高價值航空零件的展翅高飛依賴基礎性研究
航空設計人員是不斷產生需求的客戶，讓材料科學家和製造商持續不斷進行創新。每年各大航展上航空技術的創新吸引大量眼球，特別是飛行器速度、自主導航和操作精度。但是對於航空工程師來說，飛行器設計的關注點則更加基礎。對他們來說，對某些組件和材料的尋找永不停歇——更輕、更結實，耐高周熱循環並且能夠耐極高壓。當然，經濟可承受性也是一個選擇因素，即便航空工業的成品價格往往都以百萬計。
在世界範圍內的設計中心和實驗室中，研究人員不斷確認和創造更好的材料。如果航空工程師在設計中規划了其中一種，那麼它將成為鑄造廠和模鑄車間執行的項目。這些項目是有競爭的：航空工程師們在採納新製造技術和新材料以達到其目標上，展現了一些意願。這就是為什麼開發新材料的工作，或者優化已有的合金，對金屬製造商是一件必須好好考慮的事：熔化、灌注、模塑或熱處理過程中的每個可變因素，在任何時候都可能要重新評估。
一、波音和Norsk鈦公司
最近，波音與Norsk鈦公司簽署一項採購訂單，要後者為波音787供應3D列印的結構鈦組件，這些組件由一項快速等離子沉積工藝生產。增材製造或者3D列印已經成為航空工程師眼中的一個替代工藝，他們對它的幾何和結構精度潛力嘆為觀止。而且，3D列印行業已經用新的特種材料和可定製的材料性能吸引了航空工程師們。GE航空和其它發動機開發商是增材製造組件最熱衷的擁護者。
Norsk鈦公司研發其快速等離子沉積（RPD）工藝超過10年，它可以用比相同組件少50%~75%的成本生產鈦組件。其工藝涉及將室溫鈦6-4線纜輸送到一個在氬氣環境下由一對焰炬生成的等離子弧中。鈦的溫度升溫數千度之後由機器人沉積臂作為液體進行3D列印。鈦在沉積後迅速固化。組件在一個閉環工藝中層層構建，幾乎不需要精加工。3D列印系統是一台MERKE IV RPD機床，與一個與標準計算機數控（CNC）加工中心相似，只是一個等離子弧替代主軸。
Norsk的MERKE IV RPD機床
2017年4月，Norsk宣布將通過RPD為波音787生產3D列印結構鈦組件。波音設計了組件並且在開發過程中與Norsk密切合作。為認證這些初始結構組件，波音和Norsk在2月用FAA認證交付物執行了一個剛性試驗程序。Norsk是波音高沉積速度材料規範的首個供應商。由於增材工藝中廢料和加工能量的極大減少，Norsk宣稱節省75%的成本和時間。Norsk還留意RPD工藝的環境影響。通過減少鈦廢料的數量（預計1磅上天產生40磅廢料），該工藝還能減少鈦礦的採掘和冶金量。
FAA批准的首個3D列印鈦合金結構組件
Norsk總裁兼CEO表示：「機床每年可以列印20噸鈦，在生產飛行器高質量鈦合金零件方面是具有顛覆性意義的。傳統方法是用200磅的鍛件生產20磅的零件。我們可以用30磅的材料生產20磅的零件。」生產200磅的坯料並加工成20磅的組件需要的準備時間是55-75周。同樣的組件通過RPD和精加工構建只需要2-3小時。」一架波音787中可以使用RPD工藝製造的鈦組件估計有1000個。「我們認為每個零件可以節省2500美元，每架飛機就是250萬美元。如果每年生產144架飛機，那就是3.6億美元。這種節省是個變革。」
二、美國輕量化材料製造創新機構（LIFT）的航空項目
國防部牽頭成立的LIFT，吸引了包括波音、洛馬、GE、聯合技術公司等在內工業界和學術界合作夥伴，機構正在執行數個聚焦航空的項目，包括：在真空模鑄零件中減少微小氣泡的工作；對鋁鋰合金遠期性能的建模；開發預測鋁合金中腐蝕的資料庫和計算機模型。還有一個LIFT項目特別針對航空鈦合金，開發計算機模型，以將材料開發、組件設計和製造的時間與成本減少50%。另外還會開發新的計算工具。
1.薄壁鋁的模鑄（HPDC）開發
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/集成材料計算工程（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。
2.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
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。
LIFT項目的主要參與方是航空為首的工業界
3.面向防腐微結構設計的綜合資料庫和計算模型
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。
4.面向確保大型鈦結構性能，將ICME與傳統和新型熱機械加工集成
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。
三、「相變強化」——消除納米孿晶
一個獨立的材料研究項目近期發布，演示了這些工作將如何影響航空工程。俄亥俄州立大學的研究人員報道稱，他們發現了一個使微小缺陷（納米孿晶）「失效」的方法，以提升渦扇發動機超合金的高溫性能。研究的缺陷在凝固後形成，這時成品零件已經準備就緒並可執行它們被設計出的功能，不過還是有熱和壓力下的結構變形。研究人員邁克爾·米爾斯和蒂莫西·史密斯報道稱他們的工作是定製合金的組成成分，然後將其暴露在高熱和高壓中，展示如何阻止納米孿晶形成，甚至提升合金的強度。
發動機葉片通常在高熱和高壓下失效
米爾斯和史密斯將這項技術稱作「相變強化」。在《自然通訊》發布的報告中，他們透露消除了納米孿晶的形成，將合金變形減半。「我們發現增加某些元素在超合金的含量可抑制高溫變形雙胞胎的形成，從而極大提升合金的高溫能力。」研究團隊選擇了一個基礎性的方法來設計超合金，旨在解決米爾斯描述的缺乏對這些高技術材料在高壓下如何表現的「定量化、全面的理解」。
他們讓兩種超合金經受了數千磅的壓力和高溫（1400華氏度），以模擬對一台發動機性能的影響，然後檢查了合金的晶體結構，在合金的原子級上運算力學行為計算機模型。在兩種合金中，溫度和壓力都導致了納米孿晶缺陷在超合金晶體內發展。進一步地，他們發現缺陷內和周圍的材料組成發生變化：一些元素（如鎳、鋁）從缺陷那裡擴散走，而其它元素則擴散進缺陷中。研究人員發現，特殊原子擴散進納米孿晶缺陷的趨向，依賴合金的整體組成，這對合金組成進行工程以促進或避免特定相變造成了一個新的挑戰。對接受這些結果並將工作變為進一步行動的製造商而言，挑戰不只是基礎性的。
（航空工業發展研究中心劉亞威）
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