美国轻质材料制造创新机构宣布钛合金研究项目

先进轻质材料制造创新机构即将发布的两个项目招标,并为其中一个项目发布摘要,即“实现轻质金属设计和制造的表面精整”。

美国轻质材料制造创新机构的第三个技术项目将聚焦钛合金——如果新技术能够降低设计和试验新零件的成本,则将会在航空发动机和其它航空航天设计中得到更广泛应用。项目由GE航空和俄亥俄州立大学牵头,将首先聚焦计算机分析学的提升,以更好地理解和预测钛合金的性能。

先进轻质材料制造创新机构启动了第五个研究项目,开发一个数据和计算机模型,预测飞行器及其它运输应用中铝合金的腐蚀。之前的四个项目专注延性铁铸造、铝模锻、铝锂合金以及钛合金产品设计与开发建模。新项目将把俄亥俄州立大学、联合技术公司研究中心以及洛马、DNV
GL和密歇根大学集合到一起。

[据白宫网站2015年1月9日报道]2015年1月9日,美国总统奥巴马宣布在田纳西州诺克斯维尔成立第5家制造创新机构——先进复合材料制造创新机构。先进复合材料制造创新机构旨在推动先进制造,促进美国创新,激发更好的就业岗位,增强中产阶级。
在十年的经济衰退之后,自从2010年2月,美国制造正在复苏,增加了786000个新的就业岗位。
先进复合材料制造创新机构由位于诺克斯维尔的122家公司、非营利机构、大学和研究实验室组成的联盟与美国能源部合作创建,计划投资超过2.5亿美元的制造创新机构,致力于开发低成本、高速、更高效的先进复合材料制造和循环再用工艺,确保美国在下一代复合材料领域的领先地位,其中联邦资金为7000万美元,非联邦资金超过1.8亿美元。
除了宣布成立先进复合材料制造创新机构外,奥巴马还强烈赞同了最近通过的国会两党立法,这是朝着建立国家制造创新网络迈出的重大一步,与总统复苏制造业并有助于为美国工人美国创造新的、21世纪的就业机遇是一致的。
国家制造创新网络计划中的制造创新机构是复兴美国制造业的重要部分,使美国在前沿技术领域具有世界领先地位,增强了美国制造竞争力,可为美国工人准备制造就业岗位,同时这些机构均具有私营部门的共同投资。
2014年12月,美国国会通过了两党《振兴制造业和创新法案2014》,这是将制造创新机构相结合,构建国家制造创新网络的重要一步,实现了奥巴马建立国家制造创新网络的愿景,制订了建立网络的两党立法,验证了国会中重大的两党领导权。
先进复合材料制造创新机构由位于田纳西州诺克斯维尔的田纳西大学领导,已在诺克斯维尔建立了非营利组织总部,122家成员包括57家公司、15所大学和实验室、14个其他实体及36家连锁企业成员,是迄今5家制造创新机构中,初始成员最多的一家。

任何飞行器或者带发动机的运载器都将从美国轻质材料制造创新机构的项目中受益。波音和俄亥俄大学将联合提升铝零件模铸和热处理的技术,这些零件主要用于航空航天、防务和汽车。高速模铸将熔化的金属置于模具中成形零件。
LIFT执行主任表示:“如果我们能在汽车发动机架或变速箱壳上,减少哪怕一丁点金属,将产生数百万倍的效应。在航空航天中,轻质设计能带来更低的制造成本和更高的燃油效率。”波音技术研究员表示:“就拿一个普通零件来说,比如飞机机翼上的检修窗,使用高完整性模铸,也将对减少重量和制造成本具有意义。我们希望在高真空模铸中验证这一优势,生产出满足所需所有严格性能规范的零件,同时实现减重和增效目标。”
在当前的高速铝模铸中,随着熔化的金属在模具内运动,零件内部会形成微气泡。工程师往往使用更多的金属并使零件变厚来满足强度和其它性能要求。俄亥俄州立大学材料科学与工程和集成系统工程教授表示:“我们在实验室中发现,如果我们赶在熔化的金属流进之前将空气赶出模具,我们可以消除气泡。没有气泡我们就能够设计更薄的零件,而且具备同等强度和耐久性,但是用更少金属、更轻质。还有其它好处,因为新工艺允许我们在铸造之后对零件进行热处理,可以提升使用性能。”
该项目持续2年,通过组合金属微结构信息与大量设计和生产参数,将提升计算机模型预测铝模铸零件性能的能力。这个过程叫做集成计算材料工程,有减少新组件设计和鉴定时间的极大潜力。伊顿、镁铝、Comau和Namak也参与了项目的生产技术验证。伍斯特工学院、西南研究所、密歇根大学和MIT将贡献研究力量。美国铸造协会和北美模铸协会将帮助传播如何在生产环境中管理这一新薄壁铝模铸工艺的知识。“我们正在为很棒的实验室研究和很棒的私有工业制造技术之间架起桥梁。一旦将这些创新用于生产,成果都是倍增的。”

耐久的表面精整对于实现轻质合金设计与制造至关重要。轻质设计和制造将面临重要挑战,包括高性能预期,工艺过程复杂度,工艺过程速度和花费,波动的性能,工艺过程污染,工作区危险。在此背景下,表面精整由去污、去氧化和表面转化组成,使轻质合金基底和金属混合装配件能够用于胶接和/或施有机涂层。为此需要能够依据被广泛认可的工业和军用标准进行性能鉴定的技术,实现在新应用领域使用铝、镁及其合金。最主要的考虑是经济的、近期可实现技术方案,能够实现高产量制造。比如这些领域:

制造创新机构CTO表示:“钛合金很贵,工程师不得不‘制作并破坏’许多试验件,以确保飞机发动机的某个关键组件设计是正确的。如果我们能够提升计算机模型的能力,更好地预测一个特殊设计将如何执行,我们可以缩减试验。这将节省用料和试验成本,以及开发新设计的时间。”

LIFT的CTO表示:“我们的任务是识别能够从实验室跳跃到生产的创新,之后利用适当的专业技能和资源来交付成果。很高兴看到我们改变轻质金属制造的全面潜力,帮助那些技术进入生产。”他表示当前的工程师正致力于与腐蚀作战,被迫基于经验和使用昂贵、劳动密集的试验来确认制造工艺以及实际使用如何影响一个特定零件的抗腐蚀性。“确认一个新的数据库和模型,将提升实验室计算机仿真基于一个成品件每个区域的微结构预测腐蚀能力。”

替代去污、去氧化和表面转化涂层的环境友好方案

机构执行主任表示:“钛合金自身的成本以及设计和试验新组件的时间是重要的障碍。如果工业界和学术界之间的合作能够降低它,这将鼓励钛合金的更广泛应用。比如,航空发动机中的涡轮风扇,在苛刻的条件下工作,但是对维持发动机的高性能至关重要。”

俄亥俄州立大学材料科学与工程系副主任解释了一个构建计算机预测模型的两阶段计划。“首先,我们将使用完整的系统来确保所有关键部分都包括在内。在这些新合金以不同方式成形之后,我们将试验其中的一个。结果将允许我们构建一个新的材料性能数据库,拥有关注金属微结构和腐蚀的非常精确的信息。”他称研究将集中在广泛应用于飞机零件制造的铝合金类别,包括与铜、锂、镁、锰和锌的合金。“如果零件可以造得更薄,且不会因为较长时间的使用发生腐蚀而牺牲性能,就有减重的潜力。”

自愈表面精整,存储化学腐蚀抑制剂并在涂层损坏时释放

GE航空的结构材料开发高级工程师表示:“我们的兴趣侧重于计算方法的开发,以预测高度变化微结构中的疲劳和弹道冲击阻力,微结构由固态焊界面成形。”

联合技术公司研究中心材料化学工程师表示:“我们从喷涂漆层防止钢生锈起已经历很多,但是还有许多需要学习,比如对于一种新型铝合金,成形一个零件的方式影响它在使用中发生腐蚀的方式。随着我们把这些金属更多地用于飞行器及其它运输工具中,使用LIFT提供的尖端计算机仿真将节省设计时间和减重。”

在精确模型框架内以经验证的预测能力,实施设计、选择和应用涂层与表面处理

波音和科学成形技术公司也是项目的工业界合作伙伴。EWI、普度大学、西南研究学院、密歇根大学和北德克萨斯大学是学术界合作方。

密歇根大学材料科学与工程教授表示:“我们已知的和我们在该项目研究中将学到的,将输入到先进计算机模型中,为我们的工业伙伴所用以考虑每件事情,从合金原始微结构,到成品件制造工艺中每个弯曲、挤压或拉伸的局部效应。”(中国航空工业经济技术研究院
刘亚威)

项目与之前两个项目不同,关注综合计算材料工程,它能够应用于数个相关制造工艺。机构CTO表示:“这个项目旨在开发计算机模型,能够减少50%的材料开发、组件设计和制造成本与时间。此外,新的计算工具将帮助我们制造更好的组件。”

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