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。

空气动力学表面减阻技术研究进展

摘要:表面减阻技术因其较高的应用价值成为空气动力学研究的重要方向之一。本文对气固界面表面减阻相关研究作了系统的分类和概括,从减阻研究方法、表面摩擦减阻和表面压差减阻3 个方面进行阐述。在研究方法方面,文中对气动减阻研究中主要的风洞试验方法和阻力测量方法进行了概述,并分析了各研究方法的技术特征,同时分析了计算流体力学技术在气动减阻研究中的应用。表面摩擦减阻主要总结了表面纵向沟槽(肋条)、展向沟槽等结构的研究进展,包括结构形貌及沟槽尺寸的研究、减阻机理研究及应用情况。表面压差减阻部分主要概述了表面结构在钝体上的减阻特点,总结了表面粗糙度、凹坑、沟槽等结构在延迟边界层分离中的作用机理,及影响其减阻效果的结构形貌和尺寸的研究进展。本文针对不同的阻力方式系统地概括了表面减阻技术的研究进展及表面形貌的主要制造方法,为表面减阻应用提供支持。

智能惯性导航系统:研究动态与未来发展方向

摘要:智能惯性导航系统是一种以惯性导航系统为基础,在系统内的一个或多个技术环节中引入智能算法,在保证惯导自主性优势的前提下提升其导航精度和性能。首先系统梳理了国内外智能惯性导航系统相关的发展现状,对智能惯性导航系统研究动态展开分析;其次总结了器件层面和系统层面的技术发展方向,分析了目前智能惯导技术发展所面临的主要问题,阐述了智能惯导系统研究涉及的关键技术;最后简要给出未来智能惯导系统需关注的研究方向。

基于机器学习的航空材料疲劳寿命预测研究进展

摘要:航空装备材料对安全性与可靠性要求极高,而疲劳性能是其核心性能指标之一。传统的疲劳预测方法依赖大量实验,成本高、周期长,难以满足现代航空工程对高效、精准评估的需求。近年来,机器学习在航空材料疲劳寿命预测中展现出显著潜力。本工作系统综述该领域研究进展,重点涵盖主流模型与建模流程,梳理纯数据驱动方法与融合物理机制方法的核心思路与关键成果,聚焦物理信息嵌入对提升模型精度、可信度与可解释性方面的作用,并评述数据层面、复杂失效机制的信息挖掘不足、模型可解释性与工程应用信任度不足和复杂工况适应性不足的局限性,未来需重点突破构建标准化、高可信度的疲劳数据集,建立面向任务的物理知识自动融合机制,推动面向复杂工况和结构件层级疲劳预测等研究方向。

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。