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轻金属塑造航天业的未来



作者:Brad Collis

重量极轻却又十分坚固的新型金属及新兴制造工艺将引领人们步入航空航天技术的新纪元。

在位于墨尔本的蒙纳士大学克莱顿校区的迷宫深处,坐落着一个冶金实验室。这里所从事的项目具有非凡的重大意义,来自地球另一端的多家全球航空航天产业巨头都对其关注有加。

他们始终密切关注这项能够使这座实验室成为新一代航空航天制造业发源地的技术。同时他们也密切关注着一位可能掌握着他们未来的科学家。

吴新华(Xinhua Wu)教授是尖端轻金属研究领域享有国际盛誉的引领者,她在接受澳大利亚研究理事会(ARC)的委任,主导轻金属设计卓越中心的工作之后,将其研究基地从英国转移到了墨尔本。与此同时,庞巴迪、空客、欧洲航天局(European Space Agency)和赛峰微型涡轮发动机(SAFRAN-Microturbo)等欧洲航天巨头的纷至沓来不言而喻地表明了对吴教授所从事的该项工作的高度重视。

对于这些欧洲飞机制造商们而言,寻找新型的技术手段具有利害攸关的重要意义,这既要能够抗衡来自巴西、加拿大、中国、印度及俄罗斯等新兴制造商日益激烈的竞争,同时又必须符合欧盟关于温室气体减排目标的严格规定。

制造商们正在寻找一种重量更轻,强度更高,制造成本更低,而且安全可靠的新型材料,同时还必须帮助其在 2050 年之前完成航空业总体碳排放量减半的目标。

对于吴教授和她的研究中心而言,这意味着需要改变钛、铝、镁等金属的自然属性,更改金属原有的精密结构,从而赋予它们理想的全新特性。这需要从事以基础科学为支撑的尖端工业研究,探索金属及其属性领域的创新研究模式。

一位来自赛峰微型涡轮发动机的发言人表示,由于吴教授专注于基础研究的工业应用,其公司已追随吴教授前往澳大利亚开展业务。这体现了产业与学术界的重要关联,同时也对欧盟各大企业在竞争中能否保持领先地位具有举足轻重的意义。

作为其研究项目之一,该中心研发的新型铝合金材料或将使飞机的重量减轻 30-40%,燃油效率提高一倍,同时还能在结构上保持原有的坚固性。

根据目前所掌握的方法,要达到这一要求,可以在铝合金冶炼时向铝液中添加少量的稀有元素,例如钪。只需仅仅1%的钪或其他稀土元素便足以增加铝合金的强度,并使铝更耐腐蚀且更易焊接。冷战时期的俄罗斯就曾使用过以铝钪合金材料制造的米格战斗机。但从商业角度来看,这种合金因成本高得令人不敢问津。

吴教授所面临的科学挑战是要确定被添加至铝合金中的钪元素是如何发挥效用的,再据此寻找一种成本更低的替代品。

“目前,我们正从事原子层面的工作。在冶金工业中,只需要按一百万分之几的比例在合金中添加几个原子,就可以影响合金的宏观工程特性;我们需要解决的是如何控制金属板材在卷绕时的同质性,或者在制作零部件时金属所具有的完整性。”

然而,吴教授指出,此类工业研究的关键要素在于以经济实惠的方式实现这一目标。“如果不考虑成本,只关注金属研究的前景,我们可以研制出最棒的金属和合金材料。然而我们的目标不仅仅是研发更坚固、更轻量、更耐用和更稳定的金属。它们还必须满足飞机制造过程中及在飞机 25 年甚至更长运行周期内具有更高的生产效率,更低的制造成本和更低的能源消耗。我们研制的新型材料不仅需要具有最佳的性能,还需要具有最低的价格。”

“这正是工业科学的价值所在。没错,基础科学固然有用,但能否向行业提供具有功能性和成本效益的材料却取决于工业科学的研究。除了材料的研发以外,还需要为每一种新研制的材料设计创新的制造工艺。”

吴教授的这种研究科学的方法与其在劳斯莱斯航空航天事业部 20 年来的从业经验密不可分——这是“一家以科技为导向的公司,也是世界上在材料技术和制造领域的引领者”。

吴教授总是满怀着一种乐观进取、直面挑战的态度,正因为如此,欧洲的其他知名公司也与她和她的研究中心建立了合作关系。“这是因为我们信守承诺。”吴教授说道。

她个人的专业研究领域以钛冶金为主。除了蒙纳士大学为其在墨尔本重建研究设施以外,让吴教授从英国转移至澳大利亚的另一个原因还在于澳大利亚拥有世界上 51% 的已知钛矿储量。她希望自己的金属科学研究能够更加贴近这种金属的原料产地。

吴教授曾广泛参与钛和钛铝合金(TiAl)的研制,以及钛镍合金粉加工工艺的创新研发。

她最新的研究涉及创新制造技术的研发,例如,“激光添加”制造工艺及净成形热等静压工艺(HIPping)。对于计算机设计的复杂三维构件,只需一个步骤就能完成整个生产过程。预计单此一项便可使钛、镍、铝、钢等构件的材料浪费减少 90%,使整体制造成本降低 30-50%,同时还能使交货周期从 24 个月缩短至 3 个月。

吴教授已将这一项先进的技术带到了目前已与六所大学及 100 多名研究人员建立了合作关系的澳大利亚研究理事会轻金属设计卓越中心。吴教授希望借此项核心研究打造澳大利亚的航空航天产业。“这是一个全球化的产业。与你身在何处并无关系。”吴教授说道,“产业追随的是创新和科学研究的成果。”

她的团队已为欧洲一家航空航天工业公司研发了多种新型的发动机部件,目前正在进行早期的评估试验。“如果通过试验——即在同等坚固耐用的前提下能够拥有更轻的重量和更低的生产成本—— 这家公司将与一家澳大利亚公司签署为期 6 年的独家制造协议,来专门生产此类部件。这份订单意向不仅有助于鼓励澳大利亚的制造商把握这一难得的挑战机遇,同时也揭示了新型制造技术必须对创新与科学紧追不舍。”

“我们提供的是科学与创新,但至今还未找到一家制造业的合作伙伴。我们意识到,目前还没有任何一家现有的公司具备这样的专业知识,但是这正是我们所能提供的——精深而丰富的专业知识。我们需要一个有远见的公司愿意对这一领域进行投资。”

当世界上许多所谓富裕国家的传统制造行业正在遭受一场信任危机之际,这显然是个有趣的挑战。而吴教授正在试图通过阐述其对“第三次工业革命”的理解来化解这一危机:研发新型材料及研究分子或纳米结构层面的材料工程。在吴教授看来,激光添加制造与净成形热等静压技术的出现,不仅让复杂的三维构件的生产从此摆脱了过时的制造实践,而且促进制造业实现从低成本经济体到创新高科技经济体的转变。

就其个人的研究工作而言,吴教授认为与其他地区的竞争对手相比,自己拥有两年的领先优势。“如果我们现在不抓紧时机在澳大利亚建立具有相应实力的制造企业,那么这项科学技术或将移师他地......而澳大利亚原本可以充分利用这一技术发展自己的产业。”

吴教授指出,这是一个全球年产值高达 5,390 亿美元的产业,正迫切需要振兴和发展。据行业联合机构——航空运输行动小组(Air Transport Action Group)预计,如果要在2010至2020年期间使机队的年平均燃油效率提高 1.5%,那么全球航空公司就必须斥资 13,000 亿美元购买 12,000 架新一代飞机。

此外,还需要投资 1,000 亿美元以提供所需的技术,才能使欧洲航空研究咨询委员会(Advisory Council for Aeronautics Research in Europe)关于在 2050 年实现二氧化碳排放量减少 75% 及一氧化二氮排放量减少 90% 的目标得以实现。

“这些都是航空公司所面临的严峻现实。”吴教授说道,“而这些现实同时也为我们提供了巨大的机遇。”

2012年 10 月

蒙纳士社交媒体

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