高能束流加工技术在航空发动机领域的应用

高能束流加工技术的发展方向更趋于加工过程的自动化和智能化、虚拟制造、复合束源和集成化，并向着高品质、高功率、高效率、多功能和结构功能一体化方向发展，同时随着其在航空发动机及其他领域的应用愈加广泛和成熟，高能束流加工技术必将为我国航空事业的进步做出更大贡献。

高能束流加工技术的发展动态

高能束流通常是指高能量密度的束流,如激光束、电子束、等离子体及离子束。高能束流加工技术利用高能束流对材料或构件进行制造及加工,主要包括焊接、增材制造和表面工程等。高能束流加工技术具有其他加工技术无法实现的独特优势,在先进制造领域尤其是飞机和航空发动机中的应用愈加重要。

快速扫描电子束加工技术及其在航空制造领域的潜在应用

快速扫描电子束加工技术在国外已经相当成熟,在航空航天、汽车、医疗等方面的应用也越来越广泛。国内众多研究单位进行的一系列基础理论和应用研究为快速扫描电子束加工技术的发展奠定了基础,尤其是近几年随着控制技术的发展,快速扫描电子束加工技术在国内发展迅速,已经逐渐应用到工程实践中,进一步推动了国内精密制造技术的发展。

航空用钛合金结构件激光成形技术研究进展

特种加工技术被国际上称为21世纪的技术，我国已在现代制造技术中广泛应用，并得到国家863计划项目和科技重大专项的大力支持。未来激光加工、电火花加工、超声波加工、数控加工等特种加工技术将向微细化、复合化、自动化的方向发展。

高能束焊接、加工与增材制造

高速、高温、极端环境下服役的飞行器及其动力装置需要轻量化、长寿命、高可靠性的结构以及与之相匹配的高性能材料和整体化低成本制造技术,高能束焊接、加工与增材制造技术体系应运而生,解决着"特需"的和"关键"的技术难题。

金属零件激光增材制造技术的发展及应用

激光选区熔化技术与选择性激光烧结技术的不同之处在于后者粉末材料往往是一种金属材料与另一种低熔点材料的混合物,成形过程中,仅低熔点材料熔化或部分熔化把金属材料包覆粘结在一起,其原型表面粗糙、内部疏松多孔、力学性能差,需要经过高温重熔或渗金属填补空隙等后处理才能使用;而前者利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料,无需粘结剂,由3D模型直接成形出与锻件性能相当的任意复杂结构零件,其零件仅需表面光整即可使用。

航空表面涂层技术的应用与发展

航空表面涂层技术是航空制造技术的重要组成部分,涂层材料与涂层制造技术创新对提高航空零部件产品性能、降低能源消耗、提升产品可靠性及服役寿命具有重要意义。主要对涉及航空工业领域热障涂层、复合材料表面环境障涂层、高温可磨耗封严涂层及纳米涂层技术的应用现状与研究进展进行了阐述。

Ti_2AlNb合金及其焊接技术研究进展

过去的30年里,Ti2AlNb基合金获得了广泛关注。作为替代镍基高温合金的选择之一,其优异的综合力学性能适应了未来航空发动机对高比强度、高比刚度的轻质高温结构材料的迫切要求,对于降低飞行器的自重,提高发动机结构效率和高温服役性能具有重要意义。

电子束熔丝沉积快速制造成型技术与组织特征

利用电子束熔丝沉积快速制造技术制备了TC4钛合金薄壁结构和实体结构试样,分析了成型技术特点,探讨了组织形貌特征及形成机制。研究表明:对于薄壁结构,采用合理的工艺参数,获得的熔积层的宽度为7.4mm,层高为1.5mm;结构纵截面的组织形貌特征是原始β柱状晶与沉积高度方向大约成15°角,较为粗大,宽3～5mm,单个柱状晶贯穿几层到十几层熔积层不等。对于实体结构,熔积间距为4.7mm时得到的试样表面较为平整,熔积高度基本一致;试样纵截面可观察到明显的层带,而原始β柱状晶垂直向上生长。

镍基超合金再铸层化学研磨去除的实验研究

研究了镍基超合金激光/电火花打孔再铸层的物理化学特性,并报道了DZ125、ЖC6y、K24、DD3、DD6以及IC10等合金的化学研磨处理对基材腐蚀及其力学性能与热疲劳性能的影响等。实验研究表明:镍基超合金的激光/电火花再铸层有着不同于其本身原始铸态的化学性能,采用适当的化学研磨介质和优化的化学研磨条件可以快速有效地去除再铸层,使孔圆整光滑而不损伤合金基体、不降低基体的力学性能,并且可提高孔的热疲劳性能,由此可望实现镍基超合金涡轮叶片“三无”气膜孔的激光/电火花打孔+化学研磨复合法高效高质量制造。

采用EB-PVD技术制备两种多分层热障涂层的研究

基于电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术,设计并分别采用离子束辅助沉积法和低转速法制备了两种具有分层结构的热障涂层(TBCs),对陶瓷层引入层状结构后的组织结构与性能进行了研究。结果表明,层状结构的引入带来大量平行于沉积面的分层界面和相邻分层间的密度调制变化。层状结构TBCs的占优取向由(100)逐渐变化到(111),但仍都形成了不可转变的四方相(t′)结构。依据分层结构本身的差异和分层界面所处位置的不同,低转速分层试样具有更好的抗氧化性能,但离子辅助分层试样具有明显更长的热循环寿命。

损伤容限钛合金的研究进展及应用现状

本文综述了Ti-6Al-4V ELI,TC4-DT,TC21和TA15 ELI四种损伤容限钛合金的研究新进展及其应用。指出Ti-6Al-4V ELI损伤容限合金在国外已经成功应用于飞机制造中,而TC4-DT,TC21,TA15 ELI三种损伤容限钛合金在国内处于开发研究阶段。重点介绍了TC4-DT,TC21,TA15 ELI的断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率等损伤容限性能及其影响因素,指出片层组织有利于损伤容限性能的提高。

激光选区熔化工艺过程数值模拟的国内外研究现状

激光选区熔化工艺(SLM)是采用高功率激光逐层熔化粉末的方式成形金属零件,相比于传统加工技术,它可以快速成形任意精细复杂结构的零件。激光选区熔化增材制造工艺涉及多尺度、多影响因素、多学科等复杂的物理化学冶金过程,采用实验手段很难直接观察到微观物理现象,且材料工艺试验开发周期长且成本高,迫切需要跨尺度的数值模拟手段揭示其工艺过程的相关机理,降低试验开发周期及成本。本文从宏观温度场、熔池动力学、熔池凝固行为以和残余应力及变形四个方面,综述了国内外金属SLM工艺过程的数值模拟研究现状。

5A06铝合金激光填丝焊工艺研究

针对1.2mm厚5A06铝合金薄板YAG激光焊接工艺范围窄和对间隙要求严格等问题,较系统地研究了该铝合金激光填丝焊接工艺。试验中采用ER5356焊丝作为填充金属,对光丝间距、送丝速度、激光功率和焊接速度等影响焊缝成形的各种焊接工艺参数进行了优化分析。研究结果表明:优化工艺参数可以显著改善焊缝成形;与激光焊相比,激光填丝焊接工艺范围明显扩大;激光填丝焊的最大容许间隙裕度可以提高至0.6～0.9mm。表明了YAG激光填丝焊工艺是实现5A06铝合金薄板焊接的有效方法。

2.0mm厚TC4钛合金激光焊接接头组织与力学性能研究

对2.0 mm厚的TC4钛合金进行激光焊接试验,分析接头的微观组织和力学性能。结果表明,焊缝区由晶粒粗大的β相和镶嵌在β相中的针状α相组成;热影响区由初生α相+β相组成,β相中还包含针状的二次析出α相。TC4钛合金激光焊接头抗拉强度在1095~1106 MPa,屈服强度为1054~1066 MPa,均大于母材。激光焊接接头断后伸长率在10.1%~11.1%,比母材低。当激光功率在2000~3500 W,焊接速度为1.5~8.0 m/min,离焦量为-1.5~1.5 mm时,均可得到焊缝表面成形良好,表面和内部无气孔等缺陷的高质量焊缝。

TC4钛合金表面电弧离子镀TiN／CrN纳米多层薄膜研究

用电弧离子镀技术在TCA钛合金基体上通过改变偏压制备了4组TiN／CrN薄膜，对薄膜的表面形貌、厚度、相结构、硬度、膜基结合力和摩擦系数等组织、性能进行了测试表征。结果表明，薄膜是由TiN相和CrN交替叠加构成的纳米多层薄膜，薄膜的调制周期为60nm，总的厚度约为480nm。与基体钛合金相比，镀膜后样品的表面性能与偏压幅值密切相关并有显著提高：显微硬度从基体的3GPa提高到16．5-24．7GPa；摩擦系数从基体的0．35大幅度降低到0．14—0．17；薄膜与基体结合牢固，膜基临界载荷在60-80N之间。经电弧离子镀TiN／CrN纳米多层薄膜处理后，TC4钛合金可以满足沙粒和尘埃磨损条件下的耐磨性能要求。

激光冲击强化TC17钛合金室温和高温拉伸性能研究

目的分析激光冲击强化对钛合金室温和高温拉伸性能的影响。方法用YAG纳秒脉冲激光器对TC17钛合金板状拉伸试样表面进行双面激光冲击强化,脉冲能量为25 J,脉冲宽度为15 ns,光斑尺寸为4.2 mm×4.2 mm,搭接率为10%,强化1次。通过室温及400℃下拉伸试验,获得强化前后试样的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率,利用X射线衍射法测试拉伸前后试样表面的残余应力,并在扫描电镜下观察拉伸试样断口微观形貌。结果室温拉伸试验时,激光冲击强化对TC17钛合金的室温抗拉强度和伸长率几乎无影响,但强化后的室温屈服强度下降约6.1%,有/无强化试样均没有明显的屈服点,距离强化试样断裂位置10 mm的表面残余压应力较拉伸前下降约12%。400℃拉伸试验时,激光冲击对TC17钛合金的高温抗拉强度和屈服强度均影响较小,有/无强化试样均出现明显的屈服点,距离强化试样断裂位置10 mm的表面残余压应力较拉伸前下降约44%。结论激光冲击强化在TC17钛合金表面引入显著的残余压应力分布,对屈服强度具有一定程度的影响。强化后试样的屈服强度与拉伸过程中残余压应力松弛速率有关,室温拉伸过程的残余应力松弛较高温拉伸过程慢,试样内部的平衡拉应力区更容易先发生屈服。这是造成室温拉伸屈服强度小幅降低的主要原因。

铝基复合材料表面多层复合厚膜的研究

对含50%AlN颗粒的铝基复合材料进行预处理后,在其表面依次采用浸锌化学镀镍工艺制备Ni-P过渡层,采用脉冲偏压磁过滤多弧离子镀工艺沉积硬质Ti/TiN调制周期膜,采用脉冲等离子体化学气相沉积工艺制备含氢类金刚石(DLC)膜等工艺最后形成了多层复合薄膜体系。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、光谱仪、原子力显微镜、微载荷显微硬度仪、摩擦磨损试验机等设备分析了复合薄膜的组织结构、膜层形貌、截面形貌、显微硬度和摩擦系数等性能特点。测试表明:铝基复合材料/Ni-P层/Ti/TiN调制周期膜/含氢DLC膜这一梯度膜系具有结构交替变化,相邻界面形成混合层,性能梯度分布,硬度逐渐增加,摩擦系数小的特点。该复合工艺能够有效地解决铝基复合材料上制备硬质厚膜的热适配和晶格错配度大的难题,制备薄膜具有良好的膜基结合性能。

多束流电子束薄板焊接应力变形数值模拟

为了减小薄板结构的焊接变形,基于电子束高频偏转扫描技术在焊缝两侧添加辅助扫描热源实现了多束流电子束焊接及焊前预热.建立了矩形均匀加热辅助热源模型,采用热弹塑性有限元分析方法对1.5 mm厚304不锈钢薄板进行多束流电子束焊接数值模拟,并进行了试验验证.结果表明,焊后残余应力和变形的实测结果与模拟结果吻合良好,多束流电子束焊接方法不仅可以改变熔池前方材料的受力状态,而且可以减小熔池形成瞬间熔池前方材料的压应力峰值,有利于减小熔池的前方压缩塑性应变,进而减小薄板结构的焊接变形.

钇硅酸盐材料力学性能的第一性原理研究

为深入研究C_f/SiC复合材料钇硅酸盐涂层材料Y_2SiO_5与Y_2Si_2O_7的力学性能,为钇硅酸盐涂层体系的设计提供理论依据,基于第一性原理广义梯度近似,研究钇硅酸盐理想晶体X1-Y_2SiO_5和γ-Y_2Si_2O_7的电子结构、力学性能。结果表明:X1-Y_2SiO_5和γ-Y_2Si_2O_7均为机械稳定结构,X1-Y_2SiO_5与γ-Y_2Si_2O_7的体模量、剪切模量、弹性模量、泊松比分别为112,49,128GPa,0.31和114,55,142GPa,0.29。可见X1-Y_2SiO_5的模量较γ-Y_2Si_2O_7低。同时研究二者理想晶体的韧性、热膨胀系数、残余应力。结果表明:X1-Y_2SiO_5韧性较γ-Y_2Si_2O_7好,热膨胀系数较γ-Y_2Si_2O_7高,残余应力较γ-Y_2Si_2O_7低。