的表面质量控制。