院士領銜策劃——鋁合金薄壁構件超低溫成形制造新原理丨JME特邀專欄

專欄導讀

鋁合金是運載火箭、軍用飛機、衛星和空間站等高端裝備的主體結構材料，質量占比50%以上。新一代裝備向輕量化、大承載、高可靠發展，迫切需求高強鋁合金（鋁鋰合金）整體結構薄壁件。然而，高強鋁合金常溫塑性低、硬化弱，極易發生破裂等缺陷，成為制約整體成形的國際難題。鋁合金整體薄壁件制造是發展新一代航空航天裝備必須突破的核心關鍵技術，也是國際高新技術和國防制造技術的競爭前沿。美國NASA、歐空局等宇航研發機構均投入巨額資金，但始終未取得實質性突破。

我國學者首先發現，鋁合金等面心晶體結構金屬在超低溫條件下不僅未冷脆，還出現反常的延伸率與硬化指數同時提高的“雙增效應”，有利于突破整體薄壁件成形的瓶頸難題。通過揭示超低溫下雙增效應的物理機制，建立超低溫成形變革性技術體系，將發展出與現有冷成形、熱成形并列的第三大類成形制造技術，解決航天航空高端裝備對輕質高強金屬整體結構的需求難題，推動運載火箭、大型飛機、衛星、高鐵等國之重器的發展，使我國在金屬整體結構高性能制造領域處于世界領先地位。

為此，《機械工程學報》編輯部與客座編輯團隊聯合策劃出版“鋁合金薄壁構件超低溫成形制造新原理”專欄。專欄共收錄論文12篇，已于《機械工程學報》2025年14期正式出版。

客座專家團隊

客座主編：

苑世劍，中國工程院院士，哈爾濱工業大學教授。我國金屬塑性成形領域專家，創建流體成形應力場調控理論、工藝和裝備一體化技術，成功應用于火箭、飛機和航空發動機等重大裝備的研制和生產，并廣泛應用于自主品牌轎車關鍵構件的批量生產。

客座編輯：

劉偉，哈爾濱工業大學教授，變革性技術國家重點專項項目負責人。主要研究板材液壓成形、鋁合金超低溫成形等，發表論文60余篇，獲授權專利10余項，研究成果在火箭、飛機等裝備中獲得應用。

易幼平，中南大學教授。長期從事輕質合金構件高性能成形制造方法與應用研究，主要研究輕質合金大型高性能構件精確制造需求，研究構件成形全過程材料微結構演化規律與調控方法，開發先進輕質合金構件形性協同制造關鍵工藝。

李淑慧，上海交通大學教授。主要從事板材塑性成形理論與先進成形工藝研究。主持國家優秀青年科學基金、國家重點研發計劃課題。出版專著2部，發表SCI/EI論文140余篇，授權發明專利20余項、制訂國家標準1項。

凡曉波，大連理工大學研究員。國家“萬人計劃”青年拔尖人才。研究大型構件超低溫智能成形等。在機械著名期刊Int J Mach Tech Manu等發表論文40余篇；多次受邀做主旨/特邀報告；授權發明專利20余項；獲國家技術發明二等獎1項。

01

高強鋁合金薄壁構件超低溫成形制造研究進展

引用格式:劉偉, 程旺軍, 苑世劍. 高強鋁合金薄壁構件超低溫成形制造研究進展[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 1-19.

論文摘要：

新概念、長壽命、可重復使用航空航天器對傳統高強鋁合金薄壁構件的制造工藝和服役性能提出更高要求，如何實現該類復雜構件的高性能成形制造是當前亟待解決的難題。分析高強鋁合金薄壁件整體成形技術存在的巨大挑戰，在發現鋁合金超低溫“雙增效應”的基礎上，概述高強鋁合金超低溫成形技術的提出背景，綜述分析近年來國內外學者在鋁合金超低溫變形雙增效應與微觀機制、超低溫宏微觀變形原位測試方法、超低溫成形工藝與關鍵技術、超低溫成形裝備與典型應用等方面的研究進展，展望鋁合金超低溫成形技術未來的發展方向，為制造高性能航空航天器、電動汽車以及新能源儲運裝備等鋁合金整體復雜曲面構件提供新途徑。

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02

2060鋁鋰合金超低溫變形行為與復雜薄壁件拉深成形工藝研究

引用格式:董非, 易幼平, 黃始全, 何海林. 2060鋁鋰合金超低溫變形行為與復雜薄壁件拉深成形工藝研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 20-28.

論文摘要：

針對鋁鋰合金復雜形狀薄壁構件成形易開裂與性能損失突出問題，研究鋁鋰合金薄壁件超低溫成形方法。發現成形溫度由25 ℃降低至-196 ℃，2060鋁鋰合金塑性提升幅度超55%，微觀組織觀察表明超低溫成形抑制了位錯動態回復，提高了材料加工硬化能力，實現均勻塑性變形。相較于退火態合金，固溶淬火態合金具有更優超低溫塑性，該現象歸因于固溶淬火使合金中第二相溶入鋁基體，抑制第二相引發的局部變形，促進變形帶組織形成，提升變形后期加工硬化能力。通過超低溫拉深成形實現了2060合金飛機艙門盆形樣件一次成形，最大成形深度98 mm，對固溶淬火態合金超低溫成形的構件進行時效處理，可實現優異的強塑性與疲勞性能匹配，本研究為航空鋁鋰合金復雜薄壁件形性協同制造提供了新方法。

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03

6系鋁合金復雜車身構件超低溫成形研究

引用格式:韓國豐, 戚宇彤, 顧彬, 李淑慧, 何霽, 黃輝. 6系鋁合金復雜車身構件超低溫成形研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 29-35.

論文摘要：

針對當前鋁合金超低溫成形技術研究中構件形狀簡單和較少關注尺寸精度的問題，建立復雜車身構件超低溫成形工藝研究平臺，并進行了鋁合金AA6111-T4構件的超低溫成形研究，在成形性、尺寸精度和力學性能三個方面將超低溫成形構件與室溫成形構件進行對比。研究結果表明超低溫成形技術可在不改變構件力學性能的前提下實現更高的壁厚均勻性，證明了其成形復雜形狀零部件的優勢和能力，這是材料超低溫變形條件下應變硬化指數升高導致的。然而，也同時發現鋁合金超低溫成形構件存在回彈量大的現象，這可能和超低溫下材料強度較高有關，未來需進一步發展相應的回彈預測和調控方法。研究結果有望促進鋁合金超低溫成形技術在車身復雜薄壁構件制造中的研究和應用。

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04

鋁合金深腔超薄箱底超低溫凈成形及性能調控

引用格式: 凡曉波, 楊光, 鄔方興, 關陽. 鋁合金深腔超薄箱底超低溫凈成形及性能調控[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 36-44.

論文摘要：

鋁合金是運載火箭的主體結構材料，箱底受力最復雜，是箭體結構制造的“皇冠”。鋁合金超薄箱底整體成形起皺和開裂缺陷并存，始終是未得到實質性突破的國際難題。為此，以運載火箭燃料貯箱2250整體箱底為研究對象，通過數值模擬闡明超薄箱底整體成形應力應變演變規律；針對傳統技術存在易開裂、起皺和組織性能難調控的挑戰，基于固溶態鋁合金在超低溫條件下延伸率與硬化同時提高的“雙增效應”，提出薄壁結構超低溫成形應力與性能協同調控原理，通過超低溫梯度冷卻調控應力分布，降低開裂風險，提高位錯與亞結構密度，實現箱底變形均勻性與性能調控；研發出鋁合金薄壁構件超低溫成形裝備，平臺尺寸3 m、最大成形力22 MN、最低溫度-190 ℃，具備全尺寸構件研發與制造能力；開展新一代運載火箭整體超薄箱底超低溫成形工藝研究，采用初始壁厚4.0 mm的薄板直接成形出直徑2 250 mm的貯箱整體箱底，厚徑比突破至1.4‰，壁厚均差率僅為6.5%，力學性能達到2219鋁合金T8態強化水平以上，并且構件尺寸一致性好、橢圓度小于0.5‰。超低溫成形整體超薄箱底，成形后不再加工、直接使用，在國際上率先實現火箭貯箱箱底整體凈成形，為大尺寸鋁合金超薄構件整體成形提供全新技術途徑。

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05

Al-Cu合金超低溫變形行為及強化機制分析

引用格式:王睿乾, 李魯博, 劉偉. Al-Cu合金超低溫變形行為及強化機制分析[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 45-55.

論文摘要：

制備Al-Cu二元合金作為模型材料，研究溫度對其變形行為及強化機制的影響。通過單向拉伸測試、應變原位測量、電子顯微鏡觀察等宏微觀表征手段對比研究Al-Cu合金在不同溫度下的力學性能、應變速率敏感性、塑性失穩現象 (Portevin-Le Chatelier，PLC)效應、位錯演變及斷口形貌，并通過相關經典理論建立起與溫度相關聯的強化模型。結果顯示，Al-Cu合金的力學性能隨溫度降低先減弱后增強，越過123 K后可實現強度和伸長率的協同提升。同時，其變形轉移模式隨溫度降低發生顯著改變，由PLC帶的循環傳播轉變為整體協調均勻變形。通過強化模型分析發現超低溫對Al-Cu合金變形行為的影響主要歸結于兩類強化機制的競爭關系。隨溫度降低動態應變時效(Dynamic strain ageing，DSA)強化機制的削弱與其他強化機制的增強此消彼長，共同導致Al-Cu合金力學性能的先減弱后增強，為鋁合金超低溫成形技術的工藝實踐提供理論基礎。

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06

超低溫壓縮對6061鋁合金微觀組織的影響

引用格式:符云帆, 易幼平, 黃始全, 何海林, 董非. 超低溫壓縮對6061鋁合金微觀組織的影響[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 56-62.

論文摘要：

針對鋁合金高溫與室溫變形過程微觀組織易粗化與不均勻難題，通過對6061鋁合金在不同溫度下壓縮變形試驗，闡明了變形溫度對合金微觀組織與性能的影響，結合背向散射電子衍射等技術重點分析了超低溫(-196 ℃)變形對合金組織細化規 律與機制。試驗結果表明，500 ℃高溫下合金發生動態再結晶，平均晶粒尺寸約30 μm；20 ℃室溫下，變形機制以位錯滑移為主，變形在施密特因子大的晶粒內優先發生，導致組織分布不均，平均晶粒尺寸約為8.57 μm；-196 ℃超低溫下，回復過程受到顯著抑制，位錯運動受點缺陷釘扎效應影響明顯，同時亞晶界密度增加導致滑移系啟動的臨界分切應力增大，超低溫條件下熱激活作用減弱和Peierls力增加共同導致變形抗力顯著提升。增強的變形抗力不僅促進了位錯滑移的均勻分布，同時形成平直細長的滑移帶，產生更大的平均取向差(≥15°)，最終獲得平均晶粒尺寸約為1.13 μm的超細晶組織。研究結果為鋁合金塑性變形過程中的晶粒細化機制提供了新的理論依據。

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07

超低溫變形與時效交互作用下的2219鋁合金組織性能演變規律

引用格式: 亢鑫, 楊光, 焦嬌, 趙子皓, 凡曉波. 超低溫變形與時效交互作用下的2219鋁合金組織性能演變規律[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 63-72.

論文摘要：

超低溫成形是近年發展起來的一類變革性的鋁合金薄壁結構高性能成形技術。采用超低溫成形制造的可熱處理強化鋁合金構件組織性能受超低溫變形與熱處理耦合影響。因此，通過固溶態超低溫變形+人工時效試驗，系統闡明超低溫變形與時效交互作用下的2219鋁合金力學性能演變規律；通過晶粒結構與析出相表征，揭示超低溫變形與時效溫度交互作用下的強化相析出機制。結果表明，超低溫變形可顯著提高組織性能，匹配人工時效可以進一步優化性能。固溶態2219鋁合金超低溫變形后，得益于大量增殖并保留的位錯亞結構，材料強度隨變形程度增加而大幅提高。30%超低溫變形試樣常溫屈服強度達到397.5 MPa，相對未變形試樣提高26.5%，超過材料T87熱處理強化水平。進行人工時效后，峰時效強度隨時效溫度增加而減小，達到峰時效強度的時效時間縮短。150 ℃×18 h人工時效后達到最高峰時效強度，屈服與抗拉強度分別是408.9和488.4 MPa。此時強化相主要是大量彌散析出的θ"相。隨著時效溫度升高，強化相逐漸轉變為θ'相。當時效溫度為200 ℃時，時效1 h就可達到峰時效強度，可以大幅縮短制造周期。此外，隨著時效溫度升高，超低溫變形保留的高能亞結構組織會發生回復，屈服強度降低、韌性增加。因此，通過超低溫大變形與短時高溫時效，可同時獲得優異的強度與韌性。綜上，通過超低溫變形與人工時效合理匹配可獲得優異的組織性能，為薄壁結構超低溫成形組織性能調控提供理論指導。

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08

2195鋁鋰合金超低溫變形各向異性行為及組織演變規律

引用格式:姚夢佳, 王睿乾, 劉偉. 2195鋁鋰合金超低溫變形各向異性行為及組織演變規律[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 73-80.

論文摘要：

鋁鋰合金的各向異性對材料的成形性能具有顯著影響。研究2195鋁鋰合金在室溫(RT)和-196 ℃超低溫(CT)下的各向異性力學行為及微觀組織演變。采用超低溫拉伸與耦合數字圖像散斑(Digital image correlation, DIC)相結合的技術，通過室溫和超低溫單拉測試、超低溫原位拉伸掃描電鏡觀察，獲得了鋁鋰合金板材沿不同方向的拉伸性能、應變硬化指數n值及各向異性指數r值，表征了沿不同方向拉伸時的晶粒變形情況，分析了織構隨拉伸變形的演變規律。研究表明，-196 ℃下2195鋁鋰合金的n值提高，r值增加，Δr值降低。超低溫下變形時，鋁鋰合金沿不同方向變形時有更多晶粒參與變形，變形均勻性提高，超低溫能夠加速Copper {112} <111>→S {123} <634>→Brass {011} <211>的織構演變過程，減少Copper織構組分，從而提高r值，并且超低溫變形能夠降低β纖維織構的體積分數，弱化了織構對面內各向異性的影響，從而降低Δr值。該結果表明超低溫下變形有利于提高鋁鋰合金變形均勻性，并揭示了鋁合金超低溫下面內各向異性降低的微觀機制，為鋁合金超低溫成形技術的應用奠定理論基礎。

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09

初始時效狀態對超低溫軋制2024鋁合金微觀組織及力學性能的影響

引用格式: 張凌宇, 戚宇彤, 陳偉, 李淑慧, 林忠欽. 初始時效狀態對超低溫軋制2024鋁合金微觀組織及力學性能的影響[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 81-90.

論文摘要：

冷噴涂增材制造技術由于具有非常低的熱量輸入，能夠有效避免晶粒粗大，高內應力以及熱裂等缺陷而受到越來越多的關注。但是冷噴涂2024鋁合金沉積體內由于孔洞以及高密度位錯的存在導致其性能較低。對于鋁合金來講，“超低溫軋制+時效處理”是一種有效的組織調控及性能優化方法，但是目前不同初始時效狀態對2024鋁合金在超低溫軋制過程中微觀結構和性能的影響機制尚不清楚。因此，基于X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)以及透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy, TEM)等測試手段對比了固溶態和預時效態兩種不同初始狀態的2024鋁合金在超低溫軋制和隨后的低溫時效過程中位錯和析出相結構的演變規律，闡明了初始的T相以及GPB區對軋制過程中位錯演變的影響機制。結果表明，預時效試樣的GPB區在能夠顯著提升超低溫軋制后合金的位錯密度和均勻性。進一步的，高密度的位錯在隨后的低溫時效處理中作為析出相的形核位點，促進了大量彌散的，尺寸細小(15～20 nm)的 沉淀的析出。高密度的 析出物能有效地糾纏并儲存位錯，使其表現出更優的強塑性，屈服強度達到488 MPa，均勻伸長率為8.5%。強度比商用的傳統峰值時效2024合金高出大約40%，同時保持了相近的均勻變形能力。結果也證明了超低溫軋制對冷噴涂鋁合金的性能優化具有顯著的效果。

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10

2219鋁合金攪拌摩擦拼焊板超低溫變形與組織性能研究

引用格式:郝永剛, 金曉月, 劉偉, 王睿乾. 2219鋁合金攪拌摩擦拼焊板超低溫變形與組織性能研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 91-98.

論文摘要：

采用鋁合金攪拌摩擦焊板是制造3 m級以上大型運載火箭燃料貯箱箱底等薄壁構件的新途徑，但面臨變形和熱處理后焊縫晶粒異常長大以及力學性能下降等瓶頸難題。開展了2219鋁合金攪拌摩擦焊板超低溫變形-固溶處理-時效處理后焊縫組織與力學性能變化規律研究，分別通過單向拉伸測試和半球曲面件拉深工藝試驗，對比了室溫和低溫變形及熱處理后的焊縫平均晶粒尺寸以及接頭力學性能。結果表明：相同變形量下，超低溫變形的試件焊縫處晶粒被顯著細化；焊縫平均晶粒尺寸由191 μm減小至51.5 μm；超低溫拉深半球件雙拉區焊縫晶粒尺寸減小61.9%，且橫向接頭試樣抗拉強度為母材的94.1%。超低溫變形能夠起到穩定晶界的作用，抑制焊縫區晶粒的異常長大，提高接頭力學性能。

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11

7075鋁合金超低溫變形行為與回彈預測研究

引用格式:戚宇彤, 孫楚研, 李淑慧. 7075鋁合金超低溫變形行為與回彈預測研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 99-107.

論文摘要：

以預時效態的7075鋁合金板材為試驗材料，進行室溫和-196 ℃下的單向拉伸、拉伸-卸載、拉伸-壓縮以及U型件彎曲回彈試驗，結合有限元仿真，分析超低溫變形行為和回彈規律。結果表明，超低溫下預時效態7075鋁合金在單向拉伸時表現出延伸率提高和硬化能力增強的雙增效應，在循環拉伸-卸載過程中彈性模量隨應變衰減速率更快，在拉伸-壓縮加載過程中表現出更顯著的提前屈服現象和瞬態行為，包辛格效應增強，且超低溫下U型件回彈量略大于室溫。考慮到正反向加載時材料的硬化差異，使用不同的正反向硬化參數對初始Y-U模型進行修正。相比于初始Y-U模型，修正的模型能夠更好地描述-196 ℃下的拉伸-壓縮循環加載變形行為，并具備更高的U型件超低溫回彈預測精度。

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12

梯度超低溫下的鋁合金球殼回彈規律研究

引用格式:鄔方興, 楊光, 王啟梁, 凡曉波. 梯度超低溫下的鋁合金球殼回彈規律研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(14): 108-116.

論文摘要：

超低溫成形是近年發展起來的一類變革性鋁合金薄壁結構成形技術，成形構件尺寸精度受超低溫溫度分布與復雜應力加載顯著影響。重點研究了超低溫溫度分布對鋁合金球殼拉深成形回彈的影響規律；通過變形均勻性與應力解析，揭示梯度超低溫對回彈的控制機理。結果表明，球形試件回彈隨溫度梯度的增大而減小，開口區域尺寸偏差由溫度梯度36 ℃的1.35 mm減小為溫度梯度216 ℃的0.83 mm，相應尺寸精度可以提高38.5%。這得益于顯著提高的應力梯度和變形均勻性。一方面，提高應力梯度可以轉移懸空區變形，減小球殼區截面應力差。另一方面，溫度梯度增大使變形更均勻，整個試件的壁厚均差率可以提高55.8%，其中，球殼區域的壁厚最大減薄率減小36.9%，法蘭區域的壁厚最大增厚率減小74.6%。也就是說，超低溫成形不僅能夠顯著提高成形極限，還能通過溫度分布來減小回彈，提高構件尺寸精度。研究結果可為球殼超低溫成形精度控制提供指導。

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責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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