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的前沿領域，涉及微重力環境下金屬塑性變形機理、工藝適應性重構及空間應用場景驗證。以下是系統性研究框架：

1. 微重力環境對筒體鍛件成形的影響機制

(1) 核心差異點（vs.地面重力）

質量力主導→表面力主導：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"現象（重力導致的偏析）在太空轉為軸對稱流動。

界面行為突變：

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

熱傳導路徑改變：輻射散熱占比從<10%升至>60%，需主動溫控補償。

(2) 關鍵科學問題

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）。

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

2. 在軌實驗系統設計

(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: 脈沖力0.5~2kN

徑向旋壓單元

環境控制

真空度<10?3Pa

加熱系統: 紅外聚焦±10℃

在線監測

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

輕量化優先：Ti-6Al-4V（比強度最優）、Al-Li合金（成形性好）。

特殊處理：預鍍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

工藝地面典型參數太空適配調整

旋壓成形 轉速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) 實驗發現

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"：由斷續粘著-滑移導致（需模具表面織構化處理，Ra<0.05μm）。

熱致翹曲：輻射冷卻不均引發，采用對稱加熱線圈補償。

(2) 在線修正技術

機器學習調控：基于實時X射線圖像訓練CNN模型，動態調整鍛擊頻率（響應時間<50ms）。

聲發射監測：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：質量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：殘余應力分布異常（需后續激光沖擊強化處理）。

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環境）。

微重力-超真空協同：開發真空吸附式模具（防止工件漂移）。

(2) 自主化制造

AI工藝鏈：通過強化學習優化多工序參數（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合材料的太空鍛造。

(3) 超大構件制造

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。

標準化接口：采用SpaceAPI協議實現載荷快速集成。

天地一致性研究：建立μg/1g成形數據庫的映射模型。

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