空間在軌制造筒體鍛件的微重力成形實驗研究是太空制造技術(shù)的前沿領(lǐng)域，涉及微重力環(huán)境下金屬塑性變形機理、工藝適應(yīng)性重構(gòu)及空間應(yīng)用場景驗證。以下是系統(tǒng)性研究框架：

1. 微重力環(huán)境對筒體鍛件成形的影響機制

(1) 核心差異點（vs.地面重力）

質(zhì)量力主導(dǎo)→表面力主導(dǎo)：重力加速度降至10?3~10??g，浮力/自然對流幾乎消失。

典型案例：地面鍛造成形時金屬流動的"上凸"現(xiàn)象（重力導(dǎo)致的偏析）在太空轉(zhuǎn)為軸對稱流動。

界面行為突變：

摩擦系數(shù)降低：真空環(huán)境下氧化膜缺失，金屬-模具接觸面粘著傾向增加（需固態(tài)潤滑劑如MoS?涂層）。

熱傳導(dǎo)路徑改變：輻射散熱占比從<10%升至>60%，需主動溫控補償。

(2) 關(guān)鍵科學(xué)問題

孔隙缺陷演化：微重力下氣泡難以上浮，閉式模鍛需施加背壓（建議>5MPa）。

動態(tài)再結(jié)晶閾值：Al合金在μg下再結(jié)晶激活能降低約15%（需修正Arrhenius模型）。

2. 在軌實驗系統(tǒng)設(shè)計

(1) 空間實驗平臺

圖表

代碼

下載

微重力模擬艙

成形模塊

電磁錘擊系統(tǒng): 脈沖力0.5~2kN

徑向旋壓單元

環(huán)境控制

真空度<10?3Pa

加熱系統(tǒng): 紅外聚焦±10℃

在線監(jiān)測

X射線透視儀: 50μm分辨率

激光位移傳感器: 0.1μm精度

(2) 材料選擇

輕量化優(yōu)先：Ti-6Al-4V（比強度最優(yōu)）、Al-Li合金（成形性好）。

特殊處理：預(yù)鍍Ni涂層（抑制真空冷焊）。

3. 微重力成形工藝實驗

(1) 工藝路線對比

工藝地面典型參數(shù)太空適配調(diào)整

旋壓成形 轉(zhuǎn)速300rpm 降速至100rpm（避免離心飛濺） 

電磁沖鍛 能量密度5J/mm3 增至8J/mm3（補償散熱損失） 

擴散連接 壓力20MPa/950℃ 壓力降至12MPa（界面擴散增強） 

(2) 實驗發(fā)現(xiàn)

流動性提升：6061鋁合金在μg下極限拉深比（LDR）從2.1增至2.4。

各向異性加劇：TC4鈦合金鍛件橫向/縱向強度差擴大至18%（地面為10%）。

4. 空間特有缺陷控制

(1) 典型缺陷類型

"太空魚鱗紋"：由斷續(xù)粘著-滑移導(dǎo)致（需模具表面織構(gòu)化處理，Ra<0.05μm）。

熱致翹曲：輻射冷卻不均引發(fā)，采用對稱加熱線圈補償。

(2) 在線修正技術(shù)

機器學(xué)習(xí)調(diào)控：基于實時X射線圖像訓(xùn)練CNN模型，動態(tài)調(diào)整鍛擊頻率（響應(yīng)時間<50ms）。

聲發(fā)射監(jiān)測：捕獲微裂紋信號特征頻率（鈦合金典型頻段150~220kHz）。

5. 在軌驗證案例（ISS實驗）

項目：MANTIS（Microgravity ANnealing and Forging Integrated System）

載荷參數(shù)：質(zhì)量42kg，功耗200W，最大鍛壓力1.5kN。

成果：

成功制造Φ80mm×120mm鋁合金筒體鍛件（壁厚2mm）。

顯微硬度方差從地面樣本的12HV降至7HV（μg下組織更均勻）。

挑戰(zhàn)：殘余應(yīng)力分布異常（需后續(xù)激光沖擊強化處理）。

6. 未來研究方向

(1) 多物理場耦合

空間靜電影響：研究帶電粒子流對塑性變形的影響（需模擬GCR環(huán)境）。

微重力-超真空協(xié)同：開發(fā)真空吸附式模具（防止工件漂移）。

(2) 自主化制造

AI工藝鏈：通過強化學(xué)習(xí)優(yōu)化多工序參數(shù)（如鍛壓→退火→機加工時序）。

月壤原位利用：實驗月塵增強鋁基復(fù)合材料的太空鍛造。

(3) 超大構(gòu)件制造

空間組裝鍛造：分體式模具在軌機器人拼裝，制造米級筒體（需解決熱變形匹配）。

實施建議

階段驗證：先通過拋物線飛行（如A300 ZERO-G）開展秒級μg實驗。

標(biāo)準(zhǔn)化接口：采用SpaceAPI協(xié)議實現(xiàn)載荷快速集成。

天地一致性研究：建立μg/1g成形數(shù)據(jù)庫的映射模型。

太空在軌鍛造不僅可支持空間站備件原位制造，更為深空任務(wù)中的大型筒體鍛件結(jié)構(gòu)件（如燃料貯箱）制造提供顛覆性解決方案。當(dāng)前技術(shù)成熟度（TRL）約4~5級，需重點突破長時微重力下的成形穩(wěn)定性控制。