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涉氢环境及其对高温合金的影响:评述--面向航空发动机潜在应用

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航空材料学报 2024年第2期44卷 13-30页

作者：郑亮李周王旭青张国庆中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室北京100095

随着“双碳”目标的提出,氢作为绿色清洁能源成为未来航空业发展的重要趋势,近年来氢燃料航空发动机备受关注。高温合金是当前燃气涡轮发动机热端部件中应用最广泛的材料,本文综述现有其他领域涉氢环境对合金的影响,为未来氢燃料航空发... 详细信息

随着“双碳”目标的提出,氢作为绿色清洁能源成为未来航空业发展的重要趋势,近年来氢燃料航空发动机备受关注。高温合金是当前燃气涡轮发动机热端部件中应用最广泛的材料,本文综述现有其他领域涉氢环境对合金的影响,为未来氢燃料航空发动机用高温合金研制和应用提供参考。对内/外氢环境的引入、渗(充)氢方法、氢浓度/氢分布特征及氢稳定存在温度的测量、氢对拉伸、蠕变/持久和疲劳性能的影响以及氢脆的断裂机理进行分述,总结不同成分、制备工艺、原始组织状态、合金化程度以及不同应用领域高温合金在涉氢环境下的力学性能退化因素。结果表明,外氢环境下比内氢环境下力学性能下降更快;合金化程度更高的高温合金氢脆更明显,而高温氢环境下合金性能损伤(蠕变/持久、疲劳和拉伸)倾向较室温明显降低。就燃氢涡轮动力用高温合金在涉氢环境下的力学性能评价及适氢环境高温合金的研制进行展望。燃氢涡轮航空发动机可能面临的涉氢工作环境包括:液氢存储的低温氢环境;用于通道冷却的氢环境;经过气体压缩的高温高压氢环境;以及燃烧产物-高温水蒸气(高温潮湿)环境的影响。重点应关注氢在高温合金中的扩散和渗透、高温合金在高压氢环境下的脆性和腐蚀、高温潮湿环境下氧化和腐蚀行为以及上述多重耦合环境下合金和涂层的退化和防护机制。针对燃氢涡轮发动机工作环境,需要搭建近服役条件的高温合金燃氢环境实验装置,开展燃氢环境对高温合金及零部件的影响研究,建立现役叶片和盘件等热端部件关键用材在涉氢环境中的力学性能数据库和相关标准,并在此基础上适时研发适用于燃氢环境使用的高温结构材料,为氢燃料燃气涡轮航空发动机的应用提供支持。

关键词：高温合金氢燃料燃气涡轮航空发动机氢致力学性能退化氢分布 TiAl合金氢脆指数

GH4169合金激光选区熔化成形工艺与缺陷特征的相关性

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航空材料学报 2024年第1期44卷 104-111页

作者：高祥熙杨平华张帅中国航发北京航空材料研究院北京100095 航空材料检测与评价北京市重点实验室北京100095 中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室北京100095

通过改变激光选区熔化成形工艺,即激光功率和扫描速度,制备多个GH4169试样。采用金相法观察显微组织及其内部缺陷的形貌与分布,采用X射线断层成像获得试样孔隙率,并统计分析缺陷三维特征,研究成形工艺与缺陷特征的相关性。结果表明:当... 详细信息

通过改变激光选区熔化成形工艺,即激光功率和扫描速度,制备多个GH4169试样。采用金相法观察显微组织及其内部缺陷的形貌与分布,采用X射线断层成像获得试样孔隙率,并统计分析缺陷三维特征,研究成形工艺与缺陷特征的相关性。结果表明:当能量输入密度为59.1 J/mm^(3)的优化工艺时成形试样中互相搭接的熔道形貌齐整、随机分布的规则气孔尺寸小于30μm、致密度高达99.9998%。在较窄的工艺窗口下(220~300 W、700~1300 mm/s),试样致密度对扫描速度更为敏感,高扫描速度易形成分布在熔道搭接区内极不规则的未熔合。偏离优化工艺时,缺陷数量增多,部分缺陷尺寸大于30μm,其中高激光功率形成的气孔形状或高扫描速度形成的未熔合形状都与各自的尺寸密切相关,即尺寸越大,形状越不规则,产生的不利影响要远大于规则气孔。

关键词：激光选区熔化 GH4169合金成形工艺熔道缺陷

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粉末冶金TC4-PCS复合材料的热变形行为

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材料工程 2024年第10期52卷 90-96页

作者：佟健博潘宇张文强王平张明杰中国航发北京航空材料研究院先进钛合金重点实验室北京100095 北京科技大学工程技术研究院北京100083

以聚碳硅烷(PCS)为前驱体,采用粉末冶金无压烧结制备原位自生颗粒增强的TC4复合材料。通过Gleeble-3500热模拟试验机对TC4-1PCS(PCS的质量分数为1%)复合材料进行850~1100℃,0.001~1 s^(-1)的模拟热压缩实验,分析不同参数下复合材料的应... 详细信息

以聚碳硅烷(PCS)为前驱体,采用粉末冶金无压烧结制备原位自生颗粒增强的TC4复合材料。通过Gleeble-3500热模拟试验机对TC4-1PCS(PCS的质量分数为1%)复合材料进行850~1100℃,0.001~1 s^(-1)的模拟热压缩实验,分析不同参数下复合材料的应力-应变曲线。采用OM,SEM和EBSD等手段分析变形参数对增强相颗粒、基体组织和致密化的影响。结果表明:热变形前TC4-1PCS复合材料存在较多残余孔隙,TiC增强相颗粒尺寸约为5~10μm。TC4-1PCS基体的β转变温度(T_β)介于1000~1050℃之间,在T_β以上进行变形时,TC4-1PCS基体全部为片层状淬火马氏体,而在T_(β)以下变形后基体为双态组织。变形温度决定复合材料的致密度和组织类型,应变速率影响基体相尺寸和残余孔隙率。变形温度的提升和应变速率的降低可以促进TC4^(-1)PCS复合材料的致密化,应变速率的提高对细化组织效果明显。在1050℃,0.1 s^(-1)下变形可以较大程度实现TC4-1PCS复合材料组织细化和致密化。

关键词：颗粒增强钛基复合材料应力-应变曲线致密化粉末冶金

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化学铣切对2524-T3铝合金薄板表面形貌和性能的影响

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机械工程材料 2024年第5期48卷 33-37页

作者：雷越陈高红郝敏中国航发北京航空材料研究院北京100095

对2524-T3铝合金薄板进行化学铣切试验,研究了化学铣切前后薄板的表面形貌、拉伸性能和疲劳性能。结果表明:化学铣切前薄板表面存在尺寸为5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg和氧化物,化学铣切后表面出现大量直径为10~50μm的浅表腐蚀坑,还... 详细信息

对2524-T3铝合金薄板进行化学铣切试验,研究了化学铣切前后薄板的表面形貌、拉伸性能和疲劳性能。结果表明:化学铣切前薄板表面存在尺寸为5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg和氧化物,化学铣切后表面出现大量直径为10~50μm的浅表腐蚀坑,还有第二相粒子部分溶解剥离而残留的微孔洞,表面粗糙度提高;化学铣切对薄板的室温拉伸性能无显著影响,化铣前后的屈服强度不低于330 MPa,抗拉强度不低于460 MPa,断后伸长率保持在20%以上;化铣前后薄板的疲劳强度分别为153.5,138.3 MPa,化铣后疲劳强度相比化铣前下降了9.9%。

关键词：化学铣切 2524-T3铝合金薄板疲劳性能表面形貌断口形貌

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单晶叶片激光修复研究进展

稀有金属材料与工程 2024年第2期53卷 593-602页

作者：张剑郭媛媛张迈叶新玥刘逸刘禹侯娟中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室北京100095 上海理工大学材料与化学学院上海200093

单晶叶片激光修复技术为航空领域节约了大量成本,该技术以增材制造工艺为基础,以期在单晶基底上通过定向凝固生长出理想的单晶结构。目前,主流的单晶叶片修复技术包括以下两类:定向能量沉积技术(directedenergy deposition,DED)、粉末... 详细信息

单晶叶片激光修复技术为航空领域节约了大量成本,该技术以增材制造工艺为基础,以期在单晶基底上通过定向凝固生长出理想的单晶结构。目前,主流的单晶叶片修复技术包括以下两类:定向能量沉积技术(directedenergy deposition,DED)、粉末床熔融技术(powder bed fusion,PBF)。本文综述了2种主要修复技术的研究进展,总结了修复过程中工艺参数的影响及单晶生长的机制,阐明了单晶修复技术在航空领域的应用潜力。此外,还讨论了目前单晶叶片修复面临的主要挑战,并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词：单晶叶片增材制造激光修复

基于灰色关联度分析的不锈钢离子渗氮层对磨损性能的影响

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金属热处理 2024年第3期49卷 174-181页

作者：张碧清韩啸贺瑞军朱硕王赟郭凯宇中国航发北京航空材料研究院钢与稀贵金属研究所北京100095

通过正交试验和灰色关联度分析研究了1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢渗氮层特性对磨损性能影响的主次关系和规律。采用光学显微镜观察渗氮层显微组织,并采用金相法测量渗层厚度;采用XRD衍射仪分析渗层表面物相;采用维氏硬度计测定渗层表面... 详细信息

通过正交试验和灰色关联度分析研究了1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢渗氮层特性对磨损性能影响的主次关系和规律。采用光学显微镜观察渗氮层显微组织,并采用金相法测量渗层厚度;采用XRD衍射仪分析渗层表面物相;采用维氏硬度计测定渗层表面硬度和硬度梯度;采用SRV摩擦磨损试验机测试渗氮层摩擦磨损性能,并用白光干涉三维表面轮廓仪测定磨痕最大深度和磨损体积,用扫描电镜分析磨损机理。通过灰色关联度分析研究了表面硬度、硬度梯度和渗氮层厚度等渗氮层特性对磨损性能的影响。结果表明,不锈钢渗氮层发生的磨损破坏主要是通过磨粒磨损、黏着磨损和局部疲劳剥落产生;在恒定大载荷200 N条件下,表面硬度、硬度梯度和渗氮层厚度均显著影响其磨损性能,其中渗氮层厚度对磨损性能的影响最显著,随着渗氮层厚度增加,磨损性能下降。

关键词：马氏体不锈钢离子渗氮灰色关联度分析磨损

在PMMA上低温沉积TiO_(2)薄膜的光学性能及显微结构

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中国塑料 2024年第3期38卷 7-12页

作者：纪建超颜悦陈宇宏哈恩华郝常山雷沛北京航空材料研究院股份有限公司北京100095 北京航空材料研究院北京100095 北京市先进运载火系统结构透明件工程技术研究中心北京100095

采用直流脉冲磁控溅射的方法,在有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)上沉积了TiO_(2)薄膜。研究了氧气比例、真空度等参数对TiO_(2)薄膜的结构及光学性能的影响。借助椭圆偏振光测试仪、X射线衍射(XRD)仪、分光光度计、原子力显微镜(AFM)... 详细信息

采用直流脉冲磁控溅射的方法,在有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)上沉积了TiO_(2)薄膜。研究了氧气比例、真空度等参数对TiO_(2)薄膜的结构及光学性能的影响。借助椭圆偏振光测试仪、X射线衍射(XRD)仪、分光光度计、原子力显微镜(AFM)等表征手段,分析了薄膜的光学特性、元素组成、结晶性能、及显微结构。结果表明,随氧气比例的增加,薄膜的沉积速率降低,沉积的薄膜的粒径变大,薄膜趋于疏松;在光学性能方面表现为随氧气比例的增加,折射率递减,但可见光透过率增加,反射率谱线出现红移;根据折射率计算的薄膜堆积密度分别为0.95、0.93、0.87、0.88、0.78,与氧气比例反向变化;根据光谱计算的薄膜禁带宽度在3.12~3.14 eV之间,与氧气比例反向变化;随工作真空度的降低,薄膜的沉积速率先升后降,薄膜趋于疏松,折射率下降,根据折射率计算的薄膜堆积密度为0.96、0.95、0.90、0.89、0.88、0.88、0.87,真空度对薄膜可见光透过率具有正向影响,对薄膜的禁带宽度有反向影响,禁带宽度在3.13~3.16 eV之间;本文沉积的TiO_(2)薄膜为无定形态,氧气比例与真空度的变化对其结晶性基本无影响。

关键词：聚甲基丙烯酸甲酯二氧化钛薄膜磁控溅射光学性能显微结构

预处理方法对定向有机玻璃表面性能及黏结强度影响

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材料工程 2024年第5期52卷 156-162页

作者：齐梦雨相宁张晓雯颜悦郑梦瑶中国航发北京航空材料研究院北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心北京100095

为研究不同表面预处理方法对定向有机玻璃表面性能以及与热塑性聚氨酯(TPU)间黏结强度的影响规律及机理,使用AFM、FTIR和接触角测量仪测定酸处理、等离子处理和过渡层处理后定向有机玻璃的表面化学组成、粗糙度与表面接触角,并使用90°... 详细信息

为研究不同表面预处理方法对定向有机玻璃表面性能以及与热塑性聚氨酯(TPU)间黏结强度的影响规律及机理,使用AFM、FTIR和接触角测量仪测定酸处理、等离子处理和过渡层处理后定向有机玻璃的表面化学组成、粗糙度与表面接触角,并使用90°剥离实验测试预处理前后定向有机玻璃与TPU之间的黏结强度。结果表明:酸处理和等离子处理后定向有机玻璃表面粗糙度和表面极性增加,同时表面润湿性能得到改善,使黏结强度分别上升了14%和22%;而过渡层预处理提高了基材与TPU的化学相容性,处理后定向有机玻璃表面极性与TPU相近,降低了界面张力,明显改善界面黏结性能,黏结强度由4.44 kN/m上升至23.61 kN/m。

关键词：定向有机玻璃热塑性聚氨酯黏结机理表面性能

(Sm_(1-x)Er_(x))_(2)(Zr_(0.7)Ti_(0.3))_(2)O_(7)陶瓷材料的热物理性能研究

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中国稀土学报 2024年第3期42卷 515-521页

作者：牟仁德谢敏张永和王志刚宋希文中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室北京100095 内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古包头014010

采用固相合成法制备了(Sm_(1-x)Er_(x))_(2)(Zr_(0.7)Ti_(0.3))_(2)O_(7)(x=0,0.2,0.4)陶瓷材料,研究其物相结构及热物理性能。结果表明:(Sm_(1-x)Er_(x))_(2)(Zr_(0.7)Ti_(0.3))_(2)O_(7)(x=0,0.2,0.4)陶瓷材料均为单一立方烧绿石结构,晶格常数随Er^(3+)掺杂量的增加而降低。掺杂Er_(2)O_(3)可显著降低Sm_(2)(Zr_(0.7)Ti_(0.3))_(2)O_(7)陶瓷材料的热导率,屏蔽热辐射,减缓高温下热导率异常上升的趋势。Er^(3+)部分取代Sm^(3+)导致陶瓷材料的热膨胀系数从11.52 K^(-1)降低到10.89 K^(-1),但仍与YSZ陶瓷材料的热膨胀系数接近,满足热障涂层材料的应用要求。

关键词：热障涂层陶瓷热导率热膨胀系数掺杂锆酸钐