航空、航天科學(xué)技術(shù)

粉末冶金技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

曲選輝，張國慶，章林

摘要：粉末冶金技術(shù)不僅能夠制備出無宏觀偏析、組織均勻、晶粒細(xì)小、各向同性、熱加工性能良好的合金和復(fù)合材料，大幅度提高材料的屈服強(qiáng)度和疲勞性能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的近終形成形，它已成為高性能材料的制備技術(shù)，在航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域，特別是關(guān)鍵熱端部件和新材料制備中發(fā)揮越來越重要的作用。概述了粉末冶金技術(shù)的優(yōu)勢，簡要介紹了鎳基高溫合金、鈦基合金、難熔金屬、超高溫合金、氧化物彌散強(qiáng)化合金和粉末涂層等幾種典型的航空發(fā)動機(jī)用粉末冶金材料。重點(diǎn)闡述了鎳基高溫合金粉末、鈦基合金粉末和噴涂合金粉末的制備關(guān)鍵和研究熱點(diǎn)，分析了熱等靜壓、噴射成形、注射成形和快速成形工藝的特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r。在此基礎(chǔ)上，提出了粉末冶金技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)制造中的應(yīng)用潛力和四個相關(guān)方面的重點(diǎn)研究任務(wù)。（1）高品質(zhì)粉末制備和預(yù)處理技術(shù)。發(fā)展純凈化熔煉和霧化制粉技術(shù)，制備粒度細(xì)小、氧含量低、純凈度高的鎳基、鈦基合金粉末及各種噴涂用合金粉末，掌握粉末粒徑、氧含量、非金屬夾雜控制的關(guān)鍵技術(shù)。（2）先進(jìn)成形、致密化和特殊熱處理技術(shù)和裝備。主要包括粉末高溫合金的熱等靜壓和熱擠壓技術(shù)，雙性能粉末盤制備技術(shù)，粉末盤與單晶葉片整體復(fù)合技術(shù)，復(fù)雜形狀高溫合金零部件注射成形技術(shù)和金屬增材制造技術(shù)。進(jìn)一步提升純凈化熔煉、霧化制粉、金屬增材制造、熱等靜壓和特殊熱處理等關(guān)鍵裝備的技術(shù)水平。（3）數(shù)值模擬與驗(yàn)證技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)優(yōu)化高溫合金成分，并對熱處理過程中的應(yīng)力場及溫度場、金屬增材制造技術(shù)中的模型建立、熱等靜壓用復(fù)雜形狀包套的高精度設(shè)計(jì)、包套封焊和壁厚選擇等基礎(chǔ)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，加快開發(fā)進(jìn)度。（4）開發(fā)高性能難熔金屬、超高溫合金和氧化物彌散強(qiáng)化合金等新型高溫結(jié)構(gòu)材料。

來源出版物：航空材料學(xué)報(bào), 2014, 34(1): 1-10

入選年份：2016

二維層狀材料過渡金屬硫化物

張千帆，高磊，田洪鎮(zhèn)，等

摘要：過渡金屬硫化物材料（如二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、二硫化鈮等）具有較大的表面積/體積比和量子效應(yīng)而具有不同于體材料的優(yōu)異性能，并且具有半導(dǎo)體或超導(dǎo)性質(zhì)，有利于它在納米電子學(xué)、光電子學(xué)和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用，因而引起了廣大研究者們的興趣。由于過渡金屬硫化物材料層與層之間是由弱的范德華力相連接的，因此可以通過實(shí)驗(yàn)手段從體材料中制備出低維的過渡金屬硫化物材料，如微機(jī)械剝離技術(shù)、化學(xué)剝離法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、水熱合成法等。制備方法的成功應(yīng)用使單層過渡金屬硫化物材料的制備成為可能，擴(kuò)大過渡金屬硫化物材料的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用一些測量儀器來研究過渡金屬硫化物層狀材料的結(jié)構(gòu)和性能，為發(fā)掘結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系提供了便利。總結(jié)了過渡金屬硫化物材料的電子性能、谷電子學(xué)性能、光學(xué)性能、機(jī)械性能、摩擦性能、熱性能、儲能性能的研究進(jìn)展，可以廣泛地應(yīng)用在光電子學(xué)、自旋電子學(xué)、催化劑、潤滑劑、化學(xué)和生物傳感器、超級電容器、太陽能電池和鋰離子電池中。當(dāng)材料的尺寸變成納米級的，低維材料表面的缺陷如邊緣、角落對材料的性能起主導(dǎo)作用，低維的過渡金屬硫化物層狀材料由于具有低維性和量子效應(yīng)因而具有優(yōu)異的電子和物理性能。過渡金屬硫化物體材料的性質(zhì)是不活潑的，但當(dāng)它們變成低維結(jié)構(gòu)后顯示出較活潑的化學(xué)反應(yīng)。這是因?yàn)槠浯嬖诘倪吘墤B(tài)具有活性位點(diǎn)，對材料的性能會產(chǎn)生顯著的影響。過渡金屬硫化物層狀材料具有不同的形態(tài)，如納米管、納米團(tuán)簇、納米條帶、納米片和類富勒烯的納米顆粒等。由于過渡金屬硫化物材料衍生出來的結(jié)構(gòu)十分豐富，因而具有許多優(yōu)異的性能，廣泛地應(yīng)用各種領(lǐng)域。當(dāng)過渡金屬硫化物層狀材料變成納米條帶或者三角形的納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)時，由于邊緣態(tài)的存在，材料的性能發(fā)生顯著的變化，因此著重介紹了低維納米材料邊緣態(tài)對性能（邊緣的穩(wěn)定性能、電子性能、催化活性和磁性能）的影響以及邊緣態(tài)的研究進(jìn)展，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個方面總結(jié)了該領(lǐng)域的研究成果，為二維層狀過渡金屬硫化物材料的研究提供了支持。以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫化物層狀材料由于具有電子性能、光學(xué)性能和機(jī)械性能等而成為應(yīng)用于納米電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域的新一代材料，成為爭相研究的熱點(diǎn)，對其結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)，著重介紹了過渡金屬硫化物層狀材料今年來的研究熱點(diǎn)，重點(diǎn)放在低維納米過渡金屬硫化物層狀材料邊緣態(tài)對性能的影響，其中，邊緣態(tài)磁性能的研究已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

來源出版物：北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 42(7): 1311-1325

入選年份：2016

3D打印材料應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

王延慶，沈競興，吳海全

摘要：當(dāng)前，3D打印技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得廣泛關(guān)注與重視。本文在綜述6種典型3D打印工藝各自所用打印材料的使用和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出打印材料是目前3D打印領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是3D打印技術(shù)深入發(fā)展和應(yīng)用的一個瓶頸問題。3D打印領(lǐng)域內(nèi)6種典型3D打印工藝各自所用的3D打印材料，從物理形態(tài)上主要包含液態(tài)光敏樹脂材料、薄材（紙張、塑料膜）、低熔點(diǎn)絲材和粉末材料4種；從成分上則幾乎涵蓋了目前生產(chǎn)生活中的各類材料包括塑料、樹脂、蠟等高分子材料，金屬和合金材料，陶瓷材料等。立體光刻（stereo lithigraphy apparatus，SLA）工藝的材料為感光性的液態(tài)樹脂，即光敏樹脂，Vantico公司的SL系列、3D Systems公司的ACCURA系列、Ciba公司的CibatoolSL系列、杜邦（DSM）公司的SOMOS系列、Tethon 3D公司的Porcelite材料等為主流產(chǎn)品；疊層實(shí)體制造（laminated object manufacturing，LOM）工藝的材料為紙張、塑料膜等薄材，該類材料技術(shù)門檻較低，且工藝應(yīng)用受限較多，因此，市場產(chǎn)品系列較少，典型的有 Helisys公司的LPH、LPS和LPF 3個系列紙材，華中科技大學(xué)推出的HRP系列紙材；熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）工藝的材料主要為便于熔融的低熔點(diǎn)絲狀材料，包括ABS、Polycarbonate（PC，聚碳酸酯）、Polylactide（PLA，聚乳酸）等，其支撐材料一般為水溶性（water works，WW）類和易剝離性（break away support structure，BASS）類；選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）的材料是各類粉末，包括尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉（打印后常須進(jìn)行再燒結(jié)及滲銅處理）、覆蠟陶瓷粉、覆蠟金屬粉以及覆裹熱凝樹脂細(xì)沙等；選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）工藝使用與SLS一樣的粉末材料，不僅具有SLS優(yōu)點(diǎn)，而且成型件致密度更高，力學(xué)性能更好；三維打印與膠粘（three dimensional printing and gluing，3DP）工藝的打印材料同樣為粉末材料，但這些粉末是通過噴頭噴涂黏結(jié)劑被粘接在一起，同時將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，類似于紙張彩色打印，可通過設(shè)置三原色粘結(jié)劑及噴頭系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)彩色立體打印。作者一直致力于 LOM工藝研究及其產(chǎn)業(yè)化，SLM工藝用鋁合金粉末的研究，對3D打印材料質(zhì)量和產(chǎn)量的發(fā)展方向也進(jìn)行了分析和展望：緊密結(jié)合各種應(yīng)用要求，發(fā)展全新的打印材料，特別是納米材料、非均質(zhì)材料、其他方法難以制作的復(fù)合材料、直接打印制作高致密金屬零件的合金材料、功能梯度材料、生物材料等將是 3D打印材料不斷提高質(zhì)量的發(fā)展方向；另外，推進(jìn)3D打印材料的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、綠色環(huán)?；⒔柚?D打印+”的理念，不斷拓展3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的深入融合，將是3D打印材料不斷擴(kuò)大產(chǎn)量的發(fā)展方向。

來源出版物：航空材料學(xué)報(bào), 2016, 36(4): 89-98

入選年份：2016

航空鑄造鈦合金及其成型技術(shù)發(fā)展

張美娟，南海，鞠忠強(qiáng)，等

摘要：目的：近幾十年來，鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐熱腐蝕性、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，短時間內(nèi)就成為航空航天領(lǐng)域不可缺少的材料。鈦合金材料已經(jīng)成為先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要選用材料，其應(yīng)用水平的高低已經(jīng)成為體現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，是影響飛機(jī)服役壽命、飛行性能和節(jié)約燃油性能的一個重要方面。本文簡述了國內(nèi)外航空領(lǐng)域常用鈦合金及TiAl合金的特點(diǎn)，分析了我國鑄造鈦合金的技術(shù)發(fā)展情況，特別是在航空領(lǐng)域的變化。方法：采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，分析鈦合金領(lǐng)域近30年來專利數(shù)量的變化，以核心技術(shù)的發(fā)展趨勢評價(jià)鑄造鈦合金領(lǐng)域技術(shù)的階段性變化。研究鈦合金和TiAl合金材料的發(fā)展及應(yīng)用變化，以及新型設(shè)備的使用對熔模精密鑄造技術(shù)的提升作用。同時結(jié)合文獻(xiàn)檢索分析，對比分析國內(nèi)外鈦合金和TiAl合金領(lǐng)域精鑄技術(shù)和精鑄產(chǎn)品的發(fā)展。結(jié)果：（1）基于鈦合金領(lǐng)域?qū)＠脑鲩L速度，國內(nèi)鈦合金技術(shù)發(fā)展主要分為3個階段，第一階段屬于技術(shù)積累階段，第二階段屬于技術(shù)方向拓展階段，形成原料提純、模具設(shè)計(jì)、精鑄工藝、檢測工藝等多方向發(fā)展；第三階段屬于技術(shù)復(fù)合式發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)模擬仿真和增材制造技術(shù)等將成為熔模精密鑄造發(fā)展的有力補(bǔ)充，并且國內(nèi)中小型企業(yè)也具備生產(chǎn)鈦合金鑄件的能力。（2）鈦合金鑄件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用從軍用飛機(jī)向民用飛機(jī)拓展，鈦合金整體精鑄件代替多個小型鍛件是航空航天鈦合金鑄件的發(fā)展趨勢，可實(shí)現(xiàn)鑄件減重、提高整體剛性和生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)可制備最大尺寸在1400 mm左右的鈦合金鑄件，并且有能力為國際航空公司提供高品質(zhì)的鈦合金鑄件。（3）TiAl合金是制備航空航天領(lǐng)域耐熱結(jié)構(gòu)件的極具競爭力的材料，在600～800℃溫度范圍內(nèi)有優(yōu)異的高溫性能。采用TiAl合金葉片代替鎳基高溫合金葉片可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)有效減重。目前TiAl合金低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片已被用于單通道商用飛機(jī)上，國內(nèi)研制的γ-TiAl合金鑄件工作溫度可達(dá)750～800℃，尺寸可達(dá)到560 m。結(jié)論：（1）航空領(lǐng)域的鈦合金鑄造技術(shù)將不在是單一的熔模精密鑄造，將結(jié)合鑄造模擬仿真技術(shù)、增材制造技術(shù)和粉末冶金技術(shù)的優(yōu)勢，以提高其整體精鑄水平和生產(chǎn)效率。（2）國內(nèi)外航空航天用鈦合金鑄件正向大型、整體和復(fù)雜化變化。鈦合金鑄件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用從軍用飛機(jī)向民用飛機(jī)拓展。（3）TiAl合金鑄件的發(fā)展將大大提高航空鈦合金鑄件的應(yīng)用溫度。采用 TiAl合金葉片代替鎳基高溫合金葉片可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)有效減重。

來源出版物：航空材料學(xué)報(bào), 2016, 36(3): 13-19

入選年份：2016