- 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
连续纤维增强SiC复合材料因其轻量化、耐高温和抗腐蚀等优势，在航空航天领域展现出重要应用潜力。连续纤维的引入改善了陶瓷基体的脆性，而增材制造的发展为复杂构件的设计与成形开辟了新思路。增材制造连续纤维增强SiC复合材料仍处于发展初期，对该技术的研究进展进行系统总结和分析具有重要意义。本文综述了熔融沉积成形（FDM）、墨水直写（DIW）和纤维自动铺放（AFP）3类典型工艺的最新进展，并对国内外研究成果进行比较。研究表明：FDM采用连续纤维丝材表现出较高的成形精度，纤维体积分数存在上限；DIW受原位浸渍影响导致纤维聚集与界面保护缺失；AFP采用连续纤维片材具有纤维含量与断裂韧性高的优势，但浸渍不充分。在纤维增强相方面，未来可围绕高性能多系纤维增强相，针对纤维保护与界面调控开展研究。在缺陷控制方面，通过打印策略与陶瓷化工艺协同优化，提高成形精度，最终实现高性能SiC复合材料构件的增材制造。
精密铸造是航空发动机、燃气轮机涡轮叶片等关键高端装备核心部件的主要制造工艺，直接决定部件的质量和性能，影响高端装备的效率与可靠性。然而，精密铸造工艺仍面临铸件缺陷控制、尺寸精度与变形控制、铸件质量检测等挑战。人工智能技术的迅速发展，为精密铸造工艺优化及铸件检测提供新的技术路径。本工作系统综述人工智能技术在精密铸造领域的研究进展，主要涵盖人工智能在“型芯-蜡模-型壳”主要中间产物制备工艺环节的应用、人工智能在铸件凝固过程中辅助缺陷与性能控制和尺寸控制的进展、人工智能在铸件检测的应用包括表面和内部缺陷检测、金相组织分析等方面。最后，总结人工智能技术应用在精密铸造工艺与铸件检测中的优势与挑战，并展望未来研究方向，包括：（1）推动人工智能由单环节经验预测向全流程、多尺度统一建模发展；（2）推动精密铸造由“控形”或“控性”向“形性协同调控”转变；（3）发展适用于精密铸造过程的物理信息神经网络；（4）实现精密铸造过程从离线优化向自主闭环控制的转变；（5）大模型为精密铸造智能化发展提供新的技术路径。
利用DSC、TEM和DMA等设备系统探究约束时效工艺对Ni-48.85Ti-0.3Cr系形状记忆合金微观组织、马氏体相变及功能性能的影响。实验表明，约束时效后合金基体内会弥散析出定向分布的Ni4Ti3相。400 ℃/100 MPa条件下，延长约束时效时长可以显著增加Ni4Ti3相的长度；在1 h/100 MPa工艺条件下，升温会同步增大析出相的长宽尺寸，使其由细小颗粒状转变为较大透镜状，长宽比也会随之增大。400 ℃/100 MPa时，约束时效时间从0.5 h延长至2 h，R相变与B19′相变温度均升高，这归因于Ni4Ti3相析出降低了基体Ni元素含量。在1 h/100 MPa条件下，400 ℃时效会导致析出相尺寸增大、基体强化作用减弱，从而使相变温度升高；当温度达到500 ℃时，相变将从两步变为三步，析出相近端发生A→R→M1相变，远端发生A→M2相变。等温熵变测试表明，400 ℃/1 h时，等温熵变随着约束应力升高而减小；400 ℃/100 MPa时，等温熵变随着时效时间的延长先增后减；1 h/100 MPa时，等温熵变随着时效温度的升高呈先升后降的变化趋势。
GH3230高温合金在航空发动机和核工业领域应用广泛，其构件的服役寿命评估高度依赖单轴拉伸性能与持久寿命预测的准确性。本工作重点研究该合金在不同温度下的单轴拉伸性能，以及在不同温度与应力组合条件下的持久寿命，并建立描述该合金拉伸行为的Ramberg-Osgood（R-O）本构模型与Chaboche本构模型，以及用于预测持久寿命的等温线外推法和Larson-Miller（L-M）参数模型。结果表明：在单轴拉伸性能预测方面，R-O模型仅能较好预测合金在屈服点附近的应力，但整体应力-应变曲线的预测趋势存在较大偏差；而Chaboche模型则能更有效地描述GH3230高温合金不同温度下的单轴拉伸行为，在多数试验温度下的拟合相关系数接近0.9。在持久寿命预测方面，等温线外推法和L-M法均表现出较高的预测精度，能够对该合金在不同服役条件下的持久寿命进行合理预测。
焊接热循环过程中，镁合金易发生晶粒粗化和析出相结构改变，导致合金微观组织损伤，进而削弱焊接接头性能。如何降低焊接过程中镁合金的强度损伤，已成为镁合金加工领域的研究热点。本工作采用超声振动辅助连接工艺对含Ce稀土镁合金进行连接，并系统研究接头的微观组织演变与强化机制。研究结果表明，超声振动诱发的声致塑性与热效应促使接触界面发生剧烈的动态再结晶，显著细化超声作用区的晶粒，晶粒尺寸从母材的250 μm细化至10～30 μm。与此同时，超声振动产生的高频机械剪切将接头内粗大的析出相破碎为尺寸均匀、弥散分布的微米/亚微米颗粒，可显著增强沉淀强化效应。此外，稀土元素Ce在晶界偏聚形成热稳定相，有效钉扎晶界并抑制位错滑移，从而减缓焊接接头的微观组织改变。力学性能测试结果表明，在细晶强化、弥散强化与稀土元素强化的协同作用下，接头拉剪强度达194.9 MPa，接头强度为母材强度的92.4%，且断裂模式由界面脆性断裂向基体韧性断裂转变。
为满足民机适坠性的要求，提出使用泡沫铝作为机身段填充材料的方法，并在此基础上研究了填充不同相对密度泡沫铝的机身结构能量吸收特性和冲击响应特性。首先，通过电子万能试验机和高速动力加载系统对低、中、高3种不同相对密度的泡沫铝进行了准静态和中低应变率下（0.001～100 s−1）的压缩实验。其次，建立不同相对密度的泡沫铝等效有限元模型，通过实验结果验证模型的有效性。最后，将泡沫铝等效模型应用于民机适坠性分析中，研究置入不同相对密度泡沫铝的机身段破坏模式、能量吸收情况和客舱地板处的加速度-时间历程。结果表明：泡沫铝的平台应力、体积比吸能随相对密度的增大而升高，致密应变则相反。增加泡沫铝填充能量吸收结构后，较好地平衡了机身框各部件的吸能比例，且随着相对密度的增大，泡沫铝材料的吸能贡献逐渐提高，客舱地板处的峰值加速度降低，表明高相对密度泡沫铝缓冲吸能性能更强，能够有效改善机身结构的适坠性。
陶瓷基复合材料结构的力学性能在很大程度上取决于细观尺度的损伤演化特征，材料失效本质上源于微观组织的损伤萌生与扩展。为了准确表征复合材料的细观损伤行为，基于参数跨尺度传递的多尺度分析方法已被广泛应用于复合材料力学性能研究中。然而，传统多尺度方法存在计算效率低、计算量随尺度嵌套呈几何级增长等问题，难以满足工程应用的实时性需求。为此，本工作提出一种基于自洽聚类分析的并发多尺度建模方法。该方法利用聚类分析对细观应力/应变场进行降阶处理，通过获得均匀化后的响应结果替代完整的细观有限元计算，从而显著提高多尺度计算效率。数值结果表明，在单向复合材料与编织复合材料算例中，该方法在计算误差小于4%的情况下，整体计算效率提升约一个数量级（约提高10～15倍）。该方法在保持较高计算精度的同时，能有效降低计算成本，为复合材料结构的高效损伤分析与寿命预测提供新的思路和技术手段。
超高温陶瓷是应用于2000 ℃以上极端环境下的重要候选材料之一。为了进一步提升其抗氧化和抗烧蚀性能，采用反应热压烧结工艺，以TaSi2、ZrSi2、B4C和C为原料通过原位反应制备复相陶瓷，研究复相陶瓷的微观组织结构、硬度、断裂韧性和抗氧化性能。结果表明，在1200 ℃下，原位反应形成ZrB2-TaB2-SiC复相陶瓷材料；而在1500 ℃下，可发生原位固溶反应，并形成（Zr0.5Ta0.5）B2-SiC固溶复相陶瓷。与ZrB2-TaB2-SiC复相陶瓷相比，（Zr0.5Ta0.5）B2-SiC的硬度从12.59 GPa提高到15.11 GPa，断裂韧性从3.66 MPa·m1/2提高到5.89 MPa·m1/2。同时，（Zr0.5Ta0.5）B2-SiC固溶复相陶瓷具有优异的抗氧化性能，大气环境下的热重分析表明，1600 ℃时氧化导致质量增重为0.48 mg/cm2，其抗氧化性能改善主要归因于多相氧化物的协同作用和稳定氧化物保护膜的形成，从而降低氧在氧化层中的扩散率。
针对单一SiC陶瓷在极端环境下氧化膜易挥发、抗氧化/烧蚀性能不足的问题，以聚硅氧烷为陶瓷先驱体，乙酰丙酮钛（TiO（acac）2）为改性剂，采用先驱体转化法结合放电等离子烧结技术制备得到SiC/TiC复合陶瓷，系统探究先驱体交联固化机制与高温裂解规律，揭示Ti掺杂改性对复合陶瓷抗氧化/烧蚀的影响机制。结果表明，Ti通过形成Si―O―Ti键促进先驱体交联，使先驱体陶瓷产率高达79%。当TiO（acac）2添加量（质量分数，下同）为20%，复合陶瓷中TiC含量增加至19%，烧结致密度显著提高。1600 ℃氧丙烷烧蚀测试显示，20%改性样品抗烧蚀性能大幅提升，线烧蚀率与质量烧蚀率分别为0.017 μm/s和−0.140 mg/s。该复合陶瓷优异的抗烧蚀性能归因于TiO2与SiO2形成的连续复合氧化层，抑制了SiO2挥发与O2的进一步扩散。
利用放电等离子烧结技术制备TiB2与Ti2AlC协同增强的Ti48Al2Cr2Nb-0.5GO-xTiB2（x为质量分数/%）复合材料，研究TiB2含量对复合材料微观组织结构演变及其在室温与高温下力学性能的影响规律。结果表明，TiB2的引入显著细化片层团尺寸，并促进基体组织由全片层向双态组织转变，有效改善材料的微观结构均匀性。TiB2含量为0.3%时，综合力学性能最好，室温抗压强度与压缩应变分别达到1870 MPa和27.5%；TiB2含量为0.2%时，850 ℃高温抗拉强度约为500 MPa，较基体合金提高32.5%。微观力学分析表明，性能的改善主要源于TiB2与Ti2AlC共同作用所实现的细晶强化与第二相强化效应；在变形过程中，增强相通过诱发微裂纹偏转、界面脱粘以及应力再分配等机制，协同调控塑性变形行为与断裂过程，从而提升材料的强塑性匹配。
复合材料转子叶片由于质轻、比强度高、比模量大、力学性能可调等优势，正逐渐替代传统金属件成为航空、能源动力等领域的关键承载部件。明确材料参数、铺层形式等对该类结构承载性能的影响具有重要的工程意义。本工作应用能量法，提出一种适用于复合材料转子叶片模拟件的刚度、强度分析，以及铺层优化设计的高效数值计算方法。基于Rayleigh-Ritz变分原理，建立等厚度与变厚度梯度（削层结构）层合梁在不同载荷工况（单一离心场、离心-侧压耦合场）下的平面应力分析模型。应用有限元仿真，验证理论模型在结构力学性能预测方面的准确性。通过引入高阶多项式位移形函数，实现了各载荷工况下结构的位移场与应力场的精确预测。最后，针对单一离心场作用下的变厚度复合材料转子叶片模拟件进行了铺层优化设计。数值分析表明，该理论模型对结构径向变形量的平均预测误差不高于6%，横向变形量的平均预测误差不高于15%。对于应力分布趋势的预测，理论计算与仿真值吻合良好。此外，铺层角度对转子叶片结构的应力与变形量有着较大影响。其中，[0]n铺层沿径向的变形量最小，[0/90]ns与[±30]ns对称铺层结构次之，[±45]ns对称铺层结构变形最大。应力方面，[0/90]ns对称铺层结构中的0°铺层沿纤维方向应力较大，其他3种铺层结构的应力相近。结果表明，该力学分析模型能够对等厚度、变厚度复合材料转子叶片结构的力学响应进行快速评估。相较于传统方法，该理论模型能够显著提升计算效率，在推进复合材料动力构件的优化设计方面具有工程应用价值。
