航空、航天科学技术

粉末冶金技术在航空发动机中的应用

曲选辉，张国庆，章林

摘要：粉末冶金技术不仅能够制备出无宏观偏析、组织均匀、晶粒细小、各向同性、热加工性能良好的合金和复合材料，大幅度提高材料的屈服强度和疲劳性能，而且能够实现零部件的近终形成形，它已成为高性能材料的制备技术，在航空发动机制造领域，特别是关键热端部件和新材料制备中发挥越来越重要的作用。概述了粉末冶金技术的优势，简要介绍了镍基高温合金、钛基合金、难熔金属、超高温合金、氧化物弥散强化合金和粉末涂层等几种典型的航空发动机用粉末冶金材料。重点阐述了镍基高温合金粉末、钛基合金粉末和喷涂合金粉末的制备关键和研究热点，分析了热等静压、喷射成形、注射成形和快速成形工艺的特点和发展状况。在此基础上，提出了粉末冶金技术在航空发动机制造中的应用潜力和四个相关方面的重点研究任务。（1）高品质粉末制备和预处理技术。发展纯净化熔炼和雾化制粉技术，制备粒度细小、氧含量低、纯净度高的镍基、钛基合金粉末及各种喷涂用合金粉末，掌握粉末粒径、氧含量、非金属夹杂控制的关键技术。（2）先进成形、致密化和特殊热处理技术和装备。主要包括粉末高温合金的热等静压和热挤压技术，双性能粉末盘制备技术，粉末盘与单晶叶片整体复合技术，复杂形状高温合金零部件注射成形技术和金属增材制造技术。进一步提升纯净化熔炼、雾化制粉、金属增材制造、热等静压和特殊热处理等关键装备的技术水平。（3）数值模拟与验证技术。利用计算机模拟技术优化高温合金成分，并对热处理过程中的应力场及温度场、金属增材制造技术中的模型建立、热等静压用复杂形状包套的高精度设计、包套封焊和壁厚选择等基础问题进行系统研究，加快开发进度。（4）开发高性能难熔金属、超高温合金和氧化物弥散强化合金等新型高温结构材料。

来源出版物：航空材料学报, 2014, 34(1): 1-10

入选年份：2016

二维层状材料过渡金属硫化物

张千帆，高磊，田洪镇，等

摘要：过渡金属硫化物材料（如二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硫化铌等）具有较大的表面积/体积比和量子效应而具有不同于体材料的优异性能，并且具有半导体或超导性质，有利于它在纳米电子学、光电子学和自旋电子学等领域广泛地应用，因而引起了广大研究者们的兴趣。由于过渡金属硫化物材料层与层之间是由弱的范德华力相连接的，因此可以通过实验手段从体材料中制备出低维的过渡金属硫化物材料，如微机械剥离技术、化学剥离法、物理气相沉积、化学气相沉积、水热合成法等。制备方法的成功应用使单层过渡金属硫化物材料的制备成为可能，扩大过渡金属硫化物材料的应用领域。目前，实验中运用一些测量仪器来研究过渡金属硫化物层状材料的结构和性能，为发掘结构与性能之间的联系提供了便利。总结了过渡金属硫化物材料的电子性能、谷电子学性能、光学性能、机械性能、摩擦性能、热性能、储能性能的研究进展，可以广泛地应用在光电子学、自旋电子学、催化剂、润滑剂、化学和生物传感器、超级电容器、太阳能电池和锂离子电池中。当材料的尺寸变成纳米级的，低维材料表面的缺陷如边缘、角落对材料的性能起主导作用，低维的过渡金属硫化物层状材料由于具有低维性和量子效应因而具有优异的电子和物理性能。过渡金属硫化物体材料的性质是不活泼的，但当它们变成低维结构后显示出较活泼的化学反应。这是因为其存在的边缘态具有活性位点，对材料的性能会产生显著的影响。过渡金属硫化物层状材料具有不同的形态，如纳米管、纳米团簇、纳米条带、纳米片和类富勒烯的纳米颗粒等。由于过渡金属硫化物材料衍生出来的结构十分丰富，因而具有许多优异的性能，广泛地应用各种领域。当过渡金属硫化物层状材料变成纳米条带或者三角形的纳米团簇的结构时，由于边缘态的存在，材料的性能发生显著的变化，因此着重介绍了低维纳米材料边缘态对性能（边缘的稳定性能、电子性能、催化活性和磁性能）的影响以及边缘态的研究进展，从实验和理论两个方面总结了该领域的研究成果，为二维层状过渡金属硫化物材料的研究提供了支持。以二硫化钼为代表的过渡金属硫化物层状材料由于具有电子性能、光学性能和机械性能等而成为应用于纳米电子学和光电子学领域的新一代材料，成为争相研究的热点，对其结构、性能进行系统地总结，着重介绍了过渡金属硫化物层状材料今年来的研究热点，重点放在低维纳米过渡金属硫化物层状材料边缘态对性能的影响，其中，边缘态磁性能的研究已成为当今的研究热点。

来源出版物：北京航空航天大学学报, 2016, 42(7): 1311-1325

入选年份：2016

3D打印材料应用和研究现状

王延庆，沈竞兴，吴海全

摘要：当前，3D打印技术在世界范围内获得广泛关注与重视。本文在综述6种典型3D打印工艺各自所用打印材料的使用和研究现状的基础上，指出打印材料是目前3D打印领域研究的热点，也是3D打印技术深入发展和应用的一个瓶颈问题。3D打印领域内6种典型3D打印工艺各自所用的3D打印材料，从物理形态上主要包含液态光敏树脂材料、薄材（纸张、塑料膜）、低熔点丝材和粉末材料4种；从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料包括塑料、树脂、蜡等高分子材料，金属和合金材料，陶瓷材料等。立体光刻（stereo lithigraphy apparatus，SLA）工艺的材料为感光性的液态树脂，即光敏树脂，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材料等为主流产品；叠层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）工艺的材料为纸张、塑料膜等薄材，该类材料技术门槛较低，且工艺应用受限较多，因此，市场产品系列较少，典型的有 Helisys公司的LPH、LPS和LPF 3个系列纸材，华中科技大学推出的HRP系列纸材；熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）工艺的材料主要为便于熔融的低熔点丝状材料，包括ABS、Polycarbonate（PC，聚碳酸酯）、Polylactide（PLA，聚乳酸）等，其支撑材料一般为水溶性（water works，WW）类和易剥离性（break away support structure，BASS）类；选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）的材料是各类粉末，包括尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（打印后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆蜡陶瓷粉、覆蜡金属粉以及覆裹热凝树脂细沙等；选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）工艺使用与SLS一样的粉末材料，不仅具有SLS优点，而且成型件致密度更高，力学性能更好；三维打印与胶粘（three dimensional printing and gluing，3DP）工艺的打印材料同样为粉末材料，但这些粉末是通过喷头喷涂黏结剂被粘接在一起，同时将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，类似于纸张彩色打印，可通过设置三原色粘结剂及喷头系统，实现彩色立体打印。作者一直致力于 LOM工艺研究及其产业化，SLM工艺用铝合金粉末的研究，对3D打印材料质量和产量的发展方向也进行了分析和展望：紧密结合各种应用要求，发展全新的打印材料，特别是纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的复合材料、直接打印制作高致密金属零件的合金材料、功能梯度材料、生物材料等将是 3D打印材料不断提高质量的发展方向；另外，推进3D打印材料的系列化、标准化、绿色环保化，并借助“3D打印+”的理念，不断拓展3D打印技术与传统制造业的深入融合，将是3D打印材料不断扩大产量的发展方向。

来源出版物：航空材料学报, 2016, 36(4): 89-98

入选年份：2016

航空铸造钛合金及其成型技术发展

张美娟，南海，鞠忠强，等

摘要：目的：近几十年来，钛合金由于具有比强度高、耐热腐蚀性、稳定性高等特点，短时间内就成为航空航天领域不可缺少的材料。钛合金材料已经成为先进飞机结构设计的重要选用材料，其应用水平的高低已经成为体现飞机结构设计选材先进程度的重要标志之一，是影响飞机服役寿命、飞行性能和节约燃油性能的一个重要方面。本文简述了国内外航空领域常用钛合金及TiAl合金的特点，分析了我国铸造钛合金的技术发展情况，特别是在航空领域的变化。方法：采用数据统计的方法，分析钛合金领域近30年来专利数量的变化，以核心技术的发展趋势评价铸造钛合金领域技术的阶段性变化。研究钛合金和TiAl合金材料的发展及应用变化，以及新型设备的使用对熔模精密铸造技术的提升作用。同时结合文献检索分析，对比分析国内外钛合金和TiAl合金领域精铸技术和精铸产品的发展。结果：（1）基于钛合金领域专利的增长速度，国内钛合金技术发展主要分为3个阶段，第一阶段属于技术积累阶段，第二阶段属于技术方向拓展阶段，形成原料提纯、模具设计、精铸工艺、检测工艺等多方向发展；第三阶段属于技术复合式发展阶段，计算机模拟仿真和增材制造技术等将成为熔模精密铸造发展的有力补充，并且国内中小型企业也具备生产钛合金铸件的能力。（2）钛合金铸件在航空领域的应用从军用飞机向民用飞机拓展，钛合金整体精铸件代替多个小型锻件是航空航天钛合金铸件的发展趋势，可实现铸件减重、提高整体刚性和生产效率。目前国内可制备最大尺寸在1400 mm左右的钛合金铸件，并且有能力为国际航空公司提供高品质的钛合金铸件。（3）TiAl合金是制备航空航天领域耐热结构件的极具竞争力的材料，在600～800℃温度范围内有优异的高温性能。采用TiAl合金叶片代替镍基高温合金叶片可实现飞机发动机有效减重。目前TiAl合金低压涡轮转子叶片已被用于单通道商用飞机上，国内研制的γ-TiAl合金铸件工作温度可达750～800℃，尺寸可达到560 m。结论：（1）航空领域的钛合金铸造技术将不在是单一的熔模精密铸造，将结合铸造模拟仿真技术、增材制造技术和粉末冶金技术的优势，以提高其整体精铸水平和生产效率。（2）国内外航空航天用钛合金铸件正向大型、整体和复杂化变化。钛合金铸件在航空领域的应用从军用飞机向民用飞机拓展。（3）TiAl合金铸件的发展将大大提高航空钛合金铸件的应用温度。采用 TiAl合金叶片代替镍基高温合金叶片可实现飞机发动机有效减重。

来源出版物：航空材料学报, 2016, 36(3): 13-19

入选年份：2016