劉亞威|美國防部先進輕量化材料製造創新機構項目一覽

先進輕量化材料製造創新機構（LIFT）依六大技術領域設置項目，即連接與裝配、熱機械加工、粉末加工、熔化加工、新型/敏捷加工、塗層，每個領域在技術路線圖中還有若干主題。項目招標時側重跨領域的主題，包括集成計算材料工程（ICME）、確認/認證、設計、成本建模、供應鏈、壽命周期分析、腐蝕和彈道/爆炸。

表1 機構技術領域與路線圖項目

註：新型/敏捷加工未提供公開版技術路線圖，標*項目為本次介紹內容

項目需求來自所有成員，其中大學提交的佔70%，而且授出項目的50%也是大學提交的，但是每個項目都由工業界領導，並指定一家大學輔助。這些項目一般持續1年~2年，投資在100萬~400萬美元之間，絕大多數項目同時面向航空航天、汽車和軍用車輛，以及重型車輛、列車、船舶和近海平台。目前已公布9個項目詳細內容：

一、面向輕量化金屬結構構建的可靠變形控制手段和實施

當前生產中的複雜結構部件變形控制仍然是以觀察或經驗為依據的，因為：1）有效的複雜結構變形建模技術必須在一個結構層面上聚焦影響變形的關鍵參數，以實現計算效率和可靠度；2）詳細的材料本構行為——包括焊接中的微結構變化，僅影響穿壁、自平衡的壓力狀態，對結構變形（即結構層面上的全局現象）影響很小；3）無法有效分開局部和全局效應，使變形建模手段變得太複雜，難以用於結構變形。

項目將開發ICME工具，針對典型結構形式——如複雜焊接結構、加筋壁板等，精確預測與其生產過程相關的變形。這包括開發變形預測模型並確認變形緩解策略，以提高輕量化鋼製造過程的最終質量。第一階段將聚焦ICME模型的開發，並將它們與實際生產變形建立關聯；第二階段將聚焦確認和優化變形控制方法，開發並驗證針對每個生產階段的變形預防策略。項目包括對變形控制手段的一個詳細成本分析。

項目主要工業參與方為亨廷頓英戈爾斯工業公司、Comau、ESI、EWI，計劃2017年12月完成。對輕量化結構組件的建造來說，實施更好的變形控制預測和流程，將極大減少返工並提升生產率。項目效益預計包括改進的車間操作規程、用於面向生產優化設計的簡化的變形估算方程，以及進行工程設計和製造分析的基於有限元的變形分析程序。

二、面向確保大型鈦結構性能，將ICME與傳統和新型TMP集成

當前，軍用系統和商業產品要求更經濟可承受、更輕量化和提升的性能，使用鈦合金的新型設計和製造工藝可以滿足這些需求；在製造中廣泛使用鈦合金一般被高材料成本和長開發周期所阻礙，因為替代「試錯」設計和試驗方法的分析模擬工具有限。

項目將聚焦ICME建模的開發和確認，以減少鈦組件設計和試驗的成本與開發時間。主要是相似或相異材料的固態連接和粉末冶金工藝（如近凈成形熱等靜壓），實現坯體的機加和鍛造生產。

項目主要工業參與方為GE、波音、科學成形技術公司，計劃2018年3月完成。成果將降低鈦合金組件的成本並提升其性能：基於計算的工具可將材料開發和組件設計的時間和成本減少50%，這些工具還允許製造出的組件擁有增強的局部性能，並且在某些條件下更加輕質。

圖1 工業界和專業協會是項目的主要參與方

三、面向確保鋁鋰鍛件性能的加工，開發、應用並確認基於物理特性的局部粘塑性模型

過去結構應用中的鋁鋰合金，由於高平面各向異性、不尋常的裂紋路徑和缺乏熱穩定性，存在很嚴重的問題。新一代鋁鋰合金可以減重並且提升性能。為滿足商用飛機發動機更高的性能要求，需要改進的分析手段以確定哪些材料性能最合適一個特定結構，以及在材料加工中如何達到所需的力學和損傷容限性能。

項目將開發、實施並確認一個基於局部物理特性的粘塑性有限元模型，以預測鍛造鋁鋰合金的機械變形響應、損傷演進機制和疲勞性能。第一階段將聚焦鋁鋰合金鑄件預測工具的開發和確認，以預測材料加工參數對零件各向異性力學性能的影響。該階段目標是：1）開發並執行一個非恆溫的多尺度晶體塑性（CP）本構模型，應用於第三代鋁鋰合金；2）開發並執行一個基於微結構的CP有限元分析框架，預測材料加工和局部形態對組件力學行為的影響；3）實驗校準並確認預測模型。

項目主要工業參與方為聯合技術公司研究中心、洛克希德·馬丁，計劃2017年12月完成。成果工具集指導鑄造鋁鋰合金組件的工藝優化，將減少一代飛機發動機開發所需研製硬體和加工試驗的數量。通過優化工藝和設計，組件將擁有改進的性能和更輕的質量。

四、面向亞微米增強鋁金屬基複合材料（MMC）的低成本、先進機械合金煉製和粉末固結工藝開發

鋁基亞微米碳化硅增強MMC的應用主要受制於當前熱等靜壓（HIP）固結工藝相對高的成本。這些MMC的開發還包括粉末合成、機械合金化、固結和後熱處理，所有這些都增加完成組件的成本。業界需要能夠消除或極大減少這些工藝步驟的新型工藝，實現更高的成本競爭力，增強大批量生產能力，以及擴大後續在航空航天應用中減重的潛力。

項目將聚焦由新興機械合金化粉末衍生的鋁-碳化硅MMC。考慮因素包括工藝優化、技術成本建模和新型固結方法評價。機械合金化鋁-碳化硅MMC的替代固結工藝展現了減少總製造成本的潛力，通過盡量減小升溫時間並且引入伴隨的機械變形步驟，實現改進的力學性能。這包括HIP替代工藝以在擠壓成形（如選區等離子燒結）之前固結坯體，以及直接粉末擠壓成形或近凈成形鍛造。該方法可以消除HIP裝殼和去殼步驟，被認為比基線熱等靜壓方法成本低，但與鍛鋁對比來說，強質比相似且擁有複合材料的超強剛度。

項目主要工業參與方為Materion、洛克希德·馬丁、波音、GKN，計劃2018年6月完成。對成本結構、性能預測工具和替代加工路線的一個完整認識將允許材料開發人員減少向未來航空航天平台交付鋁基MMC的時間和成本。團隊正探索兩種潛在應用，提升的性能和更大的減重機遇將針對基線鋁合金擠壓成形和替代粉末冶金壓製成形來評價。

表2 LIFT配備的部分加工設備

註：加工設備配備考慮工業界在項目中的潛在使用以及與未來政府項目的潛在關聯

五、面向高產量的薄壁球墨鑄鐵開發與部署

鑄造薄壁球墨鑄鐵鑄件的能力對於利用這些材料的高剛度和高強度來說至關重要。由於工藝和材料的限制，當前組件的界面尺寸通常比力學要求規定的更厚，從而使組件變得更重。

項目聚焦大批量生產薄壁、垂直濕砂型鑄造球墨鑄鐵鑄件所需的製造工藝開發。這需要集成幾項近期開發的技術：1）高精度鑄模機；2）利用珠光體和高硅鐵氧體球墨鑄鐵合金減少碳的形成，鐵氧體球墨鑄鐵合金已經生產但未應用於薄壁組件；3）流內和模內培養實踐以控制微結構；4）「輕觸」落砂和精整操作。

項目主要工業參與方為Grede、Comau、伊頓，於2016年6月完成。通過集成並實施改進的手段以及合金，有潛力降低球墨鑄鐵鑄造零件的壁厚達50%，實現運輸組件輕量化30%~50%（依據組件載荷）。

六、薄壁鋁的模鑄開發

薄壁鋁高壓模鑄（HPDC）鑄件領域的技術空白創造了三個改進機遇：1）對擁有大表面區域的零件來說，將模鑄的最小壁厚減小到不足3mm，同時仍達到完全的模內填充；2）減少HPDC鑄件的波動，增加其最小力學性能，當前這些限制了其在航空航天工業中的結構應用；3）建立為模鑄定製的工藝設計。當前鑄造設計實踐對整個鑄造統一應用鑄造合金最小力學性能，這通常造成鑄造工藝的超安全標準設計，特別是使用了一個大的安全係數時。

項目將聚焦生產高質量薄壁鋁模鑄組件的鋁合金HPDC技術。面向300系列（基於AlSiMnCu）模鑄合金，集成關鍵工藝技術（超真空模鑄和短時熱處理）和ICME工具，減少質量波動，提升力學性能。

項目主要工業參與方為波音、美鋁、Comau、伊頓，計劃2017年6月完成。項目效益包括：減少零件的最小壁厚以降低質量；使用HPDC替換組合的薄鋁板組裝件，降低製造成本；建立一個力學性能試驗資料庫和設計/ICME手段，在模鑄供應基礎內是可複製的，從而增加美國本土鋁產品製造的競爭力。

七、確保性能的鈑金組件敏捷制

往往因需要幾個零件，數百萬美元的航空航天資產停止運行，而只能使用陳舊技術製作新零件。能夠快速創建精密尺寸的組件是一個現實商業需求，在航空航天是修理和小批生產。這項技術是新興的，但是主要實施障礙是商業化工藝還不存在，包括經證實的設計手段、模擬和確信的設計許用值，以用於失效關鍵的應用中。

項目面向不使用匹配模製造鈑金零件，開發可以確定最佳成形路線的工具，滿足性能設計許用值和尺寸規範。敏捷鈑金成形的許多組成技術已經達到高製造成熟度等級，比如液壓成形通常是商業化實踐並且是許多軍事生產規範的一部分；單點增量成形（SPIF）有限用於商業應用中的驗證，因為其缺乏尺寸精度；雙點增量成形（DPIF）因為需要專用機床還未廣泛應用，但是已經在刀具路徑編程和演示以高精度成形特定組件的能力上擴展了工作。項目將開發現有工藝的已確認工藝鏈，以及相關的設計方法，從而在估算成本內以精度可控的尺寸和確信的性能生產組件。增加的新方面有：為給定零件設計工藝和演示這些技術以評價商用就緒度，特別關注模擬、確信的認證性能和成本建模。

項目主要工業參與方為波音、洛克希德·馬丁、Comau，計劃2018年8月完成。項目面向飛行器和車輛應用，開發認證軍用和民用敏捷鈑金成形的路徑，允許在鈑金產品的小批量和定製生產中實施創新。

圖2 項目將在LIFT核心站點完成

八、面向防腐微結構設計的綜合資料庫和計算模型

航空航天工業選擇材料和製造工藝主要著眼於確保可接受的力學性能，複雜微結構金屬材料的腐蝕性能可能在組件進入服役時才會完全認識到，使用計算模型預測並管理腐蝕敏感性將節省時間和成本。

項目將開發一個綜合的材料性能資料庫和計算模型，基於合金組成、熱機械加工、熱處理和服役條件的規範評價局部腐蝕敏感性。項目將開發ICME框架和最初的試驗案例，以評價高強鋁合金組件的腐蝕性能，識別進一步開發和評價鋁合金改性所需的工具。工作聚焦2XXX（AlCuMn）系列——包括含鋰的合金，以及傳統7075（AlZnCuMn）合金——擁有可觀的背景數據，它們的微結構不均勻性主導著局部腐蝕響應。項目技術方案將包括微結構和宏觀建模，表徵生產過程中的變形如何影響腐蝕，以及對腐蝕樣品的快速評估。這些技術將確認在組件設計中加入腐蝕預測的方法。此外，力學性能預測模型也將被評估。

項目主要工業參與方為聯合技術公司研究中心，洛克希德·馬丁，DNV GL公司，計劃2018年1月完成。成果完全部署後，腐蝕設計和力學性能設計模型可一併使用，為製造商在設計階段制定合金規範時提供支撐，減少超越規範出現大腐蝕裕度的風險，以及加工導致非期望敏感性從而未達到規範的風險。

九、使用離子液體的金屬電化學沉積

由於耐摩擦和防腐的表面處理已經用了數十年，六價鉻電鍍硬鉻的可接受替代工藝仍包含電鍍液，環境法規要求消除六價鉻電鍍液及其它包含六價鉻的表面處理化學品。預計使用離子液體的新型電鍍技術，以更環境友好的方法從三價前體成形金屬鉻層，提供接近傳統硬鉻特性的可能，儘管在電鍍效率和成本上有些折衷。未來的開發，需要優化離子液體電鍍工藝，並且面向最終應用優化表面層性能。同時，離子液體電鍍液也可用於沉積鋁，主要是耐摩擦和防腐應用，涉及諸如緊固件和基礎金屬（一般是高強鋼）防護。針對物理氣相沉積工藝或現有Sigal工藝（採用有害有機金屬前體和有機溶劑，如甲苯）來鍍鋁，業界渴望有一個合適的和環境友好的替代方案，比如以離子溶液電鍍鋁金屬。

項目將探尋以選擇的離子液體增強鉻和鋁金屬層電鍍，用於耐摩擦（如硬鉻替代）或防腐層（鍍鋁），並且通過評價製造成熟度（MRL）的提升確認這一塗層的性能。1)鋁基板——目標是形成一個表面層作為合金化和回火鋁基板的保護塗層，用於普惠為發動機開發的新型鋁鋰合金。預想的性能與2000系列基板高純鋁鍍層的Alcald家族相對應。2)高強度鋼基板——從離子液體鍍鋁，首要目標是替代鋼上的電鍍鉻用於耐摩擦和防腐應用，並可替代物理氣相沉積或Sigal工藝的鋁塗層，從甲苯中溶解的有機金屬鋁鹽電鍍生成鋁層。預計用在高強鋼緊固件和組件，諸如起落架輪軸。減少硬化鋼組件氫脆變的趨勢是次要目標。

項目主要工業參與方為聯合技術公司研究中心、洛克希德·馬丁、Xtalic、伊頓。項目通過以下流程演進MRL的提升：1）為應用到感興趣組件（如摩擦需要，腐蝕性能）的塗層定義系統級性能屬性；2）確認並優化組件或感興趣替代品的塗層工藝；3）生產原型組件或其替代物（如果實際組件證實無法合理獲得）；4）使用相關OEM提供的指標確認組件性能；5）為規模化工藝開發參數和指標以試驗批產。

中國航空工業發展研究中心劉亞威

轉自：空天防務觀察

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