粉末冶金技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(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、氧化物彌散強化合金和粉末涂層等幾種典型的航空發(fā)動機用粉末冶金材料。重點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，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)動機制造中的應(yīng)用潛力和四個相關(guān)方面的重點研究任務(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)值模擬與驗證技術(shù)。利用計算機模擬技術(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、包套封焊和壁厚選擇等基礎(chǔ)問題進行系統(tǒng)研究，加快開發(fā)進度。（4）開發(fā)高性能難熔金屬、超高溫合金和氧化物彌散強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, 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，因此可以通過實驗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，擴大過渡金屬硫化物材料的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，實驗中運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?？偨Y(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、機械性能、摩擦性能、熱性能、儲能性能的研究進展，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)。這是因為其存在的邊緣態(tài)具有活性位點，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)的研究進展，從實驗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，對其結(jié)構(gòu)、性能進行系統(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，重點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。

來源出版物：北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 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，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，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3D打印材料的系列化、標準化、綠色環(huán)?；?，并借助“3D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打印材料不斷擴大產(chǎn)量的發(fā)展方向。

來源出版物：航空材料學(xué)報, 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，等

摘要：目的：近幾十年來，鈦合金由于具有比強度高、耐熱腐蝕性、穩(wěn)定性高等特點，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)成為先進飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要選用材料，其應(yīng)用水平的高低已經(jīng)成為體現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計選材先進程度的重要標志之一，是影響飛機服役壽命、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，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、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，計算機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)用從軍用飛機向民用飛機拓展，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現(xiàn)飛機發(fā)動機有效減重。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上，國內(nèi)研制的γ-TiAl合金鑄件工作溫度可達750～800℃，尺寸可達到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)用從軍用飛機向民用飛機拓展。（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現(xiàn)飛機發(fā)動機有效減重。

來源出版物：航空材料學(xué)報, 2016, 36(3): 13-19

入選年份：2016