基于晶粒尺寸/相比例协同控制的钛合金舵面超塑成形机理

The study of the SPF mechanism of Titanium Alloy rudder based on the grain size has important scientific significance for upgrading the core technology of superplastic forming and manufacturing of complex parts on high-end weapons. Based on the study of SPF law under the coordinative control of TC4 alloy grain size/phase ratio, this project focuses on SPF behavior and mechanism study and establishes the relationship between micro-scale deformation mechanism and macroscopic superplastic forming performance under the grain size/phase ratio coordinative control by utilizing the grain size/phase ratio coordinative control factor, laying the foundation for upgrading core technology of superplastic forming and manufacturing of TC4 alloy multi-layer complex structure parts. During the research process, the idea of "Material Genome Engineering" is introduced and high-throughput calculations, scientific tests, microstructural characterization, model derivation, and theoretical analysis are used to study the superplastic deformation behavior and deformation mechanism of TC4 alloy. The superplastic deformation mechanism, the dislocation movement mechanism in high dislocation density, and the mechanism of cavity nucleation and growth under the coordinative control of grain size/phase ratio are clarified and the law of superplastic forming is revealed, providing new research ideas and theoretical support for the process optimization, structural stability control, and defect prevention in the superplastic forming and manufacturing process of TC4 alloy.

基于晶粒尺寸/相比例协同控制的钛合金超塑成形机理研究，对我国高端武器装备复杂零件超塑成形与制造研究领域具有重要的科学意义。本项目以TC4合金晶粒尺寸/相比例协同控制的超塑性变形规律为基础；以超塑性变形行为与变形机理研究为主线；以晶粒尺寸/相比例协同控制因子为桥梁；建立TC4合金基于晶粒尺寸/相比例协同控制的微观变形机理与宏观超塑成形性能之间的联系，为该合金复杂结构零件超塑成形技术提升奠定基础。在研究过程中，引入“材料基因组工程”理念，通过高通量计算、科学试验、微观组织表征、模型推导、理论分析等方法，对TC4合金进行超塑性变形行为及变形机理进行研究，阐明该合金基于晶粒尺寸/相比例协同控制下的超塑性变形机理、高位错密度区域位错运动机理、空洞形核长大机理，揭示该合金超塑性变形规律，为TC4合金超塑成形与制造的工艺优化、组织稳定性控制、缺陷预防等方面提供新的研究思路及理论支撑。

本项目针对我国自主研发、设计、生产的新一代空空导弹4层结构钛合金舵面超塑成形/扩散连接技术中的关键核心问题，新颖的提出了超塑性成形过程中晶粒尺寸/相比例协同控制理念，并将协同控制因子引入到TC4合金超塑性变形行为及变形机理的研究中，较为系统性的开展了相关研究工作。项目按照任务书要求完成了全部研究内容，并在此基础上获得了新的科学发现。如下：①在基础理论研究方面，建立了合金成分-晶粒尺寸-相比例-制备工艺参数之间的定量化模型，揭示了TC4晶粒尺寸/相比例协同控制下的超塑性变形行为规律，阐明了该合金晶粒尺寸/相比例协同控制下的超塑性变形机理、高位错密度区域位错运动机理、空洞形核长大机理，解决了TC4合金超塑成形能量耗散过程的物理模型解析的关键科学问题。②在应用研究方面，优化了TC4合金超塑性成形工艺，降低超塑性成形温度50℃，实现了4层结构复杂零件超塑成形/扩散链接过程的组织稳定性控制及缺陷预防，降低了成形制造过程的能源损耗，从而有效的解决了TC4合金复杂多层结构零件超塑性成形精度的稳定性控制问题。③在特色创新与前沿探索方面，在TC4合金晶粒尺寸/相比例调控技术研究中，将“材料基因组”技术引入其中，解决了传统“试验法”的弊端。同时，我们还发现了TC4合金“非理想”组织在超塑性变形过程中能够发生“动态平衡”转变现象，即，由“粗大、非等轴、不均匀化”向“细化、等轴化、均匀化”转变，并且实现了该合金大尺寸晶粒（15μm）条件下超塑性延伸率大于1100%。该研究结果，颠覆了目前超塑性研究领域追求超细晶组织制备的传统思路。因此，本项目研究结果不但解决了目前我国尖端武器装备复杂零件成形制造领域核心技术瓶颈问题，还为我国高性能轻质金属材料塑性加工及连接过程中的工艺、组织和性能调控等热点研究领域提供新的研究思路及理论支撑。