1.目的及意义（含国内外的研究现状分析，并考虑社会、健康、安全、成本以及环境等因素）

1.1研究背景

大型锻件是重大装备的核心部件之一，常在极端环境下服役，对材料的性能要求极高。与重大工程对大型锻件高品质要求相悖的是，锻件尺寸大，加热和冷却时，温度变化和分布不均匀性大；锻压变形时，金属塑性流动差别大，加上钢锭大冶金缺陷多，因而容易形成一些不同于中小型金属锻件的缺陷，如：严重的偏析和疏松、密集型夹杂物、发达的柱状晶和不均匀结晶、敏感开裂和白点倾向、均质化程度越低等。

造成上述问题的根本原因在于，传统上大锻件采取“以大制大”的手段制造，即先做大铸锭再制造大锻件。由于金属凝固存在尺寸效应，规格越大的铸锭偏析、疏松等缺陷越严重，导致锻件的均质性越差，严重影响材料使役性能，这已成为世界性难题。因此，迫切需要开发变革性技术，解决大锻件宏观偏析等缺陷，实现均质化制备。中科院金属所提出一种新的材料加工技术：金属构筑成形技术^[1-2]，这项技术将多块均质化基材经表面处理、堆垛组坯、真空封装后，在高温下实施大变形，充分愈合并消除界面，实现“无痕连接”。金属构筑成形可以改善传统大型锻造件宏观缺陷问题^[1]，但是这项技术刚刚开发，目前存在不少难点与问题，如：构筑成形界面愈合程度不够仍然存在微小孔洞与空隙、界面愈合处存有杂质等。这一情况也使对构筑成形界面进行后处理从而实现成形界面的无痕连接的工艺研究变得尤为重要。

脉冲电流以其独特的特点吸引越来越多的人关注，为了解决热成形存在的诸多弊端，研究者们进行了大量实验致力于将脉冲电流应用到金属材料的各加工领域^[3-4]。目前，脉冲电流在缺陷修复方面已有显著成效，研究者们普遍认为其通过细化铸件中粗大的晶粒而改善其组织形态^[5]，利用脉冲电流的绕流集中和焦耳热效应能够阻止裂纹扩展，改善裂纹尖端形貌和局部微观组织，提高金属材料力学性能^[6]。然而，关于脉冲电场对构筑成形界面缺陷的修复工艺研究还鲜有报道，若能将脉冲电场的优势运用到构筑成形的界面修复方面，可更大程度的减少构筑成形件内部孔洞、裂纹等缺陷^[7]，从而为构筑成形生产高性能大型锻件提供新的思路。

1.2研究现状

金属构筑成形是一种基于“化整为零，以小见大”思想的突破技术，中国科学院金属研究所徐斌、李殿中等^[1]提出该成形方法。其步骤为：首先采用常规的构筑方法进行多层铸坯、锻坯或轧坯的构筑，将构筑坯料锻焊后获得毛坯。在完成常规构筑过程后，将坯料锻造成圆台或方台形，获得毛坯基元。将毛坯基元进行表面加工和清洁后，将两个毛坯基元封装在一起，成为预制坯，并使界面内部保持高真空状态，然后施加以镦粗大变形为特点的锻焊工艺，使两个毛坯基元结合在一起成为毛坯。可以将毛坯再次锻造成圆台或方台形毛坯基元，多次重复将两件圆台或方台形毛坯基元锻焊成一件更大的毛坯的过程，每一次构筑称为一级。进行多级构筑后，可以实现超大型锻件的制造。采用低合金均质化连铸坯结合构筑成形技术，生产出的长6.5米电站转子^[1]，经解剖检测构件断面均质性好、等向性好，整体缺陷程度比传统铸锭制造大锻件要小，但在界面连接处，仍然存在微小孔洞与微小裂纹，要想更大程度提高质量与性能，需要进行后处理或界面修复工作。

另一方面，脉冲电流对金属材料的修复主要包括裂纹止裂与裂纹愈合两方面^[7-8] 。Parton 等人^[9] 所做实验的结果表明，脉冲电流能够降低导体内部裂纹的传播速度。当脉冲电流流经含有裂纹尖端时电流密度增加，由此产生的板内电磁热和弹性应力场的变化对裂纹的扩展起到了一定的抑制作用。Zhou Yi 等人^[10-11] 通过研究脉冲电流作用于低碳钢的淬火裂纹时发现，较基体材料而言，裂纹尖端处明显偏高的温度提高了原子的扩散能力，并且由于相邻两电脉冲作用时产生的温差带来的热压应力使得裂纹处的原子发生键合，这两点是裂纹愈合和裂纹止裂的主要原因。Atsushi Hosoi^[12] 在脉冲电流对金属材料疲劳裂纹的愈合方面进行了大量研究，其通过数字图像相关法观察到了塑性变形区的应变恢复现象，从而揭示了脉冲电流作用下材料中疲劳裂纹愈合的机理。Liu等^[13] 通过热电结构耦合分析，提出了一种脉冲电流促进裂纹愈合及止裂的机制，即在对有裂纹的板料进行通电时，远离裂纹处的电流密度场是均匀的，当电流密度流经与其方向垂直的裂纹尖端时，电流发生绕流，使得裂纹尖端处有很高的电流密度，其附近形成一个圆形熔化区，其使得部分裂纹发生愈合并且抑制了裂纹的传播。目前关于脉冲电流的裂纹愈合研究及其理论机制论述己取得了许多有益的结果^[14-17] ，但关于裂纹愈合机理与新技术的复合作用 方面仍有欠缺之处，对于构筑成形界面的脉冲电场修复工艺尚属空白。

1.3研究目的及意义

本课题针对不锈钢金属构筑成形界面，提出以用脉冲电流来修复成形界面，达到改善金属构筑成形性能、减少构筑成形界面缺陷从而制造高性能大型锻造件的目的。拟采用脉冲电场对高温高压大变形后冷却的不锈钢构筑成形坯料进行处理，促进构筑界面的愈合，并研究不同脉冲电场参数对构筑界面愈合的影响规律，为不锈钢大型锻件构筑成形界面的电场修复工艺开发提供指导依据。