[0001] 本发明属于材料工程技术领域，具体为一种航空铝基复合材料锻件质量性能评价优化系统。

[0002] 随着现代航空工业的飞速发展，对航空发动机及飞行器结构材料的性能要求日益提高。铝基复合材料作为金属基复合材料家族中的佼佼者，因其结合铝合金的轻质、可加工性与增强相的高强度、高模量特性，在航空领域展现出广阔的应用前景。然而，铝基复合材料的性能受到多种因素如基体合金种类、增强相形态、含量及分布、界面结合强度等复杂影响，其质量性能评价与优化成为一大技术挑战。

[0003] 现有的针对铝基复合材料锻件质量性能评价优化技术还存在以下几种局限性表现，具体为：1、现有技术针对铝基复合材料锻件质量性能评价通常侧重外观合格检测和物理性能检测，忽视锻件微观结构检测分析的必要性，在批量生产铝基复合材料锻件时，即使外观和常规物理性能检测结果符合要求，微观结构的波动也可能导致锻件质量不一致，由于缺乏对微观层面检测，可能会使一些质量不稳定的锻件混入合格产品中，影响批次产品的质量一致性保障，从而难以满足航空应用发展。

[0004] 2、现有技术针对铝基复合材料锻件质量性能评价的外观合格检测和物理性能检测缺乏细致性考量，停留至浅显常规分析，例如物理性能检测其中硬度性能检测仅依靠抗压强度和屈服强度两个数值进行常规评判，无法全面反映锻件在复杂应力环境下的真实表现。

[0005] 3、现有技术在铝基复合材料锻件质量性能评价未达标状况下，缺乏锻造缘由追溯机制，从而无法为铝基复合材料锻件锻造提供优化方向。

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 参照图1所示，本发明提供一种航空铝基复合材料锻件质量性能评价优化系统，包括：锻件锻造模块、锻件外观验证模块、锻件分组测评模块、锻造质量判断模块、工艺优化反馈模块、工艺有效输出模块和云数据库。

[0026] 所述锻件锻造模块分别与锻件外观验证模块、锻件分组测评模块连接，所述锻件外观验证模块、锻件分组测评模块均与锻造质量判断模块连接，所述锻造质量判断模块分别与工艺优化反馈模块、工艺有效输出模块连接，所述云数据库分别与锻造质量判断模块、工艺优化反馈模块连接。

[0027] 所述锻件锻造模块，用于根据预置锻造工艺窗口锻造预设数量铝基复合材料锻件，标记为目标批次锻件。

[0028] 需要说明的是，上述预置锻造工艺窗口指的是预置锻造工艺参数组合，包括锻造温度、锻造压力、冷却速度和变相度量。

[0029] 所述锻件外观验证模块，用于对目标批次锻件进行外观合格验证。

[0030] 具体地，所述对目标批次锻件进行外观合格验证，包括：对目标批次锻件内各锻件进行扫描以构建各锻件三维模型，与设计锻件样品三维模型进行比对，采集目标批次锻件内各锻件相对设计锻件样品的扭曲度和错差度，结合铝基复合材料锻件形位公差规范扭曲度、错差度对应预置许可阈值，分析目标批次锻件的整体形位合格度指标 。

[0031] 需要说明的是，上述目标批次锻件内各锻件相对设计锻件样品的扭曲度和错差度的获取过程为：将各锻件三维模型与设计锻件样品三维模型导入三维建模软件内调整至相同坐标系下，根据三维建模软件的形状描述子计算工具分别获取各锻件三维模型与设计锻件样品三维模型的球谐函数描述子，通过余弦相似度公式分析各锻件三维模型与设计锻件样品三维模型的球谐函数描述子之间的差异度，经过归一化处理后，得到目标批次锻件内各锻件相对设计锻件样品的扭曲度。

[0032] 针对各锻件三维模型与设计锻件样品三维模型随机选择预设数量的相同特征点，测量各锻件三维模型与设计锻件样品三维模型针对各特征点坐标位置的偏移距离，通过均值计算获取各锻件三维模型与设计锻件样品三维模型针对特征点坐标位置的平均偏移距离，将其于预设参照偏移距离的比值，作为目标批次锻件内各锻件相对设计锻件样品的错差度。

[0033] 上述 的分析过程为将目标批次锻件内各锻件相对设计锻件样品的扭曲度与铝基复合材料锻件形位公差规范扭曲度对应预置许可阈值进行比对，若目标批次锻件内某锻件相对设计锻件样品的扭曲度小于或等于铝基复合材料锻件形位公差规范扭曲度对应预置许可阈值，则设置目标批次锻件内该锻件的相对形态合格度为1，反之计算目标批次锻件内某锻件相对设计锻件样品的扭曲度 针对铝基复合材料锻件形位公差规范扭曲度对应预置许可阈值 的超限幅值，即 ，由公式 计算目标批次锻件内该锻件的形态合格度，为自然常数，由此获取目标批次锻件内各锻件的相对形态合格度。

[0034] 同目标批次锻件内各锻件的相对形态合格度的计算方法一致，基于目标批次锻件内各锻件相对设计锻件样品的错差度与铝基复合材料锻件形位公差规范错差度对应预置许可阈值的比对情况，获取目标批次锻件内各锻件的相对位置合格度。

[0035] 将相对位置合格度和相对形态合格度相乘，以获取目标批次锻件内各锻件的形位合格度指标，通过均值计算进一步获取目标批次锻件的整体形位合格度指标。

[0036] 识别目标批次锻件内各锻件表面缺陷特征，采集目标批次锻件内各锻件表面的最大缺陷深度、缺陷面积累计占比、表面粗糙度和颜色均匀度，分别与铝基复合材料锻件应用规范要求锻件表面预置最大缺陷深度许可阈值、缺陷面积累计占比许可阈值、表面粗糙度许可阈值和颜色均匀度合理阈值进行对应比值计算，计算比值分别记为，为目标批次锻件内各锻件的编号， ，由公式
得到目标批次锻件内各锻件的表观合格度， 为预设常数以防止分母
为0，通过对 进行均值计算以分析得到目标批次锻件的整体表观合格度指标 。

[0037] 将 、 共同作为目标批次锻件外观合格验证结果，实现目标批次锻件外观合格验证。

[0038] 本发明实施例通过整体形位合格度指标和整体表观合格度指标，实现目标批次锻件外观合格验证，不仅关注锻件的尺寸、形状、位置等几何特征是否满足设计要求，还涵盖表观缺陷检测，从而确保验证过程的全面精准性。

[0039] 所述锻件分组测评模块，用于将目标批次锻件均分为锻件一组和锻件二组，对锻件一组进行物理性能测试，对锻件二组进行微观结构分析。

[0040] 参照图2所示，具体地，所述对锻件一组进行物理性能测试，包括：按照预定义原则将锻件一组内各锻件划分为各一级锻件、各二级锻件和各三级锻件。

[0041] 需要说明的是，上述预定义原则具体指：统计锻件一组内锻件总数量并除以3，所得的计算结果中，整除数值作为一级锻件、二级锻件、三级锻件的基准均分数量，余数作为额外的锻件数量分配至一级锻件当中，从而划分得到各一级锻件、各二级锻件和各三级锻件。

[0042] 通过材料试验机对各一级锻件进行强度性能测试，记录各一级锻件强度性能测试过程中的应力‑应变曲线，识别其中各一级锻件各拉伸行为阶段对应曲线段，各拉伸行为阶段包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，获取各一级锻件强度性能测试过程中弹性阶段的弹性模量和比例极限、屈服阶段的屈服强度和屈服平台长度、强化阶段的抗拉强度和均匀变形量、颈缩阶段的颈缩应力和发展速度，以此综合分析各一级锻件的强度性能系数，对各一级锻件的强度性能系数进行均值计算以获得锻件一组的整体强度性能评价指标 。

[0043] 需要说明的是，应力‑应变曲线各拉伸行为阶段对应曲线段的识别依据为：应力‑应变曲线的起始部分，曲线呈直线上升，斜率保持不变，应力与应变呈线性关系，符合弹性阶段，此时斜率即为弹性模量，弹性阶段终点对应应力值为比例极限。

[0044] 随着应变的继续增加，应力‑应变曲线的斜率逐渐减小，进入屈服阶段，此阶段锻件开始产生明显的塑性变形，曲线上出现屈服平台，具体表现为应力基本保持不变，而应变持续增加，屈服强度为屈服阶段内锻件开始产生塑性变形时的应力值。

[0045] 屈服阶段结束后，锻件进入强化阶段，应力随应变的增加而继续增大，但增长速率逐渐减慢，曲线的斜率逐渐变小，强化阶段的终点是锻件所能承受的最大应力点，即抗拉强度。

[0046] 当应力达到抗拉强度后，材料开始出现局部收缩，即颈缩现象。在应力‑应变曲线表现为应力随着应变的增加而减小，曲线的斜率变为负值。

[0047] 具体可将应力‑应变曲线导入Origin等专业软件内，利用软件的曲线拟合工具识别各拉伸行为阶段对应曲线段及其相关参数。

[0048] 需要解释的是，锻件拉伸测试为锻件强度性能测试方法之一，锻件拉伸行为必然会经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，这四个阶段并非独立于拉伸过程之外，而是在整个拉伸过程中依次出现且相互关联，并共同作为锻件强度性能反映依据，其中弹性阶段展现锻件在受力初期的线性响应，其应力与应变成正比关系，反映锻件的初始刚度，屈服阶段标志锻件开始出现塑性变形，此时应力几乎不变而应变持续增加，体现锻件的屈服强度，强化阶段表明锻件在进一步受力时抵抗变形的能力增强，反映锻件的强化特性和极限承载能力，颈缩阶段则是锻件在接近破坏时的局部变形现象，可辅助判断锻件的断裂行为和最终强度极限。综上所述，这四个阶段共同构成锻件在拉伸测试中的完整力学行为表现，均为锻件强度性能系数的分析考量因素。

[0049] 需要说明的是，上述各一级锻件的强度性能系数的综合分析过程为：将当前各一级锻件强度性能测试过程中各拉伸行为阶段各参数采集数值，与预置铝基复合材料锻件强度性能评价标准规范内容内针对对应拉伸形位阶段对应参数的参照规范数值进行比值分析，获取各一级锻件各拉伸行为阶段的性能测评指标，累加后得到各一级锻件的强度性能系数。

[0050] 通过断裂韧性试验机和预制裂纹装置对各二级锻件进行断裂韧性测试，要求各二级锻件的预制裂纹位置各不相同，测量各二级锻件的断裂韧性指标，并设置各二级锻件对应预制裂纹位置影响权重，分析获得锻件一组的整体断裂韧性评价指标 。

[0051] 需要说明的是，上述通过将各二级锻件的断裂韧性指标与其对应预制裂纹位置影响权重相乘并累加，将累加值与二级锻件数量进行比值分析，以获得锻件一组的整体断裂韧性评价指标。

[0052] 通过疲劳试验机对各三级锻件进行疲劳性能测试，要求各三级锻件的疲劳测试强度各不相同，测量各三级锻件的抗疲劳性能指标，并设置各三级锻件对应疲劳测试强度影响权重，分析获得锻件一组的整体抗疲劳性能评价指标 。

[0053] 需要说明的是，上述通过将各三级锻件的抗疲劳性能指标与其对应疲劳测试强度影响权重相乘并累加，将累加值与三级锻件数量进行比值分析，以获得锻件一组的整体抗疲劳性能评价指标。

[0054] 将 、 、 共同作为锻件一组物理性能测试结果，实现锻件一组物理性能测试。

[0055] 本发明实施例通过将锻件一组分为三级层，细致考量锻件的整体强度、断裂韧性和抗疲劳性能，实现锻件一组物理性能测试，不仅提高锻件物理性能测试的科学性和有效性，也为后续的质量控制和工艺优化提供数据基础。

[0056] 参照图3所示，具体地，所述对锻件二组进行微观结构分析，包括：将锻件二组内某锻件标记为目标锻件，按照预设间距依次对目标锻件进行纵向切割，经抛光后获取目标锻件各切割面，利用显微设备采集目标锻件各切割面的相分布特征图，识别其中铝基体相、增强相、界面相和缺陷相对应相形态特征，分析目标锻件的相分布均匀性系数和相分布合理性系数，将二者累加值作为目标锻件的相分布特征指标。

[0057] 示例性地，上述显微设备具体为扫描电子显微镜或透射电子显微镜。

[0058] 识别目标锻件各切割面的相分布特征图中铝基体相内晶粒特征和晶界特征，勾勒目标锻件各切割面的相分布特征图中铝基体相内各晶粒区域轮廓以获取其对应直径和纵横比 ，为目标锻件各切割面的编号， ， 为铝基体相内各晶粒区域的编号， ，根据铝基复合材料锻件应用规范要求晶粒预置合理直径区间和预置合理纵横比区间，分析目标锻件各切割面的晶粒合理性系数并将其计算均值作为目标锻件的晶粒特征指标。

[0059] 需要说明的是，上述目标锻件各切割面的晶粒合理性系数的分析公式为：， 分别为铝基复合材料锻件应用规范要求晶
粒预置合理直径区间、预置合理纵横比区间上限值和下限值的计算均值， 分别为铝基复合材料锻件应用规范要求晶粒预置合理直径区间上限值与 的差值、预置合理纵横比区间上限值与 的差值。

[0060] 具体地，所述对锻件二组进行微观结构分析，还包括：勾勒目标锻件各切割面的相分布特征图中铝基体相内各晶界区域轮廓，以各晶界区域轮廓边缘的像素梯度值表示对应晶界区域的清晰度，随机挑选各晶界区域轮廓内任一像素点，沿着其相邻像素点内最大像素灰度变化值方向进行晶界路径追踪，直至抵达对应晶界轮廓边界，获取各晶界区域轮廓内断裂像素点数量，将其与对应晶界区域轮廓宽度像素点数量的比值作为各晶界区域的间断度，结合目标锻件各切割面的相分布特征图中铝基体相内各晶界区域的清晰度 和间断度 ， 为 铝基体相内各 晶界区域的 编号， ，由公 式得到目标锻件各切割面的晶界合理性系数并将其计算均值作为目标
锻件的晶界特征指标， 、 分别为预设的铝基体相内晶界区域的参照清晰度和参照间断度。

[0061] 由此获取锻件二组内各锻件的相分布特征指标、晶粒特征指标、晶界特征指标，获取锻件二组微观结构分析结果，实现锻件二组的微观结构分析。

[0062] 具体地，所述分析目标锻件的相分布均匀性系数，包括：比对目标锻件某切割面与其他各切割面的相分布特征图的相似度，以其中计算均值作为目标锻件切割面之间的分布相似均匀度。

[0063] 采集目标锻件各切割面内各增强相与其相邻增强相间的间隔距离，计算目标锻件各切割面内增强相的间隔方差以其中计算均值的倒数作为目标锻件切割面的增强相分布均匀度。

[0064] 采集目标锻件各切割面内各界面相的厚度，计算目标锻件各切割面内增强相的厚度方差以其中计算均值的倒数作为目标锻件切割面的界面相分布均匀度。

[0065] 将目标锻件切割面之间的分布相似均匀度、切割面的增强相分布均匀度、切割面的界面相分布均匀度分别与其对应预设权重乘积进行累加，获取目标锻件的相分布均匀性系数。

[0066] 具体地，所述分析目标锻件的相分布合理性系数，包括：采集目标锻件各切割面内增强相针对铝基体相的累计体积占比 以及界面相的平均厚度，分别与铝基复合材料锻件应用规范要求增强相针对铝基体相的预置合理体积占比区间、界面相的预置合理厚度区间进行比对，分析目标锻件的增强相、界面相分布合理性指数。

[0067] 需要说明的是，上述目标锻件的增强相分布合理性指数的分析公式为：，其中 为铝基
复合材料锻件应用规范要求增强相针对铝基体相的预置合理体积占比区间上限值与下限值的计算均值， 为铝基复合材料锻件应用规范要求增强相针对铝基体相的预置合理体积占比区间上限值与 的差值，为目标锻件切割面数量。

[0068] 同目标锻件的增强相分布合理性指数分析过程一致，计算目标锻件的界面相分布合理性指数 。

[0069] 采集目标锻件各切割面内缺陷相针对铝基体相的累计体积占比，将其进行累加获得目标锻件的缺陷相分布因子 。

[0070] 将目标锻件的增强相、界面相分布合理性指数累加，进一步与缺陷相分布因子进行比值分析，得到目标锻件的相分布合理性系数。

[0071] 具体地，所述获取锻件二组微观结构分析结果，包括：通过对锻件二组内各锻件的相分布特征指标、晶粒特征指标、晶界特征指标分别进行均值计算，以获取锻件二组的整体相分布特征指标 、整体晶粒特征指标 和整体晶界特征指标 ，以此共同作为锻件二组微观结构分析结果。

[0072] 本发明实施例分别通过相分布特征分析、晶粒特征分析和晶界特征分析，帮助全方面了解锻件二组内各锻件的微观结构，弥补现有技术针对锻件微观结构分析的缺失，有助于更深入评估锻件的综合性能，从而确保最终铝基复合材料锻件产品的高质量和可靠性。

[0073] 所述锻造质量判断模块，用于结合目标批次锻件的外观合格验证结果、锻件一组物理性能测试结果和锻件二组微观结构分析结果，判断目标批次锻件的锻造质量是否达标，若判断未达标，则执行工艺优化反馈模块，若判断达标，则执行工艺有效输出模块。

[0074] 具体地，所述判断目标批次锻件的锻造质量是否达标，包括：若目标批次锻件的外观合格验证结果、锻件一组物理性能测试结果、锻件二组微观结构分析结果各指标项均处于其云数据库存储的对应达标数值区间内，则判断目标批次锻件的锻造质量达标，反之判断目标批次锻件的锻造质量未达标。

[0075] 所述工艺优化反馈模块，用于追溯目标批次锻件锻造质量未达标缘由，以此反馈预置锻造工艺窗口优化参数方向。

[0076] 具体地，所述追溯目标批次锻件锻造质量未达标缘由，包括：提取目标批次锻件的外观合格验证结果、锻件一组物理性能测试结果、锻件二组微观结构分析结果内处于其云数据库存储对应达标数值区间外的各异常指标项，进一步提取云数据库存储的各异常指标项对应预置锻造工艺窗口的指向锻造工艺参数，以此统计预置锻造工艺窗口内各锻造工艺参数的指向次数，将其与锻造工艺参数总指向次数的比值作为预置锻造工艺窗口内各锻造工艺参数的异常指向占比，筛选其中异常指向占比大于预设警戒值的各锻造工艺参数作为目标批次锻件锻造质量未达标的追溯缘由。

[0077] 本发明实施例通过整合目标批次锻件的外观合格验证结果、锻件一组物理性能测试结果和锻件二组微观结构分析结果，精准判断目标批次锻件的锻造质量是否达标，并进一步展开未达标锻造缘由追溯，反馈预置锻造工艺窗口优化参数方向，有助于优化生产工艺，提高生产效率和铝基复合材料锻件产品质量。

[0078] 所述工艺有效输出模块，用于确认预置锻造工艺窗口锻造有效性，输出预置锻造工艺窗口。

[0079] 所述云数据库，用于存储单位批次铝基复合材料锻件的外观合格验证结果、锻件一组物理性能测试结果、锻件二组微观结构分析结果各指标项对应达标数值区间以及对应预置锻造工艺窗口的指向锻造工艺参数。

[0080] 需要说明的是，云数据库存储的单位批次铝基复合材料锻件的外观合格验证结果、锻件一组物理性能测试结果、锻件二组微观结构分析结果各指标项对应达标数值区间以及对应预置锻造工艺窗口的指向锻造工艺参数均来源于系统开发植入，其中预置锻造工艺窗口的指向锻造工艺参数具体示例参照下表1。

[0081] 表1云数据库内各指标项对应预置锻造工艺窗口的指向锻造工艺参数具体示例参照表

[0082]

[0083] 需要说明的是，整体形位合格度指标异常表示锻件形状或尺寸不符合设计要求，指向锻造温度和锻造压力的原因：锻造温度过高可能导致材料过度软化，在锻造过程中容易出现局部过度变形，影响形位精度，锻造温度过低则材料塑性不足，锻造时可能产生裂纹或折叠，影响形位合格度，锻造压力过大可能使锻件局部过度变形，破坏整体形状，锻造压力过小可能导致材料不能充分填充模具，影响形位精度。

[0084] 整体表观合格度指标异常表示表面缺陷过多，指向锻造温度、冷却速度的原因：锻造温度过高使材料表面氧化严重，影响表观质量，锻造温度过低可能导致锻造过程中材料表面出现冷作硬化现象，影响表观光滑度，冷却速度过快可能使锻件表面出现裂纹或褶皱，影响表观质量，冷却速度过慢可能使材料表面氧化加剧，降低表观质量。

[0085] 整体强度性能评价指标异常表示强度偏低，指向锻造温度和变相度量的原因：锻造温度过高可能使材料晶粒粗大，降低强度，锻造温度过低可能使材料的变形抗力增大，锻造过程中容易产生缺陷，影响强度，变形量过大可能使材料内部产生大量的位错和缺陷，影响强度，变形量过小可能使材料的组织改善不明显，强度无法得到有效提高。

[0086] 整体断裂韧性评价指标异常表示韧性不足，指向冷却速度和变相度量的原因：冷却速度过快可能使材料内部产生内应力，降低断裂韧性，冷却速度过慢可能使晶粒长大，降低断裂韧性，变形量过大可能使材料内部产生微裂纹等缺陷，降低断裂韧性，变形量过小可能使材料的组织改善不明显，断裂韧性无法得到有效提高。

[0087] 整体抗疲劳性能评价指标异常表示抗疲劳性能下降，指向冷却速度和锻造压力的原因：不恰当的冷却速度可能导致材料内部微观缺陷增多，影响抗疲劳性能，压力不足可能导致材料内部存在未被充分压实的区域，形成疲劳源。

[0088] 整体相分布特征指标异常表示相分布不均匀或不合理，指向锻造温度和变相度量的原因：锻造温度控制不准确可能导致相变不完全或不均匀，变相度量不合适可能导致材料内部应力分布不均，影响相的均匀分布。

[0089] 整体晶粒特征指标异常表示晶粒尺寸形态不合适，指向锻造温度和变相度量的原因：锻造温度过高或变形量过大可能导致晶粒长大，致使晶粒破碎过度影响晶粒特征，温度过低或变形量过小可能使晶粒细化但材料塑性降低，晶粒细化效果不明显且影响晶粒尺寸。

[0090] 整体晶界特征指标异常表示晶界清晰度差或者连续性不佳，指向锻造温度和冷却速度的原因：过快的冷却速度可能导致晶界析出物来不及扩散，影响晶界清晰度，温度过高可能导致晶界析出物增多，影响晶界连续性。

[0091] 还需要说明的是，上述各指标项对应预置锻造工艺窗口的设定均紧密关联多个锻造工艺参数，本发明侧重选择两位对指标项影响更为显著或更为直接的锻造工艺参数。

[0092] 以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本发明所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。