李亮教授团队在大型铝合金环件残余应力消除研究方面取得进展

2025年2月20日，国际制造领域Top期刊《材料加工技术杂志》（Journal of Materials Processing Technology）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心李亮教授团队题为“Relaxation of Residual Stress in Aluminum Alloy Rings by Pulsed High Magnetic Field: Relieving Mechanisms and Performance Evaluation”的研究论文。团队提出了脉冲强磁场驱动式铝合金环件残余应力消除新方法，揭示了脉冲强磁场作用下的残余应力消除机制，并通过12T脉冲磁场在10ms内成功消除了717mm直径铝合金环件80%以上的残余应力。中心特任研究员李潇翔为论文第一作者，李亮教授和曹全梁教授为论文共同通讯作者。

大型铝合金环件是航空航天、新能源等领域诸多重大装备（如重型运载火箭贮箱）的关键承力构件，其性能直接决定了装备整体装配精度、服役可靠性等。然而，环件在制造过程中由于变形和受热不均等因素而不可避免地引入残余应力，严重影响其尺寸精度、疲劳强度与耐蚀能力等。因此，残余应力消除是实现大型铝合金环件高性能制造的关键。现有的消除方法，如外加能量法（热处理、振动时效等）和塑性变形法（机械法、深冷法等），存在耗时长、易削弱构件强度或造成局部应力集中等问题，难以兼顾有效消除应力与保持结构强度，亟需发展更高效的铝合金残余应力消除新方法。

针对上述挑战，在该研究中，团队提出了基于 脉冲强磁场驱动的铝合金环件残余应力消除 方法，通过在环件内诱导产生高强度的非接触式洛伦兹力，驱动环件发生轻微塑性胀形以释放弹性区残余应力。 与传统方法相比，这一过程仅需数十毫秒，且非接触、体积力加载方式能够有效避免环件表面损伤和局部应力集中。在实验中，团队采用 717mm 直径的 5A06 铝合金环件进行成形实验，结果显示仅通过 1% 的塑性变形即可消除环件 80% 以上的整体残余应力，外表面最大周向应力消除率高达 96.1% ， 且在高应力消除效果下环件仍保持与原材料一致的高力学性能。同时，该研究结合铝合金环件胀形实验揭示了脉冲强磁场消除残余应力的机理：强磁场诱导的脉冲电磁力触发工件宏观变形，从而释放第 I 类残余应力（宏观残余应力）。同时，适当的洛伦兹力加载可促进材料位错运动，进而促使晶粒内部应力再分布、畸变晶粒转变为等轴晶粒，达到晶粒细化、缺陷减少的效果，实现第 II 、 III 类残余应力（微观残余应力）的有效消除。

图1 （a）脉冲强磁场胀形环件消除残余应力电路与工作原理；（b）高速电磁体积力柔性加载和准静态机械力刚性加载方式对比，电磁力作用深度可控；（c）洛伦兹力产生冲量大，10ms量级时间内便可完成力的加载；（d）装置设计与微观组织、宏观力学检测；（e）铝环平均残余应力随放电电压的变化曲线。

图2 （a）强磁场作用前后材料微观组织变化：亚晶粒形成、应力重新分布、晶粒细化、畸变晶粒转变等轴晶；（b）直径717mm铝合金环件应力变化雷达图及不同放电模式应力消除效果对比。

该研究验证了脉冲强磁场消除铝合金环件残余应力的有效性，明确了强磁场力效应在这一过程中所发挥的主导作用，填补了强磁场对铝合金残余应力宏微观特性影响机制的空白，为深入理解强磁场在材料加工中的应用提供了新的视角。随着我国载人航天、深空探测等重大工程的布局和推进，超大型铝合金环件的尺寸要求不断增大，如新一代重型运载器的铝合金环件已达10m以上，对环件结构稳定性和力学性能提出了更高要求，传统应力消除方法的局限性愈加凸显，而脉冲强磁场消除残余应力的新方法在未来将发挥更加重要的作用。未来，团队将进一步探究强磁场的电效应、热效应等多因素对不同合金材料残余应力等特性的影响，并积极推动与相关研究院所、生产企业开展技术合作，加快项目落地，为我国超大型合金环件的电磁胀形装备设计与高性能制造提供技术支持和解决方案。

该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体、青年科学基金以及中国博士后科学基金等项目支持。

—华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心—

图文 | 李潇翔

编辑 | 景一丹

校对 | 胡 浩

审核 | 程 远

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