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中国航空学会
中国航发北京航空材料研究院
2019年39卷1期
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2019, 39(1): 1-8.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.001017
摘要:
系统归纳总结了具有不同晶体结构的Mg-Li系合金，即密排六方结构（HCP）型单相镁锂合金、体心立方（BCC）型单相镁锂合金和（HCP+BCC）型双相镁锂合金腐蚀行为（局部腐蚀、腐蚀类型和腐蚀产物等）的研究进展、合金化和加工处理方法对腐蚀性能的影响规律。展望了镁锂合金抗腐蚀性能提升的研究方向，未来镁锂合金腐蚀行为的研究应集中在对表面产物层的结构、有效组分和其随时间的演化规律方面进行深入的研究；同时，需要考虑合金元素的添加对膜层防护效果的影响；此外，还需研究因大塑性变形加工所引起镁锂合金晶体学织构的变化对腐蚀行为的影响。
系统归纳总结了具有不同晶体结构的Mg-Li系合金，即密排六方结构（HCP）型单相镁锂合金、体心立方（BCC）型单相镁锂合金和（HCP+BCC）型双相镁锂合金腐蚀行为（局部腐蚀、腐蚀类型和腐蚀产物等）的研究进展、合金化和加工处理方法对腐蚀性能的影响规律。展望了镁锂合金抗腐蚀性能提升的研究方向，未来镁锂合金腐蚀行为的研究应集中在对表面产物层的结构、有效组分和其随时间的演化规律方面进行深入的研究；同时，需要考虑合金元素的添加对膜层防护效果的影响；此外，还需研究因大塑性变形加工所引起镁锂合金晶体学织构的变化对腐蚀行为的影响。
2019, 39(1): 9-16.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.001018
摘要:
为了获得组织分布均匀且综合性能好的较大改性区，对Mg-Zn-Y-Nd合金厚板进行单面和双面搅拌摩擦加工，并对其组织和性能进行研究。结果表明：经搅拌摩擦加工后合金的微观组织均得到了显著细化，单面和双面搅拌摩擦加工后合金搅拌区的上部、中部和下部样品的平均晶粒尺寸依次分别为4.45 μm、5.08 μm、5.30 μm和3.93 μm、3.20 μm、3.19 μm；相比于均匀化退火态合金和单面搅拌摩擦加工态合金，双面搅拌摩擦加工态合金的组织分布更加均匀和细小，其下层搅拌区的抗拉强度和伸长率最高，分别为283.3 MPa和23.9%，且耐腐蚀性能最好，腐蚀方式由点蚀变为均匀腐蚀。
为了获得组织分布均匀且综合性能好的较大改性区，对Mg-Zn-Y-Nd合金厚板进行单面和双面搅拌摩擦加工，并对其组织和性能进行研究。结果表明：经搅拌摩擦加工后合金的微观组织均得到了显著细化，单面和双面搅拌摩擦加工后合金搅拌区的上部、中部和下部样品的平均晶粒尺寸依次分别为4.45 μm、5.08 μm、5.30 μm和3.93 μm、3.20 μm、3.19 μm；相比于均匀化退火态合金和单面搅拌摩擦加工态合金，双面搅拌摩擦加工态合金的组织分布更加均匀和细小，其下层搅拌区的抗拉强度和伸长率最高，分别为283.3 MPa和23.9%，且耐腐蚀性能最好，腐蚀方式由点蚀变为均匀腐蚀。
2019, 39(1): 17-25.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.001019
摘要:
含钛氧化膜因具有自封孔现象而引起关注。采用四因素三水平正交实验，研究氟钛酸钾（K2TiF6）、植酸（H12Phy）和氟化钠（NaF）浓度以及终电压对氧化膜耐蚀性影响，使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和电化学方法表征涂层性能。结果表明：影响氧化膜耐蚀性的主次顺序是植酸浓度 > NaF浓度 > 终电压 > K2TiF6浓度；氧化膜主要由TiO2、MgF2、Mg2PO4F和Mg2TiO4组成；微弧氧化膜可明显提高镁合金的耐蚀性，但随着浸泡时间延长，膜层耐蚀性降低。
含钛氧化膜因具有自封孔现象而引起关注。采用四因素三水平正交实验，研究氟钛酸钾（K2TiF6）、植酸（H12Phy）和氟化钠（NaF）浓度以及终电压对氧化膜耐蚀性影响，使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和电化学方法表征涂层性能。结果表明：影响氧化膜耐蚀性的主次顺序是植酸浓度 > NaF浓度 > 终电压 > K2TiF6浓度；氧化膜主要由TiO2、MgF2、Mg2PO4F和Mg2TiO4组成；微弧氧化膜可明显提高镁合金的耐蚀性，但随着浸泡时间延长，膜层耐蚀性降低。
2019, 39(1): 26-37.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.001016
摘要:
采用气相扩散法，在Mg-1Li-1Ca镁合金表面制备氢氧化镁/硬脂酸复合涂层，以提高镁合金的耐蚀性能。利用高分辨扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）对涂层的表面形貌和化学成分进行表征；通过电化学实验和腐蚀浸泡实验研究复合涂层的耐蚀性能，探讨复合涂层成膜机理和耐蚀机理。结果表明：Mg-1Li-1Ca合金表面氢氧化镁涂层呈紧密排列的花瓣状多孔结构，硬脂酸涂层未明显地改变氢氧化镁涂层形貌；因其具有较低的表面能，表现出良好的疏水性，有效地阻止了腐蚀介质进入涂层内部，增强了涂层的屏蔽作用；氢氧化镁/硬脂酸复合涂层的腐蚀电流密度（1.45 × 10–7A/cm2）比Mg-1Li-1Ca合金基体腐蚀电流密度（2.70 × 10–5A/cm2）降低了两个数量级。交流阻抗值表明，此复合涂层的电荷转移电阻约为基体的200倍。说明此复合涂层有效地提高了镁合金的耐蚀性能。
采用气相扩散法，在Mg-1Li-1Ca镁合金表面制备氢氧化镁/硬脂酸复合涂层，以提高镁合金的耐蚀性能。利用高分辨扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）对涂层的表面形貌和化学成分进行表征；通过电化学实验和腐蚀浸泡实验研究复合涂层的耐蚀性能，探讨复合涂层成膜机理和耐蚀机理。结果表明：Mg-1Li-1Ca合金表面氢氧化镁涂层呈紧密排列的花瓣状多孔结构，硬脂酸涂层未明显地改变氢氧化镁涂层形貌；因其具有较低的表面能，表现出良好的疏水性，有效地阻止了腐蚀介质进入涂层内部，增强了涂层的屏蔽作用；氢氧化镁/硬脂酸复合涂层的腐蚀电流密度（1.45 × 10–7A/cm2）比Mg-1Li-1Ca合金基体腐蚀电流密度（2.70 × 10–5A/cm2）降低了两个数量级。交流阻抗值表明，此复合涂层的电荷转移电阻约为基体的200倍。说明此复合涂层有效地提高了镁合金的耐蚀性能。
2019, 39(1): 38-47.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000186
摘要:
介绍了3D打印技术的发展概况、基本原理和技术特点。综述了国内外几种常用的钛合金3D打印技术：激光选区烧结成形技术（SLS）、激光选区熔化成形技术（SLM）、激光立体成形技术（LSF）、电子束选区熔化成形技术（EBSM）、电子束熔丝沉积成形技术（EBF3）等，综合比较，EBSM技术由于具有成形效率高、精度高、成本低和真空无污染等优点，是未来最具发展前景的钛合金3D打印技术。成形过程中缺陷的成因和检测是3D打印领域重要研究热点，也是3D打印件能否实现应用的基础。重点介绍了钛合金3D打印成形过程中主要缺陷（包括球化现象、裂纹、孔隙以及翘曲变形）的分类、危害和成因，以及3D打印件常用的无损检测技术，并结合国内外研究情况对各种缺陷的抑制或改善方法进行探讨。最后，从材料、设备、工艺和检测技术方面，对未来钛合金3D打印技术发展前景进行了展望。
介绍了3D打印技术的发展概况、基本原理和技术特点。综述了国内外几种常用的钛合金3D打印技术：激光选区烧结成形技术（SLS）、激光选区熔化成形技术（SLM）、激光立体成形技术（LSF）、电子束选区熔化成形技术（EBSM）、电子束熔丝沉积成形技术（EBF3）等，综合比较，EBSM技术由于具有成形效率高、精度高、成本低和真空无污染等优点，是未来最具发展前景的钛合金3D打印技术。成形过程中缺陷的成因和检测是3D打印领域重要研究热点，也是3D打印件能否实现应用的基础。重点介绍了钛合金3D打印成形过程中主要缺陷（包括球化现象、裂纹、孔隙以及翘曲变形）的分类、危害和成因，以及3D打印件常用的无损检测技术，并结合国内外研究情况对各种缺陷的抑制或改善方法进行探讨。最后，从材料、设备、工艺和检测技术方面，对未来钛合金3D打印技术发展前景进行了展望。
2019, 39(1): 48-54.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000098
摘要:
为分析TA15钛合金成分的微小变化与显微组织和力学性能之间的响应关系，利用电子万能拉力试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）装置测量了4种不同成分TA15钛合金的室温准静态拉伸性能和动态力学性能，结果表明：Zr元素对室温拉伸强度性能影响微弱，随着主合金元素Al、V和Mo元素含量的增加，初生α相含量减小，次生α相片层较细，合金的强度提高，塑性下降；在临界应变率范围内，合金成分的微小变化对动态力学性能的影响微弱，提高主合金元素Al、Zr、V和Mo元素含量，有利于提高合金的临界应变率，且在此临界应变率下具有优异的动态力学性能；对于空冷条件下获得的等轴组织TA15钛合金，初生α相体积分数越小、次生α相片层较细时有利于室温抗拉强度、临界应变率和动态力学性能的提高。
为分析TA15钛合金成分的微小变化与显微组织和力学性能之间的响应关系，利用电子万能拉力试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）装置测量了4种不同成分TA15钛合金的室温准静态拉伸性能和动态力学性能，结果表明：Zr元素对室温拉伸强度性能影响微弱，随着主合金元素Al、V和Mo元素含量的增加，初生α相含量减小，次生α相片层较细，合金的强度提高，塑性下降；在临界应变率范围内，合金成分的微小变化对动态力学性能的影响微弱，提高主合金元素Al、Zr、V和Mo元素含量，有利于提高合金的临界应变率，且在此临界应变率下具有优异的动态力学性能；对于空冷条件下获得的等轴组织TA15钛合金，初生α相体积分数越小、次生α相片层较细时有利于室温抗拉强度、临界应变率和动态力学性能的提高。
2019, 39(1): 55-61.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000085
摘要:
Ti6242作为一种力学性能优异的近α型钛合金，与其他近α和α+β型钛合金类似，在接近室温时表现出保载疲劳的特征。本研究借鉴钛合金保载疲劳敏感性随测试载荷提升而上升的变化规律，设计高载荷的低周疲劳和保载疲劳力学性能测试，结合微观组织观察、力学性能表征和断口分析，系统分析微观组织和高载荷作用下低周疲劳和保载疲劳损伤行为，建立微观组织与力学性能的联系，总结不同载荷条件下的断口特征与规律，评估高载荷测试条件下Ti6242钛合金保载疲劳敏感性，结果证明通过提高载荷来表征Ti6242钛合金的保载疲劳性能具有可行性。
Ti6242作为一种力学性能优异的近α型钛合金，与其他近α和α+β型钛合金类似，在接近室温时表现出保载疲劳的特征。本研究借鉴钛合金保载疲劳敏感性随测试载荷提升而上升的变化规律，设计高载荷的低周疲劳和保载疲劳力学性能测试，结合微观组织观察、力学性能表征和断口分析，系统分析微观组织和高载荷作用下低周疲劳和保载疲劳损伤行为，建立微观组织与力学性能的联系，总结不同载荷条件下的断口特征与规律，评估高载荷测试条件下Ti6242钛合金保载疲劳敏感性，结果证明通过提高载荷来表征Ti6242钛合金的保载疲劳性能具有可行性。
2019, 39(1): 62-69.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000101
摘要:
利用原位同步辐射技术对WE54镁合金时效过程进行研究。通过对比固溶态（T4）和固溶后冷轧预变形（T4-D）两组合金，揭示WE系列合金在300 ℃时效温度下析出相演变过程以及预变形对时效析出动力学的影响。原位时效研究表明：T4-D合金的强化相β1（Mg3（Nd, Y））在时效开始3 min后快速形核；时效9 min后β1开始向β（Mg14Nd2Y）转变，时效36 min后此转变结束，此后β占主导地位；对于T4合金的时效析出过程，β1在时效开始6 min后形核；时效18 min后β1开始向β转变；时效78 min后此转变结束。同步辐射衍射结合透射电子显微镜（TEM）结果分析发现：通过轧制预变形可以加速合金的时效进程并促进形成网状分布的时效析出相，这种分布有利于合金获得良好的时效强化效果。
利用原位同步辐射技术对WE54镁合金时效过程进行研究。通过对比固溶态（T4）和固溶后冷轧预变形（T4-D）两组合金，揭示WE系列合金在300 ℃时效温度下析出相演变过程以及预变形对时效析出动力学的影响。原位时效研究表明：T4-D合金的强化相β1（Mg3（Nd, Y））在时效开始3 min后快速形核；时效9 min后β1开始向β（Mg14Nd2Y）转变，时效36 min后此转变结束，此后β占主导地位；对于T4合金的时效析出过程，β1在时效开始6 min后形核；时效18 min后β1开始向β转变；时效78 min后此转变结束。同步辐射衍射结合透射电子显微镜（TEM）结果分析发现：通过轧制预变形可以加速合金的时效进程并促进形成网状分布的时效析出相，这种分布有利于合金获得良好的时效强化效果。
2019, 39(1): 70-78.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000107
摘要:
采用固溶 + 二级时效工艺对蠕变损伤DZ411合金进行常规恢复热处理，研究蠕变损伤合金组织恢复演化过程，并评价其力学性能。结果表明：蠕变损伤的DZ411合金中的一次γ′相发生明显球化和筏化，二次γ′相消失，未发现晶界蠕变孔洞；固溶处理对于回溶粗大形变γ′相，并重新析出细小均匀分布的γ′相至关重要，同时选择合适的固溶温度可避免初熔和再结晶；两级时效处理是优化γ′相尺寸、形态和配比的关键步骤；恢复后可获得大体积分数、双尺寸形态γ′相组织，二次和三次γ′相平均有效直径分别约为0.38 μm和0.07 μm，其体积分数分别约为47.5%和6.5%；恢复态合金室温强度与原始态合金相近，但在980 ℃/220 MPa下的持久寿命和伸长率分别达到121 h和13%，略低于原始态合金性能水平。
采用固溶 + 二级时效工艺对蠕变损伤DZ411合金进行常规恢复热处理，研究蠕变损伤合金组织恢复演化过程，并评价其力学性能。结果表明：蠕变损伤的DZ411合金中的一次γ′相发生明显球化和筏化，二次γ′相消失，未发现晶界蠕变孔洞；固溶处理对于回溶粗大形变γ′相，并重新析出细小均匀分布的γ′相至关重要，同时选择合适的固溶温度可避免初熔和再结晶；两级时效处理是优化γ′相尺寸、形态和配比的关键步骤；恢复后可获得大体积分数、双尺寸形态γ′相组织，二次和三次γ′相平均有效直径分别约为0.38 μm和0.07 μm，其体积分数分别约为47.5%和6.5%；恢复态合金室温强度与原始态合金相近，但在980 ℃/220 MPa下的持久寿命和伸长率分别达到121 h和13%，略低于原始态合金性能水平。
2019, 39(1): 79-88.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000045
摘要:
为研究航空发动机机匣在高温下的包容性能力，通过实验和数值模拟研究25 ℃和600 ℃下GH4169合金薄板受球型子弹冲击后的变形行为。弹道冲击实验通过轻气炮实施，子弹以不同初始速率冲击靶板。分析温度和冲击速率对靶板的变形、临界击穿速率、破坏变形模式以及能量吸收的影响。结果表明：高温下靶板的变形更大，靶板被击穿所吸收的能量更小，临界击穿速率更小；高温下靶板被穿透后由弯曲作用引起的花瓣状变形更明显。数值模拟研究通过有限元软件LS-DYNA实施，数值模拟中选用Johnson-Cook本构模型。采用高温分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术对GH4169高温合金进行测试，获得了材料在高温高应变率下的力学特性并拟合了Johnson-Cook本构模型参数。数值模拟研究的结果和实验结果进行了对比，显示了良好的一致性。
为研究航空发动机机匣在高温下的包容性能力，通过实验和数值模拟研究25 ℃和600 ℃下GH4169合金薄板受球型子弹冲击后的变形行为。弹道冲击实验通过轻气炮实施，子弹以不同初始速率冲击靶板。分析温度和冲击速率对靶板的变形、临界击穿速率、破坏变形模式以及能量吸收的影响。结果表明：高温下靶板的变形更大，靶板被击穿所吸收的能量更小，临界击穿速率更小；高温下靶板被穿透后由弯曲作用引起的花瓣状变形更明显。数值模拟研究通过有限元软件LS-DYNA实施，数值模拟中选用Johnson-Cook本构模型。采用高温分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术对GH4169高温合金进行测试，获得了材料在高温高应变率下的力学特性并拟合了Johnson-Cook本构模型参数。数值模拟研究的结果和实验结果进行了对比，显示了良好的一致性。
2019, 39(1): 89-95.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000211
摘要:
通过改变浓度、温度等凝固浴条件，获得取向行为不同的PAN原丝，采用声速法测定原丝的取向结构，使用X射线衍射仪、光学显微镜对PAN初生纤维的聚集态结构、截面形貌进行表征，建立原丝取向与初生纤维结构的相关性。依据取向度随牵伸倍数变化对数拟合曲线的斜率，定义原丝的分子链取向能力a，研究a与初生纤维结晶度的关联性。结果表明：初生纤维结晶度越高，PAN原丝可牵伸性越小，在同一牵伸倍数下纤维全取向度越高；原丝最大牵伸倍数受初生纤维径向结构影响显著，在凝固浴浓度74%时出现极大值；高溶剂含量的纤维分子链取向能力大于低溶剂含量的纤维；原丝的分子链取向能力随初生纤维结晶度增大而增大。
通过改变浓度、温度等凝固浴条件，获得取向行为不同的PAN原丝，采用声速法测定原丝的取向结构，使用X射线衍射仪、光学显微镜对PAN初生纤维的聚集态结构、截面形貌进行表征，建立原丝取向与初生纤维结构的相关性。依据取向度随牵伸倍数变化对数拟合曲线的斜率，定义原丝的分子链取向能力a，研究a与初生纤维结晶度的关联性。结果表明：初生纤维结晶度越高，PAN原丝可牵伸性越小，在同一牵伸倍数下纤维全取向度越高；原丝最大牵伸倍数受初生纤维径向结构影响显著，在凝固浴浓度74%时出现极大值；高溶剂含量的纤维分子链取向能力大于低溶剂含量的纤维；原丝的分子链取向能力随初生纤维结晶度增大而增大。
2019, 39(1): 96-101.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000055
摘要:
层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起，其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此，通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷，通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场，沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性，之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力，并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷，与实验结果吻合良好；本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。
层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起，其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此，通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷，通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场，沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性，之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力，并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷，与实验结果吻合良好；本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。
2019, 39(1): 102-107.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000035
摘要:
建立沿半径线形变厚度陶瓷基功能梯度材料(functionally graded material，FGM)圆板在热环境中后屈曲控制微分方程，采用打靶法研究陶瓷二氧化锆基变厚度圆板在温度场中的后屈曲行为，给出了均匀和非均匀升温场中变厚度圆板的热后屈曲平衡路径特性曲线，讨论陶瓷梯度指标和厚度变化系数对后屈曲行为的影响。数值结果表明：非均匀升温下FGM圆板的热临界载荷小于均匀升温下的临界载荷；径向厚度的变化并不会影响热临界载荷的值，但会影响到屈曲以后的平衡路径；中心挠度随变厚度系数的增加而增加。
建立沿半径线形变厚度陶瓷基功能梯度材料(functionally graded material，FGM)圆板在热环境中后屈曲控制微分方程，采用打靶法研究陶瓷二氧化锆基变厚度圆板在温度场中的后屈曲行为，给出了均匀和非均匀升温场中变厚度圆板的热后屈曲平衡路径特性曲线，讨论陶瓷梯度指标和厚度变化系数对后屈曲行为的影响。数值结果表明：非均匀升温下FGM圆板的热临界载荷小于均匀升温下的临界载荷；径向厚度的变化并不会影响热临界载荷的值，但会影响到屈曲以后的平衡路径；中心挠度随变厚度系数的增加而增加。
