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【所屬領(lǐng)域】

智能制造

【痛點(diǎn)問題】

高性能復(fù)雜鑄件是關(guān)鍵領(lǐng)域高端裝備的重要基礎(chǔ)，如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高性能復(fù)雜鑄件重量占比達(dá)40%，航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的高性能復(fù)雜鑄件重量占比達(dá)30%。隨著國家對(duì)高端裝備的要求不斷提高，傳統(tǒng)鑄造合金材料與傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)＋試錯(cuò)”的鑄件研制方法無法滿足高性能復(fù)雜鑄件控形控性的需求，亟需研發(fā)新型高性能合金材料與控形控性工業(yè)軟件。然而特種鑄造合金材料與工業(yè)軟件均為高端制造業(yè)的卡脖子技術(shù)，歐美等制造強(qiáng)國仍處于壟斷地位。為此，本項(xiàng)目提出基于高性能輕合金材料與工業(yè)軟件的控形控性新思路，通過高性能輕合金材料提高鑄件性能，采用數(shù)值模擬與生產(chǎn)管理工業(yè)軟件進(jìn)行高性能復(fù)雜鑄件工藝優(yōu)化與質(zhì)量控制。但面臨以下挑戰(zhàn)：

1）合金材料強(qiáng)度與韌性同步提升難；

2）鑄造工藝全流程多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化難，大規(guī)模計(jì)算精度與效率提升難；

3）復(fù)雜生產(chǎn)模式下，生產(chǎn)全流程單件化質(zhì)量問題追溯難。

【成果介紹】

（1）研發(fā)了系列新型高強(qiáng)高韌鑄造輕合金材料，支撐了復(fù)雜鑄件性能提升。

1）研發(fā)出一種新型高強(qiáng)韌鋁硅合金。開發(fā)出一種新型高強(qiáng)韌鋁硅合金及其制備方法；提出一種混合稀土和Sr元素的復(fù)合變質(zhì)方法，縮小枝晶間距并細(xì)化共晶硅；研究出合適的熱處理制度；闡明了變質(zhì)劑組成與含量對(duì)變質(zhì)效果的影響規(guī)律，基于此顯著提高了鋁硅合金的綜合力學(xué)性能。有效解決了現(xiàn)有鋁合金鑄件易發(fā)生的裂紋、伸長率低、屈服強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)等缺陷和問題。

2）研發(fā)出一種低成本高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金。開發(fā)出一種添加低成本混合稀土的新型多元稀土鎂合金材料；揭示了混合稀土對(duì)鎂合金相變規(guī)律的影響機(jī)制；研究出準(zhǔn)晶增強(qiáng)稀土鎂合金的高溫固溶T6熱處理工藝；開發(fā)出兼具優(yōu)良的室溫與高溫力學(xué)性能的低成本稀土鎂合金；解決了現(xiàn)有鎂合金鑄件易產(chǎn)生冷隔、強(qiáng)度低、韌性差等問題。

3）研發(fā)出一種新型高強(qiáng)韌鈦合金。開發(fā)出一種α+β型雙相高強(qiáng)高韌鈦合金，揭示了合金在凝固-熱等靜壓-熱處理過程中微觀組織的演變規(guī)律；研究出調(diào)控相組成及相形態(tài)的雙級(jí)固溶時(shí)效熱處理制度，形成了以等軸和籃網(wǎng)為主要特征的基體組織，使合金的強(qiáng)度和韌性同步提升。解決了現(xiàn)有鑄造鈦合金強(qiáng)度和韌性偏低、鑄造成形性差等問題。

（2）研發(fā)了鑄造全流程模擬仿真系統(tǒng)，提出了高效的單件化鑄造數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了高性能復(fù)雜鑄件的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)。

1）提出了一種鑄造原輔材料熱物性參數(shù)高精度求解方法。提出了基于實(shí)驗(yàn)測(cè)溫與數(shù)值模擬反求的熱物性參數(shù)求解方法，實(shí)現(xiàn)了面向數(shù)值模擬的熱物性參數(shù)高精度求解；建立了反熱傳導(dǎo)法求解鑄件/鑄型界面換熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,降低了界面關(guān)鍵參數(shù)求解誤差；研發(fā)了高精高效的熱物性參數(shù)反求平臺(tái)-華鑄PIS，創(chuàng)建了鑄造原輔材料高精度熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

2）研發(fā)了鑄造合金熔煉-復(fù)雜鑄件充型凝固-熱處理的鑄造多物理場(chǎng)全流程高效模擬平臺(tái)。建立了電磁、速度、壓強(qiáng)、濃度、溫度的多物理場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，自主研發(fā)了從鑄造合金熔煉到復(fù)雜鑄件充型凝固到熱處理的鑄造全流程模擬仿真平臺(tái)，為鑄造工藝優(yōu)化提供了工具；提出一種數(shù)據(jù)內(nèi)存動(dòng)態(tài)自適應(yīng)劃分技術(shù)，解決了SOLA流動(dòng)場(chǎng)求解數(shù)據(jù)耦合干擾難題，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模鑄造流動(dòng)場(chǎng)模擬問題的并行高效求解。

3）提出縮孔縮松缺陷定量預(yù)測(cè)與單件化模擬工藝優(yōu)化方法。提出雙高分配原則縮孔縮松預(yù)測(cè)模型，解決了復(fù)雜鑄件縮孔縮松高精度預(yù)測(cè)難題；提出了針對(duì)高性能復(fù)雜鑄件不同批次的單個(gè)鑄件模擬方法，建立關(guān)鍵工藝參數(shù)波動(dòng)對(duì)典型缺陷的多元回歸關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了基于單件化模擬仿真的高性能復(fù)雜鑄件缺陷控制與工藝優(yōu)化。

（3）建立了鑄件生產(chǎn)全生命周期的單件化柔性化質(zhì)量管理模型，實(shí)現(xiàn)了高性能復(fù)雜鑄件質(zhì)量問題的單件化、全過程、全要素溯源。

1）創(chuàng)建了基于PLM理論和TQM理論的鑄件單件化管理模型。基于產(chǎn)品全生命周期PLM理念以及多智能體技術(shù)，構(gòu)建了鑄造串并聯(lián)多工位單件化的缺陷溯源模型；建立鑄件單件及作業(yè)過程信息模型和組批、混批、拆批模式下單件自動(dòng)生成、感知、標(biāo)記、進(jìn)度跟蹤的控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜鑄件單件化缺陷溯源。

2）創(chuàng)建了支持業(yè)務(wù)即時(shí)重構(gòu)的參數(shù)配置式多維度鑄造柔性化管理模型。創(chuàng)建了支持鑄造數(shù)字化管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)即時(shí)重構(gòu)的參數(shù)配置式多維度鑄造柔性化管理模型，解決了剛性管理系統(tǒng)可重用性低、應(yīng)變能力弱和實(shí)施周期長的難題，支撐不同領(lǐng)域不同類型鑄造企業(yè)隨環(huán)境變化、自身發(fā)展等柔性進(jìn)行的組織變革、流程變更和管理改善，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)按需柔性化管理。

3）創(chuàng)建了基于TLBO\GA\BSA元啟發(fā)式算法優(yōu)化理論的鑄造智能化管理模型。創(chuàng)建基于改進(jìn)性教與學(xué)算法（TLBO）、遺傳算法（GA）、回溯搜索算法（BSA）等元啟發(fā)式算法優(yōu)化理論的鑄造智能化管理模型和技術(shù)，解決了鑄件異步熱工序組爐復(fù)雜條件下工序生產(chǎn)調(diào)度IPPS組合優(yōu)化難題，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)智能決策管理以及多品種大容量鑄件高效生產(chǎn)。

【技術(shù)優(yōu)勢(shì)】

成果具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全自主可控，無“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，且在國內(nèi)有極高市場(chǎng)占有率。

【技術(shù)指標(biāo)】

（1）高性能鑄造輕合金材料

在鑄造鋁合金領(lǐng)域，德國Rheinfeldon（Silafont36）和上海交通大學(xué)（JDA1）代表了世界的先進(jìn)水平，將本項(xiàng)目研發(fā)的高性能鋁合金與其比較，對(duì)比情況如表1所示。

表1 本項(xiàng)目開發(fā)的高強(qiáng)韌鑄造鋁合金的綜合力學(xué)性能同國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的對(duì)比情況

在鑄造鎂合金領(lǐng)域，英國Magnesium Elektron（WE43）和上海交通大學(xué)（WE43-Zn）代表了世界的先進(jìn)水平，將本項(xiàng)目研發(fā)的高性能鎂合金與其比較，對(duì)比情況如表2所示。

表2 本項(xiàng)目開發(fā)的高強(qiáng)韌鑄造鎂合金的綜合力學(xué)性能同國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的對(duì)比情況

（2）高性能復(fù)雜鑄件成形模擬仿真工業(yè)軟件

在鑄造CAE數(shù)值模擬分析領(lǐng)域，德國的MAGMA和法國的PROCAST代表了世界的先進(jìn)水平，將本項(xiàng)目研發(fā)的鑄造數(shù)值模擬分析軟件系統(tǒng)與其比較，具體的對(duì)比情況如表3所示。

表3 高性能復(fù)雜鑄件成形模擬仿真工業(yè)軟件同國外先進(jìn)技術(shù)的對(duì)比情況

（3）高性能復(fù)雜鑄件生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)字化管理工業(yè)軟件

在鑄造數(shù)字化管理領(lǐng)域，國外無知名的通用鑄造ERP系統(tǒng)，本項(xiàng)目研發(fā)的鑄造ERP數(shù)字化管理系統(tǒng)填補(bǔ)了該領(lǐng)域國內(nèi)外的空白，與國內(nèi)外先進(jìn)數(shù)字化管理ERP系統(tǒng)（國內(nèi)用友/金蝶制造云，國外SAP-ERP）對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 高性能復(fù)雜鑄件生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)字化管理工業(yè)軟件同國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的對(duì)比情況

【資質(zhì)榮譽(yù)】

項(xiàng)目研究成果獲2015年、2019年、2021年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)，2021年中國發(fā)明協(xié)會(huì)創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，2021年湖北專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)，2022年湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。其中：“數(shù)字化鑄造技術(shù)及應(yīng)用”獲2015年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)；“發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜鑄件工藝優(yōu)化與精密成形關(guān)鍵技術(shù)”獲2019年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)；“鑄造企業(yè)數(shù)字化管理軟件系統(tǒng)及應(yīng)用”獲2021年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)；“鑄造成形過程多物理場(chǎng)模擬仿真與數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲2021年中國發(fā)明協(xié)會(huì)創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；“一種基于動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)的重力鑄造縮孔缺陷檢測(cè)方法”獲2021年湖北專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)。“高性能復(fù)雜鑄件輕合金材料與控形控性工業(yè)軟件”獲2022年湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

【技術(shù)成熟度】

可量產(chǎn)。

【應(yīng)用場(chǎng)景】

相關(guān)成果已在航空、航天、汽車、軌道交通、工程機(jī)械等重要領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，未來隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程加快，相關(guān)成果將進(jìn)一步向基礎(chǔ)制造業(yè)滲透，應(yīng)用前景廣闊。

【市場(chǎng)前景】

市場(chǎng)當(dāng)前已廣泛應(yīng)用，潛在市場(chǎng)規(guī)模在1千萬~1億。

【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】

本成果已申請(qǐng)8項(xiàng)中國發(fā)明專利。

【合作方式】

專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價(jià)投資、技術(shù)開發(fā)、面談等。

【聯(lián)系方式】

CG23018