刘亚威 ¦ 美国防部先进轻量化材料制造创新机构项目一览

本文由空天防务观察（ID:AerospaceWatch）授权转载，作者：刘亚威

先进轻量化材料制造创新机构（ LIFT ）依六大技术领域设置项目，即连接与装配、热机械加工、粉末加工、熔化加工、新型/敏捷加工、涂层，每个领域在技术路线图中还有若干主题。项目招标时侧重跨领域的主题，包括集成计算材料工程（ICME）、确认/认证、设计、成本建模、供应链、寿命周期分析、腐蚀和弹道/爆炸。

表1  机构技术领域与路线图项目

注：新型/敏捷加工未提供公开版技术路线图，标*项目为本次介绍内容

项目需求来自所有成员，其中大学提交的占70%，而且授出项目的50%也是大学提交的，但是每个项目都由工业界领导，并指定一家大学辅助。这些项目一般持续1年~2年，投资在100万~400万美元之间，绝大多数项目同时面向航空航天、汽车和军用车辆，以及重型车辆、列车、船舶和近海平台。目前已公布9个项目详细内容：

一、面向轻量化金属结构构建的可靠变形控制手段和实施

当前生产中的复杂结构部件变形控制仍然是以观察或经验为依据的，因为：1）有效的复杂结构变形建模技术必须在一个结构层面上聚焦影响变形的关键参数，以实现计算效率和可靠度；2）详细的材料本构行为——包括焊接中的微结构变化，仅影响穿壁、自平衡的压力状态，对结构变形（即结构层面上的全局现象）影响很小；3）无法有效分开局部和全局效应，使变形建模手段变得太复杂，难以用于结构变形。

项目将开发ICME工具，针对典型结构形式——如复杂焊接结构、加筋壁板等，精确预测与其生产过程相关的变形。这包括开发变形预测模型并确认变形缓解策略，以提高轻量化钢制造过程的最终质量。第一阶段将聚焦ICME模型的开发，并将它们与实际生产变形建立关联；第二阶段将聚焦确认和优化变形控制方法，开发并验证针对每个生产阶段的变形预防策略。项目包括对变形控制手段的一个详细成本分析。

项目主要工业参与方为亨廷顿英戈尔斯工业公司、Comau、ESI、EWI，计划2017年12月完成。对轻量化结构组件的建造来说，实施更好的变形控制预测和流程，将极大减少返工并提升生产率。项目效益预计包括改进的车间操作规程、用于面向生产优化设计的简化的变形估算方程，以及进行工程设计和制造分析的基于有限元的变形分析程序。

二、面向确保大型钛结构性能

将ICME与传统和新型TMP集成

当前，军用系统和商业产品要求更经济可承受、更轻量化和提升的性能，使用钛合金的新型设计和制造工艺可以满足这些需求；在制造中广泛使用钛合金一般被高材料成本和长开发周期所阻碍，因为替代“试错”设计和试验方法的分析仿真工具有限。

项目将聚焦ICME建模的开发和确认，以减少钛组件设计和试验的成本与开发时间。主要是相似或相异材料的固态连接和粉末冶金工艺（如近净成形热等静压），实现坯体的机加和锻造生产。

项目主要工业参与方为GE、波音、科学成形技术公司，计划2018年3月完成。成果将降低钛合金组件的成本并提升其性能：基于计算的工具可将材料开发和组件设计的时间和成本减少50%，这些工具还允许制造出的组件拥有增强的局部性能，并且在某些条件下更加轻质。

图1  工业界和专业协会是项目的主要参与方

三、面向确保铝锂锻件性能的加工

开发、应用并确认基于物理特性的局部粘塑性模型

过去结构应用中的铝锂合金，由于高平面各向异性、不寻常的裂纹路径和缺乏热稳定性，存在很严重的问题。新一代铝锂合金可以减重并且提升性能。为满足商用飞机发动机更高的性能要求，需要改进的分析手段以确定哪些材料性能最合适一个特定结构，以及在材料加工中如何达到所需的力学和损伤容限性能。

项目将开发、实施并确认一个基于局部物理特性的粘塑性有限元模型，以预测锻造铝锂合金的机械变形响应、损伤演进机制和疲劳性能。第一阶段将聚焦铝锂合金铸件预测工具的开发和确认，以预测材料加工参数对零件各向异性力学性能的影响。该阶段目标是：1）开发并执行一个非恒温的多尺度晶体塑性（CP）本构模型，应用于第三代铝锂合金；2）开发并执行一个基于微结构的CP有限元分析框架，预测材料加工和局部形态对组件力学行为的影响；3）实验校准并确认预测模型。

项目主要工业参与方为联合技术公司研究中心、洛克希德·马丁，计划2017年12月完成。成果工具集指导铸造铝锂合金组件的工艺优化，将减少一代飞机发动机开发所需研制硬件和加工试验的数量。通过优化工艺和设计，组件将拥有改进的性能和更轻的质量。

四、面向亚微米增强铝金属基复合材料（MMC）的低成本、先进机械合金炼制和粉末固结工艺开发

铝基亚微米碳化硅增强MMC的应用主要受制于当前热等静压（HIP）固结工艺相对高的成本。这些MMC的开发还包括粉末合成、机械合金化、固结和后热处理，所有这些都增加完成组件的成本。业界需要能够消除或极大减少这些工艺步骤的新型工艺，实现更高的成本竞争力，增强大批量生产能力，以及扩大后续在航空航天应用中减重的潜力。