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中国航空学会
中国航发北京航空材料研究院
2018年38卷6期
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2018, 38(6): 1-10.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000081
摘要:
激光冲击是一种先进的金属材料表面强化技术，显著的强化效果在多种不同金属材料上得到实际验证和普遍认可。为防止激光冲击对精密零部件尺寸产生影响或合理利用激光冲击诱导金属材料的塑性变形以实现成形目的，有必要对激光冲击作用下的材料变形准则进行深入研究。本文分析了激光冲击诱导不同材料的变形规律，基于应力梯度与冲击弯曲等变形机制解释了激光冲击在变形现象中的局限性，提出激光冲击引发材料变形基础研究的必要性，进而总结了激光参数以及冲击方式、约束方式等多因素对激光冲击变形的影响规律，证实多参数调整与优化对控制激光冲击变形量的重要作用。分析了数值仿真方法在激光冲击变形技术研究中的优势，同时提出建立适应高应变率变形的材料本构模型以及完善激光等离子体形成过程模拟。通过激光冲击校形工艺的介绍对激光冲击变形规律在先进制造业中的发展进行展望，并提出了零部件激光冲击校形及其变形量在线监测的研究方向。
激光冲击是一种先进的金属材料表面强化技术，显著的强化效果在多种不同金属材料上得到实际验证和普遍认可。为防止激光冲击对精密零部件尺寸产生影响或合理利用激光冲击诱导金属材料的塑性变形以实现成形目的，有必要对激光冲击作用下的材料变形准则进行深入研究。本文分析了激光冲击诱导不同材料的变形规律，基于应力梯度与冲击弯曲等变形机制解释了激光冲击在变形现象中的局限性，提出激光冲击引发材料变形基础研究的必要性，进而总结了激光参数以及冲击方式、约束方式等多因素对激光冲击变形的影响规律，证实多参数调整与优化对控制激光冲击变形量的重要作用。分析了数值仿真方法在激光冲击变形技术研究中的优势，同时提出建立适应高应变率变形的材料本构模型以及完善激光等离子体形成过程模拟。通过激光冲击校形工艺的介绍对激光冲击变形规律在先进制造业中的发展进行展望，并提出了零部件激光冲击校形及其变形量在线监测的研究方向。
2018, 38(6): 11-18.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000197
摘要:
利用磁控溅射法在导电玻璃基底（FTO）上先后生长具有一维纳米阵列结构的CdTe光电材料和Bi2Te3热电材料，获得FTO/CdTe/Bi2Te3纳米结构异质结薄膜材料，进一步通过加工Ag电极制备出复合发电器件。将器件分别置于氙灯和卤素灯下进行辐照，通过特殊电路与光路设计，利用光电材料光响应和热电材料热响应的时间差，获取器件在不同光源、电极接触点和光源入射方向下的电压-时间（V-t）曲线，从而实现对器件光和热协同响应特性的表征。通过进一步改变氙灯和卤素灯的光照强度，验证光热协同响应现象的重复性。结果表明：将光电材料CdTe与热电材料Bi2Te3进行一体化设计获得的新型材料能够有效实现对光和热的协同响应，拓宽太阳能光谱的利用范围。
利用磁控溅射法在导电玻璃基底（FTO）上先后生长具有一维纳米阵列结构的CdTe光电材料和Bi2Te3热电材料，获得FTO/CdTe/Bi2Te3纳米结构异质结薄膜材料，进一步通过加工Ag电极制备出复合发电器件。将器件分别置于氙灯和卤素灯下进行辐照，通过特殊电路与光路设计，利用光电材料光响应和热电材料热响应的时间差，获取器件在不同光源、电极接触点和光源入射方向下的电压-时间（V-t）曲线，从而实现对器件光和热协同响应特性的表征。通过进一步改变氙灯和卤素灯的光照强度，验证光热协同响应现象的重复性。结果表明：将光电材料CdTe与热电材料Bi2Te3进行一体化设计获得的新型材料能够有效实现对光和热的协同响应，拓宽太阳能光谱的利用范围。
2018, 38(6): 19-28.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000071
摘要:
以Mar-M247合金为对象，通过热力学模拟计算，研究合金元素变化对平衡析出相、合金初熔温度和终熔温度的影响规律。结果表明：合金的主要平衡析出相为γ'相、MC、M6C、M23C6型碳化物、μ相及MB2、M3B2型硼化物，合金凝固过程中Hf和Ta元素偏析比较严重；在成分标准范围附近波动时，对初熔温度影响最大的合金元素为Cr、Mo、Ti、Hf；碳化物的析出温度和析出量均随C含量的增加呈线性递增趋势；另外，Hf、Ti、Ta含量的提高有利于MC型碳化物的析出；Cr含量的提高有利于M23C6型碳化物的析出；而W和Mo含量的提高则有利于M6C型碳化物的析出；μ相主要受Mo和W元素影响，随着二者含量的升高。μ相的析出温度和质量分数均升高；Al、Ti和Ta含量变化均会影响合金中γ′相的析出量及析出温度，并且三者对于γ′相的影响程度依次减弱。
以Mar-M247合金为对象，通过热力学模拟计算，研究合金元素变化对平衡析出相、合金初熔温度和终熔温度的影响规律。结果表明：合金的主要平衡析出相为γ'相、MC、M6C、M23C6型碳化物、μ相及MB2、M3B2型硼化物，合金凝固过程中Hf和Ta元素偏析比较严重；在成分标准范围附近波动时，对初熔温度影响最大的合金元素为Cr、Mo、Ti、Hf；碳化物的析出温度和析出量均随C含量的增加呈线性递增趋势；另外，Hf、Ti、Ta含量的提高有利于MC型碳化物的析出；Cr含量的提高有利于M23C6型碳化物的析出；而W和Mo含量的提高则有利于M6C型碳化物的析出；μ相主要受Mo和W元素影响，随着二者含量的升高。μ相的析出温度和质量分数均升高；Al、Ti和Ta含量变化均会影响合金中γ′相的析出量及析出温度，并且三者对于γ′相的影响程度依次减弱。
2018, 38(6): 29-35.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000187
摘要:
采用粉末冶金法制备Co-Cr-W合金，利用SEM、EPMA等研究热处理温度对合金微观组织和性能的影响。结果表明：Co-Cr-W合金在1100 ℃ × 4 h/炉冷条件下进行热处理，合金的相组成与未热处理前相同，基体由γ-Co和ε-Co双相构成，合金中的碳化物增强相为富W的M6C和富Cr的M23C6型碳化物；在1150~1250 ℃热处理4 h，合金基体为γ-Co单相构成，增强相为M6C和M23C6型碳化物；在1100~1200 ℃范围内，随着热处理温度升高，块状M6C型碳化物和颗粒状M23C6型碳化物长大，ε-Co相减少并消失，合金的致密度提高，抗拉强度增加，但当热处理温度超过1200 ℃，合金的性能无明显变化；在1200 ℃ × 4 h/炉冷条件下进行热处理，合金的性能最佳，硬度为63.5HRC，抗拉强度为408 MPa。
采用粉末冶金法制备Co-Cr-W合金，利用SEM、EPMA等研究热处理温度对合金微观组织和性能的影响。结果表明：Co-Cr-W合金在1100 ℃ × 4 h/炉冷条件下进行热处理，合金的相组成与未热处理前相同，基体由γ-Co和ε-Co双相构成，合金中的碳化物增强相为富W的M6C和富Cr的M23C6型碳化物；在1150~1250 ℃热处理4 h，合金基体为γ-Co单相构成，增强相为M6C和M23C6型碳化物；在1100~1200 ℃范围内，随着热处理温度升高，块状M6C型碳化物和颗粒状M23C6型碳化物长大，ε-Co相减少并消失，合金的致密度提高，抗拉强度增加，但当热处理温度超过1200 ℃，合金的性能无明显变化；在1200 ℃ × 4 h/炉冷条件下进行热处理，合金的性能最佳，硬度为63.5HRC，抗拉强度为408 MPa。
2018, 38(6): 36-42.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000049
摘要:
研究阳极氧化电流密度、持续时间、封闭对镁锂合金表面阳极氧化膜层热控性能的影响规律，并测试膜层的微观形貌、热控性能、结合力、厚度均一性、常压热循环性能以及耐蚀性。结果表明：膜层半球发射率εH随着电流密度、持续时间的增加而增大，最终稳定在0.85～0.87之间；封闭对膜层半球发射率εH影响较小，封闭前后变化范围在 ± 0.05以内；膜层可通过96 h中性盐雾考核。
研究阳极氧化电流密度、持续时间、封闭对镁锂合金表面阳极氧化膜层热控性能的影响规律，并测试膜层的微观形貌、热控性能、结合力、厚度均一性、常压热循环性能以及耐蚀性。结果表明：膜层半球发射率εH随着电流密度、持续时间的增加而增大，最终稳定在0.85～0.87之间；封闭对膜层半球发射率εH影响较小，封闭前后变化范围在 ± 0.05以内；膜层可通过96 h中性盐雾考核。
2018, 38(6): 43-49.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000009
摘要:
在第二代镍基单晶高温合金中复合添加Y-La，经定向凝固后得到5.26 × 10–4%（质量分数）Y + 6.05 × 10–4% La和47.64 × 10–4% Y + 69.09 × 10–4% La的两种Y-La含量合金铸件，研究Y-La对合金定向凝固过程中合金熔体与Al2O3基陶瓷间的界面反应行为以及合金在1100 ℃下循环氧化时抗氧化性能的影响。采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪等研究合金熔体与陶瓷材料间的界面组织形貌及界面反应产物成分以及循环氧化后合金表面氧化物的组织形貌、元素组成和相关物相。结果表明：Y-La含量增加会促进合金熔体与陶瓷间的界面反应，使得界面反应层更厚，更复杂；反应产物主要是含Y、La的氧化物；Y-La添加明显提高了合金的抗氧化性能，减少合金表面氧化膜的剥落；但Y-La过量会恶化合金的抗氧化性能，加快合金的氧化增重速率；合金表面氧化膜剥落痕迹明显，孔洞较多且内氧化严重。
在第二代镍基单晶高温合金中复合添加Y-La，经定向凝固后得到5.26 × 10–4%（质量分数）Y + 6.05 × 10–4% La和47.64 × 10–4% Y + 69.09 × 10–4% La的两种Y-La含量合金铸件，研究Y-La对合金定向凝固过程中合金熔体与Al2O3基陶瓷间的界面反应行为以及合金在1100 ℃下循环氧化时抗氧化性能的影响。采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪等研究合金熔体与陶瓷材料间的界面组织形貌及界面反应产物成分以及循环氧化后合金表面氧化物的组织形貌、元素组成和相关物相。结果表明：Y-La含量增加会促进合金熔体与陶瓷间的界面反应，使得界面反应层更厚，更复杂；反应产物主要是含Y、La的氧化物；Y-La添加明显提高了合金的抗氧化性能，减少合金表面氧化膜的剥落；但Y-La过量会恶化合金的抗氧化性能，加快合金的氧化增重速率；合金表面氧化膜剥落痕迹明显，孔洞较多且内氧化严重。
2018, 38(6): 50-56.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000062
摘要:
采用激光选区熔化（selective laser melting, SLM）技术制备Hastelloy X合金并进行热处理与热等静压。分析晶粒组织与析出相特性，研究合金的常高温拉伸性能。结果表明：热处理+热等静压后，纵向截面中部分晶粒为柱状晶形态，而横向截面中晶粒基本为等轴晶组织；立方结构的碳化物在晶粒内部和晶界上大量析出，并在晶界处呈连续分布；与SLM成形Hastelloy X横向试棒相比，纵向试棒的抗拉强度低而塑性较高；横向与纵向试棒的拉伸断口均呈现韧性断裂特征；SLM成形Hastelloy X合金室温拉伸性能达到锻造Hastelloy X合金的95%以上，而600 ℃高温抗拉强度约为锻造合金的85%。
采用激光选区熔化（selective laser melting, SLM）技术制备Hastelloy X合金并进行热处理与热等静压。分析晶粒组织与析出相特性，研究合金的常高温拉伸性能。结果表明：热处理+热等静压后，纵向截面中部分晶粒为柱状晶形态，而横向截面中晶粒基本为等轴晶组织；立方结构的碳化物在晶粒内部和晶界上大量析出，并在晶界处呈连续分布；与SLM成形Hastelloy X横向试棒相比，纵向试棒的抗拉强度低而塑性较高；横向与纵向试棒的拉伸断口均呈现韧性断裂特征；SLM成形Hastelloy X合金室温拉伸性能达到锻造Hastelloy X合金的95%以上，而600 ℃高温抗拉强度约为锻造合金的85%。
2018, 38(6): 57-63.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000043
摘要:
以双酚A型氰酸酯（BACE）/聚丁二烯环氧树脂（PBEP）聚合物为基体，超导炭黑（CB）为增强材料，采用模压成型工艺制备形状记忆复合材料。研究炭黑含量对形状记忆复合材料形状记忆性能以及电致效率的影响。结果表明：在所制备样品中形状固定率均为100%，CB含量为2.4%时，导电通路形成，180 V下形状记忆复合材料可完全回复；随着炭黑含量的增加，展开负荷逐渐增加，当CB含量2.6%时，展开负荷达到最大值0.05 MPa。
以双酚A型氰酸酯（BACE）/聚丁二烯环氧树脂（PBEP）聚合物为基体，超导炭黑（CB）为增强材料，采用模压成型工艺制备形状记忆复合材料。研究炭黑含量对形状记忆复合材料形状记忆性能以及电致效率的影响。结果表明：在所制备样品中形状固定率均为100%，CB含量为2.4%时，导电通路形成，180 V下形状记忆复合材料可完全回复；随着炭黑含量的增加，展开负荷逐渐增加，当CB含量2.6%时，展开负荷达到最大值0.05 MPa。
2018, 38(6): 64-70.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000069
摘要:
采用非等温动态差示量热扫描法（DSC）研究双马来酰亚胺（BMI）/聚醚砜（PES）复相树脂体系的固化特性，利用SEM观察微观相结构，利用旋转流变仪考察BMI/PES复相体系的化学流变性能，探讨相分离与流变性能的关系。结果表明：随着升温速率增大，BMI/PES-25树脂固化反应速率加快，固化特征温度均向高温移动，但固化热焓基本不变。化学流变性能显示，树脂黏度随温度升高首先保持恒定（110～150 ℃），接着快速增长；体系中PES添加量越大，其对应低黏度的温度区间越宽；在180～200 ℃的温度区间内，BMI/PES-25树脂体系的黏度发生了一次明显降低，这种现象可能反映了树脂微观相结构经历了由双连续向相反转的演变；BMI/PES-20复相体系的黏度在190～200 ℃的温度区间内，没有发生明显变化，超过200 ℃，黏度随温度快速增长；其余BMI/PES复相体系在180 ℃以上，黏度随温度快速增大；SEM结果表明，BMI/PES-20、BMI/PES-15、BMI/PES-10及BMI/PES-5复相树脂在180～200 ℃温度区间仅发生了相结构的熟化。
采用非等温动态差示量热扫描法（DSC）研究双马来酰亚胺（BMI）/聚醚砜（PES）复相树脂体系的固化特性，利用SEM观察微观相结构，利用旋转流变仪考察BMI/PES复相体系的化学流变性能，探讨相分离与流变性能的关系。结果表明：随着升温速率增大，BMI/PES-25树脂固化反应速率加快，固化特征温度均向高温移动，但固化热焓基本不变。化学流变性能显示，树脂黏度随温度升高首先保持恒定（110～150 ℃），接着快速增长；体系中PES添加量越大，其对应低黏度的温度区间越宽；在180～200 ℃的温度区间内，BMI/PES-25树脂体系的黏度发生了一次明显降低，这种现象可能反映了树脂微观相结构经历了由双连续向相反转的演变；BMI/PES-20复相体系的黏度在190～200 ℃的温度区间内，没有发生明显变化，超过200 ℃，黏度随温度快速增长；其余BMI/PES复相体系在180 ℃以上，黏度随温度快速增大；SEM结果表明，BMI/PES-20、BMI/PES-15、BMI/PES-10及BMI/PES-5复相树脂在180～200 ℃温度区间仅发生了相结构的熟化。
2018, 38(6): 71-76.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000152
摘要:
传统的热亚胺化方式会对含氟聚酰亚胺的应用范围造成限制，但低温亚胺化会对其性能造成一定影响。以含氟单体4, 4'-（六氟异丙烯）二酞酸酐（6FDA）和4, 4'-二氨基-2, 2'-双三氟甲基联苯（TFMB）合成聚酰胺酸（PAA），然后分别通过80 ℃/1 h，110 ℃/2 h，150 ℃/2 h，200 ℃/1 h，250 ℃/30 min，300 ℃/30 min梯度升温热亚胺化和加入乙酸酐/吡啶混合液的方式使其亚胺化，制备两种聚酰亚胺（PI）薄膜，对薄膜各项性能进行表征。结果表明：由化学亚胺化制备的薄膜拥有更好的透明性、溶解性和力学性能；而热亚胺化制成的薄膜拥有较小的相对介电常数、较高的热分解温度和更高的亚胺化率。
传统的热亚胺化方式会对含氟聚酰亚胺的应用范围造成限制，但低温亚胺化会对其性能造成一定影响。以含氟单体4, 4'-（六氟异丙烯）二酞酸酐（6FDA）和4, 4'-二氨基-2, 2'-双三氟甲基联苯（TFMB）合成聚酰胺酸（PAA），然后分别通过80 ℃/1 h，110 ℃/2 h，150 ℃/2 h，200 ℃/1 h，250 ℃/30 min，300 ℃/30 min梯度升温热亚胺化和加入乙酸酐/吡啶混合液的方式使其亚胺化，制备两种聚酰亚胺（PI）薄膜，对薄膜各项性能进行表征。结果表明：由化学亚胺化制备的薄膜拥有更好的透明性、溶解性和力学性能；而热亚胺化制成的薄膜拥有较小的相对介电常数、较高的热分解温度和更高的亚胺化率。
2018, 38(6): 77-82.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000077
摘要:
采用硅烷偶联剂对W型铁氧体类吸收剂和F型铁氧体类吸收剂进行复合改性，通过扫描电镜（SEM）研究偶联剂改性对吸收剂微观结构的影响，分析复合改性对吸波材料电磁性能的影响，并通过有效媒质理论（effective medium theory）讨论吸收剂电磁参数理论值与实际值的差异。结果表明：通过吸收剂复合改性可以实现复合吸波材料的电磁性能调整，实现材料宽带匹配，提高吸波材料吸收效率；改性后的吸波材料在8~18 GHz时反射率小于–10 dB，最小反射值可达–14.5 dB，附着力为6.32 MPa；耐热性能实验后，吸波材料外观和反射率无明显变化，说明复合改性后吸波材料耐环境性能优异。
采用硅烷偶联剂对W型铁氧体类吸收剂和F型铁氧体类吸收剂进行复合改性，通过扫描电镜（SEM）研究偶联剂改性对吸收剂微观结构的影响，分析复合改性对吸波材料电磁性能的影响，并通过有效媒质理论（effective medium theory）讨论吸收剂电磁参数理论值与实际值的差异。结果表明：通过吸收剂复合改性可以实现复合吸波材料的电磁性能调整，实现材料宽带匹配，提高吸波材料吸收效率；改性后的吸波材料在8~18 GHz时反射率小于–10 dB，最小反射值可达–14.5 dB，附着力为6.32 MPa；耐热性能实验后，吸波材料外观和反射率无明显变化，说明复合改性后吸波材料耐环境性能优异。
2018, 38(6): 83-88.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000202
摘要:
高性能碳纤维增强复合材料已成为一种重要的航空材料，在复合材料结构服役过程中分层破坏是一种常见的失效模式。针对T800/环氧复合材料不同加载混合比下的分层行为，对具有0°/45°预制分层界面的复合材料层压板分别开展双悬臂梁（DCB）、三点弯（ENF）和混合模式弯曲（MMB）实验，获得复合材料张开型（I型）、滑开型（II型）和I/II混合型分层的断裂韧度，研究其分层扩展行为。结果表明：不同加载混合比（II型分层载荷所占比例）下分层的断裂韧度和分层扩展行为显著不同，加载混合比越大，分层断裂韧度值越高，稳定的分层扩展行为越难保持。基于对实验数据的拟合，建立了一个任意加载混合比下0°/45°分层界面断裂韧度的预测公式。
高性能碳纤维增强复合材料已成为一种重要的航空材料，在复合材料结构服役过程中分层破坏是一种常见的失效模式。针对T800/环氧复合材料不同加载混合比下的分层行为，对具有0°/45°预制分层界面的复合材料层压板分别开展双悬臂梁（DCB）、三点弯（ENF）和混合模式弯曲（MMB）实验，获得复合材料张开型（I型）、滑开型（II型）和I/II混合型分层的断裂韧度，研究其分层扩展行为。结果表明：不同加载混合比（II型分层载荷所占比例）下分层的断裂韧度和分层扩展行为显著不同，加载混合比越大，分层断裂韧度值越高，稳定的分层扩展行为越难保持。基于对实验数据的拟合，建立了一个任意加载混合比下0°/45°分层界面断裂韧度的预测公式。
2018, 38(6): 89-96.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000028
摘要:
针对大型、薄壁、复杂、整体、精密钛合金铸件各区域组织分布差异较大的问题，提出一种基于组织统计分析的大型铸件无损评估方法，在不破坏铸件的前提下，通过手持式显微镜获得铸件表层组织信息，建立表层组织统计学模型，给出铸件组织整体分布结果。通过对比分析无损评估获得的组织分布结果（A方法）与解剖取样后表层金相检测结果（B方法），研究该无损评估方法的可行性。结果表明：大型ZTC4钛合金铸件的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布曲线的半高宽均符合高斯分布特征；采用无损评估方法能够有效评估其组织分布状况；本实验条件下，两种方法获得的铸件晶粒尺寸均值均随壁厚增加而线性增大，其变化率偏差在6%的范围内；所得晶粒尺寸分布曲线半高宽的相对偏差随铸件壁厚的增加呈指数增加的趋势，趋近于26%。
针对大型、薄壁、复杂、整体、精密钛合金铸件各区域组织分布差异较大的问题，提出一种基于组织统计分析的大型铸件无损评估方法，在不破坏铸件的前提下，通过手持式显微镜获得铸件表层组织信息，建立表层组织统计学模型，给出铸件组织整体分布结果。通过对比分析无损评估获得的组织分布结果（A方法）与解剖取样后表层金相检测结果（B方法），研究该无损评估方法的可行性。结果表明：大型ZTC4钛合金铸件的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布曲线的半高宽均符合高斯分布特征；采用无损评估方法能够有效评估其组织分布状况；本实验条件下，两种方法获得的铸件晶粒尺寸均值均随壁厚增加而线性增大，其变化率偏差在6%的范围内；所得晶粒尺寸分布曲线半高宽的相对偏差随铸件壁厚的增加呈指数增加的趋势，趋近于26%。
