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1、增材制造功能梯度材料及结构综述:从多尺度设计到多功能性能(3)
增材制造功能梯度材料及结构综述:从多尺度设计到多功能性能(3)
梯度结构在自然界中无处不在,许多仿生设计都涉及到FGMs,功能梯度设计用于生物圈和模拟生态系统和岩石圈,在地质模型中,需要对这些复杂的结构进行精确的设计,这些结构可能涉及不同大小的土壤孔隙、水渗流效应和承。
FGAM可以精确控制模型中的梯度结构,同时,土壤的机械强度和梯度渗透性可以在3D打印框架中再现,而孔隙大小的梯度可能会影响比表面积和功能,Tang等采用浆体沉积法构建了一个梯度结构的滑坡边,并利用该模型准确模拟自然滑坡的损伤,在传统的地质建模中。
滑坡模型中的人工带是由薄膜和玻璃珠创建的,图15 a) Inconel 718和铜基合金GR,以及纯Inconel 718和GRCop-84的热,b) 304 L到Invar 36梯度合金柱的成分,c)从B得到的梯度合金的洛氏硬度和热膨胀系数随距离,d) ITP结构的设计灵感。
e) Non-gradient结构,f) Three-gradient结构,g-l) GB结构在不同时间的瞬态温度分布,m)不同蜂窝尺寸的分级蜂窝和非分级蜂窝,n)蜂窝结构CFD模型网格,o) AM制作的样品,4.5光电特性与光电子器件,空间变化的折射率梯度已应用于抗反射表面、被动波束形。
传统技术,包括离子交换和溶胶-凝胶技术,都有一些常见的局限性,如处理时间长(通常>100小时)和组分尺寸有限(通,可通过使用FGMs和FGSs来克服,Roper等人通过超声粉末沉积在纤维玻璃复合基板(。
通过使用单层介电粉打印和叠加多层材料(图17a,b),最终形成了具有垂直方向介电常数梯度变化的复合材料,在15GHz的入射频率下,通过透镜表面附近的二维相位响应,在x方向和x-y平面的测量(图17c,d)显示了梯度介质,表明梯度折射率透镜已经成功生产。
4.3热性能和热管理,图14 用荧光细胞跟踪染料(红色和绿色)标记的打印,生物梯度最常见的影响是它们的机械功能,例如,承重和支撑(如骨骼或植物茎),抵抗接触和冲击损伤(如鲨鱼牙齿。
蜘蛛牙,鱼鳞)和界面强化和韧化(如组织或器官),提供多种功能特性,包括光的收集和传输,对环境刺激的传感和驱动,以及液体流动的控制,生物功能梯度材料展示了相当复杂的结构多样性和层次结。
结构特征的产生主要涉及i)组分的局部排列(例如,壳体中松散而致密的霰石单元),Ii)分布(如细胞、纤维、管状等),Iii)尺寸(例如,多个长度尺度到纳米级),Iv)结构建筑单元的朝向(例如,具有不同朝向的层的连续排列),v)梯度界面(例如连接)。
或vi)多个梯度的集成(如平行组合和分层梯度),如图13a-h所示,江苏激光联盟导读:,本文综述了各种制造想法,并对未来在设计和制造FGMs和FGSs方面的研究提,本文为第三部分。
4.6.1形状记忆、4D打印和超材料,图19 a)滑带破裂过程,b,c)多孔滑带和破裂滑带,遵循Mohr Coulomb破坏准则:当F≥1时滑,当F≤1时滑带滑动。
小模型制造过程:d)建模过程,e) 3 d打印,F)模型的形成,类似地,许多工具(如截齿和扳手)都是用FGSs制造的。
改善并优化了它们的机械性能,证明了在不牺牲承载能力的情况下,采用梯度蜂窝结构实现轻量化的可行性,梯度陀螺胞状结构(GCS,一种功能梯度胞状结构)具有与加载方向平行的梯度,表现出逐层的变形和破坏行为,通过优化各层的相对密度,开发了数学模型来预测和定制GCS的机械性能(图12。
l),3D凝胶印刷TiC高锰钢金属陶瓷由于其梯度结构,在密度、硬度、横向破坏强度、耐磨性和冲击韧性方面呈,FGAM技术为多功能材料系统的制造开辟了新的途径,使设计和制造更加智能、快速和集成,以解决广泛应用中的一些问题。
FGAM中材料结构-加工-性能关系的设计对于获得所,然而,到目前为止,FGAM实践缺乏既定的设计原则、指南和标准,阻碍了其发展,阻碍了设计师或工程师从这项令人兴奋的新技术中充分受,在Tang等人的3D打印滑坡模型中。
将水引入到滑坡体中,在岩土之间建立一个梯度过渡带(图19a),利用3D泥浆沉积,该研究提出了一种多孔滑动带(图19b)的设计,该滑动带将沿着应力链滑动(图19c)。
Tang等人提出使用材料分配AM方法在滑动床和主体,在石-土-蜡成分和多孔结构中具有梯度,该研究揭示了材料-结构-性能关系,分析了双梯度滑动带的地质力学和破坏机制,为滑坡研究、测试、预测和预防创造了新的前景,4.6.2地质建模,参考文献:N,Yang。
S,Hu,D,Ma,T,Lu,B。
Li,Sci,Rep,2015,5。
14878.,G.H,Loh,E,Pei,D,Harrison。
M,D,Monzón,Addit,Manuf,2018。
23,34.,U,G,K.Wegst。
H,Bai,E,Saiz,A,P,Tomsia,R。
O,Ritchie,Nat,Mater,2014,14。
23,5.未来的潜力和前景,随着人工智能技术的发展,软机器人需要能够轻松与人互动,例如,具有分级机械性能的机器人可以被设计成吸收冲击能量,机器人软壳的梯度刚度可以通过将物理损伤和外部能量传,表4总结了基于FGM或FGS的能量吸收系统的最新研。
Bodaghi等人表明,3D打印技术可以使工程超材料具有性能驱 动的功能,表明FDM具有制造3D形状记忆聚合物的潜力(SMP,图18c),研究表明,这些4D打印的超材料在机械或生物医学应用方面具有巨。
如结构和动态开关、部署支架、自卷曲和自整合衬底或自,e),简言之,FGAM通过在多个长度尺度上精确控制成分、成分和结,以及整合多个梯度。
创造了制造具有复杂梯度和高度特异性的先进功能材料的,预计在不久的将来,这种先进的多材料将用于开发新型3D结构和功能梯度器,图12印刷长PU板的机械性能,除了光电材料,还使用激光成形系统完成了梯度磁性双金属结构的制造。
梯度磁性材料显示出从非磁钢316(SS316)到磁,以及在266到174 HV的显微硬度值的平滑过渡,而磁性仅存在于SS430侧,Ren等人制造了一种聚氨酯(PU)板,其硬度和弹性模量沿纵向呈线性和抛物线变化(图12a,在悬臂梁弯曲试验中也观察到硬度和模量的线性梯度(图。
f),通过监测和模拟作用在拓扑优化的四旋翼机臂上的力,Li等人设计了一种轻型功能分级蜂窝结构四旋翼机臂,与传统设计的结构相比,不会影响其性能(图12g-j),仿真和实验数据均表明。
优化后的FGSs能显著提高四旋翼机臂的结构刚度,4.6其他应用,图17 a)印刷样品,b)微型计算机断层扫描(micro CT),c)d)实数部分和平面波入射到圆柱体Lunebur,e)梯度等离子体夜视隐形眼镜的概念。
f)g)玻片和手指上3D打印等离子夜视隐形眼镜的照,对于更复杂的器官,植入材料将界面应力和磨损降至最低尤为关键,然而,水凝胶等均质材料通常无法满足生物组织的性能要求,受生物材料启发的机械梯度可以减轻局部机械应力,有助于克服传统工程系统中的某些限制。
一些案例制造了梯度多组分水凝胶和其他生物材料,以及设计了具有定制孔径、孔隙率和支架组织互连性的仿,Bakarich等人通过基于挤压的印刷工艺,使用具有定向分布硬度和刚度的纤维增强水凝胶制造了人,还开发了一种仿生人工肌腱,由肌肉和骨骼之间具有分级机械性能的结缔组织组成(图,g),此外。
类似的研究也应用于半月板软骨,同样,Kokkinis等人打印了一个软核硬表面的分级人类,连接部件显示出下降的梯度,并表现出良好的缺陷容限机械性能(图14h),研究表明,FGS支架与骨髓源单核细胞联合应用,可通过在骨坏死区提供增强的生物和生物力学线索。
改善早期股骨头坏死的核心减压效果,Klein等人利用生物打印工艺打印出含有关节软骨不,在分级水凝胶材料上观察到人类软骨细胞明显不同的反应,允许细胞功能控制和细胞或信号的空间分布(图14a,b),FGAM种植体的另一个例子是一种新型多孔钛颅面部分,该部分具有分级的孔隙度和密度,适合于患者特定的种植体。
这些颌面和颅面种植体具有良好的兼容性、匹配的功能性,d),在整体复合材料中,不同材料之间的界面机械行为的突然变化很容易导致弱界,与整体复合材料相比。
功能梯度材料更加坚固,因为其梯度界面有助于最小化热机械应力集中,从而防止裂纹敏感区域的分层,并提高承重结构的耐久性,近年来,AM制造的聚合物/陶瓷/金属基功能梯度材料得到了广。
以克服每个组件的缺点(如裂纹萌生和扩展)(表2),雷达吸波结构是结构隐身技术的重要应用,然而,传统的RAS结构由于其表面层的低介电常数或结构内部,无法与环境的阻抗匹配,具有梯度结构的超材料可以通过改变几何形状来调节刚度。
同时保持恒定的质量,Yin等创建了一种应用于隐形飞机的梯度折射RAS,该RAS由三层组成(梯度折射率雷达吸收结构,GRINRAS,图16a),并显示GRINRAS在12-18 GHz时的吸收能,4.4能量吸收特性和电磁干扰屏蔽,doi.org/10.1002/admt.2019。
通过引入具有梯度微结构的氧化锆成分,可以制成一种类似砖灰浆的成分,该成分由梯度密度(<1%孔隙率)和多孔(5%孔隙率,具有多种性能,这为通过AM生产陶瓷4D组件打开了大门。
例如多材料/颜色/功能组件,FGAM生产无缝材料集成,消除了不同材料之间的尖锐界面,避免了可能导致组件失效的地方,在这里,梯度可以产生不同的应变,导致4D打印配置的几何变形,因此。
需要新的系统设计系统和模拟软件来嵌入和表示有关这些,并更准确、可靠地创建组件,iii)需要能够模拟FGAM物理过程以及预测组件生,以便为重建预先设计的模型提供可靠的指南,iv)现场和实时监测和表征在FGAM工艺中具有挑战,需要通过光谱、微观和宏观手段来表征功能梯度材料的非。
到目前为止,科学家们创造性地提出了各种AM技术来制造功能梯度材,然而,真正的工业应用仍然很遥远,而且很少,仍然需要进行大量和全面的研究工作,以解决所涉及的大量问题和挑战,图18 a)联锁梯度SMP的示意图。
b) SMP组件的形状恢复过程,c)如何通过FDM打印分级材料,d)具有自折叠能力的4D印刷超材料,模拟加热和冷却后的最终配置,e) 4D打印松散的结和纤维加热收缩,图13 生物材料的局部性质概况和梯度的基本形式,Haring等人已经研发出一种新型功能梯度等离子体,它可以过滤除红光(650 nm)之外的可见波长。
防止蓝光(475 nm)进入眼睛周围区域,固体绝缘体在不同电位导体之间的机械支撑和电气绝缘中,Li等人证实,FGM绝缘体可以显著改善电场分布,同时最大电场强度(Emax)大大降低。
通过拓扑优化,得到了在绝缘子表面具有均匀电场的FGM绝缘子,Li等人通过FDM技术制造了一种功能梯度材料绝缘体,其最大电场值显著降低了42%以上,从而实现了最佳电场分布。
4.2生物相容性和生物医学应用,FGAM的另一个潜在应用是形状记忆材料(SMM),它可以对适当的刺激做出反应,并根据预定的顺序进行几何变换,最近,大量研究集中在4D打印上,这是一种通过3D打印生产SMM的概念。
通过对微观结构特性的裁剪,通过FGAM制造的4D打印组件可以通过战略性地控制,实现更复杂的几何变换(如功能梯度折叠、梯度卷曲、梯,最近有报道称,对功能梯度材料或功能梯度材料的4D打印进行了研究,Yu等人展示了通过3D打印制作的功能梯度SMM(图,其中通过改变材料成分以控制玻璃化转变温度来恢复原始。
AM技术可以制造结构和成分逐渐变化的更先进的SMM,4.1机械性能和应用,本文介绍了多尺度FGAM的设计原理,包括几何表示、材料分布、微观结构设计和模拟方法,确定了FGAM结构设计中的一些现有挑战和未来趋势,包括i)FGAM的设计是多学科的。
因此对没有材料科学相关背景知识的设计师、工程师和制,应建立集成材料信息(成分、分布、相容性和梯度尺寸),以便设计师、工程师和制造商能够避免不良结果,ii)传统的基于虚拟几何的设计系统主要使用基于单一,另一方面。
FGAM零件包含复杂的内部结构,需要在微观结构水平上精确分布材料,随着具有复杂成分的新型功能材料的出现,必须开发新的先进制造方法,包括制造功能梯度材料或功能梯度材料的新方法,微纳米增材制造(又称微纳米级3D打印)是一种用于创,FGAM显示出创造高深宽比微纳米结构、多边微纳米结。
FGMs独特的梯度分布减轻了热应力集中,从而防止了裂纹敏感区域的分层,因此,FGMs被用来提高热交换器的耐久性,Onuike等人通过SLM制备了由Inconel ,并报道了这些具有分级热性能的双金属材料,与纯Inconel相比。
热扩散率和导热率分别提高了250%和300%(图1,同时,Hofmann等通过SLM制备了一种梯度合金(图1,c),并报道了其对热膨胀系数的显著影响(图15c,实线红线)。
合金的热性能在15 ~ 25 mm处发生梯度变化,这有利于在非均匀合金中逐渐传递热量,图16 a)装配式GRINRAS的照片:带有木桩单,b)在8、13和18GHz的频率下,电磁波束通过环形GRINRAS的功率密度。
电磁波的方向偏离环形GRINNRAS的中心60毫米,这是Ku波段三块板样品在8–18 GHz下的反射率,表2 各种材料和印刷方法制备的功能梯度材料的机械性,随着运载火箭和高超音速飞行器的发展,更加复杂的几何结构被应用于综合热防护(ITP)结构,受云杉茎的结构(图15d)的启发。
Kaijie Lin等人通过SLM制造了一系列具有,f)的ITP结构,导致最低底面温度为263°C(图15g–l),比其他结构低21°C,Zhang等人创建了一种分级多金属换热器。
该换热器具有设计的分级结构,表现出更好的热力学性质(例如压降、温度分布和传热系,图15m-o),梯度铁素体和奥氏体合金为创建化学成分和微观结构具有,功能梯度合金接头可以更有效地延缓碳的传输。
从而减少核电站奥氏体中的碳积累此外,相同金属的3D打印分级密度也有助于将异种合金接头中,可用于航空航天、汽车和海洋工业,FGAM在制造具有复杂生物启发梯度的组织工程和生物,如支架、骨植入物、人造肌肉和人体器官,例如,Martin等人建立了一个基于SLA的AM系统。
称为3D磁打印,利用磁场在体素水平精细控制陶瓷微粒的方向,与单相材料相比,开发的陶瓷/聚合物复合材料具有复杂的仿生增强结构(,图13i-k)显示出更好的机械性能(刚度、强度和硬,接下来将介绍一些使用FGAM创建生物渐变的案例,密度梯度晶格还具有优异的吸能性能(表4)。
满足个人防护装备、包装材料等多种应用需求,结合梯度蜂窝结构和梯度材料密度,平台应力和比能量吸收分别比均质材料高67%和72%,尽管FGAM在设计概念、设计形状、打印精度和材料类,但它已在航空航天工程、生物医学、热管理、电磁屏蔽和。
本节旨在概述最有前途的潜在应用,尽管仍需不断努力才能实现潜在的工业应用,表3 用于生物医学应用的AM制备FGM和FGS结构,江苏激光联盟陈长军原创作品,表4 FGM和/或FGS基能量吸收研究综述,FGAM还提供了解决广泛应用问题的机会。
包括生物医学植入物、热管理、电磁干扰屏蔽(EMI),甚至模拟自然滑坡灾害的地质模型,FGAM超材料优异的吸能性能将促进电磁干扰的发展,此外,渐变可以为SMM等多功能智能材料提供多种功能。
包括4D打印结构的受控变形,4D FGAM技术能够生产具有集成功能的智能响应材,从而促进智能制造的发展,分级生物材料在有机系统中很重要,可以提供生物和结构功能(表3),此前。
仿生系统使用均质材料进行形状驱动设计,这在模拟生物组织的异质性和微观结构方面遇到了巨大挑,FGAM允许直接制造具有梯度特性的复合生物医学植入,然而,在尝试打印完整器官之前,生物打印技术必须克服几个问题。
例如微血管化和生物墨水的寿命,从文献中可以看到一些初步结果,FGAM植入物离真正的临床应用还很远,人们认为,FGAM的进一步发展在考虑各种细胞类型、细胞生长、。
4.多功能特性及应用,与传统的均匀多孔材料相比,FGSs具有渐变的机械性能(例如,轻质、高比强度和刚度),并提供了梯度孔隙分布和大小,从而有可能为组织生长定制孔隙空间,采用SLM技术,通过调节梯度体积分数。
定制弹性模量(0.3-0.6 GPa)和屈服应力(,制备出与松质骨性能相当的连续型功能梯度多孔钛支架,细胞位置在整个物质体积中逐渐改变,并与结构特征、化学成分或成分的变化有关,Costantini等采用了一种基于阀的流动聚焦结,在vFF中,孔口的大小可以实时调整。
以产生可在线控制气泡大小的泡沫,在这里,vFF被安装在挤压打印机的顶部,以制造具有层状和平滑梯度多孔结构的长骨组织工程模型,孔隙大小从80µm到800µm不等。
上图显示了WAAM制备的FGM TiAl样品在垂直,元素分布图用于研究氧化垢的特征,此外,还分析了氧化层结构的差异,来源:A Review on Functional,Advanced Materials Techno,WAAM制备的FGM TiAl合金在800℃氧化1,生物降解性对于组织再生和长期预防植入相关感染都是至。
Li等人报道了一种带有功能梯度的拓扑设计,该设计可以控制AM制备的多孔铁试样的流体流动、质量,其渗透率变化高达四倍,生物降解率变化高达三倍,Han等利用SLM技术制备了准连续比值的钛/羟基磷,其中HA在每个功能梯度中的比值在0 ~ 5 wt%,纳米硬度(5.11-8.36 GPa)和断裂韧性(。
可以根据皮质骨和松质骨量身定做,Kawai等设计并3D打印了一种由聚己内酯(PCL,其孔隙度、降解度和机械强度在空间上可控,用于重建股骨头坏死骨组织。
航发观察:刘大响院士
两机动力控制/作者:中国航空发动机集团有限公司 刘,蜂窝或多孔层板结构钛合金加力筒体,MA956合金多孔层板隔热屏,陶瓷基复合材料或C/C复合材料喷管调节片/密封片,Ti2AlNb合金(SPF/DB)调节片支撑结构,高强高韧不镑钢+表面强化齿轮和轴承,润滑系统为-50~220/250°C低挥发、高润滑,指尖+刷封+蜂窝低、中、高温封严装置。
密封件为-50~350°C氟醚橡胶或金属橡胶等,国产现役航空发动机都是多年前仿制国外或自行研制和改,经过较长时间的使用,迫切需要进一步延长使用寿命,保证我国空军的战斗力,这些发动机采用的主要材料和制造技术,由于其研制时的认识和经费的限制,对材料和制造技术工程化的深人研究不够。
在发动机服役过程中,材料和制造技术的技术质量问题时有发生,如材料质量不稳定引起性能波动、工艺成熟度不高造成零,给定寿、延寿及排故工作带来一些障碍,甚至严重影响了部队的作战训练,导读:在对世界航空动力技术加速发展态势进行简要综述。
对航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势进行分析研,并按照一代新材料、一代新型发动机的思路,提出先进航空发动机主要部件和系统对材料技术的发展需,并从质量稳定性和工艺成熟度、工程化研究和验证、材料,对提高我国材料技术的发展和应用水平提出了建议。
来源:《材料工程》第45卷第10期,4、几点思考和建议,上述情况充分表明,世界航空推进技术正呈现出一种加速发展的态势,(3)涡轮,Rene88DT/N18涡轮盘。
CMSX-4G/PWA1484+热障涂层(TBCs,涡轮动叶和导叶采用热障涂层,涡轮动叶采用单晶对开叶片或双层壁发汗冷却铸冷叶片,导叶采用陶瓷基复合材料(CMCs)或NiAl,MA956多孔层板高效冷却双叶片。
双腹板盘、双结构盘或辐条式盘双性能粉末涡轮盘或含N,涡轮机匣采用超纯高温合金或Ti2AlNb合金或其复,低压涡轮轴采用SiC长纤维钛基复合材料(比IN71,(1)风扇和压气机,特别是部分已有预研成果的项目。
由于缺乏工程化应用研究验证,难以被发动机设计所选用,导致部分成熟发动机发展后劲不足、在研发动机研制缺乏,部分型号无法按照节点完成研制任务,这些都需要通过新材料的工程化应用研究,尽快突破新材料、新结构的制造技术,稳定制造工艺流程和质量,提高技术成熟度。
3、先进航空发动机对材料技术的需求,耐温1450~1650°C的陶瓷基复合材料(CMC,Lamilloy多孔层板火焰筒,抗氧化C/C复合材料或MA956合金Lamillo,精铸r-TiAl+HIP多通道扩压器,Ti2AlNb合金或其复合材料燃烧室机匣等。
从二战结束到21世纪初,军用喷气战斗机及其动力的发展大致经历四次更新换代,推重比8—级涡扇发动机是目前世界主要大国现役第三代,第四代推重比10发动机从20世纪80年代中期开始发,其典型机种有美国的F119、西欧四国的EJ200、,2005~2007年开始。
配装推重比10—级先进涡扇发动机的第四代战斗机(如,已经陆续取代现役的第三代战斗机,成为美国和部分西方国家,甚至我国部分周边国家和地区21世纪上半叶的主战机种,新中国建立以来,随着我国航空发动机研制过程的开展,对于配套的材料研制和制造技术也进行了大量的型号攻关。
先后完成了铝合金、钛合金、高强度钢、镍基高温合金、,制定了一千余份材料和工艺标准,形成了航空发动机材料和制造技术生产能力,但由于种种原因,材料和制造技术仍是制约我国航空发动机发展的重要因素,应找准问题、统筹规划、协调发展、重点突破,为了同美国竞争。
以英国为主,意大利和德国参与共同实施了与IHPTET类似的先进,英国和法国又联合实施了先进军用发动机技术(AMET,德国宇航研究院联合企业界独立实施了针对民机的3E(,日本早已通过专利生产第三代发动机,并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研,目前又正在与美、英合作研制飞行速度5倍于声速的HY,力图在高超声速推进技术领域抢占领先地位。
印度的军用发动机在部分依靠与国外合作的条件下采取自,自行研制的推重比8—级GTX-35VS双转子涡扇发,在推重比10以上涡扇发动机和高超声速组合动力关键技,我国复合材料研究起步较晚,目前存在的主要问题有:缺乏复合材料构件一体化设计方,对复合材料的损伤失效模式认识不清,尚未完全建立复合材料构件的设计准则。
缺乏复合材料构件的验证考核方法等,在民用航空发动机用材料方面,我国现有发动机产品系列不全,适航取证经验缺乏,大涵道比涡扇发动机和长寿命航改燃机刚刚起步,长寿命、高可靠性发动机材料和制造技术工程化应用研究。
与型号的迫切需求还存在明显的差距,需要在民用航空发动机材料的适航取证方面进行补课,尽快开展相关研究工作,(3)梳理材料体系,优选品种,完善数据,建立完善我国自主研制的发动机材料谱系和试验数据库。
通过这些国家层面的大型研究计划,大大推动了一批新材料和新工艺在发动机上的应用,使得材料耐温、强度水平不断提高,满足了部件的承温承载要求,高可靠性轻量化结构和精密、高效、低成本制造技术迅速,满足了发动机新型整体结构的设计要求,使得发动机部件重量越来越轻,先进涂层技术和特种制造技术得到了广泛应用。
大大缩短了发动机研制周期、使得新型航空发动机的性能,高能焊接技术:电子朿、离子朿、激光、辉光和摩擦焊等,国外研究的经验和国内研制的实践表明:工程化应用研究,不可缺少,不经过工程化应用研究,材料与制造技术存在的各种问题就难以得到充分暴露,从而为后面的型号研制带来很大的风险,甚至严重拖延型号的研制进度。
大幅增加研制成本,1970年1月22日,装有4台涵道比为5.2、推力为193.lkN(19,标志着民用航空动力进人了全新的大涵道比涡扇发动机时,自20世纪70年代初第一代大涵道比涡扇发动机JT9,目前已经发展了五代,其耗油率比第一代民用涡扇发动机降低约20%。
由于历史原因,我国航空发动机材料重复仿制现象较严重,造成材料牌号多、生产批量少、材料标准兼容性差、材料,如:提供给设计使用的数据有缺项,工业生产条件下毛坯的性能数据不足。
数据的可信度不高,与制造技术相关联的材料性能数据更显不足等,有必要下大决心,进一步梳理材料体系,优选品种,完善数据,建立完善我国自主研制发动机必不可少的材料谱系和试验,各类表面强化和光饰技术:激光冲击强化。
全方位离子注人,双辉表面改性,磨粒流和超声或振动光饰技术等,(5)重视民用航空发动机材料的适航取证研究工作,对此,我有以下几点看法和建议:,复合材料构件具有材料/结构/制造一体化特征。
是先进发动机突破轻量化和整体化的关键途径之一,其中纤维增强树脂基复合材料、纤维增强钛基复合材料、,(4)大力加强发动机用高性能复合材料的研究和验证,(4)加力/喷管/机械系统,(2)燃烧室,特别值得指出的是,美国于20世纪60年代初至80年代中在连续实施十多。
在研制第四代发动机(F119)的同时,从1988年起至2003年又投人50亿美元巨资,由军方、政府及工业界联合实施不针对特定发动机型号的,其目标是利用最新的科技成果,使推进系统的技术能力在1988年的基础上翻一番,到2005年左右突破推重比12~15—级发动机的关,并通过大量试验验证。
不断将新的成果用于型号,为其研制提供强有力的技术支持,这意味着他们用15年左右的时间,在推重比、耗油率、成本等方面取得的技术进步,相当于过去30~40年所取得的成就。
1、世界航空发动机技术呈加速发展态势,在航空发动机研制过程中,设计是主导,材料是基础,制造是保障。
试验是关键,从总体上看,航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展,航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展,发动机性能的改进一半靠材料。
据预测,新材料、新工艺和新结构对推重比12~15—级发动机,从未来发展来看,甚至可占约2/3,因此,先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实,使发动机质量不断减轻,发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高。
可以说没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发,正是由于不断提高的航空发动机性能对发动机材料与制造,各航空发达国家都投人了大量人力、物力和财力,对航空发动机用的材料与制造技术进行全面、深人的研究,取得了丰硕的成果,满足了先进发动机的技术要求,(1)进一步提高现役发动机关键材料的质量稳定性和工,钛合金/高温合金双性能(精锻+高速铣+线性摩擦焊)。
整体叶环(碳纤维树脂固化环冠箍或SiC纤维增强钛基,宽弦或小展弦空心掠形叶片(钛合金超塑成形/扩散连接,风扇/压气机轴和轴颈采用SiC纤维钛基复合材料,整流叶片及机匣采用阻燃钛或Ti2AlNb合金,风扇和压气机机匣采用增强纤维三维编织(0PC)技术。
Alloy C阻燃钛合金压气机机匣,有机复合材料机匣等,工业水平的提高、科学技术的进步和经济实力的增强,是航空动力快速发展的源动力,世界航空强国在重视教育、科技和工业技术发展的同时。
对航空动力技术的预先研究和试验验证给予极大的重视,开展了一系列大型研究计划,为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础,2001年美国GE公司为波音-777研制成功GE9,推力达到547kN(55826kgf),耗油率下降到0.05kg/(N*h)左右。
是当今世界上推力最大的发动机,被收入吉尼斯世界纪录中,目前,世界上窄体干线客机的动力100%选择了涡扇发动机,用涡扇发动机为动力的支线客机订货量已超过70%,大涵道比涡扇发动机使双发大型远程宽体客机实现了不着,航空使世界变成了“地球村”。
现在人们可以在24h内到达世界上的任何地方,在IHPTET计划取得巨大成功的基础上,美国政府和军方又制定了其后继计划——多用途、经济可,准备再用12年时间(2006~2017)、大约再投,通过多用途核心机、耐久性和智能发动机三个重点领域的,在2017年左右使发动机经济可承受性(定义为能力与。
其中能力为推重比与中间状态耗油率的函数)提高10倍,从国外航空发动机材料与制造技术的发展情况来看,加强材料与制造技术工程化研究是缩短发动机研制周期、,因此从20世纪70年代至今,航空发达国家安排了一系列的发动机材料和制造技术工程,规划了整个材料和制造技术领域的发展方向,为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础,如美国综合高性能发动机技术(IHPTET)计划、下。
美国空军复合材料经济可承受性计划(CAI)等(见表,(2)进一步加强新研和在研材料的工程化应用研究和验,先进航空发动机主要指第四代和新一代更高推重比/功重,以及新一代干线客机用大涵道比涡扇发动机,这类先进发动机除具有更高的性能指标外,还要全面满足可靠性、安全性、经济性、适航性、环保性。
对材料和工艺提出了新的发展需求,主要包括:,民用运输机和旅客机的动力也大致经历了四个阶段:早期,1949年出现了第一种用涡轮喷气发动机“埃汶”为动,标志着民用飞机喷气发动机时代的到来,第三阶段为20世纪60年代初的低涵道比(1.5~2,耗油率为0.07~0.08kg/(N*h),广泛用于波音-727、-737。
DC-9,“三叉戟”等飞机,逐步代替了耗油率高、经济性差的涡喷发动机,特种涂层技术:热障涂层(TBCs),抗氧化高温涂层,低、中、高温硬质、轻质封严涂层。
低、中、高温硬质、轻质耐磨涂层,钛合金防应力腐蚀、抗冲刷涂层和隐身涂层等,航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下,在各类武器装备中,航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出,航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可,把对材料和制造技术的要求逼到了极限。
材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代,如:第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料,第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术,第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术,充分体现了一代新材料、一代新型发动机的特点,2、航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势,(5)其他。
激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用(1)
然而,由于当时缺乏能够产生短持续时间高能脉冲光束的可靠激,LSP技术无法实际用于工业应用,Lawrence Livermore国家实验室成功,这台激光器的脉冲能量是200 J、脉冲持续时间为2,从那时起。
LSP被认为是一种可行的表面处理技术,可以显著改善金属材料的机械性能,并开始商业化,一些美国研究人员发现,经过LSP处理后,受损的F101风机叶片显示出比新叶片更高的疲劳强度,LSP随后被用于处理F119发动机上的第四级整体叶,磨损、腐蚀和疲劳是金属材料80%以上失效的原因。
由于磨损、腐蚀和疲劳引起的大多数故障都是从材料表面,因此表面完整性对材料的整体性能有着至关重要的影响,表面完整性特征,包括硬度、微观结构、形貌、粗糙度和残余应力状态,可以显著影响磨损和腐蚀行为,通过提高硬度和在近表面区域引入有益的压缩残余应力,激光冲击喷丸(LSP)可以显著改善金属材料的疲劳性,随着对性能改善材料需求的增加。
LSP的应用将进一步扩展到汽车工业、核工业、造船工,一项实验中采用法国GAIA-R Nd:YAG激光器,采用波长为1.064 μm、脉冲宽度(FWHM)为,聚焦后的激光光斑直径为3 mm,激光脉冲能量为3 J,对应的功率密度为4.24 GW/cm2,在重叠处理中。
如上图所示的样式的重叠率为13.4%,以最小化表面粗糙度增加(由I区和II区的不同冲击时,图6裂纹扩展速率与外部应力强度因子,Fabbro及其同事提出了一个分析模型,用于描述存在约束层时等离子体压力和激光参数之间的关,例如,图2显示了激光强度P(t) I(t) (Im=3 ,可以观察到。
最大压力与激光功率密度的平方根成正比,图3显示了峰值压力与从分析模型和实验中获得的激光功,可以观察到,当激光功率密度超过临界值时,模拟结果与实验结果不再一致,在高激光功率密度区。
峰值压力不再随激光功率密度增加而增加,这可以用介质击穿效应来解释,在LSP过程中,脉冲激光束穿过透明限制层并照射吸收层,吸收层吸收激光能量。
然后蒸发和电离,当表面上的能量足够高时,等离子体就形成了,它将继续吸收激光能量,由于约束层的存在,膨胀等离子体产生的冲击波可以穿透目标材料,当冲击波压力超过材料的Hugoniot弹性极限(H。
会发生塑性变形,导致材料表层的微观结构变化,如晶格畸变、位错生成和晶粒细化,此外,LSP还在近表面区域产生有益的压缩残余应力,这将大大改善疲劳性能,来自Battelle Memorial Insti。
他们发现经过处理后,合金的抗应力腐蚀开裂(SCC)和疲劳性能得到了改善,这是LSP发展的关键事件,在这项研究之后,美国国家科学基金会开始支持对LSP的研究,Clauer等人通过在样品表面使用不同的限制层和吸,改变了冲击波的强度和持续时间,研究发现。
在有约束层的情况下,冲击波压力可以达到GPa水平,金属材料的疲劳性能可以显著提高,因此,这种透明约束层和吸收层的组合也成为LSP的典型模型。
除了LSP技术在工业上的发展,学术界对LSP过程的理解也有了重大进展,例如,Fabbro等提出了一个分析模型,使用有限元法(FEM)来研究和描述冲击波压力与LS。
Ocaña及其同事提出了一个全面的模型来理解激光冲,Wu和Shin提出了一个自封闭热模型,用于研究LSP过程中激光烧蚀和等离子体形成与膨胀的,该模型能够预测不同LSP条件下的血浆压力,为了进一步了解LSP对金属材料微观结构的影响,Lu及其同事通过实验研究了LSP过程中不同目标材料。
并提出了几种不同的晶粒细化机制,在LSP过程中,激光诱导等离子体产生的冲击波到达目标材料表面,到达时,冲击波压力的强度超过材料的HEL,但随着传播而衰减,因此,顶面层将承受垂直于表面的压缩塑性变形。
变形平行于表面扩展,当冲击波在材料中传播时,其大小会衰减,当冲击波压力低于HEL时,塑性变形区周围会发生弹性变形,冲击波消散后,弹性变形将恢复,塑性变形区将受到弹性变形材料的反作用力。
产生有利的压缩残余应力场,该过程的示意图如图4所示,LSP过程示意图如图1所示,在典型的LSP装置中,吸收层和限制层覆盖样品表面,黑漆和铝箔通常用作吸收层,以防止金属材料蒸发和蒸发。
而水或BK7光学玻璃通常用作限制层,以限制激光诱导等离子体的膨胀,从而增加冲击波压力和持续时间,保护层和约束层材料的选择很重要,因为它们会影响冲击压力和持续时间。
Sano等人研究了不同约束介质对冲击波压力的影响,发现等离子体在空气中的膨胀速度大约是在水中的20倍,膨胀速度过快会导致冲击波压力降低,Li等人利用K9光学硼硅酸盐冠玻璃作为约束层,发现K9玻璃可以通过一种类似于用水的机制显著增加冲,因此,使用水或玻璃作为约束层可以确保冲击波压力的充分积累。
从而增加峰值压力和持续时间,上图a和b显示了LSP后片状Ti6Al4V钛合金的,观察到少量孔隙,但无明显裂缝或不完全溶解,细化的等轴α晶粒在图a中可以清晰地观察到明亮相,在图b的偏振光图像中可以清楚地观察到紫色相。
如图b所示,细化层的厚度可以达到400 μm,图c和d显示了LSP前后晶粒结构的SEM图像,doi.org/10.1002/adem.2020,激光冲击强化(LSP)通过在近表面区域诱导加工硬化,改善了许多金属构件的疲劳性能,近年来,LSP在增材制造、陶瓷和金属玻璃等新兴领域有了许多。
此外,还报道了基于LSP的创新工艺开发,包括温LSP、低温LSP、电脉冲辅助LSP、无涂层,本文旨在对LSP工艺进行全面回顾,重点介绍其新的应用和创新工艺开发。
简要回顾了LSP的历史和关键事件,还讨论了LSP的基本机理,包括高能脉冲激光产生冲击波、冲击波产生残余压应力、,以及LSP如何诱导晶粒细化,综述了残余压应力和晶粒细化对金属材料机械性能的影响,讨论了LSP的最新发展,如基于LSP的创新工艺开发及其新应用。
最后,还讨论了LSP技术目前面临的挑战和未来的发展方向,LSP处理可大大提高耐久性,防止表面裂纹,从而延长使用寿命,降低维护和维修成本,Leap等人报告说,LSP在改善舰载飞机鲨钩的疲劳性能方面优于SP。
目前,LSP被广泛用于多种合金的处理,如Ti−6Al−4V,Al2024,Inconel 718和Al7075。
LSP在生物医学植入物治疗中的应用也有报道,Sealy等人利用LSP处理骨科植入物用的镁-钙合,发现LSP可以同时提高抗腐蚀性能和疲劳性能,抑制植入物在人体内的快速降解和失效,Xiong等人结合LSP和微弧氧化技术,进一步提高镁合金植入物的抗应力腐蚀能力,Zhang等人通过LSP改善了镁合金植入物的机械性。
同时不影响细胞相容性,目前已经发表了多篇关于LSP的总数文章,例如,Montross等人系统地讨论了LSP对金属合金微,Gujba等人将LSP与SP和超声波冲击喷丸进行了,Liao等人总结了WLSP的基本机理及其对金属材料。
Kalainathan等人探索了LPwC的主要机理,以及它们对不同材料的影响,Clauer发表了一篇综述文章,讨论了从激光诱导等离子体的发现到LSP商业化的历史,然而,近年来发表的许多关于LSP的重要研究没有在任何综述,例如,其中包括LSP在增材制造金属、金属玻璃、陶瓷和其他。
其他重要的研究集中在LSP过程,包括EP-LSP、CLSP和FLSP,1.介绍,2.1 LSP过程中产生的冲击波,江苏激光联盟陈长军原创作品。
还开发了许多创新的LSP工艺,以应对LSP应用中的挑战,Sano等人提出了无涂层LSP(LPwC),它使用低能激光加工金属部件,随后发现该技术可提高沸水反应器的抗应力腐蚀性能。
鉴于现有LSP技术的缺点,一些学者提出了新的LSP技术,如温热LSP(WLSP),低温LSP(CLSP),电脉冲辅助LSP(EP-LSP)和飞秒LSP(FL。
为了应对当前增材制造(AM)技术的流行,Kalentics等人和Lu等人将选择性激光熔化(,以更好地管理增材制造金属的残余应力、微观结构和孔隙,为了平衡扭矩,LSP处理的样品中也会产生拉伸残余应力。
这些应力会加速疲劳裂纹的产生和扩展,因此不允许出现在部件的关键区域,因此,必须仔细设计LSP加工模式,以确保残余应力得到适当分布,尤其是对于具有复杂几何形状的部件。
Zhao等人利用FEM模拟了不同LSP模式裂纹附近,已经证明,在优化LSP模式时,通过降低有效应力强度因子(SIF,见图6)。
可以最大程度地降低疲劳裂纹扩展速率,由于该数值研究已通过实验数据得到验证,因此,将FEM和SIF相结合的数值方法已被证明是设计适当,图2 激光强度分布和相应的冲击压力分布(α = 0,摘要。
Askar'yan和Moroz测量了高强度激光束对,发现该压力足以控制航天器,然而,这些实验是在真空条件下进行的,以防止介质击穿,这种条件在工业上并不实用,来自Sandia实验室的Anderholm用激光束。
发现透明约束层的存在可以显著增加冲击压力,虽然这个实验也是在真空中进行的,但它证明,在透明约束层的存在下,在空气中不会导致介质击穿的激光功率密度也可以产生足,这一观察结果对于涉及激光产生的冲击波的后期工业应用,Lu和同事测量了经过多轮LSP处理的LY2铝的残余。
并验证了LSP诱导的塑性应变可以在顶面上产生压缩残,随着冲击波在材料中传播时衰减,塑性变形程度将逐渐降低,残余应力值也将随深度而降低,从图5可以看出,压缩应力的最大值存在于样品表面,并沿垂直于表面的方向逐渐减小至零,然后它转化为拉应力。
产生拉应力以平衡压应力,此外,残余压应力的大小和深度将随着冲击次数的增加而增加,随着撞击次数的增加,目标的塑性应变增加,导致更高的应力值和更深的压缩层,为了提高冲击波压力预测的准确性。
Jiang等人考虑了等离子体传播过程中目标和约束层,参考文献:G,Askar'yan,E,Moroz。
Sov,J,Exp,Theor,Phys,1963。
16,163 8.,A,H.Clauer,Metals 2019,9。
626,2.2 LSP产生的压缩残余应力,图1 LSP实验装置的示意图,本文综述了残余压应力和晶粒细化对金属材料机械性能的,讨论了LSP的最新发展和目前面临的挑战和未来的发展,本文为第一部分,因此,本综述的目的是全面概述LSP。
重点介绍LSP研究的最新进展,首先,将考虑LSP的基本机制,包括冲击波的产生及其如何影响残余应力状态和微观结构,接下来,将讨论LSP对金属材料机械性能的影响,随后。
讨论了LSP研究的最新进展,包括WLSP、EP-LSP、CLSP、LPwC、F,以及LSP在增材制造金属、陶瓷和金属玻璃中的应用,最后,提出了应用LSP目前面临的挑战,以及未来的研究和发展方向。
2.LSP的基本机制,江苏激光联盟陈长军导读:,在LSP过程中,来自高能脉冲激光的光穿透透明约束介质并照射烧蚀涂层,迅速将受影响区域加热到高温并产生高压等离子体,等离子体的膨胀会产生冲击波,使目标金属发生塑性变形,导致加工硬化和压缩残余应力。
与喷丸(SP)相比,LSP具有以下优点,1) LSP可以产生更深层次的压缩残余应力,2) LSP中的工艺参数可以精确控制,3) LSP后的零件表面完整性得到改善,无需进行后处理。
4) LSP可用于处理具有复杂几何形状的部件,5)LSP处理效率高,有利于清洁的工作环境,由于LSP代表了可以替代SP的新一代表面强化技术,因此得到了广泛关注,图3作为激光功率密度函数的峰值压力测量。
图5多次LSP冲击后LSP处理样品的深度残余应力,插图显示了冲击时间,来源:Recent Developments an,Advanced Engineering Mate,Zhou等人发现,在水层或玻璃的一定厚度范围内。
增加水层厚度可以增加峰值压力,然而,一旦超过临界值,继续增加约束层的厚度将降低峰值压力,因为水膜可以散射激光。
而较厚的水膜将吸收大量等离子体能量,此外,Takata等人通过声发射分析研究了不同约束层参数,他们发现,冲击波压力随约束层的粘度增加而增加。
最近,Xiong等人利用分子动力学模拟在微观尺度上研究了,他们发现虽然限制层可以有效地提高峰值压力,但保护层对压力的影响很小,并且会在目标表面引入杂质,因此。
为了获得更好的加固效果,有必要为保护层和约束层选择合适的材料和合适的材料参,SCLSP和HCLSP的重叠样式,LSP前后Ti6Al4V钛合金的显微组织,(a)和(b)LSP后近表面横截面积的光学图像,(c) LSP前后的SEM图像,(e)(f)c和d中α晶粒的粒度分布。
图4 LSP产生的压缩残余应力示意图。
关于增材制造功能梯度材料及结构综述:从多尺度设计到多功能性能(3)航发观察:刘大响院士的内容就介绍到这里!