2025年, 第17卷, 第11期　
刊出日期：2025-11-10

  

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先进材料智能成形技术
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  基于高精度仿真的精密光学镜头注射成形非均匀补偿技术

  杨进, 应泽辰, 张云, 周华民

  精密成形工程. 2025, 17(11): 1-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.001

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  目的 针对注射成形制备高精密光学镜头产品过程中收缩、翘曲导致的质量不达标问题,提出了一种基于高精度仿真的非均匀补偿技术。方法 通过准确测量流变、材料、P-V-T等材料参数,以及设置传感器校准仿真软件中的工艺参数,实现高精准度的仿真。基于精准仿真获得的轮廓基准点收缩向量,计算获得模具型腔对应的基准点坐标,拟合获得模具型腔参数,通过对比径向和轴向的收缩差异计算模具轮廓上各点的补偿量,从而实现型腔非均匀补偿。结果 在多种工艺条件下验证了仿真方法精度,结果表明,仿真面型轮廓与实测值类似,面型仿真的平均误差可控制在10%以内。通过仿真验证了非均匀补偿方法效果,发现使用非均匀补偿方法的镜片模型两面的面型偏差为0.34 μm和0.46 μm,远小于不经过补偿的模型（19.89 μm和7.79 μm）和经过均匀补偿模型（4.58 μm和1.31 μm）。采用最终非均匀补偿系数制备的2块镜片模仁的面型偏差分别为1.210 0 μm/1.418 3 μm和1.363 1 μm/1.243 8 μm,达到镜片制造T0环节所要求的2 μm误差。结论 所提的仿真校准思路能有效提高仿真精度,结合仿真结果的非均匀补偿方法不仅在流程上节省了试模成本,而且精度远高于传统方法,能满足实际制造中的精度要求。
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  纳米孪晶多晶Al_x(CoCrFeNi)_1-x高熵合金压印过程中的微观结构演变分子动力学模拟

  刘依豪, 娄燕, 高伟杰

  精密成形工程. 2025, 17(11): 13-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.002

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  目的 为在纳米尺度揭示纳米孪晶结构Al_x(CoCrFeNi)_1-x高熵合金的变形机理,探究铝含量、孪晶界间距及温度对其在纳米压痕过程中力学行为与微观结构演变的影响规律。方法 采用分子动力学模拟方法,构建具有不同孪晶界间距（0.61、1.84、3.08、4.31 nm）的纳米孪晶多晶Al_x(CoCrFeNi)_1-x模型（x=0.1、0.3、0.5）。在300~1 100 K的温度下进行纳米压痕模拟,并运用共同邻域分析、位错分析等方法,实时追踪位错形核、运动及其与晶界的交互作用。结果 晶体结构、孪晶界间距与铝含量均显著影响力学性能。在Al_0.1成分下,单晶、普通多晶和纳米孪晶多晶的最大压痕力分别为489.21、340.60、375.41 nN,表明普通晶界引起软化,而纳米孪晶界能有效提升承载能力。当孪晶界间距为1.84 nm时,性能最优,最大加载力达411.04 nN,硬度为16.44 GPa,证实此为Hall-Petch强化与反Hall-Petch软化的临界间距。提高铝含量可进一步提升强度。结论 最优性能源于孪晶界对位错的有效阻碍与重排;高铝含量则加剧了晶格畸变,有效减小了层错能,促进层错形成与相变。温度升高通过热激活效应促进位错形核与运动,导致材料软化。铝含量、孪晶界间距与温度三者协同作用,共同调控着材料的强度与塑性。
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  定向凝固工艺参数对三代镍基单晶高温合金铸态组织影响研究

  朱霄龙, 俞泽丰, 李克, 黄晓鸣, 陈森鸿, 陈浩天, 王晓珊, 曾龙, 夏明许, 李建国

  精密成形工程. 2025, 17(11): 37-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.003

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  目的 通过采用氩气保护和调整抽拉速率的方法对第三代单晶高温合金铸态组织进行优化。方法 采用HRS定向凝固和氩气保护HRS定向凝固方法,分别以40 μm/s和80 μm/s 2种抽拉速率进行了第三代镍基单晶高温合金的单晶试棒制备。采用光学显微镜、扫描电子显微镜对合金铸态微观组织进行观察,分析了抽拉速率对合金组织演变的影响规律。结果 在HRS和氩气保护HRS定向凝固实验中,随着抽拉速率的增大,铸态组织一次和二次枝晶间距、孔隙率、共晶含量以及γ'相尺寸均减小;Re、W、Ta偏析减小,Al、Mo的偏析增大,Cr、Co的偏析无明显变化。在氩气保护HRS定向凝固时,在同等拉速下,铸态组织除γ'相外尺寸均呈现减小趋势。Re、W、Al、Mo的偏析程度加重,Cr、Co、Ta的偏析程度无明显变化。结论 采用氩气保护和增大抽拉速率的方式会提高定向凝固过程中的温度梯度和生长速度,从而达到细化枝晶组织、减小共晶以及孔隙含量的目的。当采用氩气保护时,温度梯度提高3.4%~3.7%,因此对铸态组织优化效果并不是特别明显;相比而言,提高抽拉速率对铸态组织优化比较明显。
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  熔模精铸K4169合金复杂蜗壳薄壁结构陷预测与工艺多目标优化

  张恒睿, 董一巍, 王海东, 杨磊磊, 廖玉婷

  精密成形工程. 2025, 17(11): 47-57. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.004

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  目的 解决K4169高温合金复杂蜗壳薄壁结构件熔模铸造中缩孔缩松缺陷难控制、浇注系统体积冗余等问题,为铸件的高质量、低成本制造提供优化方案。方法 依托ProCAST有限元平台开展全流程数值模拟,采用多点S型双铂铑热电偶实测铸造过程中的温度数据,反求铸件与模壳的界面换热系数,提升模拟精度;构建回归模型,基于NSGA-II算法与TOPSIS方法生成帕累托前沿解集,确定最优工艺参数;优化浇注系统结构,调整铸件放置姿态,通过试验验证优化效果,对比模拟与实测缺陷位置、体积及铸件力学性能数据。结果 模拟与实测温度的平均绝对误差控制在±2 ℃以内,均方根误差为2.1 ℃;最优工艺参数如下：浇注温度为1 450 ℃、预热温度为1 050 ℃。结构优化后,缩孔缩松总体积减少63%,浇注系统体积降低29%;实际生产的铸件室温抗拉强度达890 MPa、屈服强度达680 MPa,均满足设计要求,生产合格率提升至80%。结论 界面换热系数模型有效提升了模拟精度,浇注系统与工艺参数的协同优化同时实现了缺陷的控制与材料利用率的提升,在铸造工程中兼具实用性与高效性。
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  短切热塑性预浸料片材尺度对成型构件力学性能的影响研究

  刘粤海, 付饶, 严洪彬, 王琦, 马赛, 王福吉

  精密成形工程. 2025, 17(11): 58-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.005

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  目的 以短切碳纤维增强尼龙6复合材料（CF/PA6）为研究对象,系统探究了预浸料片材长宽比对其力学性能的影响规律,进而提出了一种短切预浸料片材的尺度优选方法。方法 制备了4种长宽比（1∶1、2∶1、4∶1、6∶1）的短切CF/PA6预浸料片材,通过排气辅助模压成型工艺制备出力学性能测试样件,利用光学显微镜与显微CT定量表征微观孔隙与纤维面外波纹缺陷,并结合拉伸实验分析片材尺度对宏观力学性能的影响。结果 随片材长宽比的增大,材料内部孔隙分布均匀性下降,大尺寸（≥10¹⁵ nm³）孔隙数量增多,同时纤维面外波纹显著加剧,平均波纹比与波纹角分别提高了122%与140%。拉伸性能与模量均随着长宽比的增大呈现先升后降的趋势,并于2∶1时达到最优值。结论 短切预浸料片材长宽比通过影响微观缺陷的演化与应力传递结构的连续性来影响复合材料力学性能。当长宽比为2∶1时,可实现纤维应力传递效率与缺陷抑制的有效平衡,为其在复杂结构件中的性能优化与工艺设计提供了重要依据。
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  铜/铝复合管三辊斜轧的结合过程模拟与实验验证

  侯文静, 陈鹏, 牛辉, 付伦, 和东平, 王涛

  精密成形工程. 2025, 17(11): 68-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.006

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  目的 探究铜/铝复合管三辊斜轧动态成形过程与界面结合规律。方法 基于ABAQUS软件建立了铜/铝复合管三辊斜轧的动态复合有限元模型,并采用VUINTER子程序描述异种金属界面的接触关系,基于此分析了轧制过程中的界面结合演化及金属变形规律。进行了温度为400 ℃、压下量为25%的铜/铝复合管三辊斜轧实验,通过轧后复合管宏观尺寸验证了有限元模型的可靠性,并基于拉剪实验和微观表征手段分析了异种金属结合界面的宏微观特征。结果 仿真分析结果表明,所建立的模型能够模拟铜/铝界面的“变形-结合-成形”动态过程,复合管在三辊斜轧中呈螺旋前进,径向界面经历“圆形-三角形-圆形”的变形过程,且该变形过程与应力场“上升-稳定-回落”、速度场“梯度-同步-差异”、界面结合率“迟滞启动-快速增长-稳定饱和”三阶段变化对应。实验结果表明,制备的复合管宏观形貌完整,界面平直连续,宏观尺寸（直径、长度等）与有限元模拟结果误差不超过5%,有效证明了仿真分析的可靠性。此外,实验分析结果表明,复合管界面拉剪强度约为69.97 MPa,断裂位于铝基体且呈韧性断裂,结合界面处形成了约1.5 μm元素扩散层,实现了冶金结合。结论 所建立的三辊斜轧有限元模型成功模拟了铜/铝复合管动态复合过程,并揭示了金属结合界面在成形过程中场变量的演化规律,可为双金属复合管三辊斜轧工艺研究提供理论指导。
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  6061-T6铝合金低周疲劳行为及寿命预测研究

  马旭明, 韩泉峰, 王辉, 陈一哲, 华林

  精密成形工程. 2025, 17(11): 79-92. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.007

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  目的 研究6061-T6铝合金的低周疲劳行为,揭示该合金的循环塑性变形机制与疲劳裂纹萌生规律,并为铝合金等轻质材料的疲劳寿命评估提供理论指导。方法 基于经典晶体塑性理论,引入背应力演化机制,研究铝合金在循环载荷作用下的力学响应。进一步地,定义累积等效塑性应变和累积应变能耗散2类疲劳损伤指示因子,同步结合试验进行疲劳裂纹萌生寿命的预测研究。结果 6061-T6铝合金的循环塑性行为对应变幅值高度敏感：在低应变幅值下呈循环稳定行为;在中等应变幅值下表现出明显的循环硬化;而在高应变幅值条件下则呈现先硬化后软化的演化特征。疲劳损伤主要集中于晶界及三晶交界点等塑性应变与能量耗散集中的区域。此外,2类疲劳指示因子均展现出良好的寿命预测能力,预测结果均落在±2倍寿命误差带范围内。结论 所建立的本构模型框架能准确描述6061-T6铝合金在不同应变幅值下的循环塑性行为,2类疲劳指示因子具备较高的寿命预测精度。本研究验证了晶体塑性模拟在铝合金低周疲劳寿命预测中的可靠性,也为发展多尺度轻质合金疲劳寿命预测方法奠定了基础。
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  高温下Ti-55531钛合金多向锻造热力学行为研究

  朱宝洁, 陈洪伍, 孟毅

  精密成形工程. 2025, 17(11): 93-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.008

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  目的 研究大塑性变形过程中的微观组织演变机制,为钛合金宏观力学性能的调控优化提供理论基础。方法 以Ti-55531钛合金为研究对象,基于动态材料模型,进行单向热压缩实验和多向锻造实验,绘制不同应变条件下的热加工图,分析合金的功率耗散特性及失稳区分布情况,为优化热加工工艺参数提供理论依据。研究了Ti-55531钛合金在双相区多向锻造过程中的微观组织演变规律,分析不同锻造温度（770~830 ℃）和加工道次（1~3次）对合金微观组织形貌、尺寸、相变演化的影响。总结热变形过程中的合金晶粒组织均匀化规律,为制备高性能钛合金锻坯提供理论依据和技术支持。结果 当合金温度为780~820 ℃、应变速率0.01~0.36 s^-1时,为高功率耗散因子（η>0.3）变形条件下较佳的加工窗口;随着变形温度的升高,α相析出减少,β基体中的高角度晶界比例增加,晶粒细化程度提高;β晶粒尺寸随着应变量的累计显著减小（10.96、4.73、4.22 μm;800 ℃）。结论 多向锻造在弱化织构强度、改善材料各向同性、提高组织均匀性和细化晶粒方面表现出优异效果。在800 ℃、2道次的工艺参数下,多向锻造晶粒组织尺寸调控最好。
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  斜槽结构化砂轮磨削的气流场特性仿真及加工性能优化研究

  徐晓雨, 陈熠, 卓鑫, 毕果, 李茂源, 王振忠

  精密成形工程. 2025, 17(11): 105-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.009

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  目的 解决砂轮磨削硬脆光学元件过程中形成的气障层阻碍磨削液进入,导致冷却效率低、润滑性能弱等问题,探究结构化砂轮对磨削区气流场的影响规律,优化砂轮表面结构以提升磨削液利用率,从而降低磨削力和磨削温度。方法 采用计算流体动力学仿真（CFD）与磨削试验相结合的方法,建立普通砂轮及直槽/斜槽/V型槽结构化砂轮气流场仿真三维模型,基于仿真优化结果制备青铜结合剂金刚石斜槽砂轮,对熔石英工件进行磨削加工试验验证。结果 气流场仿真结果表明,斜槽结构化砂轮工件表面正负压峰值绝对值之和最小。磨削加工试验结果表明,斜槽砂轮能有效降低磨削力和磨削温度,在500~2 000 r/min的转速范围内,斜槽砂轮法向磨削力降低了28.7%~41.5%,磨削温度降低了8%~20.2%,在100~400 μm的磨削深度范围下,斜槽砂轮法向磨削力降低了33.6%~40.9%,磨削温度降低了17.2%~19.3%。结论 斜槽结构化砂轮能有效削弱气障层强度,磨削区入口处未出现明显返流,试验证明斜槽砂轮可以提升磨削液利用率,有效改善熔石英元件的磨削加工性能,为光学元件低损伤加工提供了新方案。
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  激光粉末床熔融飞机系统安装支架轻量化设计与力学分析

  韩昌骏, 李恒, 王义, 刘洪添, 蒋睿哲

  精密成形工程. 2025, 17(11): 116-125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.010

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  目的 为实现飞机系统安装支架的轻量化,提出了一种面向激光增材制造的协同优化设计方法。方法 基于变密度法（SIMP）建立以最大化结构静力刚度为优化目标的拓扑优化模型,并结合包络优化与形状优化策略构建一体化设计框架;以某型飞机系统安装支架为研究对象,开展多载荷工况有限元分析、拓扑优化与几何重构,同时引入激光粉末床熔融（LPBF）工艺约束,实现结构设计与成形工艺的协同,最终通过LPBF工艺完成实物成形与验证。结果 初始支架壁板与悬空区域存在材料冗余与局部应力集中现象,其高达6.3的安全系数表明该结构具有显著减重潜力。据此进行的优化设计,在成功减重15.52%的同时,将最大应力与位移分别控制在34.25 MPa与0.069 mm的较低水平,远低于材料屈服强度且满足安装精度要求,优化后支架的传力路径连续、应力分布均匀。LPBF成形件外形完整、表面质量良好,无裂纹、塌陷及翘曲等缺陷,验证了模型具有良好的工艺可行性。结论 本研究方法在保证结构强度与刚度的同时实现了减重,为航空承载构件的轻量化与增材制造一体化设计提供了可验证的设计框架。
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  基于联合仿真的混合玻璃绝缘子成型流道结构优化研究

  陈日青, 刘东雷, 章少剑, 任凯麟, 蔡旭阳, 罗鑫

  精密成形工程. 2025, 17(11): 126-135. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.011

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  目的 为解决特高压输电用混合玻璃绝缘子在模内嵌件包覆成型中因玻璃绝缘子型坯脆性大、尺寸偏差大及固态硅橡胶变形抗力高、门尼黏度高,易出现碎裂、包胶不均匀等缺陷,导致一次注射成品率低的问题,通过实验验证与数值模拟相结合的方式,优化流道方案以提升成型稳定性与成品率。方法 先以160 kN混合玻璃绝缘子为对象,在填充率10%、30%、90%及100%下进行分阶段实验,验证混合玻璃绝缘子成型数值模拟结果的可靠性;再以420 kN混合玻璃绝缘子为对象,设计三伞同轴对称、两伞同轴一伞垂直对称、两伞同轴一伞45°垂直对称的3种流道方案,通过Moldflow模拟固态硅橡胶填充行为,结合Ansys流固耦合分析型坯力学响应。结果 160 kN绝缘子各填充率下的模拟结果与实验填充行为一致;420 kN绝缘子虽在3种方案下均能完全填充,但方案一因轴向受力失衡而导致型坯破裂,方案二因填充速度差异而存在压碎风险,方案三能满足填充平衡要求,剪切应力低于方案二、困气最少,且应变为1.415 4×10^-5、等效应力为3.462 MPa,均为3组最小。结论 模拟模型可准确反映成型过程,420 kN绝缘子的两伞同轴一伞45°垂直对称流道方案能有效降低缺陷风险、提升成品率,为特高压混合玻璃绝缘子成型工艺优化提供支撑。
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  基于联合仿真的极端工况下聚合物薄壁圆筒注塑工艺优化

  吉建华, 李忠捷, 马艺涛, 谢飞鹏, 谢鹏程

  精密成形工程. 2025, 17(11): 136-144. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.012

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  目的 针对高温、高压服役工况下聚合物薄壁圆筒构件的注射成型质量引发结构性能下降的问题,探究注射成型工艺对其结构性能的影响规律,确定构件的最优注射成型工艺。方法 采用Moldex3D、Digimat-MAP及Abaqus数值仿真软件,对成型工艺和结构性能进行联合仿真分析。首先进行注射成型模拟并获取热残余应力分布,再将残余应力场映射至结构网格中,作为初始条件进行动态结构仿真。通过正交试验,探究了注射速度、熔体温度、模具温度、保压压力与保压时间5个关键工艺参数对残余应力的影响规律。结果 模具温度、保压压力和保压时间是影响薄壁圆筒构件残余应力的主要因素,经工艺优化后,圆筒最大热残余应力降低98.37%,应力分布均匀性显著改善。动态结构仿真结果表明,残余应力对圆筒在压力加载初期的应力分布具有影响,是极端服役工况初期诱发结构失效的主要原因。结论 建立了多物理场联合仿真方法与工艺优化策略,提高了聚合物薄壁圆筒结构成型工艺与结构性能的预测准确性,确定了薄壁圆筒的最优注射成型工艺参数,大幅降低残余应力水平,改善了薄壁圆筒在极端服役工况下的力学响应行为。
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  面向MEMS应变传感器的NiCr薄膜制备工艺研究

  王春举, 陈学艺, 钱达, 谢金辉

  精密成形工程. 2025, 17(11): 145-151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.013

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  目的 选择NiCr作为应变传感器的敏感层,探究磁控溅射NiCr薄膜过程中,溅射功率、氩气流量、基底温度对薄膜质量的影响规律,获得最佳的制备工艺参数。方法 选用纯度≥99.99%的3英寸（1英寸= 2.54 cm）NiCr靶材,采用直流溅射的方式在硅片基底上沉积薄膜,溅射室本底真空度为5×10^-5 Pa,氩气工作气压为1.2 Pa,自转转速为5 r/min,偏压为20 V,采用离子源（工作气压0.8 Pa,电流2 A）对硅基样品清洗5 min,基片自转转速为5 r/min,溅射时间为30 min。利用原子力显微镜和微电阻计测量薄膜的厚度、粗糙度和电阻率。结果 在溅射功率由40 W增加到200 W过程中,平均粗糙度增加了7.99 nm,平均膜厚增加了258.92 nm,电阻率减小了7×10^-10 Ω·m。在氩气流量由20 mL/min增加到60 mL/min过程中,平均粗糙度减小了1.7 nm,平均膜厚增加了76 nm,电阻率减小了2×10^-10 Ω·m。在基底温度由25 ℃增加到200 ℃过程中,平均粗糙度减小了5.09 nm,平均膜厚增加了7.71 nm,电阻率减小了5×10^-10 Ω·m。结论 功率升高显著提高了沉积速率并降低了电阻率,但会引起表面粗糙度增加;随着氩气流量增加,薄膜厚度也有所增加,粗糙度和电阻率均略有降低;基底温度升高显著降低了粗糙度和电阻率,而对膜厚的影响不大。通过调整3种工艺参数,制备出表面平整、电阻率低的NiCr薄膜,为后续提高传感器性能提供了实验依据。
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  PEEK拉伸变形下二次颈缩演化与应变硬化规律

  姜星辰, 邓宇君, 易培云, 彭林法

  精密成形工程. 2025, 17(11): 152-159. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.014

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  目的 系统揭示PEEK材料在高速拉伸载荷下的颈缩与应变硬化行为,为其在复杂服役环境下的长期稳定应用提供指导。方法 采用Victrex 450G PEEK材料,在不同拉伸速率（10~900 mm/min）、温度（25 ℃及90 ℃）以及初始结晶度（21.6%、32.3%、35.2%）条件下进行材料单轴拉伸实验,通过数字图像相关技术获取标距段全场应变分布,实现局部颈缩及二次颈缩的定量分析,并对应变硬化起始点和应变硬化模量进行表征。结果 PEEK的单轴拉伸力学行为受温度及拉伸速率的显著影响,而初始结晶度对其影响有限。在25 ℃下,低速拉伸呈现单调硬化,高速拉伸则出现多级应力峰及二次颈缩现象,次级应力峰与局部应变集中高度相关;随拉伸速率增加,应变硬化起始点增加,应变硬化模量升高;当升温至90 ℃后,多级应力峰现象减弱,且在中高速拉伸速率下出现应力震荡现象,其幅度的增加随速率呈先增强后减弱的规律。结论 PEEK在高速拉伸下表现出强化的应变硬化与典型的二次颈缩特征,表明其在极端服役条件下的力学响应机制复杂,这对理解其结构可靠性及服役性能具有重要意义。
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  基于在线强化学习的冷连轧厚度-张力协同控制优化

  王平, 陈上, 吴海丹, 赵东利, 张东务, 李国栋, 孙杰

  精密成形工程. 2025, 17(11): 160-169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.015

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  目的 探索一种适用于冷连轧厚度-张力协同控制的智能控制方法,以提高厚度和张力的调节精度及抗扰动能力。方法 利用历史工艺数据,通过空间辨识方法建立了冷连轧过程的动力学模型;基于在线A3C强化学习算法设计了厚度张力协同控制器,使其能够在与环境的持续交互中动态优化控制策略;以辊缝和辊速为控制输入、厚度和张力为输出量,构建特定奖励函数引导策略优化,并在模拟偏离正常值的初始状态下对控制器性能进行验证。结果 强化学习控制器能够在厚度偏差与张力偏差存在时于6步内恢复至正常范围。与传统PID控制相比,厚度偏差控制在设定值的0.5%以内,张力偏差控制在3%以内,厚度调节精度提升约3倍,张力抗扰动能力提升约5倍。控制曲线平稳,稳态误差低,展现出较强的快速收敛和抗扰动能力。结论 所提出的基于在线A3C强化学习的厚度-张力协同控制方法显著优于传统PID控制,能够实现厚度与张力的高精度、低波动调节,具有在冷连轧智能控制中应用的潜力和工程实用性。
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  10CrNi2Mo3Cu2V钢热变形及齿轮轴锻造成形研究

  王飞, 未欣悦, 邵斌, 宗影影

  精密成形工程. 2025, 17(11): 170-177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.016

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  目的 系统开展了10CrNi2Mo3Cu2V齿轮钢的热变形研究,以明确10CrNi2Mo3Cu2V钢的热锻温度区间,指导齿轮轴的精密锻造成形。同时以复杂齿轮轴锻件为成形目标,研究了成形工艺参数和坯料直径对成形件质量的影响,为相关锻件的精密锻造提供指导。方法 采用100 t压力机进行热压缩,以模拟锻造情况,分析不同温度对热变形组织的影响。采用Axio Observer型蔡司显微镜和SU5000场发射扫描电子显微镜,分析了晶粒尺寸、晶体取向和Schmid因子等热变形组织。采用Deform-3D软件进行精密锻造有限元仿真,采用5 000 t压力机进行实际齿轮锻造成形。结果 当温度大于等于1 150 ℃时,出现明显粗晶组织,晶粒尺寸超过200 μm,当温度为1 120~1 130 ℃时,热变形组织均匀且细小,当温度小于等于1 100 ℃时,其成形所需吨位迅速增加,且微观组织变形均匀性变差。齿轮轴精密热成形有限元仿真和实际成形研究结果表明,当坯料直径为170 mm和180 mm时,均能实现良好成形,锻件应变场分布更均匀,并实现了复杂结构齿轮轴的精密成形,成形质量良好。结论 1 120~1 130 ℃为10CrNi2Mo3Cu2V齿轮钢最佳的热变形温度区间,针对本文的齿轮轴,并结合原始坯料尺寸,确定最佳的坯料直径为180 mm。
轻合金成形
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  挤压态阻燃Mg-3Sm-1Gd-1Ca-0.5Zr合金微观组织和力学性能研究

  董飞虎, 王胜, 楚志兵, 程丽任, 车朝杰, 王子

  精密成形工程. 2025, 17(11): 178-189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.017

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  目的 在传统EV31合金的基础上,开发了Mg-3Sm-1Gd-1Ca-0.5Zr（EVX311）合金,对挤压态合金的微观组织、力学性能、阻燃性进行研究。方法 采用挤压比为20∶1、温度为350 ℃、挤压速度为1 mm/min的热挤压工艺制备了Mg-3Sm-1Gd-1Ca-0.5Zr（EVX311）挤压板。结果 合金中含有Mg₂Ca、Mg₃RE、Mg₅RE析出相;挤压态合金展现出很强的{0001}基面织构,在微观中呈现“双峰织构”通过透射电镜分析,观察到位错密度差引起的晶界弓出、晶粒内高密度位错聚集、微米级第二相促进形成动态再结晶现象（PSN）;挤压态合金屈服强度达217.06 MPa,在拉伸作用下出现了屈服平台,通过对拉伸断口进行观察分析,得出断裂机理为混合型断裂;挤压态合金燃点达到894 ℃。结论 挤压态合金的EBSD特征是含有大量动态再结晶的细晶组织;屈服平台的出现可能与基体中溶质原子Ca以及位错的钉扎-脱钉的循环交互作用有关;合金的高燃点与Ca和稀土元素所形成的致密高抗氧化性薄膜密切相关,与其他阻燃合金相比,本合金具有元素含量少、燃点高的优势。
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  镁合金棒材径向锻造-挤压成型过程组织及性能研究

  邹景锋, 郭星晨, 孙栋, 朱艳春, 李裔涛, 何志强, 高飞扬

  精密成形工程. 2025, 17(11): 190-200. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.018

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  目的 利用径向锻造-挤压复合工艺实现ZK60镁合金棒材良好的强塑性匹配效果。方法 利用Deform有限元软件对棒材成形过程进行模拟,分析径向锻造及径向锻造-热挤压过程中材料的宏观应力状态与应变梯度分布;结合大尺寸棒料径向锻造+热挤压实验,研究经复合工艺处理后棒材的组织演变与力学性能,揭示宏观应力对微观结构及性能的影响机制。结果 径向锻造后,铸态合金中的粗大晶粒得到充分破碎,轴向晶粒显著细化,而径向晶粒尺寸自表面至心部呈梯度递增;模拟结果表明,该梯度结构主要由径向应变梯度引起,且在棒材外部区域形成较强基面织构。经25∶1高挤压比热挤压后,晶粒进一步细化,织构强度减弱,呈现典型纤维织构特征。与铸态棒材相比,径锻-挤压复合工艺制备的棒材抗拉强度由208 MPa提高至400 MPa,屈服强度由84 MPa提高至263 MPa,延伸率由8.5%提升至23.5%。结论 径向锻造-挤压复合工艺可有效改善ZK60镁合金棒材的组织均匀性,实现强度与塑性的协同提升。该性能改善主要源于细晶强化、第二相强化及位错强化的共同作用。
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  固溶时效对CMT电弧增材制造2319铝合金组织与力学性能的影响

  尹俊杰, 卜文德, 张新强, 王磊, 郭顺华, 王帅, 何生财

  精密成形工程. 2025, 17(11): 201-207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.019

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  目的 研究固溶时效温度对CMT电弧增材制造2319铝合金微观组织和力学性能的影响,为电弧增材制造2319铝合金热处理提供参考。方法 采用CMT电弧增材制造方法制备2319铝合金试件,首先对试件进行不同温度固溶处理（520 ℃/3 h、535 ℃/3 h和550 ℃/3 h）,获得过饱和固溶体,然后进行不同温度时效处理（150 ℃/3 h、175 ℃/3 h和200 ℃/3 h）,通过光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察试件微观组织和拉伸断口形貌,通过拉伸试验机及硬度计测试试件的力学性能,分析组织及力学性能变化的原因。结果 沉积态和经过热处理后的微观组织主要为等轴晶和柱状晶,晶粒内和晶界处分布着大量θ相（Al₂Cu）,沉积态相组成主要为α-Al基体和θ（Al₂Cu）相,当时效温度为150 ℃时,有θ"相析出,当时效温度为175 ℃时,θ"相数量明显增加,当时效温度为200 ℃时,析出相中出现θ'相,经535 ℃/3 h+175 ℃/3 h固溶时效处理后,2319铝合金试件的抗拉强度达到382.7 MPa,屈服强度为196.7 MPa,延伸率为17.7%,平均硬度为121.6HV,断裂方式为韧性断裂。结论 通过固溶时效处理,CMT电弧增材制造2319铝合金性能明显提升,圆形或椭圆形的θ"（Al₂Cu）析出相是2319铝合金力学性能提升的主要原因。
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  (Sr+Y)复合稀土变质处理半固态ADC12合金组织及性能研究

  刘军伟, 高培虎, 王亚, ANTON Naumov

  精密成形工程. 2025, 17(11): 208-219. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.020

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  目的 在ADC12半固态铝合金基体内添加(Sr+Y)复合稀土改善其凝固组织形貌并提高其力学、摩擦磨损性能。方法 利用立式万能摩擦磨损试验机、电子拉力机、显微硬度计、光学显微镜及扫描电子显微镜等研究了(Sr+Y)复合稀土对半固态ADC12合金微观组织、力学性能及摩擦磨损性能的影响。结果 当未添加混合稀土时,半固态ADC12合金组织呈现出粗大的树枝晶状形态,初生α-Al相大多数为巨型椭圆状或长条状,而添加了0.5%（质量分数）的(Sr+Y)复合稀土后,合金组织得到显著细化,初生α-Al相变得更加圆整,且分布更加均匀,晶粒大小趋于一致。0.5%(Sr+Y)/ADC12合金的屈服强度、抗拉强度及伸长率分别为158.23 MPa、212.83 MPa和5.6%,与不含稀土(Sr+Y)的半固态ADC12合金相比,屈服强度、抗拉强度及伸长率分别提高了27.24%、31.56%和64.71%。磨损率及平均摩擦系数随载荷变化的曲线分析结果表明,0.5%(Sr+Y)/ADC12合金的摩擦磨损性能最佳,在高载荷或低载荷的摩擦作用下,其磨损率及摩擦系数均比不含稀土的半固态合金的低。随着摩擦载荷的逐渐增大,变质处理前后合金的磨损率均呈现出变大的趋势,而摩擦系数均呈现出变小的趋势。结论 (Sr+Y)复合稀土的添加可以显著细化ADC12半固态铝合金微观组织形貌,提高合金的性能,当(Sr+Y)复合稀土的质量分数为0.5%时,半固态合金材料的组织细化最为明显,力学性能及摩擦磨损性能最佳。
钢铁成形
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  FeCrMn合金固溶渗氮过程的分子动力学模拟研究

  肖曦, 刘维, 王华君

  精密成形工程. 2025, 17(11): 220-228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.021

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  目的 研究不同温度及不同合金组分下FeCrMn合金固溶渗氮过程中氮原子的扩散行为,从微观层面探究铁基材料渗氮机理,为易渗氮材料成分设计及渗氮工艺优化提供理论指导。方法 通过LAMMPS软件建立了不同组分下的金属模型及渗氮模型,在973~1 673 K温度下完成了固溶渗氮过程的模拟,借助后处理OVITO软件对模拟结果进行分析,同时通过EDS能谱扫描对渗氮后试样表面进行元素含量测定及分布表征。结果 氮原子首先从合金表面渗入金属,最后富集在合金表层形成一定厚度的渗氮层。固溶渗氮的温度越高,氮原子扩散越剧烈,在合金中的扩散系数也越大;不同组分下的合金渗氮量也呈现出差异。EDS扫描结果表明,基材表面渗氮层内富氮相析出均匀,与分子动力学观察到的氮原子分布相一致,验证了该渗氮工艺的渗氮效果。结论 渗氮温度的提高能使更多的氮原子变得更为活跃进而渗入到金属当中,但也增加了将氮原子固溶在金属中的难度,在模拟条件下,较为合适的渗氮温度为1 273 K。一定量的Cr、Mn元素也会影响合金的渗氮量,模拟实验中渗氮量最高的合金组分为Cr20Mn6,含氮量（质量分数）为1.097%。EDS能谱扫描也验证了该温度及合金组分的渗氮工艺的合理性。
增材制造
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  熔融沉积成型工艺中重叠率对打印制件顶面粗糙度的影响与分析

  李俊美, 黄子帆, 张德海, 杨春晖

  精密成形工程. 2025, 17(11): 229-241. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.022

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  目的 揭示熔融沉积成型打印制件顶面波纹效应的形成机制,并建立打印制件顶面粗糙度的预测理论模型,来指导工艺参数的优化,最终实现顶面质量的精准控制。方法 首先研究打印制件顶面周期性波纹效应的产生机制,并以此建立了重叠率与顶面粗糙度的几何模型。其次,通过实验验证了不同层高和重叠率下顶面粗糙度模型的准确性,并对误差来源进行了分析。最后,在模型的基础上,阐明了层高、进料长度和打印速率等工艺参数与顶面粗糙度之间的内在联系。结果 在重叠率从0%增至临界重叠率的过程中,顶面粗糙度逐渐降低,这是因为在此过程中,重叠面积逐渐能够完全填充气隙面积。层高不仅通过改变重叠率直接影响顶面质量,还会造成气隙面积与重叠面积的相对变化速率有所差异,这双重作用是导致层高对顶面粗糙度的影响呈现显著非线性特征的主要因素。结论 挤压长丝的边缘效应是顶面粗糙度产生的根源,而重叠率是影响顶面粗糙度的关键参数。这一结论为优化打印制件的顶面粗糙度奠定了理论基础。
高温合金成形
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  基于机器学习的Monel K-500合金热变形行为及本构关系研究

  张振, 朱明渝, 付绪楷, 何川, 朱玉亮, 万亚昌, 张开铭

  精密成形工程. 2025, 17(11): 242-251. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.023

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  目的 为合理制定Monel K-500合金热变形工艺参数,探索其塑性加工能力,以热压缩实验为基础,探究Monel K-500合金的高温流变行为,并建立本构模型。方法 采用Gleeble-3800热模拟实验机在变形温度为900~1 100 ℃、应变速率为0.001~1 s^-1条件下进行了变形量为50%的热压缩实验。分析了Monel K-500合金的热变形行为,并建立了应变补偿Arrhenius本构模型、极限学习机（ELM）本构模型以及支持向量机（SVM）本构模型。结果 Monel K-500合金的应力随变形温度的降低和应变速率的增加而增大;应变补偿Arrhenius本构模型的相关系数R²和相对误差分别为0.993、5.7%,ELM本构模型测试集的相关系数R²和相对误差分别为0.997、1.8%,SVM本构模型测试集的相关系数R²和相对误差分别为0.988、4.8%,ELM本构模型的精度最高,在对Monel K-500合金的流动应力进行预测时,可优先选用机器学习的方法替代计算复杂的传统本构模型,以实现对流动应力的高精度预测。