美国国防高级研究计划局（DARPA）最近授予的一个奖项将麻省理工学院（MIT）、卡内基梅隆大学（CMU）和莱海大学（Lehigh）的研究人员聚集在一起，参与多目标合金结构工程与测试（METALS）计划。该团队将研究新颖的设计工具，以同时优化多材料结构中的形状和成分梯度，这些工具将与新的高通量材料测试技术相辅相成，特别关注涡轮机械（包括喷气发动机和火箭发动机）中常见的叶片盘（blisk）几何形状，作为一个典型的挑战问题。
“这个项目可能对广泛的航空航天技术产生重要影响。这项工作的见解可能使得更可靠、可重复使用的火箭发动机成为可能，从而为下一代重型发射载具提供动力，”项目首席研究员、MIT航空航天系（AeroAstro）埃斯特和哈罗德·E·埃德加顿副教授扎卡里·科德罗（Zachary Cordero）说。“该项目将经典力学分析与前沿的生成式人工智能设计技术相结合，以释放成分梯度合金的塑性储备，从而在以前无法达到的条件下安全操作。”
在blisk的不同位置需要不同的热机械性能和表现，例如抗蠕变、低循环疲劳、高强度等。大规模生产还需要考虑成本和可持续性指标，例如合金的采购和回收。
科德罗表示：“目前，使用标准制造和设计程序，必须提出一种单一的神奇材料、成分和加工参数，以满足‘一件部件-一种材料’的限制。”他补充道：“所需的性能往往是相互排斥的，导致设计权衡和妥协效率低下。”
尽管单一材料的方法可能对组件中的某个特定位置是最佳的，但它可能会使其他位置暴露于失效风险，或者可能需要在整个部件中使用一种关键材料，而该材料可能只在特定位置需要。随着增材制造工艺的快速发展，使得基于体素的成分和性能控制成为可能，团队看到在结构组件中实现飞跃性性能的独特机会现在变得可行。
科德罗的合作者包括AeroAstro的T. Wilson（1953）教授佐尔坦·斯帕科夫斯基（Zoltan Spakovszky）；机械工程系的1922届教授及系主任A. John Hart；MIT机械工程的ABS职业发展助理教授法兹·艾哈迈德（Faez Ahmed）；CMU材料科学与工程助理教授S. Mohadeseh Taheri-Mousavi；以及莱海大学机械工程与力学副教授娜塔莎·维尔马克（Natasha Vermaak）。
该团队的专业知识涵盖混合集成计算材料工程、基于机器学习的材料和工艺设计、精密仪器、计量学、拓扑优化、深度生成建模、增材制造、材料表征、热结构分析和涡轮机械。
哈特表示：“与参与METALS项目的研究生和博士后研究人员合作，尤其令人欣慰，他们从开发新的计算方法到建立在极端条件下运行的测试装置，都是在共同努力。”他补充道：“这是一个真正独特的机会，可以建立突破性的能力，这些能力可能成为未来推进系统的基础，利用数字设计和制造技术。”
本研究由DARPA根据合同HR00112420303资助。所表达的观点、意见和/或发现均为作者个人观点，不应被解读为代表国防部或美国政府的官方观点或政策，且不应推断出任何官方认可。
