苑世剑

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

复杂曲面薄壁构件是火箭、飞机、汽车和高速列车等运载装备的关键结构[1–3]。这些构件不仅关键，而且量大面广，如在运载火箭中数量占比达80%以上，在飞机和汽车中达50%以上。随着新一代运载装备对轻量化、长寿命、高可靠要求的大幅提升，传统的多块拼焊结构无法满足这些要求，迫切需要整体化的复杂曲面薄壁构件[4]。这类整体化构件的成形存在三方面的挑战：一是形状十分复杂。包括大尺寸与小特征，以及具有明显不同的曲率、异形封闭截面、超大特征尺寸（管材长度或板材直径超过5 m）与超薄壁厚（厚径比小于3‰）等复杂特征，这些特征使得坯料变形量远超传统工艺缺陷形成的极限值[5]。二是材料为难变形合金。高强铝合金[6,7]、钛合金[8,9]、金属间化合物[10]和镍基高温合金[11]室温成形性低，而高温下组织性能严重弱化。三是要求同时具备高尺寸精度和良好的性能[12]。构件全面域精度达亚毫米（0.1～1 mm）甚至几十微米（1～100 μm），因超薄无法成形后再加工，因此必须通过直接成形来保证成形精度，且要求薄壁构件的性能（如抗拉强度）优于坯料10%。这三方面的挑战互相耦合叠加，使得构件的制造难度极大。现有基于刚性模具的成形技术[13]受加载空间的限制无法成形这类复杂整体结构，因此此类构件常被分解为形状简单的小尺寸构件，成形后再焊接成整体构件。这种多块拼焊的技术路线会产生力学性能较弱的长焊缝区域，导致构件形状畸变、表面恶化、可靠性低和寿命短等问题，无法满足新一代运载装备的发展需求[14]。……