- 中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊
- 中国核心期刊
- 文摘与引文数据库(Scopus)
- 剑桥科学文摘(CSA)
- 英国INSPEC数据库
电弧熔丝增材制造技术具有沉积效率高、原材料浪费少、设备成本低、能够沉积大型构件等优点，在航空航天领域受到广泛关注。然而，在其制造过程中仍然不可避免产生部分缺陷，影响构件的性能及其工业应用。将表面塑性变形技术与电弧熔丝增材复合是一种有效的解决方法。在增材制造过程中逐层进行表面塑性变形强化，有望实现增材制造构件非均匀组织、内部缺陷及残余应力的同步调控，最终实现三维整体强化。本文综述了近年来电弧熔丝增材制造与表面塑性变形复合制造工艺的研究现状，并重点介绍激光冲击强化这一非接触式表面强化工艺在复合制造工艺中的潜力。最后从理论发展、设备开发、在线控制的角度探讨复合制造工艺所面临的挑战及未来的发展趋势。
风挡的抗鸟撞能力是飞机结构强度设计的重要评价指标。随着数值模拟方法的持续迭代与创新，当前该项技术已被广泛运用于飞机风挡的抗鸟撞设计。本文综述了近年来关于飞机风挡鸟撞数值模拟问题的研究成果，主要涵盖两大方向：一类是鸟体几何模型与力学行为、不同数值分析方法的优缺点与实际运用等鸟撞问题的共性研究；另一类是风挡材料的动态力学性能、高应变率条件下平板结构与全尺寸风挡的动态响应与失效模式等特性方面的研究。特别是，本文基于积木式方法的理念，从材料级、元件级到全尺寸结构级，逐层递进地阐述了飞机风挡材料与结构的动态性能与失效行为的研究成果。然而，当前研究仍面临跨尺度力学行为耦合机制不清、高精度仿真与计算效率难以平衡、模型构建与优化高度依赖经验试错等瓶颈。因此，提出未来的研究应重点关注多尺度数值仿真、无网格方法的标准化与先进技术的推广、机器学习技术在飞机风挡鸟撞问题中的应用等领域。
单晶金刚石（single crystal diamond，SCD）凭借优异的力学、热学及光电性能，在航空航天、光电子、高功率电子器件及量子技术等领域具有重要应用价值。微波等离子体化学气相沉积（microwave plasma chemical vapor deposition，MPCVD）是制备高质量单晶金刚石的主流方法，但受限于籽晶尺寸以及大面积生长过程中应力累积、缺陷扩展和生长均匀性下降等问题，难以满足英寸级高品质单晶金刚石的规模化制备需求。马赛克拼接法通过多籽晶横向外延生长与界面融合，有效突破了单颗籽晶尺寸限制，为大尺寸单晶金刚石制备提供了新的技术路径。本文综述了近年来马赛克拼接法制备大尺寸高品质单晶金刚石的研究进展，重点分析拼接界面缺陷形成机制、应力演化规律以及台阶流调控对界面融合质量的影响，总结设备优化、籽晶预处理、界面调控及生长参数优化等关键技术。在此基础上，进一步指出未来研究应聚焦于高精度晶向匹配与界面原子级重构技术、低损伤可重复剥离工艺、大面积生长过程中温场-流场-等离子体场协同调控机制，以及原位监测与多尺度表征技术的构建，实现拼接界面缺陷密度降低、残余应力精准调控和生长均匀性提升，为英寸级高品质单晶金刚石晶圆的产业化制备提供理论基础与技术支撑。
在硅酸盐电解液中对15SiCP/2009铝基复合材料进行微弧氧化表面处理，利用光纤光谱仪采集不同电压下微弧放电过程的发射光谱（OES），并评估微弧放电等离子体特征参数随氧化时间的变化规律。采用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、辉光放电谱仪（GDOES）和X射线衍射（XRD）方法分析膜层的形貌、成分和相组成，提出氧化膜生长演变模型。复合材料基体的Al、Cu、Si、C和电解液的H、O、Na、Si等元素都参与微弧放电过程。微弧放电区等离子体温度范围为5000～10000 K，电子密度范围为4.0×1021～1.0×1022 m−3，达到局部热平衡状态。随电压升高，放电火花增强，电子温度和电子密度有所增加。SiC增强颗粒阻碍了氧化膜的生长，但是放电区的瞬间高温使得增强体逐渐被氧化、尺寸不断减小，同时也促进微弧氧化膜中γ-Al2O3、α-Al2O3和莫来石相的形成。
在FGH4095和FGH4096合金基础上，采用恒温氧化实验进一步研究FGH4097、FGH4099和新型镍基粉末高温合金FGHXX 750～1100 ℃的抗氧化性能。结果表明，FGH4097合金750～1100 ℃均未发生内氧化现象，氧化层主要成分为Al2O3，氧化层厚度较薄且增长缓慢，即使在1100 ℃氧化后也仅为10 μm。FGH4099和FGHXX在900 ℃以上氧化层出现明显分层现象，氧化层厚度随着氧化温度升高持续增加，1100 ℃时受氧化层脱落影响，厚度有所降低。FGH4099和FGHXX内氧化层主要成分均为Al2O3，900 ℃和1000 ℃氧化后FGH4099合金外氧化层主要成分有Cr2O3、TiO2、Ta2O5和Nb2O5，FGHXX外氧化层主要成分有Cr2O3、TiO2和Ta2O5，1100 ℃氧化后两种合金外氧化层主要成分为尖晶石相（Ni，Co）Cr2O4和Cr2O3。由于受到合金Al含量的影响，5种镍基粉末高温合金的氧化层组成和形貌不同，抗氧化性能由高到低依次为FGH4097>FGHXX≈FGH4099>FGH4095>FGH4096，该研究结果为航空发动机涡轮盘等部件选材提供理论和实践基础。
实现多工艺参数优化设计是增材制造领域面临的难题，数据驱动的性能预测模型是解决该难题的有效方法。日益积累的文献数据为数据驱动建模奠定了数据基础。本工作采用从选区激光熔化（selective laser melting，SLM）IN718合金相关文献中挖掘的工艺参数（激光功率、扫描速率、扫描间距和铺粉厚度）与相对密度数据作为样本数据，运用期望最大化算法补齐文献中缺失的参数数据；基于麻雀搜索算法（sparrow search algorithm，SSA）的广义回归神经网络（generalized regression neural network，GRNN）、基于开普勒优化算法（Kepler optimization algorithm，KOA）的随机森林（random forest，RF）和极限梯度提升（extreme gradient boosting，XGBoost）构建相对密度预测模型。通过决定系数R2、均方根误差（root mean square error，RMSE）、平均绝对误差（mean absolute error，MAE）、平均相对误差（mean relative error，MRE）等统计学参数评估表明，3种模型均表现出较高预测精度。其中，KOA-XGBoost模型精度最高，其R2、RMSE、MAE和MRE分别达到0.967、0.806、0.437和0.47%；KOA-RF模型次之，其R2、RMSE、MAE和MRE分别为0.938、1.102、0.466和0.52%；SSA-GRNN模型相对较差，其R2、RMSE、MAE和MRE分别为0.899、1.399、0.588和0.63%。3种模型对新实验数据的验证取得较满意的预测结果，且预测精度高低顺序为KOA-XGBoost＞KOA-RF＞SSA-GRNN，这意味着建立的模型具有较好的鲁棒性和泛化能力。
基于ProCAST数值模拟软件，对比分析离心铸造与重力铸造对Ti-48Al-2Nb-2Cr合金扩压机匣成形的影响。结果表明：离心浇注（转速400 r/min）通过增强熔体充型定向性与凝固过程强制对流，与重力浇注相比，显著缩短凝固时间，缩松缺陷体积减少21.8%；针对厚壁区热节问题，创新设计弯冒口浇注系统，将内环法兰边缺陷转移至冒口，与直冒口相比，缩松缺陷体积降低47.1%。实验验证表明，经工艺优化制备的铸件X射线检测无内部缺陷，显微观察未见缩松，薄壁支板区因快速冷却形成细晶组织（片层团400 μm），与厚壁法兰边相比，其室温和750 ℃抗拉强度分别提高4.9%和10%。研究结果为大型复杂薄壁TiAl构件的高质量成形提供可靠工艺方案。
铜合金熔覆层因优异的导电性、耐磨性和耐腐蚀性等性能，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。激光熔覆技术可实现与基体完全冶金结合的高性能熔覆层制备。采用激光熔覆技术在TC6钛合金表面制备KF320铜合金熔覆层，采用正交实验优化激光熔覆工艺，分析熔覆层及界面结合处的微观组织和硬度分布，并通过坡口拉伸性能测试评估熔覆界面的结合强度。结果表明：当能量输入为44～60 J/mm时，制备的钛合金KF320铝青铜熔覆层无宏观裂纹，成形致密性良好。熔覆层沿厚度方向呈现“平面晶区+成分过冷区”的双态区域组织，在距熔覆层顶部100 μm处，主要由铜相组成，相成分为AlCu3和Cu0.84Al0.16，随着深度增加，β-Ti相含量逐渐升高，铜相区域的平均晶粒尺寸约1.96 µm，β-Ti相的平均晶粒尺寸约16.4 µm。在距熔覆界面10～20 μm的熔覆层范围内原位形成致密化的Ti2Cu金属间化合物过渡层。沿厚度方向的熔覆层显微硬度范围在300～375HV之间，其中在界面附近的硬度最高。拉伸结果表明：熔覆层/基材界面的平均抗拉强度达到312 MPa，断口形貌显示，断裂发生在界面，未见熔覆层内部或基材内部断裂现象。本工作为激光熔覆铜合金在钛合金基材上的熔覆层应用提供理论依据和技术支持。
采用热压烧结工艺，在1800 ℃条件下成功制备五元高熵硼化物陶瓷（Zr0.2Ti0.2Ta0.2Nb0.2Cr0.2）B2，系统研究其物相组成、微观结构、力学性能及高温稳定性。结果表明：该陶瓷主要由单一高熵固溶体相构成，局部存在微量Zr、Ta富集区。维氏硬度和三点弯曲强度分别达到19.03 GPa和279.76 MPa，断口呈现典型脆性穿晶断裂特征。经1500 ℃、50 h热处理后，高熵陶瓷仍保持稳定的物相组成与微观结构，未出现晶粒长大、相分离或新相析出现象，硬度与强度均未发生显著变化，表明该高熵陶瓷内部各组元间形成了稳定的晶体结构，有效抑制了元素扩散与相变过程，具有良好的高温结构稳定性与力学性能保持能力。
隐身技术的快速发展对吸波材料提出轻质、宽频、高温的使用需求。选择Li1.3Al0.3Ti1.7（PO4）3（LATP）陶瓷作为轻质高温吸波材料，在其表面设计周期结构拓展其吸收带宽。采用高温固相法烧结LATP陶瓷，采用HFSS软件在其表面进行周期结构设计，研究不同形状贴片的几何参数和周期参数对吸波性能的影响，并采用遗传算法进行周期结构优化。结果表明：周期结构贴片附近能够产生强烈的电磁谐振，有效改善LATP陶瓷的吸收带宽。相较于无周期结构的LATP陶瓷，二次优化后的矩回形贴片可将反射损耗（RL）低于−10 dB的吸收带宽从2.69 GHz拓展至整个X波段，并且将RL<−15 dB的吸收带宽从0 GHz提高至3.82 GHz，同时还可以降低最小反射损耗和陶瓷厚度。
针对传统减材制造技术加工结构功能一体化材料存在的损耗大、限制多、难以实现一体化成形等问题，开展匹配增材制造技术的新型结构功能一体化材料制备及性能研究。采用溶液法制备羰基铁粉（CIP）/酚酞基聚芳醚酮（PEK-C）复合粉体（CIP/PEK-C），采用SEM观察复合粉体的表面形貌特征，采用粉末流变仪分析复合粉体的流动特性，通过DSC研究复合粉体的熔融及结晶温度节点，表征复合粉体选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）成形件的热导率及反射率。结果表明：采用溶液法制备的复合粉体流动性与PEK-C含量有关，其中PEK-C质量分数为20%的实验组豪斯纳系数为1.24，休止角为41.3°，基本满足SLS成形工艺基本要求。复合粉体的烧结温度窗口为170～200 ℃，SLS烧结件具有一定热传导及电磁吸收能力，且PEK-C质量分数越小，热传导及电磁吸收效果越好，其中PEK-C质量分数为20%的实验组热导率为1.02 W/（m·K），8～18 GHz频段范围内的平均反射率接近−10 dB。CIP/PEK-C复合粉体在具备一定电热功能的同时能够适配SLS增材制造技术，为结构吸波材料的加工成形提供新的思路。
黏结金属沉积（bound metal deposition，BMD）制造金属部件的过程中，仅采用热脱脂去除黏结剂是一种安全和环保的脱脂方法。通过降低样品壁厚实现用热脱脂方法有效去除样品中的黏结剂，并对适用于热脱脂黏结金属沉积增材的结构及烧结后金属件的能量吸收特性进行深入分析。结果表明壁厚为0.45 mm的薄壁结构热脱脂后没有产生明显的变形、起泡和裂纹。所制备的内部具有弯曲薄壁的结构在热脱脂后没有产生明显变形、起泡和裂纹，并在烧结后形成仅存在少量微米级孔隙的金属件，同时具有优异的能量吸收效果。金属薄壁结构在压缩过程的总吸能为19.2 J，比吸能为6.6 J/g，比现有报道中二维金属薄壁结构（主要为蜂窝结构）的比吸能高187%以上。
CF/PEEK复合材料是适用于极端环境的战略材料，但因PEEK树脂加工难度大、国产预浸料制备及自动铺放技术尚不成熟，制约着其广泛的工程化应用。本工作基于自研的预浸料拉制设备和纤维自动铺放平台，系统开展国产CF/PEEK预浸料自主制备与工艺研究。首先，采用粉末浸渍法制备CF/PEEK预浸料，再通过自动铺缠正交实验揭示成型温度、压力和绕速对制件性能的影响规律。结果表明：制备的预浸料符合自动铺放工艺要求，铺放过程各因素对制件性能的影响程度排序：温度＞绕速＞压力，最佳成型工艺参数组合：激光功率220 W，气动压力0.3 MPa，铺缠速率101 mm/s，此时层间剪切强度55.7 MPa，拉伸强度2006.4 MPa，分别达到热压件的84.7%、86.7%，孔隙率为3.4%。通过与国外相关研究对比，分析影响性能的主要原因在于材料性能、工艺控制及装备水平等方面的差距。本工作研究可为国产化的材料-装备-工艺技术体系化开发提供参考。
为研究应变率、温度及增韧改性对环氧树脂冲击性能的影响，通过分离式霍普金森压杆对纯环氧树脂及增韧环氧树脂进行了−40、0、23 ℃（室温）和70 ℃的单轴动态压缩实验。结果表明，环氧树脂在增韧前后均表现出显著的应变率效应与温度效应。在室温条件下，增韧可以有效提升环氧树脂的吸能能力，当温度升高至70 ℃或降低至−40 ℃均会使其韧性明显下降；在−40、0 ℃及70 ℃下，随应变率提高，增韧环氧树脂的韧性快速劣化，甚至低于纯环氧树脂。研究显示，增韧改性对环氧树脂冲击性能的增强适用于室温；极端高低温环境与高应变率载荷会大幅劣化增韧效果，限制改性环氧树脂在宽温域、动载荷服役场景下的应用。
相比于传统材料，碳纤维增强热塑性复合材料（CFTRP）具有更高韧性和变形恢复能力，且更利于回收利用，被广泛地应用于航空航天、汽车船舶等领域的主承力构件上，对于其力学性能及失效机理的研究已成为当前的热点方向。然而，大部分研究都忽略了纤维与基体间界面对复合材料整体力学性能的影响，本工作以聚醚醚酮（PEEK）/T700碳纤维增强复合材料为研究对象，通过实验与有限元分析相结合的方法，分别建立考虑界面和不考虑界面的代表性体积单元（RVE）。通过对其施加各个方向的载荷，系统研究界面对复合材料力学性能与失效模式的影响。结果表明：考虑界面行为的RVE对复合材料强度和失效模式的预测结果更为准确，其中，对横向拉伸强度的预测精度提升最明显，对面内剪切强度的预测精度提升较少。相关结果和规律可为高性能热塑性复合材料在实际工程应用中的结构设计与性能评估提供参考。
