2023年  第43卷  第5期

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2023-05期封面+目录+封底
2023, 43(5).
摘要:
综述
航空增材制造技术中的跨尺度力学研究进展
於之杰, 徐碧涵, 王向盈, 孙启星, 王艳飞
2023, 43(5): 1-9. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000091
摘要:
金属增材制造技术及产品在航空领域中有广阔应用前景,其中既需要结构尺度上的优化设计也需要材料尺度上的精细控制和高效利用。材料微结构作为金属增材制造的典型特征之一,会对材料带来不可避免的性能影响。研究表明,一方面增材制造材料的均匀性、韧性、疲劳断裂特性常常不如传统材料,而另一方面其强度、硬度、耐磨损性能等又往往较传统材料更高,这是微纳米尺度中的尺度效应对具有微结构的金属材料带来的显著影响。在不同的微观非均匀性的情况下,材料能够在强度与韧性间得到一个更优的平衡,而这些方法和成果同时非常适用于增材制造金属材料。因此,增材制造的工艺特性以及人为设计所引入的非均匀结构有望显著提升金属材料的综合性能,对于航空领域的金属增材制造的应用具有重要的指导价值,但其中的许多问题尚不明晰,与材料的其他性能间的协同和拮抗关系还值得进一步研究。
研究论文
SiC/AZ31反贝壳结构复合材料的拉伸性能
何博, 罗茜, 常超, 赵科, 刘金铃
2023, 43(5): 10-19. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000048
摘要:
结合机械球磨和热变形工艺制备具有反贝壳结构的SiC/AZ31复合材料,通过工艺控制对复合材料微观结构进行有效调控。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等对材料的微观结构进行表征,通过准静态拉伸实验测试材料的力学性能,并结合其微观形貌对强韧化机理与失效机制进行初步分析。结果表明:通过热变形工艺获得的反贝壳结构可以明显提升镁基复合材料的拉伸性能;当反贝壳结构复合材料基体的应变硬化能力得到提升时,能更好地补偿硬相中裂纹增殖带来的软化效应,复合材料的应变硬化能力得到提升。通过调控反贝壳材料软相片层尺寸,可以实现对拉伸性能的调控。软相片层较大时,材料拥有更好的韧性;软相片层较小时,材料拥有更高的强度。反贝壳结构复合材料良好的强韧性与其结构特点密不可分,其连续的硬相很好地起到了承载作用,而弥散的软相片层则有助于提升复合材料的韧性。该材料的主要强化机制包括弥散强化、细晶强化与异构形变诱导强化,而韧性的提高则归功于软相片层诱导的裂纹钝化和偏转。
SiCp/2024Al复合材料板材的显微组织、力学性能及加工硬化行为
薛鹏鹏, 曹富翔, 邓坤坤, 聂凯波, 刘力
2023, 43(5): 20-28. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000114
摘要:
采用超声波辅助半固态搅拌铸造工艺制备SiCp/2024Al复合材料,对其进行两步热变形(挤压和轧制),得到厚度为1 mm的SiCp/2024Al复合材料板材,研究SiCp含量对显微组织和力学性能的影响。结果表明:轧制态2024铝合金由带状晶粒和大块CuAl2相组成;因SiCp对铝基体动态再结晶形核的促进作用,致使2024铝基体晶粒尺寸显著细化;随着SiCp体积分数的增加,其宏观分布更加均匀;两步变形导致SiCp与CuAl2相的破碎,破碎程度随SiCp体积分数增大而增大,当SiCp体积分数为15%时,SiCp尺寸降至约4.9 μm;随SiCp体积分数的增加,屈服强度逐渐增大,当SiCp体积分数为10%时,SiCp/2024Al复合材料的综合力学性能最为优异,其屈服强度、极限抗拉强度和断后伸长率分别达到305、490 MPa和8%;随着SiCp体积分数的增加,SiCp/2024Al复合材料的热膨胀系数降低,弹性模量提高,当SiCp体积分数为15% 时,弹性模量可达96 GPa,相较于2024铝合金,提高了37.1%。
包覆氧化镁碳纳米管增强AZ91复合材料摩擦磨损性能
袁秋红, 周国华, 廖琳, 王槟, 张磊, 肖汕
2023, 43(5): 29-38. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000040
摘要:
采用粉末冶金+热挤压成形+T4热处理工艺制备包覆氧化镁碳纳米管(MgO coated CNTs, MgO@CNTs)增强的AZ91镁合金复合材料(AZ91-MgO@CNTs),研究干滑动摩擦条件下MgO@CNTs含量、不同载荷对AZ91-MgO@CNTs磨损面形貌、磨屑形貌和耐磨性能的影响。结果表明:MgO@CNTs能显著提高AZ91-MgO@CNTs的摩擦磨损性能,且随着MgO@CNTs含量的增加,对复合材料耐磨性能的增强效果呈现先增大后下降的趋势;与纯CNTs增强的镁合金复合材料(AZ91-CNTs)相比,AZ91-MgO@CNTs具有更小的摩擦因数和更低的磨损量,表明MgO@CNTs在改善镁合金耐磨性能方面更有优势;载荷较低时(10 N),AZ91-MgO@CNTs的磨损机制主要为磨粒磨损;当载荷为50 N时,AZ91-MgO@CNTs出现磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损三种磨损机制。
TC17和TC4合金锻件的动态响应及绝热剪切行为
陈钰浩, 闵小华, 张海洋, 戴进财, 周轶群
2023, 43(5): 39-49. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000105
摘要:
利用SHPB装置研究高应变速率下TC17和TC4合金锻件的动态力学性能,并利用OM、SEM和EBSD分析两种合金的绝热剪切行为。结果表明:随着应变速率的增加,两种合金的强度均呈现出升高趋势,表现出应变速率强化效应;与TC17合金相比,TC4合金在相同应变速率下具有更大的塑性应变和动态吸收能;TC17合金经β锻造后获得网篮组织,板条状α相和残余β相形成了大量的相界面,增加了绝热剪切带(ASB)的形成位置,且ASB在扩展过程中容易出现分叉现象;TC4合金经α+β锻造后具有双态组织,等轴状初生α相具有较好的延展性,提高了合金的动态塑性变形能力,合金中排列较规则的片层状次生α相导致相界面减少,ASB的数目较少且难以分叉;在动态压缩中断条件下,TC17合金中ASB的萌生时刻早,萌生孕育能低;TC17合金的绝热剪切敏感性高于TC4合金,且两种合金的绝热剪切敏感性均随着应变速率增加而升高。
Mg-Sn共晶合金的凝固组织演化及晶体生长机理
唐玲, 刘文义, 王永善
2023, 43(5): 50-57. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000149
摘要:
采用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS),研究自由凝固下Mg-Sn共晶合金在不同凝固阶段的组织、相的生长形态及相组成等。探讨Mg-Sn共晶合金的晶体生长机制以及冷却速度对合金显微组织的影响。结果表明:Mg-Sn亚共晶合金中的凝固组织为六角蔷薇花状的初生α-Mg相和共晶Mg/Mg2Sn层片组织的混合结构;Mg-Sn过共晶合金中的凝固组织为棱角分明的初生Mg2Sn金属间化合物相和共晶Mg/Mg2Sn层片组织的混合结构;在亚共晶成分范围内,随着Sn含量的增加,初生α-Mg相含量减少,共晶相含量增多;随着冷却速率的提高,合金组织得到了明显的细化;初生α-Mg相为非小平面相,初生Mg2Sn金属间化合物相为小平面相。
DD6单晶高温合金非对称循环载荷低周疲劳性能及断裂机制
李维, 赵春玲, 张鑫, 王强, 李璞, 方向, 彭文雅
2023, 43(5): 58-66. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000010
摘要:
研究DD6单晶高温合金在700 ℃、R=0.05条件下的低周疲劳性能,采用扫描电镜观察断口形貌和断裂组织,分析疲劳裂纹萌生、扩展及断裂机制。结果表明:随着应变幅增加,合金的低周疲劳寿命降低,合金在非对称循环载荷条件下具有良好的低周疲劳性能,不存在过渡寿命,低周疲劳过程中弹性应变起主要作用,塑性变形量极小。随着总应变幅的增加,塑性变形损伤增加;疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区三部分组成,所有试样断裂机制均为类解理断裂。疲劳裂纹萌生于试样的表面、亚表面或远离表面的显微孔洞,远离表面起裂断口呈现“鱼眼”特征。裂纹先沿与主应力轴垂直方向扩展,然后沿{111}平面扩展,裂纹扩展区有典型的疲劳条带、解理台阶、河流状花样特征,瞬断区有解理平面、滑移带、撕裂棱特征;断裂组织分析表明远离断口处γ′相仍保持立方状形态,断口附近的γ′相发生了塑性变形,断口附近可见滑移带,二次裂纹沿滑移带形成。
一种无机盐铝涂层涂覆镍基粉末高温合金的高温氧化组织分析
李佳琳, 杨杰, 穆春辉, 姜国杰, 刘光旭, 王晓峰, 邹金文
2023, 43(5): 67-75. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000003
摘要:
使用TWL12+TWL20无机盐铝涂层喷涂于镍基粉末高温合金表面,采用XRD、SEM、EPMA和TEM研究无机盐铝涂层与粉末高温合金经700、750、800 ℃高温氧化后的组织变化。结果表明:高温氧化后涂层表层结构出现剥落,涂层中的铝与基体合金发生扩散,形成由氧化区、扩散区、互扩散区组成的过渡层,其中氧化区为最外层,该区域主要富集O、Al元素,形成Al2O3层;随之的扩散区主要含有Ni、Al元素,形成NiAl相及在其中弥散分布的α-Cr相;最后是富集Ti、Cr、Co、Ta等元素的互扩散区,存在于扩散区与基体之间,主要由Ni2AlTi相基体及在其中弥散分布的σ相组成;分析表明过渡层厚度随着氧化温度升高而变化,主要表现为互扩散区宽度增加,扩散区中的α-Cr相与互扩散区的σ相尺寸增大,且σ相沿垂直过渡区方向生长的趋势加剧;氧化增重曲线表明,涂层表层结构脱落后,过渡层在750、800 ℃高温氧化过程中表现出良好的抗氧化性能,说明TWL12+TWL20无机盐铝涂层具有为航空发动机用先进粉末高温合金提供高温氧化涂层保护的潜力。
Al填料改性PIP-2D SiCf/SiC复合材料力学性能和电磁屏蔽性能
雷强, 段士昌, 豆永青, 李倩, 李候俊, 田佳豪
2023, 43(5): 76-83. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000067
摘要:
以Al粉为活性填料,采用先驱体浸渍裂解法(PIP法)制备二维连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D SiCf/SiC复合材料),采用XRD、SEM和热失重仪分析不同Al粉含量对聚碳硅烷裂解产物的组织成分演变行为,采用力学试验机和矢量网络分析仪研究不同Al粉含量对复合材料的力学及电磁屏蔽性能影响。结果表明:随着Al填料质量分数从0%增加至40%,复合材料弯曲强度先升高后下降,最高可达383 MPa;Al填料的引入使得复合材料复介电常数逐渐升高,电磁屏蔽效能逐渐增加至26 dB,得到了显著的提升,电磁屏蔽效能大幅度提升主要原因是Al填料含量增加引起复合材料复介电常数虚部显著增加。
航空发动机复合材料声衬声学模型构建及吸声性能仿真
杨智勇, 侯鹏, 蒋文革, 杨磊, 左小彪, 耿东兵, 朱中正, 李华
2023, 43(5): 84-96. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000151
摘要:
声衬是降低发动机噪声的重要组件。本工作计算不同流场状态下管道模态声源特征,并以此作为Actran软件背景流场计算及声传播计算的输入边界,建立声传播模型,研究单自由度声衬与双自由度声衬消音板孔直径、孔间距、蜂窝高度和消音板厚度4种结构参数对吸声效果的影响规律。仿真结果表明:两种自由度声衬都表现出在一定孔直径范围内穿孔直径越小,吸声性能越好的现象;孔间距、蜂窝高度和消音板厚度对吸声性能的影响随频率变化;在2500 Hz以上双自由度声衬耗散功率较大,吸声效果好。通过在流管实验对比验证,比较不同结构声衬在不同激励源下的传递损失,得到合理可信的仿真方法。
含孔纤维增强铝合金层板拉伸损伤失效行为的声发射分析
郑颖骁, 张劢, 胡可军, 段刘阳, 韩文钦, 石庆贺, 朱福先
2023, 43(5): 97-105. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000027
摘要:
采用声发射技术(AE)和数字图像相关技术(DIC)相结合的方法对含孔GLARE层板的静载轴向拉伸损伤过程进行实时监测,研究开孔尺寸对其力学行为及失效机理的影响。基于k均值(k-means)方法确定不同损伤模式的峰值频率(PF)范围,并结合幅值(PA)、能量(E)以及累计撞击数等AE特征参数分析含孔GLARE层板的拉伸失效机理。结果表明:GLARE层板在整个拉伸过程中主要存在四种损伤模式,即金属层板损伤、基体开裂、纤维剥离与分层损伤和纤维断裂;四种损伤模式的发生在时间上具有时序性;开孔尺寸对GLARE的承载能力具有显著影响;随着孔径的增大,试样在失效阶段末期由突然断裂变为延性断裂。
基于面胞-内胞建模的三维编织复合材料冰球撞击分析方法及验证
赵子豪, 刘璐璐, 徐凯龙, 罗刚, 赵振华, 陈伟
2023, 43(5): 106-114. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000173
摘要:
针对碳/环氧树脂三维四向编织复合材料开展冰球高速冲击下的损伤研究。应用空气炮冲击实验系统,分别用三种不同冲击速度进行冲击实验,对试件的主要损伤位置进行工业CT扫描,观察其内部损伤形式。分别考虑面胞区域和内胞区域的不同,应用宏观本构模型和冰球的应变率相关材料模型建立冰球冲击三维编织复合材料的有限元仿真模型,研究复合材料厚度和冰球冲击角度对材料损伤的影响,并与实验进行对比验证。结果表明:面胞区域的基体损伤程度相较于内胞区域更严重;迎弹面的损伤面积一般要大于背弹面;斜撞击的冲击角度对损伤面积和损伤位置有所影响,随着冲击角度降低,复合材料的损伤面积也会减小;提升复合材料板的厚度可以提高吸收能量的能力并降低材料损伤面积。

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