张新明现状 访著名铝合金材料专家 张新明先生

记者:铝合金在航空航天领域应用非常广泛,请您介绍一下高强合金在航空航天领域的发展情况及目前我国大飞机项目对这些材料的特殊需求?

张新明:高强铝合金具有低密度、高强度、高韧性、耐腐蚀、易加工、低成本、易回收、环境友好等特点,是飞机的主要结构材料。

高强铝合金已经历了五代的发展,总体发展方向大体为高强→高强耐蚀→高强高韧耐蚀→高强高韧耐蚀耐损伤容限→高强高韧耐蚀高淬透性。除发展高综合性能的铝材外,为实现减重、高可靠、长寿命的目标,主承力构件往往采用厚板、特厚板、大型锻件和大型型材。

对于轻质合金,我国大飞机近期需要650MPa高强铝合金,450MPa高损伤容限铝合金;中期需700~800MPa高强高韧耐蚀铝合金,600MPa高强高韧耐蚀Al-Li合金。我国大飞机项目需解决铝材规范的制定与批准以及民航客机取适航证的问题;急需解决大规格预拉伸厚板、大规格宽幅薄板、超宽超厚挤压壁板以及大型锻件制备的装备及技术难题。

记者:作为我国973项目“高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究”的首席科学家、知名材料专家,您认为我国在铝镁合金材料及其加工技术方面还需要突破哪些关键技术?

张新明:我国铝、镁合金的设计以及高性能大规格材料的研发需要突破以下关键技术。

(1)铝、镁合金材料设计应摆脱“炒菜式”的传统研究方法,需突破集成设计的关键。以材料不同性能的特征微结构为基本出发点,将相图计算与第一原理计算、材料制备过程中的组织结构演变相结合,通过计算、模拟和有限的必要试验,形成高综合性能铝、镁合金的设计原理与技术。

(2)需突破高强高韧耐蚀性能协同提高的关键制备技术;如合金纯化、高洁净化技术;多级均匀化、多级固溶热处理技术;纳米相亚稳化、与基体非共格化强化技术。

(3)需突破大规格高性能合金材料的关键制备技术,如大规格铸锭无裂纹铸造技术;大规格材料均匀塑性变形技术;厚截面板材及锻件高淬透性的热处理技术以及残余应力的消减与控制技术。

(4)需突破材料/构件成形成性一体化关键制造技术,如大型整体框梁主承力构件成形成性制造技术;整体壁板构件/材料一体化制造技术;纤维铝合金层板制造技术。

(5)需突破结构/功能一体化制造关键技术,如耐蚀、隔热、隐身多功能涂层技术;材料-构件-形状功能一体化制造技术。

记者:作为中南大学材料加工工程和计算材料与虚拟工程学科的首席教授,请您谈谈计算科学与虚拟技术在航空材料加工中的应用现状和未来发展。

张新明:从航空工业用铝材发展的历程来看,目前已经发展到第五代铝合金了,要求材料具有高强高韧耐蚀、高损伤容限和高淬透性的良好综合性能。材料的不同微结构决定不同的性能,而单一性能要求的各微结构往往相互矛盾,很难协同。

如为了提高耐蚀性,高强铝合金往往采用适当的过时效状态,这样就产生了与基体非共格的第二相,因而降低了力学性能。但通过计算晶内、晶界相变和虚拟热处理工艺,使晶界形成不连续析出相;同时也保障晶内析出高密度的共格和半共格第二相,因此,在强度不损失的前提下,大大提高了耐蚀性。

材料计算及虚拟加工就是要结合飞机对性能的要求,在纳米、亚微米、微米和工程大块材料等不同层次上,确立成分、组织结构、性能和合成制备的关系,以及不同环境条件下材料损伤的微观过程机制及规律。

我国在这方面的研究工作相对薄弱,铝“973”项目虽在探求铝合金材料不同性能所需的特征微结构和制备技术方面有些进展,但也仅仅是开始。我们应结合大飞机所需的高综合性能铝合金、大规格高性能材料的制备以及材料/构件一体化成形成性制造进行模拟计算和虚拟制造。

铝合金虚拟制备国外已有成功的经验,如欧洲铝业协会(EAA)就组织了全欧洲的相关大学、研究院所和企业共同进行铝材制备过程的模拟与虚拟制造研究,涉及VIRCAST、VIRFAB和VIRFORM三大块。