先進(jìn)輕量化材料制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（LIFT）依六大技術(shù)領(lǐng)域設(shè)置項(xiàng)目，即連接與裝配、熱機(jī)械加工、粉末加工、熔化加工、新型/敏捷加工、涂層，每個(gè)領(lǐng)域在技術(shù)路線圖中還有若干主題。項(xiàng)目招標(biāo)時(shí)側(cè)重跨領(lǐng)域的主題，包括集成計(jì)算材料工程（ICME）、確認(rèn)/認(rèn)證、設(shè)計(jì)、成本建模、供應(yīng)鏈、壽命周期分析、腐蝕和彈道/爆炸。

    表1  機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域與路線圖項(xiàng)目

注：新型/敏捷加工未提供公開版技術(shù)路線圖，標(biāo)*項(xiàng)目為本次介紹內(nèi)容

    項(xiàng)目需求來自所有成員，其中大學(xué)提交的占70%，而且授出項(xiàng)目的50%也是大學(xué)提交的，但是每個(gè)項(xiàng)目都由工業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)，并指定一家大學(xué)輔助。這些項(xiàng)目一般持續(xù)1年~2年，投資在100萬~400萬美元之間，絕大多數(shù)項(xiàng)目同時(shí)面向航空航天、汽車和軍用車輛，以及重型車輛、列車、船舶和近海平臺(tái)。目前已公布9個(gè)項(xiàng)目詳細(xì)內(nèi)容：

    一、面向輕量化金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)建的可靠變形控制手段和實(shí)施

    當(dāng)前生產(chǎn)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件變形控制仍然是以觀察或經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的，因?yàn)椋?）有效的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形建模技術(shù)必須在一個(gè)結(jié)構(gòu)層面上聚焦影響變形的關(guān)鍵參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率和可靠度；2）詳細(xì)的材料本構(gòu)行為——包括焊接中的微結(jié)構(gòu)變化，僅影響穿壁、自平衡的壓力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)變形（即結(jié)構(gòu)層面上的全局現(xiàn)象）影響很小；3）無法有效分開局部和全局效應(yīng)，使變形建模手段變得太復(fù)雜，難以用于結(jié)構(gòu)變形。

    項(xiàng)目將開發(fā)ICME工具，針對(duì)典型結(jié)構(gòu)形式——如復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)、加筋壁板等，精確預(yù)測與其生產(chǎn)過程相關(guān)的變形。這包括開發(fā)變形預(yù)測模型并確認(rèn)變形緩解策略，以提高輕量化鋼制造過程的最終質(zhì)量。第一階段將聚焦ICME模型的開發(fā)，并將它們與實(shí)際生產(chǎn)變形建立關(guān)聯(lián)；第二階段將聚焦確認(rèn)和優(yōu)化變形控制方法，開發(fā)并驗(yàn)證針對(duì)每個(gè)生產(chǎn)階段的變形預(yù)防策略。項(xiàng)目包括對(duì)變形控制手段的一個(gè)詳細(xì)成本分析。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為亨廷頓英戈?duì)査构I(yè)公司、Comau、ESI、EWI，計(jì)劃2017年12月完成。對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)組件的建造來說，實(shí)施更好的變形控制預(yù)測和流程，將極大減少返工并提升生產(chǎn)率。項(xiàng)目效益預(yù)計(jì)包括改進(jìn)的車間操作規(guī)程、用于面向生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡化的變形估算方程，以及進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和制造分析的基于有限元的變形分析程序。

    二、面向確保大型鈦結(jié)構(gòu)性能，將ICME與傳統(tǒng)和新型TMP集成

    當(dāng)前，軍用系統(tǒng)和商業(yè)產(chǎn)品要求更經(jīng)濟(jì)可承受、更輕量化和提升的性能，使用鈦合金的新型設(shè)計(jì)和制造工藝可以滿足這些需求；在制造中廣泛使用鈦合金一般被高材料成本和長開發(fā)周期所阻礙，因?yàn)樘娲?ldquo;試錯(cuò)”設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法的分析仿真工具有限。

    項(xiàng)目將聚焦ICME建模的開發(fā)和確認(rèn)，以減少鈦組件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的成本與開發(fā)時(shí)間。主要是相似或相異材料的固態(tài)連接和粉末冶金工藝（如近凈成形熱等靜壓），實(shí)現(xiàn)坯體的機(jī)加和鍛造生產(chǎn)。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為GE、波音、科學(xué)成形技術(shù)公司，計(jì)劃2018年3月完成。成果將降低鈦合金組件的成本并提升其性能：基于計(jì)算的工具可將材料開發(fā)和組件設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本減少50%，這些工具還允許制造出的組件擁有增強(qiáng)的局部性能，并且在某些條件下更加輕質(zhì)。

    三、面向確保鋁鋰鍛件性能的加工，開發(fā)、應(yīng)用并確認(rèn)基于物理特性的局部粘塑性模型

    過去結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的鋁鋰合金，由于高平面各向異性、不尋常的裂紋路徑和缺乏熱穩(wěn)定性，存在很嚴(yán)重的問題。新一代鋁鋰合金可以減重并且提升性能。為滿足商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的性能要求，需要改進(jìn)的分析手段以確定哪些材料性能最合適一個(gè)特定結(jié)構(gòu)，以及在材料加工中如何達(dá)到所需的力學(xué)和損傷容限性能。

    項(xiàng)目將開發(fā)、實(shí)施并確認(rèn)一個(gè)基于局部物理特性的粘塑性有限元模型，以預(yù)測鍛造鋁鋰合金的機(jī)械變形響應(yīng)、損傷演進(jìn)機(jī)制和疲勞性能。第一階段將聚焦鋁鋰合金鑄件預(yù)測工具的開發(fā)和確認(rèn)，以預(yù)測材料加工參數(shù)對(duì)零件各向異性力學(xué)性能的影響。該階段目標(biāo)是：1）開發(fā)并執(zhí)行一個(gè)非恒溫的多尺度晶體塑性（CP）本構(gòu)模型，應(yīng)用于第三代鋁鋰合金；2）開發(fā)并執(zhí)行一個(gè)基于微結(jié)構(gòu)的CP有限元分析框架，預(yù)測材料加工和局部形態(tài)對(duì)組件力學(xué)行為的影響；3）實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)并確認(rèn)預(yù)測模型。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為聯(lián)合技術(shù)公司研究中心、洛克希德·馬丁，計(jì)劃2017年12月完成。成果工具集指導(dǎo)鑄造鋁鋰合金組件的工藝優(yōu)化，將減少一代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)所需研制硬件和加工試驗(yàn)的數(shù)量。通過優(yōu)化工藝和設(shè)計(jì)，組件將擁有改進(jìn)的性能和更輕的質(zhì)量。

    四、面向亞微米增強(qiáng)鋁金屬基復(fù)合材料（MMC）的低成本、先進(jìn)機(jī)械合金煉制和粉末固結(jié)工藝開發(fā)

    鋁基亞微米碳化硅增強(qiáng)MMC的應(yīng)用主要受制于當(dāng)前熱等靜壓（HIP）固結(jié)工藝相對(duì)高的成本。這些MMC的開發(fā)還包括粉末合成、機(jī)械合金化、固結(jié)和后熱處理，所有這些都增加完成組件的成本。業(yè)界需要能夠消除或極大減少這些工藝步驟的新型工藝，實(shí)現(xiàn)更高的成本競爭力，增強(qiáng)大批量生產(chǎn)能力，以及擴(kuò)大后續(xù)在航空航天應(yīng)用中減重的潛力。

    項(xiàng)目將聚焦由新興機(jī)械合金化粉末衍生的鋁-碳化硅MMC。考慮因素包括工藝優(yōu)化、技術(shù)成本建模和新型固結(jié)方法評(píng)價(jià)。機(jī)械合金化鋁-碳化硅MMC的替代固結(jié)工藝展現(xiàn)了減少總制造成本的潛力，通過盡量減小升溫時(shí)間并且引入伴隨的機(jī)械變形步驟，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的力學(xué)性能。這包括HIP替代工藝以在擠壓成形（如選區(qū)等離子燒結(jié)）之前固結(jié)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(rèn)為比基線熱等靜壓方法成本低，但與鍛鋁對(duì)比來說，強(qiáng)質(zhì)比相似且擁有復(fù)合材料的超強(qiáng)剛度。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為Materion、洛克希德·馬丁、波音、GKN，計(jì)劃2018年6月完成。對(duì)成本結(jié)構(gòu)、性能預(yù)測工具和替代加工路線的一個(gè)完整認(rèn)識(shí)將允許材料開發(fā)人員減少向未來航空航天平臺(tái)交付鋁基MMC的時(shí)間和成本。團(tuán)隊(duì)正探索兩種潛在應(yīng)用，提升的性能和更大的減重機(jī)遇將針對(duì)基線鋁合金擠壓成形和替代粉末冶金壓制成形來評(píng)價(jià)。

    表2  LIFT配備的部分加工設(shè)備

    五、面向高產(chǎn)量的薄壁球墨鑄鐵開發(fā)與部署

    鑄造薄壁球墨鑄鐵鑄件的能力對(duì)于利用這些材料的高剛度和高強(qiáng)度來說至關(guān)重要。由于工藝和材料的限制，當(dāng)前組件的界面尺寸通常比力學(xué)要求規(guī)定的更厚，從而使組件變得更重。

    項(xiàng)目聚焦大批量生產(chǎn)薄壁、垂直濕砂型鑄造球墨鑄鐵鑄件所需的制造工藝開發(fā)。這需要集成幾項(xiàng)近期開發(fā)的技術(shù)：1）高精度鑄模機(jī)；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(jīng)生產(chǎn)但未應(yīng)用于薄壁組件；3）流內(nèi)和模內(nèi)培養(yǎng)實(shí)踐以控制微結(jié)構(gòu)；4）“輕觸”落砂和精整操作。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為Grede、Comau、伊頓，于2016年6月完成。通過集成并實(shí)施改進(jìn)的手段以及合金，有潛力降低球墨鑄鐵鑄造零件的壁厚達(dá)50%，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸組件輕量化30%~50%（依據(jù)組件載荷）。

    六、薄壁鋁的模鑄開發(fā)

    薄壁鋁高壓模鑄（HPDC）鑄件領(lǐng)域的技術(shù)空白創(chuàng)造了三個(gè)改進(jìn)機(jī)遇：1）對(duì)擁有大表面區(qū)域的零件來說，將模鑄的最小壁厚減小到不足3mm，同時(shí)仍達(dá)到完全的模內(nèi)填充；2）減少HPDC鑄件的波動(dòng)，增加其最小力學(xué)性能，當(dāng)前這些限制了其在航空航天工業(yè)中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用；3）建立為模鑄定制的工藝設(shè)計(jì)。當(dāng)前鑄造設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)整個(gè)鑄造統(tǒng)一應(yīng)用鑄造合金最小力學(xué)性能，這通常造成鑄造工藝的超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，特別是使用了一個(gè)大的安全系數(shù)時(shí)。

    項(xiàng)目將聚焦生產(chǎn)高質(zhì)量薄壁鋁模鑄組件的鋁合金HPDC技術(shù)。面向300系列（基于AlSiMnCu）模鑄合金，集成關(guān)鍵工藝技術(shù)（超真空模鑄和短時(shí)熱處理）和ICME工具，減少質(zhì)量波動(dòng)，提升力學(xué)性能。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為波音、美鋁、Comau、伊頓，計(jì)劃2017年6月完成。項(xiàng)目效益包括：減少零件的最小壁厚以降低質(zhì)量；使用HPDC替換組合的薄鋁板組裝件，降低制造成本；建立一個(gè)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)/ICME手段，在模鑄供應(yīng)基礎(chǔ)內(nèi)是可復(fù)制的，從而增加美國本土鋁產(chǎn)品制造的競爭力。

    七、確保性能的鈑金組件敏捷制造

    往往因需要幾個(gè)零件，數(shù)百萬美元的航空航天資產(chǎn)停止運(yùn)行，而只能使用陳舊技術(shù)制作新零件。能夠快速創(chuàng)建精密尺寸的組件是一個(gè)現(xiàn)實(shí)商業(yè)需求，在航空航天是修理和小批生產(chǎn)。這項(xiàng)技術(shù)是新興的，但是主要實(shí)施障礙是商業(yè)化工藝還不存在，包括經(jīng)證實(shí)的設(shè)計(jì)手段、仿真和確信的設(shè)計(jì)許用值，以用于失效關(guān)鍵的應(yīng)用中。

    項(xiàng)目面向不使用匹配模制造鈑金零件，開發(fā)可以確定最佳成形路線的工具，滿足性能設(shè)計(jì)許用值和尺寸規(guī)范。敏捷鈑金成形的許多組成技術(shù)已經(jīng)達(dá)到高制造成熟度等級(jí)，比如液壓成形通常是商業(yè)化實(shí)踐并且是許多軍事生產(chǎn)規(guī)范的一部分；單點(diǎn)增量成形（SPIF）有限用于商業(yè)應(yīng)用中的驗(yàn)證，因?yàn)槠淙狈Τ叽缇?；雙點(diǎn)增量成形（DPIF）因?yàn)樾枰獙Ｓ脵C(jī)床還未廣泛應(yīng)用，但是已經(jīng)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(kuò)展了工作。項(xiàng)目將開發(fā)現(xiàn)有工藝的已確認(rèn)工藝鏈，以及相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，從而在估算成本內(nèi)以精度可控的尺寸和確信的性能生產(chǎn)組件。增加的新方面有：為給定零件設(shè)計(jì)工藝和演示這些技術(shù)以評(píng)價(jià)商用就緒度，特別關(guān)注仿真、確信的認(rèn)證性能和成本建模。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為波音、洛克希德·馬丁、Comau，計(jì)劃2018年8月完成。項(xiàng)目面向飛行器和車輛應(yīng)用，開發(fā)認(rèn)證軍用和民用敏捷鈑金成形的路徑，允許在鈑金產(chǎn)品的小批量和定制生產(chǎn)中實(shí)施創(chuàng)新。

    八、面向防腐微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合數(shù)據(jù)庫和計(jì)算模型

    航空航天工業(yè)選擇材料和制造工藝主要著眼于確?？山邮艿牧W(xué)性能，復(fù)雜微結(jié)構(gòu)金屬材料的腐蝕性能可能在組件進(jìn)入服役時(shí)才會(huì)完全認(rèn)識(shí)到，使用計(jì)算模型預(yù)測并管理腐蝕敏感性將節(jié)省時(shí)間和成本。

    項(xiàng)目將開發(fā)一個(gè)綜合的材料性能數(shù)據(jù)庫和計(jì)算模型，基于合金組成、熱機(jī)械加工、熱處理和服役條件的規(guī)范評(píng)價(jià)局部腐蝕敏感性。項(xiàng)目將開發(fā)ICME框架和最初的試驗(yàn)案例，以評(píng)價(jià)高強(qiáng)鋁合金組件的腐蝕性能，識(shí)別進(jìn)一步開發(fā)和評(píng)價(jià)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(tǒng)7075（AlZnCuMn）合金——擁有可觀的背景數(shù)據(jù)，它們的微結(jié)構(gòu)不均勻性主導(dǎo)著局部腐蝕響應(yīng)。項(xiàng)目技術(shù)方案將包括微結(jié)構(gòu)和宏觀建模，表征生產(chǎn)過程中的變形如何影響腐蝕，以及對(duì)腐蝕樣品的快速評(píng)估。這些技術(shù)將確認(rèn)在組件設(shè)計(jì)中加入腐蝕預(yù)測的方法。此外，力學(xué)性能預(yù)測模型也將被評(píng)估。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為聯(lián)合技術(shù)公司研究中心，洛克希德·馬丁，DNV GL公司，計(jì)劃2018年1月完成。成果完全部署后，腐蝕設(shè)計(jì)和力學(xué)性能設(shè)計(jì)模型可一并使用，為制造商在設(shè)計(jì)階段制定合金規(guī)范時(shí)提供支撐，減少超越規(guī)范出現(xiàn)大腐蝕裕度的風(fēng)險(xiǎn)，以及加工導(dǎo)致非期望敏感性從而未達(dá)到規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)。

    九、使用離子液體的金屬電化學(xué)沉積

    由于耐摩擦和防腐的表面處理已經(jīng)用了數(shù)十年，六價(jià)鉻電鍍硬鉻的可接受替代工藝仍包含電鍍液，環(huán)境法規(guī)要求消除六價(jià)鉻電鍍液及其它包含六價(jià)鉻的表面處理化學(xué)品。預(yù)計(jì)使用離子液體的新型電鍍技術(shù)，以更環(huán)境友好的方法從三價(jià)前體成形金屬鉻層，提供接近傳統(tǒng)硬鉻特性的可能，盡管在電鍍效率和成本上有些折衷。未來的開發(fā)，需要優(yōu)化離子液體電鍍工藝，并且面向最終應(yīng)用優(yōu)化表面層性能。同時(shí)，離子液體電鍍液也可用于沉積鋁，主要是耐摩擦和防腐應(yīng)用，涉及諸如緊固件和基礎(chǔ)金屬（一般是高強(qiáng)鋼）防護(hù)。針對(duì)物理氣相沉積工藝或現(xiàn)有Sigal工藝（采用有害有機(jī)金屬前體和有機(jī)溶劑，如甲苯）來鍍鋁，業(yè)界渴望有一個(gè)合適的和環(huán)境友好的替代方案，比如以離子溶液電鍍鋁金屬。

    項(xiàng)目將探尋以選擇的離子液體增強(qiáng)鉻和鋁金屬層電鍍，用于耐摩擦（如硬鉻替代）或防腐層（鍍鋁），并且通過評(píng)價(jià)制造成熟度（MRL）的提升確認(rèn)這一涂層的性能。1）鋁基板——目標(biāo)是形成一個(gè)表面層作為合金化和回火鋁基板的保護(hù)涂層，用于普惠為發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的新型鋁鋰合金。預(yù)想的性能與2000系列基板高純鋁鍍層的Alcald家族相對(duì)應(yīng)。2）高強(qiáng)度鋼基板——從離子液體鍍鋁，首要目標(biāo)是替代鋼上的電鍍鉻用于耐摩擦和防腐應(yīng)用，并可替代物理氣相沉積或Sigal工藝的鋁涂層，從甲苯中溶解的有機(jī)金屬鋁鹽電鍍生成鋁層。預(yù)計(jì)用在高強(qiáng)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(biāo)。

    項(xiàng)目主要工業(yè)參與方為聯(lián)合技術(shù)公司研究中心、洛克希德·馬丁、Xtalic、伊頓。項(xiàng)目通過以下流程演進(jìn)MRL的提升：1）為應(yīng)用到感興趣組件（如摩擦需要，腐蝕性能）的涂層定義系統(tǒng)級(jí)性能屬性；2）確認(rèn)并優(yōu)化組件或感興趣替代品的涂層工藝；3）生產(chǎn)原型組件或其替代物（如果實(shí)際組件證實(shí)無法合理獲得）；4）使用相關(guān)OEM提供的指標(biāo)確認(rèn)組件性能；5）為規(guī)模化工藝開發(fā)參數(shù)和指標(biāo)以試驗(yàn)批產(chǎn)。

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