湖南科技大學研究生院副院長、高功效輕合金構件成形技術及耐損傷效能評價湖南省工程研究中心主任陳宇強在操作3D印表機。
紅網時刻新聞記者 劉誌雄 湘潭報道
一根堅硬的鐵絲反復彎折，便可能誘發裂紋甚至斷裂，這樣的金屬疲勞現象，在高鐵的金屬構件中同樣存在。
如何克服疲勞問題等金屬材料的通病，提高金屬構件的服役壽命呢？高功效輕合金構件成形技術及耐損傷效能評價湖南省工程研究中心針對不同的套用場景和構件需求，給出了他們的答案。
2019年，在湖湘青年英才培訓班上，湖南科技大學研究生院副院長陳宇強和株洲時代金屬制造有限公司總經理顧宏宇碰撞出了火花，一個做基礎研究，一個從事實際生產，萌生了一起建立個產學研平台的想法，構成了研究中心的雛形。
2020年，研究中心以湖南科技大學為牽頭單位，聯合江麓機電集團有限公司、株洲時代金屬制造有限公司等合作建設，研究高功效輕合金構件的鑄造成型、塑性成形、連線成形及耐損傷效能評價等領域的技術難題。近年來，研究中心共承擔了各類科研專案80余項，從理論到套用，解決困擾行業發展的突出問題。
研究中心展示的研究成果。
以高鐵的關鍵部件散熱器為例，研究中心使其服役年限達到了12年，而國際上德國貝爾、AKG等知名企業生產的散熱器，服役壽命普遍只有5到6年。在2021年的某次國際展會上，新型散熱器以其卓越的效能引起國際同行的圍觀和虛心求教。
「如今軌域交通已經到了成熟期，行業體量大，器材的服役壽命直接影響運維成本，要讓利用率與效率最大，是目前亟需解決的問題。」陳宇強說，「器材服役的可靠性還關乎安全問題，1998年德國ICE高鐵安全事故曾造成101人死亡，直接原因就是金屬材料的疲勞斷裂。高鐵的運維安全直接影響中國的國際聲譽，絕不容有失！」
金屬疲勞在理想環境都存在，更何況面對全國各地復雜多樣的天候環境。陳宇強團隊透過解剖分析發現，散熱器功能減弱的原因是鋁合金翅片腐蝕疲勞穿孔引起的冷卻液流失。在高鐵執行過程中，銅屑、鐵屑附著形成的原電池反應與反復應力的共同作用，誘發鋁合金翅片流道形成細小孔洞，最終導致散熱器漏液並逐漸失去功效。
於是陳宇強團隊從合金成分、焊接工藝、表面塗層等方向下手，選取效能更好的材料、焊劑和塗層，並采取更好的工藝，達到最佳化目的。
研究中心團隊在實驗室操作儀器進行試驗。
散熱器內，是成千上萬個流道形成的蜂窩狀結構，一個個空心金屬管即細又薄還要兼顧高的強度、耐蝕性和成形性。陳宇強說，科學攻關就要解決這既要還要的問題。
因結構過於復雜，散熱器流道的塗層很難均勻一致，讓大多數科研人員望而生畏。陳宇強介紹，塗層首先考慮要結合力和潤濕性的問題，鋁合金的腐蝕很多是在潮濕環境下發生，在這個基礎上，他們再考慮疏水性和結構性問題，並進行表面刮擦實驗、流動性實驗等，從幾十種塗層方案挑選最優解。
專案最難的突破點在於焊劑，研究中心團隊花了大半年在研究焊劑材料。一個散熱器有幾千個焊接點，焊接點容易出問題。現有的焊劑中，大多添加了氟元素，它有利於焊劑短時間成型，但不利於金屬材料長期服役。
「我們透過正交實驗法、機器學習等，找元素來替代，透過潤濕性實驗看結合力，還要看焊接效果、成型是否方便，還有檢驗各種效能……」專案完成兩年後，和記者說起當時的研究，陳宇強依然覺得頭疼。
陳宇強和團隊成員在觀察儀器情況。
散熱器內的冷卻液滲漏難以察覺，可能在列車長途行駛過程中突發安全報警，無法有效散熱的牽引變壓器將是巨大安全隱患。
「約等於在創造新材料。」陳宇強說，焊劑的成分都會對鋁合金產生腐蝕影響，還要有更好的焊接工藝，既要考慮材料問題還要考慮工程問題。在研究中心，一個構件，要在各種條件各種功放的服役環境中，進行一千萬周次以上的疲勞模擬實驗。
在陳宇強看來，省屬院校要盡可能服務當地經濟發展，其團隊和湖南本地企業也合作緊密。對於材料和工藝，研究不但要考慮技術突破還要兼顧生產成本。構件是否容易成型？生產效率和能耗如何？研究中心既要考慮技術可行性，也要算清經濟賬。
陳宇強說，如何讓輕合金構件成形更適用、更高效、更可靠，以促進湖南軌域交通、武器裝備、工程機械、新能源汽車等重點產業的發展，是研究中心始終努力的方向。
