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材料工程
中国航发北京航空材料研究院
材料工程

中国航发北京航空材料研究院

曹春晓

月刊

1001-4381

matereng@biam.ac.cn

010-62496276

100095

北京81信箱44分箱

材料工程/Journal Journal of Materials EngineeringCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊创刊于1956年，现由北京航空材料研究院主办，国内外公开发行。该刊主要刊登有关材料科学与工程方面的学术论文及研究报告，同时刊登综合性评述，报道新材料、新工艺、新产品信息，及时准确反映我国材料领域最新成就和最新进展。《材料工程》涉及航空航天及各种军民用材料领域，专业包括：金属材料（含金属间化合物），非金属材料，复合材料（聚合物基，金属基，陶瓷基），陶瓷材料，功能材料，工艺（铸造，热变形，焊接，粉末冶金，热处理，表面处理，非金属成型等），理化测试，性能表征，无损检测，失交分析，材料标准化等。该刊是美国工程索引（EI）和金属文摘（MA）收录期刊，据1998年统计，本刊在EI收录的中国科学技术论文数较多的100种期刊中排名第四（167篇）。是中国科技论文统计分析用刊，同时入选《中文核心期刊要目总览》、中国科学引文数据库、中国学术期刊综合平价数据库、中国学术期刊（光盘版）及万方数据“数字化期刊群”和中国期刊网。在国内外材料科技期刊有一定的地位和影响。
正式出版
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    航空发动机单晶高温合金涡轮转子叶片增材修复技术研究进展

    秦仁耀曲致奇陈冰清孙兵兵...
    1-14页
    查看更多>>摘要：单晶高温合金涡轮转子叶片是航空发动机的核心热端部件之一,对航空发动机的推力和性能具有决定作用,其服役损伤增材修复技术是航空装备特种加工领域最具挑战的工作之一.本文系统梳理了航空发动机单晶高温合金涡轮转子叶片的增材修复工艺方法及其应用进展;针对单晶合金增材修复中易产生的热裂纹缺陷问题,从热裂纹形成机理、关键影响因素和控制措施等角度进行了归纳;总结了单晶合金增材修复组织及性能的研究进展.在此基础上,展望了单晶高温合金涡轮转子叶片增材修复的未来发展方向,指出单晶合金修复专用合金材料成分设计、新工艺开发和基于深度学习的多目标协同优化是此领域未来的重要研究方向.

    单晶高温合金涡轮转子叶片航空发动机增材修复热裂纹杂晶

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    激光粉末床熔融修复定向DZ125合金数值模拟与实验研究

    朱家瑞戈昊宇张玉衡雍维...
    15-28页
    查看更多>>摘要：激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)技术具有成形柔性高、无需模具、快速制造等优点,特别适合于结构复杂、精密度高的航空发动机叶片修复工作,但仅通过实验方法难以高效准确地揭示多尺度多物理场耦合的LPBF过程中冶金缺陷和微观组织演变规律.利用有限体积法和元胞自动机模型分别模拟粉末床熔池形态演变与微观组织形成过程,结合实验观察,揭示不同打印参数下合金冶金缺陷和晶粒生长的演变规律.结果表明:LPBF修复过程中,能量密度显著影响熔池形貌,当能量密度小于87.9 J/mm3时粉末颗粒熔化不完全,伴随有孔洞和熔合不良等缺陷形成,而当能量密度大于137.4 J/mm3时,熔池凝固表面平整度明显降低.增加能量密度同时增强熔池水平方向热流干扰,晶体受到剪切力的影响进而导致与基体更大的取向差.此外,激光功率也显著影响着合金微观组织,随着激光功率的增加温度梯度逐渐减小,较低的温度梯度促进过冷液体区域形成,进而促进新晶核的形成,激光功率由150 W增加到250 W时,外延生长晶粒由柱状晶转变为大量杂晶.基于数值模拟方法分析获得LPBF修复DZ125合金的合理工艺参数为:P=200 W,V=1000 mm/s,H=65 μm,该方法有助于降低实验成本,加速LPBF修复合金合理工艺参数的获取.

    激光粉末床熔融DZ125合金有限体积法元胞自动机

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    DD6单晶高温合金激光增材修复接头组织与性能

    曲致奇秦仁耀张学军陈冰清...
    29-36页
    查看更多>>摘要：激光熔化沉积相比传统的氩弧焊、微束等离子弧焊更适用于单晶合金薄壁基体的修复.采用激光熔化沉积技术进行DD6单晶高温合金的增材修复.利用光学显微镜、扫描电镜与EBSD分析增材修复接头的修复区与热影响区组织特征,并测试修复接头的显微硬度分布与高温拉伸性能.结果表明:紧邻修复界面基体热影响区的γ′相发生了部分粗化与溶解,硬度明显降低.激光熔化沉积修复组织为外延生长的定向柱晶组织,由γ+γ′相以及枝晶间的少量弥散分布的碳化物组成,修复组织中存在低倍可见的细长柱状杂向晶,多数分布于紧邻界面的位置;随着修复区高度的增加,外延生长组织的枝晶间距与硬度随着修复高度的增加而逐渐增大,枝晶中细小的网格状γ′相占比不断增加;修复接头980℃抗拉强度达到了母材标准值的102%,屈服强度达到了母材标准值的92%,但伸长率相对较弱.

    DD6单晶高温合金激光熔化沉积增材修复接头组织和性能

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    Ni3Al基高温合金IC10钎焊接头组织及性能

    李文文李思思陈波任新宇...
    37-43页
    查看更多>>摘要：针对Ni3Al基定向凝固高温合金IC10导向叶片长时服役后出现的烧蚀、裂纹等损伤,可采用钎焊修复技术修复这些损伤缺陷,缩短大修周期.采用自主设计的高性能钴基钎料CoCrNi(W,Al,Ti,Mo,Ta)-B对IC10合金进行钎焊连接.在1220℃钎焊温度下,研究不同预置钎焊间隙和保温时间对IC10合金接头组织和强度的影响.结果表明:钎料对IC10合金具有良好的钎焊性,钎焊过程中钎料合金与IC10母材发生反应及互扩散,使得钎缝宽度比预置间隙明显增大.钎缝基体形成与IC10母材相类似的γ+γ′双相组织,同时基体上分布着团簇状硼化物相.保温时间对接头组织和强度影响较小,而钎焊间隙对其影响显著,随预置钎焊间隙增大,接头强度不断提高,当预置钎焊间隙为 0.15 mm时,接头在1000℃下的平均抗拉强度达到454 MPa,已接近IC10母材水平.从接头断口形貌分析,接头强度的提高主要归因于接头中白色硼化物相细小且弥散分布,裂纹扩展路径更曲折.

    IC10合金钎焊间隙接头组织高温强度

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    不同电子束流EB-PVD制备YSZ热障涂层的组织结构演变、热循环寿命与失效行为分析

    牟仁德丁宁刘冠熙罗宇晴...
    44-52页
    查看更多>>摘要：采用电子束物理气相沉积技术在不同电子束流下(1.2,1.8,2.4 A)制备YSZ热障涂层,分析表征不同电子束流下YSZ涂层的相结构和显微组织形貌变化,并对热障涂层进行了1150℃热循环寿命测试,同时通过微观组织结构演变对涂层失效行为进行分析.结果表明:不同电子束流下YSZ涂层均具有非平衡四方相结构,随着电子束流的增加,涂层柱状晶尖端结构逐渐由三角状向金字塔状再向山脊状演变,柱状晶由纤细结构转变为粗大结构,枝晶减少,排列有序性增加,由于YSZ涂层柱状晶纳米孔结构的存在使得热导率略微降低.1.8 A制备的YSZ涂层具有895周次的最优异热循环寿命,约为1.2 A下制备YSZ涂层的2倍,2.4 A下制备YSZ涂层的1.3倍,获得了低电子束流制备的纤细柱状晶结构优先烧结失效、高电子束流制备的粗大柱状晶优先热生长氧化(TGO)层应力累积失效的不同组织结构失效行为,1.8 A制备的柱状晶结构可平衡两种失效行为,有效延长YSZ热障涂层热循环寿命.

    热障涂层电子束物理气相沉积显微结构热循环失效行为

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    LaZrCeO热障涂层EB-PVD制备及失效机理

    罗宇晴李子楠朱石刚何利民...
    53-60页
    查看更多>>摘要：热障涂层作为一种由金属黏结层、陶瓷面层和热生长氧化物组成的防护涂层,在航空发动机涡轮叶片上得到了广泛的应用.采用电子束物理气相沉积技术在Ni基高温合金基体上制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷热障涂层.通过调控靶材的沉积能量,研究热障涂层成分、相结构及热循环寿命.分析了1100℃热循环下热障涂层失效机理.结果表明,随着靶材沉积能量增大,LaZrCeO涂层中Zr元素含量不断增加,而La/Ce元素比与靶材基本保持一致.同时,随着靶材沉积能量增大,涂层相结构由单一萤石相转变为复合烧绿石和萤石相结构,再转变为单一烧绿石结构.1100℃热循环测试表明,具有复合烧绿石和萤石相结构的LaZrCeO/YSZ双陶瓷热障涂层平均热循环寿命为1518次,表现出较好的热物理性能.随着热循环的进行,金属黏结层中的Al元素向外扩散,形成热生长氧化物(TGO),Cr元素与LaZrCeO和O反应,形成了LaCrO3和ZrO2.Ni元素和Co元素在高温下扩散并与O反应,形成(Ni,Co)(Cr,Al)2O4化合物,使得TGO层或界面层产生裂纹,降低了金属黏结层和陶瓷层之间的韧性,最终导致热障涂层失效.

    热障涂层电子束物理气相沉积相结构元素含量热循环寿命失效机理

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    扩散温度对NiCoCrAlYHf黏结层组织结构和性能的影响

    张彬丁宁蔡妍赵文君...
    61-66页
    查看更多>>摘要：采用真空电弧镀技术在DD6合金基体上制备NiCoCrAlYHf涂层(HY5涂层),经过不同扩散温度(900,1050,1080,1100℃)处理后,采用电子束-物理气相沉积技术沉积陶瓷涂层.通过分析不同扩散温度下黏结层的相组成和微观组织形貌,对不同扩散温度下热障涂层的循环氧化性能进行探究.结果表明:真空环境下扩散处理后,黏结层试样由沉积态的单相结构转变为扩散处理后的双相结构.随着扩散温度的升高,黏结层中β-NiAl相含量随之升高.扩散处理后涂层表面均匀、致密,观察到灰白色γ-Ni,γ'-Ni3Al相及黑色β-NiAl相,证明扩散处理可以改变黏结层的相结构.900℃扩散处理的涂层循环氧化寿命最长,超过400 h;1100℃扩散处理的涂层循环氧化寿命最短,不到300 h.扩散温度为900℃时,黏结层的氧化速率和热生长氧化物增厚速率最低.相组成中并非β-NiAl相含量越多越好,而是存在阈值,在阈值以内提高β-NiAl相含量才能获得更好的服役性能.

    扩散温度涂层组织结构性能

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    粉末注射成形制备复杂薄壁TiAl合金旋流器

    刘艳军潘宇孙健卓朱郎平...
    67-79页
    查看更多>>摘要：旋流器作为航空发动机的重要部件,实现其轻量化制造对提升发动机服役性能具有重要意义.轻质高强耐热TiAl合金是一种极具应用潜力的高温结构材料,但其本征脆性大、制备加工困难,严重限制其在高性能旋流器制造方面的应用.为此,本研究采用粉末注射成形(powder injection molding,PIM)制备方法,结合水溶性芯模的模具设计及高保形聚甲醛(POM)基黏结剂开发,通过催化脱脂、热脱脂及两步烧结工艺,直接近净成形制备出复杂薄壁TiAl合金旋流器,无需机加工过程.结果表明:成分为 82%(质量分数,下同)POM-5%高密度聚乙烯(HDPE)-5%乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)-8%硬脂酸(SA)的黏结剂具有较高的粉末装载量和较佳的充模性能,其喂料粉末装载量为62%(体积分数),流动行为指数n为0.56,黏流活化能E为22.95 kJ/mol,综合流变学因子为9.59;常压两步烧结方法可实现高致密度和细晶的协同控制,当烧结工艺为 1430℃/1 h+1250℃/5 h时,PIM所制备TiAl合金的致密度达到 96.3%,且片层团尺寸约为 100 μm,后续结合热等静压处理实现了TiAl合金的近全致密化,所制备复杂薄壁TiAl合金旋流器的尺寸偏差为±0.1 mm,表面粗糙度Ra为1.046 μm,室温抗拉强度为577 MPa,屈服强度为466 MPa,伸长率为0.96%.

    TiAl合金旋流器粉末注射成形尺寸精度表面粗糙度力学性能

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    具有低接触电阻的燃料电池双极板用Ti-Al-Ta合金

    宋梦凡王清董闯
    80-90页
    查看更多>>摘要：表面制备涂层后的钛及钛合金作为质子交换膜燃料电池双极板具有优良的综合性能,但裸板在服役过程中会形成导电性不良的钝化膜,降低了整机效率.通过研究α型耐蚀钛合金Ti35(Ti5Ta)及其Al合金化的可行性,在保证耐蚀性的前提下,提高裸板的导电性.利用团簇式成分设计方法,结合相图上的最高固溶度,设计了成分为Ti-7Ta,Ti-8.3Ta,Ti-9.6Ta的三种Ti-Ta合金以及成分为Ti-2.6Al-5.8Ta,Ti-3.8Al-8.6Ta,Ti-5Al-11.3Ta的三种Ti-Al-Ta合金.测试结果可知,在模拟阴极服役环境(0.5 mol/L H2SO4+2×10-6 HF)0.6 V(vs.SCE)下恒电位极化4 h,所设计合金阴极极化电流密度均小于参照合金TC4,其中Ti-8.3Ta 合金最小为0.72 μA·cm-2.在1.5 MPa加载压力下,随着Ta含量的增加,接触电阻(ICR)值逐渐降低,且均优于纯钛和TC4合金,Ti-5Al-11.3Ta 合金的ICR值最小,为18.3 mΩ∙cm-2,其阴极极化电流密度为0.91 μA·cm-2.综上表明,Ta和Al的适量添加能够有效提升钛合金双极板的服役性能,有望实现无涂层制备的钛合金双极板材料.

    钛合金双极板耐蚀性界面接触电阻钝化膜

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    固溶对6451铝合金组织及力学性能的影响

    冉继龙陈凯欣赵经纬李秀磊...
    91-99页
    查看更多>>摘要：采用电导率测试和拉伸实验,结合 OM和 SEM 形貌观察,研究不同固溶对6451铝合金板材微观组织和力学性能的影响规律.结果表明:固溶温度为560℃时,板材在固溶处理3 s时已发生再结晶;固溶时间延长至5 s,Mg2Si粒子少量回溶;时间延长至7 s,完全再结晶后形成等轴晶组织,Mg2Si粒子大量回溶,板材强度迅速增大.随着固溶时间的进一步延长,T4P态板材强度的增速明显减缓,烤漆后的屈服强度增量基本不变;30 s固溶处理后,晶粒尺寸没有明显变化;固溶时间增加至60 s时,Mg2Si粒子完全回溶,T4P态板材的屈服强度和抗拉强度分别提升至125 MPa和247 MPa,伸长率达30%.根据研究结果建立基于经典扩散理论的T4P态板材屈服强度与固溶量之间的函数关系模型.

    6×××铝合金固溶处理Mg2Si粒子屈服强度

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