华中科技大学史玉升教授团队：热等静压近净成形数值模拟研究现状与展望丨JME文章推荐

引用论文

田文卿, 蔡超, 郭瑞鹏, 史玉升. 热等静压近净成形数值模拟研究现状与展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 13-26.

TIAN Wenqing, CAI Chao, GUO Ruipeng, SHI Yusheng. A Review on Numerical Simulation of Near Net Shaping Hot Isostatic Pressing：Current Status and Future Prospects[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(1): 13-26.

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热等静压是可实现大尺寸复杂高性能零件近净成形的粉末冶金技术，被广泛应用于航空航天、海洋工程等特种领域中面向严苛服役环境的关键零件的成形制造。数值模拟可为复杂高性能零件包套与型芯设计提供科学依据和热-力耦合作用下粉末致密化提供理论支撑，是实现零件形性可控的重要基石，为此华中科技大学史玉升教授团队重点综述了热等静压数值模拟的基本概念、发展历程、研究进展、面临问题和发展方向。首先介绍常用有限元数值模拟本构模型类型、特点和模拟效果，概述有限元指导包套逆向设计方法，随后分析有限元模拟中忽略粉末填充密度分布非均匀性等缺点和局限性，介绍考虑粉末颗粒离散特性的离散元-有限元耦合模拟方法与研究进展，最后展望热等静压数值模拟现有方法的瓶颈与未来潜在发展方向，为从事热等静压领域学者快速了解热等静压模拟的研究动态和发展趋势提供有益参考。 他们的研究成果以题 为《热等静压近净成形数值模拟研究现状与展望》发表在《机械工程学报》2024年第1期。

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行业现状

热等静压（Hot isostatic Pressing, HIP）近净成形以金属粉末为原材料，结合数值模拟和模具（含包套与型芯）设计，通过高温高压实现粉末材料快速致密与零件成形，是粉末冶金领域前沿与热点方向。热等静压成形的产品具有微观组织细小、无成分偏析，致密度高，因而具备锻件相当的优异综合力学性能，被广泛用于航空航天、能源动力和海洋开发等重要领域高端装备高性能复杂零部件的成形制造 。

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难点或瓶颈

尽管热等静压成形技术已在高性能制造领域获得了一定应用，但热等静压成形过程极为复杂，如：

（1）零件成形是在热-力耦合场作用下粉末发生颗粒重排、塑性变形和扩散蠕变中完成，整个过程包套发生30%以上的体积收缩；

（2）由于包套和粉末间存在“应力屏蔽”效应，内部型芯与粉体材料热物性差异大，以及包套内粉末分布的不均匀，均会导致零件整体不均匀的收缩变形和局部“角效应”。因此，仅凭传统的“经验法”和“试错法”进行包套和型芯的设计，会导致加工成本高昂、研发周期长，且无法满足热等静压零件向大型化、复杂化和高精化的发展需求。

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趋势和展望

数值模拟可实现零件的变形预测，指导包套和型芯的设计，减少原材料的浪费和包套/型芯模型优化的迭代次数，同时实现包套内部粉末颗粒致密化过程的可视化，有助于深入揭示热等静压中粉末致密化与变形机制，完善控形理论和工艺优化。可见，数值模拟能为复杂零件热等静压成形提供有力支撑，是热等静压精确控形的基石 。

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代表性图片

图1 热等静压近净成形工艺流程示意图

图2 热等静压成形的高性能复杂零部件

图3 华中科技大学史玉升团队设计制造的近净成形钛合金发动机机匣

主创简介

史玉生， 华中科技大学华中学者领军岗特聘教授。主要从事增材制造方面的研究，主持国家重点研发计划、两机专项、国家自然科学基金重点项目等 20 余项。现任国家发改委数字化材料加工技术与装备国家地方联合工程实验室（湖北）主任、科技部快速原型制造技术生产力促进中心（湖北）主任、中国航天科技集团有限公司增材制造工艺技术中心专家委员会主任、中国有色金属学会增材制造技术分会主任委员、中国材料研究学会增材制造材料分会主任委员、中国机械工程学会增材制造技术分会和特种加工分会副主任委员等职务。获国家技术发明二等奖 1 项、国家科技进步二等奖 2 项、中国十大科技进展 1项、中国智能制造十大科技进展 1 项、省部级一等奖 11 项。获全国创新争先奖状、中国发明创业奖特等奖暨当代发明家、十佳全国优秀科技工作者提名奖、国务院政府特殊津贴、武汉市科技重大贡献个人奖、湖北省五一劳动奖章等荣誉。领导的团队入选湖北省和教育部创新团队 。

蔡超， 华中科技大学副教授、硕/博士生导师，获中国科协青年托举人才、湖北省海外高层次人才“百人计划”和“武汉英才”优秀青年人才。主要从事热等静压与增材制造理论研究与创新应用，主持重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金（青年、面上、重点课题）、国防基础加强领域基金、教育部装发“慧眼行动”等国家和省部级项目。在Int. J. Mach. Tools Manuf.、Int. J. Plast.、Addit. Manuf.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Scr. Mater.等材料加工权威期刊发表SCI论文60余篇，ESI高被引和热点论文8篇次 。

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团队研究方向

所在团队（快速制造中心，负责人：史玉升教授）自1991年开始研究增材制造技术（3D打印），是我国最早开展该项技术研究的单位之一。中心隶属于材料成形与模具技术国家重点实验室，同时建有数字化材料加工技术与装备国家地方联合工程实验室（湖北）、科技部快速原型制造技术生产力促进中心（湖北）、湖北省先进成形技术及装备工程技术研究中心、中英先进材料及成形技术联合实验室等科研平台。2006年，实验室开展热等静压近净成形技术研究，与英国伯明翰大学联合成立了“中英先进材料及成形技术联合实验室”，并与世界著名飞机发动机制造商Rolls-Royce公司合作开展热等静压粉末近净成形方法的研究与开发，以用于航空航天发动机关键构件的成形制造。参与两机专项、国家科技重大专项、自然科学基金、国防预研等国家级和其它省部级项目，建立了热等静压材料结构一体化制备与成形的成套技术体系，实现了与锻件综合力学性能相当的航空航天发动机关键构件的整体近净成形，如不锈钢涡轮盘、镍基高温合金涡轮盘、钛合金航空发动机机匣等典型零件。

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团队近2年代表论著

[1]TIAN C, OUYANG D, WANG P, et al. Strength-ductility synergy of an additively manufactured metastable high-entropy alloy achieved by transformation-induced plasticity strengthening[J]. International Journal of Plasticity, 2024, 172: 103823.

[2]GUO R P, Cheng M, Zhang C J, et al. Achieving superior fatigue strength in a powder-metallurgy titanium alloy via in-situ globularization during hot isostatic pressing[J]. Scripta Materialia, 2023, 228: 115345.

[3]YANG L B, XIE Y, REN X N, et al. Near-net shape hot isostatic pressing: microstructural analysis and hardness evolution at a steel-nickel alloy interface[J]. Advanced Materials Interfaces, 2022, 9(11): 2101787.

[4]SUN S S, TENG Q, XIE Y, et al. Two-step heat treatment for laser powder bed fusion of a nickel-based superalloy with simultaneously enhanced tensile strength and ductility[J]. Additive Manufacturing, 2021, 46: 102168.

[5]JIN J L, WU S Q, YANG L, et al. Ni–Ti multicell interlacing Gyroid lattice structures with ultra-high hyperelastic response fabricated by laser powder bed fusion[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2024, 195: 104099.

作 者：蔡 超

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

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