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高性能化智能制造发展战略研究报告子课题4材料控性技术中的关键问题

【作       者】:

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【机       构】: 中国工程院
【承研机构】:

“材料控性技术中的关键问题”项目组

【发表年份】:

2013

摘要

目前业界普遍认为中国是制造大国而不是制造强国,产品可靠性差、寿命低已经成为中国制造业“大而不强”的致命伤,其中主要是关键零部件的质量差、寿命低,主要原因在于对材料控性技术的重要性及其研发的艰难性缺乏应有的认识,而且长期以来我国制造业存在着重主机研发轻零部件攻关,重产品轻工艺,重控形轻控性,重产能轻质量等倾向,以致我国装备制造业的产品和品种不断迅速增长,但产品的寿命和可靠性与世界水平存在很大差距,难以摆脱处于世界装备制造低端的地位。以沉重的环境、资源的代价换取微薄的利润,高端装备和关键零部件依赖进口,威胁国家安全。如果不花大力气改变这种局面,我国装备制造业将面临严重危机!

产品的性能取决于材料的性能,金属材料或工件内在性能和质量,除成分因素影响外,主要在热加工过程中形成的。而热处理则是热加工过程的最后一道工序,对微观组织和综合性能进行调控,同时也控制变形。热处理技术是装备制造业中唯一的不以成形为目的而是改变和控制材料性能的关键技术,因此作为机械制造技术的重要组成部分,热处理是提高材料性能的“内因”,是强化金属材料、发挥其潜在能力的重要工艺手段,是决定各类机械制造业产品内在质量、提高使用寿命和可靠性的关键技术,是制造业竞争力的核心要素。对于高性能化智能制造,热处理是众多技术中的关键一环,是智能制造中产品高性能化的保障。

由于热处理的实质上是在不同外场作用下材料的组织发生转变的过程,影响因素众多,交互作用复杂而且无法实时直接观察,甚至于有些问题只有在使用损坏后才被发现,所以热处理技术是制造业的各种基础工艺中研发难度最大和研发周期最漫长的技术领域。惟有热处理研发模式的创新,借助于信息技术集成多学科的知识改造传统的热处理技术,即发展智能热处理技术,才可望实现超越。

数字化智能热处理的特点是将材料科学、机械科学以及其他学科基础知识和科技成果集成,应用于热处理(含表面改性)生产,采用计算工具、实验工具、生产试验,数字化信息学等相结合的多维度集成研究的方式优化热处理工艺,研发热处理新技术,使热处理从传统的经验型技术向着信息化智能化方向跨越,成为高性能化智能制造的关键技术之一。

智能热处理技术的核心由计算机模拟、实验工具和数字化数据三部分组成:1)热处理计算机模拟是材料内部温度场、相变、应力/应变以及作用于材料的外场(例如流场、电磁场、等离子体、高能束等)耦合求解的数值计算方法,需要应用多学科的基础理论、建立数学模型,开发数值解法软件,确定边界条件,调用大量的材料基本特性参数,进而实现过程中各类场量的模拟计算,预测全过程温度场、应力场、浓度场和微观组织场等,甚至预测性能性能场。它是优化设计热处理工艺与装备,实现热处理工艺过程精确控制的重要手段。2)实验工具是必要的,不仅数值模拟需要有大量的、精确的基础支持,而且计算机模拟的结果需要经过实验的验证和根据实际结果进行修正。因此智能热处理的实验工具,除了通用的材料测试表征技术(例如金相、电镜、能谱、热模拟试机、热分析设备、力学性能测试等)之外,还包括专用的热处理工艺模拟技术和设备,换热系数测试技术以及热处理生产型试验所需的传感技术等。3)数字化数据包括知识建模和网络通讯技术。利用长期的生产、技术研发、产品使用中积累了海量的数据,挖掘出隐含在海量数据中的客观规律,进行知识建模。智能热处理需要不同产品研发制造和使用的不同阶段不同部门之间实现信息共享和协同工作,必须有先进的网络通讯技术的支持。智能热处理在云计算环境下的实现应作为重要的研究方向。

智能热处理应该与产品计算机辅助设计(CAD),产品运行状态的动力学仿真相结合,并实现虚拟制造与实体试制的信息快速整合,构建产品创新设计平台。进而有可能将智能化热处理技术整合到“产品设计——材料设计——成形、控性制造”之中,形成全生命周期数据信息学工具,促进产品设计和制造工艺水平的全面跃升并大幅度缩短开发周期。建立数字化智能热处理远程服务中心平台,将智能热处理和产品设计相结合,实现长寿命、高可靠、高功能、轻量化产品的虚拟设计远程服务,热处理工艺优化远程服务,热处理设备虚拟设计远程服务,材料及热处理质量分析测试,废品分析与失效分析等远程服务。

总之,发展信息化智能热处理技术,能够大幅度提高我国热处理创新的效率和水平,推动我国热处理乃至制造业不断攀登世界顶峰。智能热处理研究将使热处理由技艺型向高科技型转化,摆脱依赖于经验和技能的落后状态,向精确预测生产结果和实现可靠的质量控制的方向发展。同时将智能热处理整合到产品设计——材料设计——工艺设计相互结合的装备制造业产品全生命周期的数据信息学工具之中,成为高性能化智能制造的重要部分,对于改变我国热处理的落后面貌、提升我国制造业自主创新能力有重大作用,对我国装备制造业尤其是高端装备制造的发展具有重大意义。

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