《航空材料学报》2021年第2期目录

综述

激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用（点击“题目”可链接全文）

杨胶溪, 吴文亮, 王长亮, 刘晨光, 王树志, 阳代军, 周正, 徐宏超

2021, 41(2): 1-15   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000158

摘要: 增材制造技术（AM）是一种基于离散-堆积原理，以计算机模型数据来加工组件的新型制造技术。激光选区熔化（SLM）作为增材制造领域的一项重要技术，以其一体化制造特点和在复杂结构零部件制造领域的显著优势，成为航空航天制造领域的重点发展技术和前沿方向。本文综述了SLM技术的材料体系和应用领域，主要对SLM技术的最新工艺研究和航空航天领域的典型应用进行细致分析。重点阐述SLM铁基合金、镍基合金、钛合金和铝合金等材料体系的研究进展及成果。SLM技术在各领域广泛应用的同时，也存在成形材料内部缺陷多、高性能材料的裂纹及变形、标准体系的欠缺和粉末材料兼容性低等诸多问题和不足之处，使其发展受到一定制约，需要在这些方面做更深入的工作。

关键词:激光选区熔化 / 发展现状 / 材料体系 / 一体化复杂结构 / 轻量化设计 

非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

马宏越, 肖纳敏, 钱鹏, 罗帅, 章海明

2021, 41(2): 16-31   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000134

摘要: 结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势，对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键，而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制，包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状，传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合，重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响，忽略了偏应力的作用，不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测；而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响，适用于复杂的应变路径和应力状态。最后，评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用，展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点，综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用，使其具有更好的普适性和预测精度。

关键词:韧性断裂准则 / 损伤断裂 / 塑性成形 / 航空金属材料 

放电发射光谱在金属微弧氧化表面处理中的应用研究进展

廖燚钊, 薛文斌, 万旭敏, 张亦凡, 朱明浩, 徐驰, 杜建成

2021, 41(2): 32-44   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000137

摘要: 液相火花放电现象是金属微弧氧化表面处理时典型特征，发射光谱（OES）技术是表征微弧放电光谱特征和探索微弧氧化机理的有效手段。本文综述了铝、镁、钛等金属微弧氧化过程中发射光谱的研究现状。介绍微弧放电区等离子体的电子温度、电子密度等特征参数计算原理。重点关注了不同金属基体材料、电参数及电解液组成条件下，等离子体放电行为对微弧氧化膜结构的影响规律，并比较不同放电模型的异同。基于OES谱线评估得到的各种金属微弧等离子体温度为3000～10000 K，为放电通道内快速熔化-凝固过程促进陶瓷膜生长机制提供证据。

关键词:微弧氧化 / 发射光谱 / 放电机理 / 电子温度 

研究论文

片状粉末冶金的石墨烯/铝基复合材料制备过程控制与力学性能

鞠渤宇, 宋义伟, 赵博阳, 姜义君, 杨文澍, 武高辉

2021, 41(2): 45-52   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000184

摘要: 石墨烯/铝复合材料具有强化效率高、强塑性协同提升、综合性能优异的特点，有望突破现有金属基复合材料强塑性匹配性差的瓶颈问题，但石墨烯的难于分散是困扰材料制备的重要问题。基于机械球磨工艺的片状粉末冶金技术可以将球状铝粉变成片状，实现石墨烯的均匀分散。本研究通过添加过程控制剂PDMS调控机械球磨过程，制备片状铝粉，结合压力浸渗技术制备0.6% （质量分数）GNPs/6061Al复合材料。结果表明：随着球磨时间延长，片状铝粉直径呈先上升后稳定的状态；随过程控制剂黏度上升，片状铝粉直径上升，铝粉片状化效果更明显，同时石墨烯缺陷含量先降低后上升。结合组织表征和力学性能测试，讨论了材料性能与组织结构间的关系。

关键词:石墨烯 / 铝基复合材料 / 片状粉末冶金 / 变形机制 / 构效关系 

4032铝合金圆锭DC半连铸过程中冷却速率对共晶硅变质的影响

吴永福, 张保存, 王柠, 余康才, 朱光磊

2021, 41(2): 53-60   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000046

摘要: 采用数值模拟的方法，研究DC（direct chill，DC）半连铸ϕ120 mm、ϕ300 mm、ϕ500 mm的4032铝合金圆锭在横截面上的冷却速率分布，并进一步研究冷却速率对共晶硅Sr变质效果的影响。研究表明，从铸锭表面至中心冷却速率整体呈下降趋势。随着铸锭尺寸的增大，铸锭的液穴变深，液相线温度与固相线温度的等温线之间的距离变大，铸锭内部的冷却速率显著降低。Sr对共晶硅的变质效果受到冷却速率的影响，冷却速率高于1.8 K/s时，Sr变质可以获得较好的变质效果。随着冷却速率的降低，在Sr含量相同的条件下，变质效果变差。工业生产条件下，ϕ500 mm圆锭内部的冷却速率降低至1 K/s以下，此时含量为0.033%~0.036%的Sr已不能使共晶硅有效变质。DC半连铸工艺参数中，铸造速度对ϕ500 mm铸锭的冷却速率分布的影响程度较大，但也仅影响距离铸锭表面小于R/2以内的冷却速率分布，无法提高铸锭内部的冷却速率。

关键词:4032铝合金 / DC半连铸 / 数值模拟 / 冷却速率 / Sr变质 

基于ProCAST的高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造

刘金虎, 纪志军, 李峰, 冯新, 余稳, 丁贤飞, 南海

2021, 41(2): 61 -71   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000058

摘要: 通过铸造模拟软件ProCAST实现高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造充型凝固过程的模拟仿真，研究浇注充型工艺对合金熔体充型、缩孔缩松等充型凝固特性的影响，优化相应工艺；进行浇注实验与铸件的无损检测分析，并进行铸件的解剖分析验证缩孔缩松分布；使用附注试棒研究叶轮在室温和高温下的力学性能。结果表明：ProCAST软件对高Nb-TiAl铸件缩孔缩松预测较为准确，通过模拟仿真预测结果优化了工艺方案从而避免了铸件中大尺寸缩孔缩松的形成，在最终的铸件中只存在尺寸小于22 μm的显微缩孔；所有铸件均实现完整充型，铸件室温抗拉强度约580 MPa，850 ℃高温抗拉强度约450 MPa。

关键词:ProCAST / 高Nb-TiAl合金 / 叶轮 / 数值模拟 /熔模铸造 

阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响

包雅婷, 王亚楠, 郑磊, 林向军, 侯广亚, 唐谊平, 伍廉奎

2021, 41(2): 72 -81   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000129

摘要: 采用电化学阳极氧化技术在含NH4F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明：由于“卤素效应”，阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜，有效阻止了氧的内扩散，进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000 ℃氧化100 h后，阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面，阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后，合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升，但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后，表面形成了一层富铝含氟氧化膜，由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物，卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。

关键词:钛铝合金 / 阳极氧化 / 高温氧化 / 卤素效应 / 力学性能 

PIP工艺制备SiC晶须增强SiC_f/SiC复合材料的性能

姜卓钰, 吕晓旭, 周怡然, 齐哲, 高晔, 赵文青, 焦健

2021, 41(2): 82 -88   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000081

摘要: 以不同界面层厚度的SiC纤维为增强相，采用先驱体浸渍裂解工艺（PIP）制备SiC_f（PyC）/SiC复合材料，并在复合材料基体中引入SiC晶须，对其性能进行研究。结果表明：热解碳（PyC）界面层厚度约为230 nm时，SiC纤维拔出明显，SiC_f/SiC复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa、446.9 MPa和11.4  MPa·m^1/2；在SiC_f/SiC复合材料基体中引入SiC晶须后，晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗，使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。

关键词:碳化硅 / 复合材料 / SiC晶须 / 力学性能 

Gd₂SiO₅纳米粉体的并流化学共沉淀法合成

刘蓉, 王雅雷, 武囡囡, 刘怀菲, 刘如铁, 程慧聪

2021, 41(2): 89-97   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000185

摘要: 以Gd₂O₃和正硅酸乙酯（TEOS）为原材料，采用并流化学共沉淀法合成Gd₂SiO₅粉体材料。研究Gd₂SiO₅前驱体的热响应特征、Gd₂SiO₅粉体的物相组成和微观形貌，并对Gd₂SiO₅粉体的合成机理进行初步探讨。结果表明：前驱体的低Gd/Si摩尔比和反应体系的高pH值会导致Gd₂SiO₅粉体生成Gd_9.33（SiO₄）₆O₂杂质相，相反则会导致生成Gd₂O₃杂质相。当Gd/Si摩尔比为20∶11、pH值为9~10、合成温度为1000~1300 ℃时，合成的粉体纯度较高，Gd₂SiO₅颗粒呈不规则形貌特征，平均粒度为100~200 nm。Gd₂SiO₅合成过程中，前驱体以一种—[Si—O—Gd]—网络结构存在，在煅烧过程中逐渐转化为Gd₂SiO₅晶体以及Gd_9.33（SiO₄）₆O₂和Gd₂O₃杂相。

关键词:Gd₂SiO₅粉体 / 并流共沉淀法 / Gd/Si摩尔比 / 反应体系pH值 / 合成机理 

基于松香酸酐的生物质环氧树脂体系流变特性

张旭锋, 黎迪辉, 齐僖, 仝建峰, 益小苏

2021, 41(2): 98-104   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000169

摘要: 黏度是热固性树脂基体加工成型中主要的流变学参数。采用锥板旋转黏度计分别检测树脂体系在动态和稳态下的黏度-温度曲线和黏度-时间曲线，并根据优化改进的六参数双Arrhenius方程研究基于松香酸酐的生物质树脂体系的流变特性，分别由黏度相对方程的指数形式和对数形式拟合获得反应速率常数K和指前因数A，建立两种黏度模型。由对数形式拟合获得的黏度模型与实验测试值的吻合程度要优于用指数型关系式获得的黏度模型。流变模型揭示了生物质树脂体系在不同工艺条件（T，t）下的黏度变化规律，为复合材料制造过程中工艺参数的优化提供必要的科学依据。

关键词:生物质 / 环氧树脂 / 流变学 / 模拟研究