机器学习在航空发动机钛合金研究中的应用进展

高性能航空发动机的不断发展对钛合金的综合性能提出更高要求,基于不同合金化元素作用机理的材料成分设计技术是实现钛合金改性的重要途径。对于日益复杂的航空发动机钛合金材料体系,不同元素的相互作用机理及精准设计难度极大。基于Mo当量和密度泛函等传统设计已不能满足未来需求,机器学习成为一种可行且高效的理论工具。本文在介绍钛合金机器学习基本原理和方法的基础上,综述通过机器学习实现航空发动机钛合金成分设计及工艺优化的最新研究成果,重点比较不同机器学习模型在预测力学性能及高温氧化性能上的特点及优势,最后对未来基于主动学习框架设计航空发动机钛合金成分的研究方法进行展望,指出Mo/Al当量设计与机器学习相结合、复杂多组元合金材料简化元素设计等是今后重要发展方向。

航空发动机钛合金分子动力学计算技术研究进展

未来航空发动机推重比等性能不断提升,对钛合金部件的高温力学及结构稳定性等提出更高的需求。传统实物实验在时间、空间尺度的局限性日益凸显,对于微观瞬态现象及机理的深入研究存在一定难度。而分子动力学(molecular dynamics,MD)计算技术以原子/分子模型为计算对象,在引入牛顿经典力学与经验参数的基础上,较量子计算方法大幅度提高了计算效率,从而成为实现航空发动机钛合金工艺参数优化与组织性能计算的重要技术途径。本文在概述MD计算空间与时间尺度优势基本原理的基础上,重点介绍通过MD计算方法研究钛合金成形制造、微观组织与结构、力学与热力学性能、材料设计和力场开发等方面的研究进展,以及有助于航空发动机钛合金耐高温性能提升的代表性结论。最后结合航空发动机钛合金对MD计算技术的需求,展望未来研究方向,指出基于MD计算方法的钛合金高通量成分设计、训练针对成熟钛合金成分体系的分子力场和将新型ReaxFF(reactive force field)反应力场引入钛合金燃烧机理研究中面临的挑战。

航空结构用新型高性能钛合金材料技术研究与发展

大量采用先进钛合金材料及其应用技术,不仅可以大幅度改善结构减重效果,而且可以延长使用寿命、提高安全可靠性,因此成为了新一代飞机和新型发动机先进性的显著标志之一。本文分析了我国钛合金加工材料的发展现状及存在的主要问题,提出了采用自主创新和按体系发展是实现我国航空钛合金材料及应用技术立足国内自主保障的关键途径,指出了材料创新和工艺技术创新是实现航空结构钛合金从单一高性能到综合高性能跨越、提升技术成熟度以及向规模化、稳定化和低成本化发展的技术保障。

航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展

新一代高推重比航空发动机压气机和涡轮系统高温环境使用的叶片、盘、机匣、整体叶盘和整体叶环等构件设计通常选用先进高温钛合金材料。本文综述近年来我国600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、连续SiC纤维增强钛基复合材料及其应用技术取得的最新研究进展,并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术,包括工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术、大规格棒材及特殊锻件制备技术、整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术、材料性能评价及应用设计技术等。先进高温钛合金材料的不断应用将有力推动我国航空发动机技术发展。

航空发动机用TC11钛合金抗点燃性能及机理研究

采用摩擦点燃方法研究摩擦接触压力P和预混气流氧浓度c0对TC11钛合金抗点燃性能的影响,建立定量描述TC11钛合金抗点燃性能的P-c0关系,并结合原位观察、SEM和EDS等手段给出TC11钛合金点燃与抗点燃的微观机理。结果表明,TC11钛合金的P-c0关系曲线符合抛物线规律,P从0.05MPa增至0.25MPa时,点燃对应的c0降低约32.5%;TC11钛合金点燃的c0至少比TC4钛合金高20%,即TC11钛合金的抗点燃性能显著高于TC4钛合金;摩擦过程产生强烈的火花,着火首先发生在具有原生金属表面的微凸体上;点燃过程形成燃烧区、熔凝区、热影响区和过渡区四个具有不同特征的区域;富Al和Mo的钛基固溶体相降低热影响区Ti向熔凝区的扩散速率,限制燃烧区Ti与O的优先反应,并与熔凝区O的大量固溶共同阻止O向热影响区的继续扩散,从而提高微凸体的抗点燃性能。

高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展

综述了我国航空发动机用高温钛合金材料体系的发展状况。针对未来高推重比航空发动机对新型轻质耐高温结构材料的需求,重点介绍了TiAl合金和SiC纤维增强钛基复合材料2种关键的新型高温钛合金国外研究进展和应用情况。目前我国航空发动机主要应用的是α+β型钛合金,工作温度均在500℃以下,在更高温度使用的近α型钛合金(如600℃高温钛合金)尚处于研发阶段。国外对TiAl合金的研究已近20年,在航空发动机领域已公开报导了10多种TiAl零部件,并且完成了地面装机试验,试验结果非常理想。SiCf/Ti复合材料在航空发动机上的典型应用是叶环类和轴类零件,美、英等国均研制出了多个零部件,并进行了发动机考核试验。TiAl和SiCf/Ti复合材料将是新一代高推重比航空发动机用的2种关键结构材料。

航空用高强度结构钛合金的研究及应用

对航空领域广泛使用的高强度结构钛合金Ti 15 3 (TB5 ) ,β2 1S(TB8) ,Ti 10 2 3 (TB6)和BT2 2 (TC18)的研究现状进行了综合评述和对比分析。

我国航空用钛合金技术研究现状及发展

我国海绵钛和钛加工材的产能已经跃居世界第一位,但与发达国家相比,在技术水平和高端应用上仍存在较大差距。综述我国航空用钛合金的技术研究现状,提出未来钛合金发展应从综合性能优化、规格品种齐全、应用规模扩大、规范标准完善、考核验证数据充分等方面提高主干钛合金技术成熟度,按体系发展原则,建立航空用钛合金材料系列,实现产业结构升级、技术成熟度提升、减能增效、低成本制造及扩大用量等产业化应用目标。

航空发动机用600℃高温钛合金的研究与发展

综述了国内外600℃高温钛合金的发展历程及其应用。分析了各国600℃高温钛合金的成分特点、热加工工艺和组织特点等。提出了我国600℃高温钛合金的研究重点。

低成本钛合金在车辆上的工程应用研究

随着钛合金在航空航天等领域的用量不断提升,昂贵的加工和使用成本已经成为制约其扩大应用的主要障碍,迫切需要发展低成本钛合金材料及其加工技术,因此钛合金低成本化以及钛合金材料成形的低成本化已成为国内外钛工业领域研究的重要方向。本文通过添加100%返回料的方式,成功制备了化学成分合格的Ti-Al-V系低成本钛合金铸锭,并采用短流程轧制技术制备了各种规格的板材,分析了轧制过程中Ti-Al-V系低成本钛合金的组织性能演变过程,研制的各规格板材通过了某车辆炮塔体的考核试验。同时采用短流程锻造加工技术,研制了低成本高性能钛合金平衡肘锻件,其显微组织和力学性能均能满足技术标准要求,通过了某车辆的跑车考核试验。

航空发动机高温钛合金非等温氧化行为研究进展

阻燃性能是衡量航空发动机钛火安全的关键性能指标,通常采用钛合金材料/构件抵抗热自燃、点燃和扩展燃烧的能力进行综合评价。针对高性能航空发动机对先进高温钛合金的需求,在回顾近期抗点燃性能和抗燃烧性能试验技术研究基础上,重点从抗热自燃性能的层面介绍阻燃钛合金、高温钛合金及钛铝金属间化合物的非等温氧化行为及阻燃机理的研究进展,并对未来发展方向进行展望。

航空发动机用β锻TC17钛合金时效析出行为研究

采用扫描电子显微镜对β锻TC17钛合金的时效析出行为进行研究,并以拉伸性能和断裂韧度试验表征不同时效处理对其力学性能的影响。研究结果表明:经两相区固溶+不同时效温度热处理后,α相在β相基体上析出、形核、长大。随着时效温度的升高,次生α相含量逐渐降低且分布不弥散,抗拉强度线性下降,塑性升高,断裂韧度线性升高。经630℃不同保温时间的时效,短时间次生α相呈针状,随着保温时间的延长,次生α相厚度d从42nm粗化至138nm,含量ωa从12.6%下降至4.5%。抗拉强度R_m与次生α相厚度、含量呈R_m=1.01ωa-0.95d+1274.1关系变化。次生α相的厚度降低和含量增加均能使抗拉强度提高,塑性和断裂韧度降低。

航空发动机用大规格TC17钛合金棒材显微组织均匀性研究

利用电子背散射衍射(EBSD)技术对Ф500 mm TC17钛合金棒材显微组织的均匀性进行了研究,分析了不同部位α、β相的晶体取向。结果表明,棒材边部和心部的初生α相等轴化良好,取向分布均匀;锻后冷却速度会影响棒材边部和心部组织中等轴α相的晶粒尺寸,心部显著大于边部。在光学显微镜下原始β晶界不明显,但心部组织中出现β相基本保持取向一致的"宏区",说明原始β晶粒破碎程度不足。对于大规格TC17钛合金棒材,仅凭借显微组织判定其均匀性存在漏洞,需增加β晶粒度检查以规避后续出现粗大原始β晶粒的风险。

Ti-V-Cr系阻燃钛合金应用研究进展

阻燃钛合金是为了应对航空发动机钛火隐患而研制高温结构材料。经过近十年的发展,研发出500℃(Ti40)和550℃(TF550)两个耐温级别的Ti-V-Cr系阻燃钛合金,并且在Ti-V-Cr系阻燃钛合金工业铸锭熔炼、挤压开坯、棒材锻造及环锻件轧制等工艺技术方面取得了较大进展。通过拓展摩擦点火实验技术,建立了以P-co曲线定量表征钛合金抗点燃性能的测试方法,测试结果表明,Ti40与TF550阻燃钛合金具有接近的抗点燃性能。综合考虑原材料成本、综合性能和制造工艺等多方面的因素,Ti40和TF550阻燃钛合金各具优势。

阻燃钛合金的研究和发展

综述了阻燃钛合金的阻燃机理、阻燃合金体系和阻燃性能评价方法,介绍了研究现状及发展趋势,并对我国阻燃钛合金的发展提出了一些建议。

新型高性能钛合金研究与应用

随着钛合金在我国航空、航天、兵器、海洋和化工等领域用量和应用范围的不断扩大,对钛合金高综合力学性能、低成本和加工工艺性能提出了更加苛刻的要求。通过基于组织参数设计的合金化、细晶强化、相变强化和强韧化工艺控制等综合强韧化技术,研制出具有高强韧、抗疲劳、耐损伤、抗冲击等综合性能良好匹配的新型高性能钛合金,是扩大钛合金在高端领域的用量与应用水平,实现产业升级转型,满足下一代应用需求的重要保障。

航空发动机钛火试验技术研究新进展

钛火是现代航空发动机典型的灾难性故障。针对高推重比发动机对钛火试验技术的迫切需求,系统开展了摩擦氧浓度法钛合金燃烧技术及理论研究,建立了阻燃性能评价方法和摩擦着火模型,阐明了阻燃钛合金的阻燃机理。在总结近期研究进展基础上,从钛火的演化规律、机理和防控三个层次,提出钛火试验技术及应用研究的思路和方向,即接近发动机气流环境的阻燃性能综合评价、发动机气流环境的阻燃性能预测模型和阻燃技术的试验验证。未来实现发动机钛火防控体系的科学构建,助推压气机"全钛化"和发动机推重比不断提高。

国外钛和钛合金熔模精铸涂料浆的研究和发展

钛和钛合金的熔模精铸陶瓷型壳是以化学方式将粘结剂与耐火材料混合制成涂料浆,然后焙烧而成。在型壳制备中涂料浆是非常关键的部分。本文较全面地介绍了国外在铸造钛和钛合金涂料方面的研究现状,并对其发展趋势进行了简要的展望。

TB6钛合金多重固溶时效热处理工艺研究

采用扫描电镜、金相显微镜等分析方法,研究了TB6钛合金锻棒多重固溶时效热处理对显微组织、室温拉伸性能和断裂韧性的影响。结果表明:多重固溶时效热处理可以显著提高合金的塑性和断裂韧度,而对强度的影响不大。随着循环热处理次数的增多,强度、塑性、断裂韧度都是先升高达到峰值后开始下降。强度与断裂韧性均在三重固溶时效热处理时达到最高值,比常规热处理分别提高了9%与30%左右;塑性在双重热处理时达到最高值,比常规热处理提高了40%左右。

TiNbTaZr钛合金冷加工塑性行为研究

通过力学性能测试,结合光学显微镜、X射线衍射、扫描电镜和透射电子显微镜等表征技术,研究了Ti35Nb2Ta3Zr0.3O合金的冷加工塑性行为及其机理。结果表明:Ti35Nb2Ta3Zr0.3O合金在冷变形过程的不同阶段呈现出低加工硬化或无加工硬化的特点,变形量大于50%之后,晶粒碎化明显、塑性增强。分析表明:约35%Nb的加入降低了合金的层错能,使位错攀移及交滑移受到抑制,孪生机制增强,随冷变形量增大,形成多阶孪生,使晶粒明显碎化;合金的塑性变形是以孪生与位错滑移联合起作用,其独特的塑性行为来自于层错能效应及形变过程中的孪生诱发塑性效应。