电能航空动力技术发展研究

摘要:电能航空动力技术开启了航空领域新一轮创新与变革热潮,是推进航空业绿色发展、应对全球环境挑战的重要举措。本文系统论述了国内外电动航空器的研究进展,分析了我国电能航空动力技术与国外的差距,明晰了我国电动航空器研制所面临的技术挑战;进一步梳理了电能航空动力四大关键技术:长寿命高能量密度电池技术、高效高功重比电机推进技术、能量综合管理技术和高升阻比气动布局设计技术,分析了各关键技术的产业特征和研究现状,阐明了各关键技术的发展方向和亟待解决的基础技术问题;构建了电能航空动力飞机性能评估模型,分析了电池能量密度、电机功率密度、电机效率和飞机升阻比等关键技术参数对电动航空器性能的影响,评估了电能航空动力技术在轻小型城市空运飞机、区域通勤飞机和小型支线飞机上的工程实用性。研究建议,电能航空动力技术发展应充分利用我国拥有的新能源产业的技术积累和先进工业基础,考虑高能量密度储能电池、高效能推进系统等关键部件的现有性能与未来提升需求,以城市空运、区域通勤、支线飞机为路径制定发展战略规划,逐步拓展电能航空动力技术在民航运输中的应用,助力我国实现碳达峰、碳中和目标。

起落架用高速火焰喷涂WC涂层覆盖高强钢海水环境腐蚀与开裂行为

摘要:为探究水陆两栖飞机用起落架材料海洋环境适应性及其失效机制。通过在热轧300M 高强钢表面制备高速火焰喷涂WC 涂层,使用电化学测试、盐雾实验、拉伸实验、疲劳实验,并通过SEM,EDS,XRD 以及CLSM 表征,开展其在人工海水环境中的腐蚀行为研究。研究结果表明,在pH 值为8. 2 的人工海水环境中,WC 涂层发生明显的钝化,具有较好的耐蚀性,这与在碱性环境下涂层中的Co 发生钝化有关。长周期电化学阻抗结果表明,浸泡28 天后,涂层耐蚀性上升,这与表面黏结剂形成的氧化物有关。与300M 基材相比,喷涂后的材料抗拉强度略微升高,这与涂层内部的残余应力释放有关,其在人工海水中的开裂主要受阳极溶解过程控制。随着预腐蚀时间的增加,材料的疲劳寿命发生明显降低,在预腐蚀过程中,环境中的腐蚀性介质进入涂层内部,增加了缺陷的数量,使得涂层提前发生失效,导致材料断裂敏感性增加。WC 涂层有较好的耐蚀性,拉伸过程中残余应力的释放使材料的抗拉强度略微升,经过预腐蚀后涂层提前发生失效,使得材料疲劳寿命降低。

航空航天先进结构材料技术现状及发展趋势

摘要:先进材料技术是航空航天高新装备的发展先导,是支撑现代工业的关键基础技术,渗透到国防建设、国民经济和社会生活等方方面面,已成为世界各国争相发展的技术高地和国防重点。本文梳理分析航空航天先进结构材料近年来的技术现状及发展趋势,在高性能高分子材料及其复合材料、高温与特种金属结构材料、轻质高强金属及其复合材料、先进结构陶瓷及其复合材料四方面进行重点阐释,明确我国航空航天结构材料的研发与生产仍面临着跟踪研仿多、自主创新少、技术封锁严重、技术瓶颈亟待突破等困境。同时,本文对航空航天结构材料未来研究和发展提出展望,点明建立“产-学-研-用”完整技术体系的重要性。

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

摘要: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。

航空典型金属材料增材制造组织、缺陷、表面、构型研究进展

摘要:增材制造是一种集激光、数字化、材料等学科为一体的新型制造技术,具有降维制造、复杂成型、材料利用率高等优点,是材料加工领域中最具应用前景的技术之一,金属增材制造技术已在航空领域得到广泛研究和应用,国内外学者在航空金属材料增材制造方面的研究不断深入。中国航发增材制造技术创新中心在金属增材制造结构四要素——组织、缺陷、表面、构型方面开展了大量研究并获得一些数据,发现了一些现象和规律,包括组织接续生长特征及其对力学性能的影响;典型材料增材制造常见缺陷(气孔、裂纹、未熔合)特征、形成原因及其对力学性能特别是疲劳性能的影响机制;零件表面粗糙度与成形角度的关系及对疲劳性能的影响;金属增材制造构型的影响因素。在此基础上,总结了金属增材制造发展中存在的问题,对下一步重点提出了建议,并对未来研究工作提出了展望。

航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展

摘要:从航空航天领域对增材制造金属材料的需求出发,介绍了增材制造金属材料在航空航天领域的应用以及市场规模。评述了铁基合金、镍基合金、钛合金、铝合金等增材制造合金的微观组织和力学性能。总结了4种增材制造合金在航空航天领域关键零件中的典型应用实例。指出了航空航天领域用增材制造金属材料存在的问题及未来的研究方向。

等离子喷涂树脂基体抗氧化材料及涂层的研究

摘要:随着航空发动机的日益发展,燃烧室火焰温度的不断提高,广泛应用于航空发动机冷端部件的树脂基复合材料面临着更加严苛的氧化烧蚀环境,而在树脂基复合材料表面制备抗氧化烧蚀涂层则是一种有效可行的应对策略。在各类涂层方案及体系中,兼具隔热、抗氧化、应力缓冲等特点的多层结构体系受到广泛关注,该研究提出Al/NiCoCrAl/YSZ三层结构涂层,并使用酚醛树脂和SiO2对YSZ 进行改性,利用喷雾造粒的方法对改性后的复合粉体进行制备,使用大气等离子喷涂方法在碳纤维增强的聚酰亚胺基复合材料表面制备涂层样品。在热流密度为100J/(m2·s)的氧乙炔燃流条件下,酚醛树脂含量为6wt.%改性的涂层的防护效果最佳,试样的线烧蚀率为4.42×10−4mm/s,质量烧蚀率为9×10−6g/s。

增材制造镍基高温合金在航空发动机与燃气轮机中的研究应用进展

摘要:镍基高温合金具有良好的高温性能,被广泛用于航空发动机与燃气轮机热端部件的制造。增材制造逐点快速熔凝、逐层累积堆叠的工艺特点,不仅可实现高性能复杂结构零件的快速制造,还可用于损伤零件的高效率、高质量修复。目前,增材制造技术已逐渐成为镍基高温合金零件制备及修复的重要技术途径之一。本文综述了增材制造镍基高温合金在显微组织与冶金缺陷研究方面的进展,总结现有文献中GH3536、GH3625 和GH4169 三种常用镍基高温合金的拉伸性能,介绍增材制造镍基高温合金零件在航空发动机及燃气轮机中的典型应用案例。最后,针对现有研究存在的问题及制约增材制造镍基高温合金零件应用的困难,提出从设计增材制造专用镍基高温合金成分、建立增材制造镍基高温合金专用热处理/热等静压工艺、开发单晶镍基高温合金增材制造技术、发展增材制造实时监测控制技术、创新增材制造零件内表面处理技术等方面,进一步促进增材制造镍基高温合金零件的工程应用。

航空电磁超材料研究进展及发展建议

摘要:电磁超材料是由亚波长微结构周期排列而成的人工复合材料,对电磁波有很强的传导调控作用或吸收作用,在航空武器装备隐身设计领域被广泛研究。本文首先介绍了电磁超材料的概念,综述了电磁调控型超材料、电磁吸收型超材料、主动可调型超材料和智能超材料的最新研究进展;然后介绍了航空电磁偏折超材料、电磁吸收超材料和频率选择超材料的隐身机理及应用研究现状,分析认为隐身机理丰富和可设计性强是电磁超材料有别于传统吸波材料的主要优势。从拓展吸波频谱、增强吸波性能、吸波智能可调三方面对电磁超材料提出发展建议,包括吸波频谱进一步向红外、激光、紫外波段拓展,宽频吸波性能进一步提升,吸波频带智能可调。

树脂基复合材料在民用航空发动机中的应用与关键技术研究进展

摘要:纤维增强树脂基复合材料对于改善航空发动机推重比、燃油经济性及节能环保具有重要意义。本文介绍了树脂基复合材料在民用航空发动机上的应用情况,总结了航空发动机复合材料风扇机匣和风扇叶片面临的挑战与关键技术问题,包括复杂曲面预制体设计技术、复合材料异形结构高精度制备技术、复合材料结构多尺度建模与精细化仿真以及复合材料机匣的包容性设计准则等。结合目前研究热点展望了可应用于航空发动机复合材料结构研制的新思路和新技术。