轻合金成形领域科学技术发展研究
摘要：铝、镁、钛等轻金属材料，由于具有比强度与比刚度高等特性在汽车、
轨道交通和航空航天等制造领域显示出越来越广泛的应用前景。研究与发展轻合金材料先进成形技术，对实现轻量化零构件高质量、低成本、短周期制造，缓解由于交通运输带来的能源、环保压力以及节能减排具有重大的意义。轻合金成形技术与科学，已经成为我国国民经济、国防建设与科学技术发展的关键学科领域之一，而轻合金高性能精确成形制造是既有挑战性又充满机遇的研究与发展前沿领域。
关键词：轻合金 高性能 精确成形 全过程建模仿真与优化
0.前言
资源和环境的制约将成为未来社会实现可持续发展的主要瓶颈，对决定国民
经济命脉的交通运载产业的发展影响尤为明显。21 世纪将是我国交通运载、航空航天工业飞速发展的时期。到 2009 年，我国已成为世界第一汽车制造大国，对国民经济产生了持续性的巨大拉动作用；我国的铁路运量居世界第二，轨道列车日益高速化，将有效提高运输能机械然而，汽车、飞机、高速列车等都是大量消耗能源和资源、影响环境、涉及生命安全、并需要庞大基础设施支撑的产品，其发展目前正面临来自能源、环保、安全等方面的巨大压力。到 2020 年，将近 60%的石油资源将被交通运输业所消耗，汽车也成为城市大气的主要污染源。因此，节能、减排放技术已成为交通运载产业发展中的关键技术。 油耗和排放与产品质量直接相关，如汽车油耗的 75%与整车质量有关，汽车质量每下降 10%，油耗下降 8%，相应的排放下降 4%；航空航天工业对减重的要求更是以克为单位。因此，轻量化是节约能源和减少有害气体排放的有效途径，而且是提高飞机、汽车等运载工具性能的重要途径。 实现轻量化的技术途径包括，采用高性能轻合金材料，目前主要是铝、镁、钛等；采用轻量化的结构形式，例如复杂形状、薄壁、空心变截面、整体和带筋结构等。由于轻合金本身的难成形特性以及轻量化的复杂结构，这就给轻合金成形技术研究与发展提出了新的挑战。 从长远来看，轻量化是轻合金成形技术研究、发展与应用的主要驱动力。
1. 轻合金及发展应用概况
目前，轻合金主要包括铝、镁、钛等高性能轻合金。 铝合金密度约为钢铁的 1/3，比强度高，导热性好，延展性好，易成形，可 100％回收利用。有利于汽车等产品的轻量化，有利于节能减排，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。2005 年我国产铝产量达780.6万t， 居世界首位， 到2007年达1 240万 t，已成为世界上产铝大国、用铝大国和出口铝大国。 铝是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料。继 2000 年超过塑料跃居第三大汽车材料之后， 铝合金在汽车上的应用又取得重大进展。铝协会 2007年发表的研究报告中指出，铝在汽车中的用量已超过(铸)铁，成为仅次于钢的第二大汽车材料。图 1为铝在北美、欧洲和日本汽车中应用情况。其中北美汽车铝的应用水平最高，2006 年乘用车单车
平均用铝量目前已达 145 kg(319 lb)，保持了 30 年的持续增长， 其应用的重点对象是动力系的大型零部件；欧洲平均每车用铝 118 kg，应用主要集中于白车身和悬架系零部件；日本的情况与欧洲比较接近。
铝合金也是航空航天工业，特别是飞机制造业的最主要的结构材料。飞机上广泛使用高强高韧铝合金、铝－锂合金以及高性能铝基复合材料，能显著减轻质量的同时又具有高抗压强度、耐腐蚀性能等。已研发的一系列适用于飞机各部位铝合金管、棒型材、板材及锻件，对航空航天事业的发展起到了重大促进作用。 在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，列车的轻量化显得越来越重要。列车轻量化是提高列车速度的首选条件，可以减轻自重、减小运行中的阻力、降低能耗、增加载重等。铝合金独特的优点决定了其在轨道交通工具中的重要地位。 目前国内除长春轨道客车公司生产铝合金车体外，中国南车集团、南京浦镇车辆厂、株洲电机车厂都具备了批量生产铝合金车体的条件。 镁合金是最轻的结构金属，具有高强度、高刚性，阻尼性、切削加工性、导热性好，对振动、冲击的吸收性高，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定，资源丰富，易回收，无污染等优点， 其密度是钢的 23％，铝的 67％，塑料的 170％。镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的 4～5 倍，其弹性模量更远远高于塑料，是其 20 多倍，因此在相同强度和刚度的情况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件质量，这对航空工业、船舶工业、汽车工业、军工、手提电子器材轻量化具有重要的意义。
2. 轻合金成形研究前沿与发展重点
2.1 研究前沿
航空航天、汽车等高技术领域不断要求零构件的高性能、轻量化、高可靠性与功能高效化，由此导致零构件大型整体化、形状复杂化、薄壁化、大小几何尺寸极端结合，更重要的是要求采用轻合金材料，而这种材料既难变形又很昂贵；关键构件往往应用于极端苛刻的环境。因此，只有不断发展轻合金高性能精确成形制造新原理新技术，并将其发展到极限，才能解决问题。这要求在技术与科学上的系统深入研究，同时还必须追求研究方法上的系统性与综合性，技术与装备上的系统性和集成性，由此形成轻合金高性能精确成形制造科学的创新源头。因此，发展轻合金高性能精确成形制造科学与技术不仅是国民经济发展与国防建设的重大需求，而且是先进成形制造科学的研究前沿，具有带动国家制造技术和工业技术水平整体提升的关键作用。美国国家实验室的实践证明，大多数成形前技术与科学基础首先产生于并服务于国防等高技领域的重大需求，然后拓展到其他领域，促进和动国家制造科技进步和经济发展。轻合金高性能确成形制造科学与技术发展趋势与发展规律将会如此。其研究前沿包括以下方面：
(1)轻合金高性能精确凝固成形：重点解决合金大型、复杂整体构件与超薄精密零件超常凝多场耦合精确成形行为与工艺—组织(性能)—形(尺寸)关联关系等； (2)轻合金高性能精确塑性成形：主要解决同成形方式、不同加载条件下轻合金大型、复杂件多场耦合精确成形成性机理与协同控制等；(3) 轻合金先进成形制造过程的精确高效建仿真与优化：重点解决轻合金复杂成形成性多场尺度全过程建模、仿真、优化与数字化精确成形键问题；
2.2重点发展方向展望
2.2.1轻合金高性能精确凝固成形
(1) 轻合金大型复杂薄壁件铸造成形中尺寸精度及表面质量精确控制原理；凝固组织偏析机理、多场耦合下非均匀形核及相变界面形态形成规律与内部质量控制方法；
(2) 轻合金高性能超薄精密复杂件的凝固精确成形成性规律与过程控制，压力下凝固动量传输、形核和生长动力学、热力耦合行为和理论；
(3) 钛合金高性能大型整体构件、高性能梯度材料激光精确成形； 激光成形与修复中的应力形成、分布规律与复合制造的力学性能匹配关系。 2.2.2 轻合金高效高性能精确塑性成形
(1) 面向轻合金复杂零件的冷、温、热整体加载与局部加载的优质、高效、精
确、节约型成形新工艺与先进技术基础；
(2) 轻合金局部加载成形与整体加载成形集成的复合成形先进技术基础；
(3) 轻合金复杂塑性成形中的宏微观力学与组织性能演化、成形成性协调控制； (4) 轻合金高性能复杂大型构件的等温局部加载整体成形、分段成形组合制造等关键基础问题，多场耦合下成形成性一体化制造质量控制等； 2.2.3 轻合金先进成形制造过程的精确高效建模仿真与优化
(1)轻合金成形高温、瞬态、非平衡、多场多尺度耦合过程的建模方法；多场、多尺度、多功能，仿真计算方法；
(2)轻合金大规模复杂成形成性过程的高精度，高效率建模与基于多CPU的并行计算与基于多GPU快速计算方法；
(3)轻合金复杂成形制造过程确定与不确定优势化模型的建立多参量、多目标、多约束、非线性优化问题的求解方法；
(4)轻合金复杂成形制造过程中成形与微观组织演化精确描述；材料设计、制备、成形与热处理全过程一体化设计与组织和形状尺寸精确控制与数字化。
参考文献
[1]中国科学技术协会, 中国机械工程学会. 机械工程科发展报告[M]. 北京：
中国科学技术出版社, 2009.
[2]柳百成，沈厚发. 21 世纪的材料成形加工技术与科学[M]. 北京：机械工业出
版社，2004.
[3]申世军，杨合，詹梅，等. 铝合金大口径薄壁管数控弯曲实验研究[J]. 塑性
工程学报，2007，14(6)：78-82.
[4]王华明，张述泉，汤海波，等. 大型钛合金结构激光快速成形技术研究进展[J]
航空精密制造技术，2008，44(6)：28-30.
[5] 黄天佑, 刘小刚, 康进武, 等. 我国大型铸钢件生产现状与关键技术[J].
铸造, 2007, 56(9)：899-904.