问题描述

铝合金是火箭、飞机等运载装备的主体结构材料。但是，高强铝合金常温塑性差、硬化能力低，难以成形整体薄壁曲面件，一直是制造领域的国际难题。通过实验发现铝合金在超低温条件下出现延伸率与硬化指数同时提高的双增效应，分别增加至40%和0.5以上、提高1倍多。利用这一反常现象，发展出一类与现有冷成形和热成形完全不同的超低温成形技术。作为一类全新的变革性技术，超低温成形的核心是利用双增效应。为什么铝合金在超低温下不仅没有冷脆，还大幅提高塑性和硬化能力？急需从原子及微观层面阐明双增效应的物理机制。

问题背景

铝合金金因具有高比强度和良好的抗腐蚀性能，被广泛应用于航天、航空和汽车领域的主体结构材料，结构质量占比达50%以上。随着新一代运载火箭、飞机、高铁及新能源汽车对轻量化、高可靠、长寿命的要求大幅提升，迫切需求采用整体结构代替分体拼焊结构。

但是，由于高强铝合金，尤其AlLi、AlZn合金等，常温塑性差、硬化能力低，整体成形此类构件时极易开裂，是长期困扰产业界的国际难题。热成形虽能提高铝合金塑性、但出现软化现象，易导致集中变形而发生过度变薄，甚至开裂。现有的冷成形和热成形技术在制造此类整体结构铝合金薄壁曲面件时均存在巨大挑战、甚至无法克服的难题。

研究发现，铝合金在超低温条件下出现延伸率与硬化指数同时提高的反常双增效应，延伸率和硬化指数能分别增加至40%和0.5以上，提高近1倍，非常有利于整体结构的铝合金薄壁曲面件成形。由此，发展出一类与现有冷成形和热成形完全不同的超低温成形变革性技术。

超低温成形的实质是利用铝合金在超低温条件下的双增效应。为什么铝合金在低温条件下不仅没有冷脆，还大幅提高？微观结构变化决定宏观性能变化，超低温下铝合金微观结构到底是如何演变、相互作用，才促进宏观延伸率和硬化指数大幅提高？现有的变形机制均无法有效解释？从应用角度来看，如何确定超低温双增效应的界转变温度？是否还受第二相、应力状态等因素影响？急需阐明双增效应的物理机制。

最新进展（截止问题发布年度）

目前，已对铝合金在超低温条件下双增效应进行了宏观描述，不同种类铝合金均具有显著的双增效应，主要受温度、合金元素和相组成影响；大连理工大学已经建成世界首台薄壁构件超低温成形设备，且在超低温条件下试制出2219铝合金3m级火箭整体箱底样件、以及Al-Li铝锂合金半球件，验证了超低温成形技术可行性。对于双增效应微观机制研究较少，一方面受制于超低温条件下的微观原位表征手段；另一方面受制了超低温变形机理不清楚。如何实现超低温下铝合金微观变形多维可视化表征，从原子结合能、多晶-第二相-合金元素相互作用角度揭示超低温双增效应的物理机制，将是未来面临的关键难点与挑战。

重要意义

通过突破超低温下双增效应的微观机制，有助于形成超低温成形技术体系，发展出与现有冷成形、热成形并列的第三大类成形制造技术，为大型铝合金、铝锂合金整体结构薄壁曲面构件提供新一代成形技术，颠覆欧美沿用半个多世纪的技术路线，解决我国航天航空高端对大型铝合金整体结构的迫切需求难题。并且，利用超低温双增效应还可制备超细晶、超宽板幅、超薄铝合金材料，解决高性能铝合金材料制备难题，显著提升铝合金制造水平。