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2023年 第66卷 17期
刊出日期：2023-09-01
封面文章
专稿
研究论文
本期目录
本期封面
本期电子刊
论坛—高温防护涂层
本期封面
1
本期封面
2023 Vol. 66 (17): 1-1 [
摘要
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17
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本期电子刊
1
本期电子刊
2023 Vol. 66 (17): 1-122 [
摘要
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本期目录
6
本期目录
2023 Vol. 66 (17): 6-8 [
摘要
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20
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专稿
14
先进碳纤维增强复合材料螺栓连接结构损伤监测技术
卿新林，黄媛，颜佳佳，宋沛强，刘琦牮，孙虎
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.014
螺栓连接是飞行器复合材料结构最常用的连接方式，由于复合材料螺栓连接结构本身的特点及所受载荷和使用环境的复杂性，复合材料螺栓连接结构的完整性与耐久性分析非常困难。如何有效智能实时监测复合材料螺栓连接结构的服役状态，并在线诊断评估其可靠性、完整性是一项亟须解决与突破的关键技术难题。本文提出并发展了基于柔性涡流传感阵列薄膜和基于碳基纳米压阻传感器的先进碳纤维增强复合材料螺栓连接结构损伤监测技术，系统阐述了其传感监测原理、传感器制备工艺及传感器与螺栓连接结构集成方案，并对所提出的先进传感技术监测功能开展了一系列试验验证，试验结果表明该先进传感技术具有很好的损伤模式辨识能力与损伤参数量化监测能力。
2023 Vol. 66 (17): 14-25 [
摘要
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91
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封面文章
26
激光粉末床熔融成形仿生梯度多孔结构弯曲性能
张明康，邓铭坚，张颖，范宏熙，王迪
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.026
梯度材料结构具有优异的力学性能和能量吸收性能，在航空航天、医学植入体、吸能结构等方面具有广阔的应用前景。通过模仿竹子梯度结构，提出了一种梯度极小曲面多孔结构设计方法，并基于该方法设计了线性梯度Gyroid 结构和拓扑密度梯度Gyroid 结构。利用激光粉末床熔融技术制备了上述多孔结构，并通过弯曲试验和数字图像相关技术对比研究了均匀结构与梯度结构的弯曲性能差异。研究结果表明，Gyroid 均匀多孔结构的弯曲弹性模量与孔隙率呈现线性函数关系，且在80%~85% 之间具有弯曲断裂临界孔隙率；而线性梯度多孔结构则具有类似竹子的非对称性弯曲行为，当孔隙率以70%→90% 形式分布时具有最高的挠曲韧性且无弯曲断裂现象，而以90%→70% 形式分布时则具有最高的弯曲强度，比80% Gyroid 均匀结构弯曲强度高出36.08% ；基于拓扑优化密度云的梯度Gyroid 结构具有最优的弯曲弹性模量。本研究工作验证了孔隙率梯度分布模式会改变结构的弯曲变形和断裂模式，可以通过合理的梯度结构设计获得轻质高强抗弯结构。
2023 Vol. 66 (17): 26-35 [
摘要
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35
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论坛—高温防护涂层
38
热障涂层服役环境模拟试验方法的研究进展
闫维亮，杨丽，周益春，严刚，李聪
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.038
热障涂层是航空涡轮发动机高温环境部件的关键材料。在恶劣的服役工况以及多场耦合作用下涂层容易剥落失效是急需解决的关键问题，而服役环境试验模拟装置的研发是解决该问题的必然途径，也是提升涂层性能的重要手段和方法。本文从单一服役环境、多耦合服役环境两个方面对试验模拟装置的研究现状进行了详细的综述，重点阐述了静态试验装置和动态试验装置。最后分析了将来需要研究的关键科学问题，展望了热障涂层服役环境模拟试验方法的发展趋势。
2023 Vol. 66 (17): 38-45 [
摘要
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65
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46
不同钇含量氧化锆基热障涂层材料CMAS腐蚀行为研究
张晗，王晶，陆杰，陈小龙，黄轶男，赵晓峰
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.046
系统研究了不同YO
1.5
含量掺杂氧化锆基材料（8YSZ、20YSZ、38YSZ、55YSZ）以及纯氧化钇材料（Y
2
O
3
）在1300 ℃下的CaO–MgO–Al
2
O
3
–SiO
2
（CMAS）腐蚀行为。结果表明，不同钇含量氧化锆基材料表现出具有显著差异的CMAS 腐蚀行为。对于YO
1.5
含量较低的8YSZ 与20YSZ 而言，腐蚀行为由溶解– 再析出及晶界腐蚀所主导，前者析出小球颗粒ZrO
2
，后者的析出物则是直接沉积在原始ZrO
2
表面形成核壳结构；随着YO
1.5
含量的增加，腐蚀行为逐渐转变成反应腐蚀，38YSZ 以及55YSZ 与CMAS 熔盐快速反应结晶，形成一层连续致密、含磷灰石相的保护层，能够有效阻挡CMAS 熔盐的进一步侵蚀，并且55YSZ 所形成的保护层中磷灰石相的体积分数更多，抗CMAS 腐蚀能力更佳；纯Y
2
O
3
样品也能与CMAS 熔盐快速反应，从而形成一层致密的纯磷灰石层，抗CMAS 腐蚀能力良好。因此，可以通过调控氧化锆基材料中的钇含量，从而调控热障涂层抗CMAS 腐蚀能力。
2023 Vol. 66 (17): 46-56 [
摘要
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36
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57
PS–PVD制备YSZ热障涂层的CMAS腐蚀行为研究
严刚，刘伟，罗俊辉，谷凯凯，李聪，杨丽，周益春
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.057
热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件，有效延长了发动机热端部件的服役寿命，成为先进航空发动机必不可少的热防护材料。但在服役过程中一些大气沉积物CMAS 加热后变为熔融体吸附在热障涂层表面，并沿着孔隙和裂纹等缺陷渗透至涂层内部，诱导涂层过早失效。采用等离子– 物理气相沉积技术（PS–PVD）制备YSZ 热障涂层，利用XRD、SEM 等表征手段，对不同腐蚀时间的涂层物相成分、微观结构进行了表征。研究结果表明，YSZ 涂层在1250 ℃下经过CMAS 腐蚀后发生了相变；随着腐蚀时间的增加，CMAS 沉积物会沿着热障涂层类柱状晶间隙渗透至内部，导致涂层结构出现疏松，并且在陶瓷层上部区域出现了类柱状晶断裂现象，涂层宏观表现为部分陶瓷层剥落；腐蚀8 h后陶瓷层部分区域出现了类柱状晶从粘结层上整体剥离；CMAS 渗透深度随腐蚀时间的增加不断加大，在腐蚀3 h内其渗透速度相对较快，腐蚀3 h以后其渗透速度会相对变得缓慢。
2023 Vol. 66 (17): 57-63 [
摘要
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64
等离子喷涂（RE–Al）TaO
4
钽酸盐环境障涂层性能研究
张陆洋，陈琳，王建坤，张宇轩，冯晶
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.064
陶瓷基复合材料作为广泛应用于航空航天领域的先进结构材料，在实际服役环境中依赖于环境障涂层的保护作用，钽酸盐以其优异的高温热– 力学性能和与陶瓷基复合材料适配的热膨胀系数（（3.5~5.5）×10
–6
K
–1
）成为极具潜力的环境障涂层材料。通过大气等离子喷涂（Atmospheric plasma spraying，APS）工艺在碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC
f
/SiC）表面成功制备了（AlTa
x
）B
2–2x
O
4
/（RE–Al）TaO
4
复合涂层，探索了涂层的最佳热处理工艺条件，同时对不同涂层结构方案的复合材料涂层试样进行1300 ℃热疲劳考核和弯曲强度测试，筛选出具有最优抗热疲劳性能的涂层结构，并通过XRD、SEM 以及金相显微镜对涂层的表面形貌、裂纹扩展及元素分布进行了分析表征，相对于传统材料涂层，钽酸盐复合涂层以其在高温下优越的综合性能成为极具潜力的环境障涂层。
2023 Vol. 66 (17): 64-71 [
摘要
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23
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研究论文
72
连续碳纤维增强聚苯硫醚复合材料模压成型的表面质量研究
徐鹏，侯进森，岳广全，李林秀，崔仕海
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.072
模压是热塑性材料制备产品时的一项重要工艺，而模压成型的表面质量是产品整体质量评估的重要参考。本文通过对聚苯硫醚碳纤维预浸料基本特性研究，采用自行设计的直角模具及温控系统对缎纹织物预浸料、单向预浸料进行了模压试验，综合考虑了加热温度、模具温度、冷却时间、压力、铺层与折弯角对塑型表观的影响。结果表明，预浸料在特定的温度范围内更利于树脂的浸渍，同时可保持在一定的黏度下还不发生外流；降温与压力的合理配合能使成型表面更加平整光亮，单向预浸料铺层形式会影响模压成型的表面质量，而织物预浸料影响较小；模压成型时，产品的局部形状变化更容易产生质量缺陷，应尽量避免尖角或大曲率过度设计。
2023 Vol. 66 (17): 72-78 [
摘要
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79
SiC
p
/Al超声椭圆振动车削力热特性仿真研究
王俊磊，袁松梅，李麒麟，高晓星
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.079
SiC
p
/Al 复合材料在航空航天、精密仪器等诸多领域发挥重要作用，但是其在加工中会出现较高的切削力和切削温度，从而降低其车削加工表面质量和精度。为探究超声椭圆振动作用及车削工艺参数对SiC
p
/Al 车削的影响，在ABAQUS 中建立了SiC
p
/Al 超声椭圆振动有限元车削仿真模型，优化了SiC
p
/Al 微观几何建模方法，对车削模型进行验证并开展车削仿真试验研究。试验结果表明，超声椭圆振动车削可有效减少亚表面损伤、表面裂纹等缺陷。通过变切速和变切深单因素试验，发现随着切削速度和切削深度增加，普通和超声车削主切削力和切削温度均增大，超声椭圆振动技术可有效降低SiCp/Al 车削过程的主切削力和切削温度。在所选参数中，切深100 μm、切速200 mm/s 时超声作用降低切削力作用最大；切深20 μm、切速600 mm/s 时超声作用降低切削温度作用最大。
2023 Vol. 66 (17): 79-88,109 [
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89
氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷涂层的高温耐久性辨析
杜博宇，杨加胜，陶诗倩，赵华玉，钟兴华，庄寅，盛靖，倪金星，邵芳，陶顺衍
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.089
氧化钇部分稳定的氧化锆（YSZ）作为热障涂层材料广泛应用于复杂高温工况，其优异的高温耐久性主要由不可相变介稳四方相（t′）所贡献。然而，目前对t′ 相可靠服役温度上限的界定较为模糊，主流观点仍停留在1200 ℃左右。基于此，采用大气等离子体喷涂（APS）工艺制备YSZ 陶瓷涂层，经不同时效热处理，针对涂层微结构、相组成、烧结收缩和断裂韧性等变化进行分析研究。结果表明，经24 h@1400 ℃热处理附加7 年室温存放后，陶瓷层未见单斜相；300 h@1400 ℃和300 h@1600 ℃热处理涂层中单斜相体积分数分别为3.55% 和35.41%，且均未碎裂。300 h@1600 ℃涂层烧结线性收缩率为0.4%。高温时效热处理同时伴随晶粒生长和孔隙愈合，涂层抗折强度和断裂韧性随之增加，因而认为APS YSZ 涂层可在1400 ℃下长时间（~300 h）服役。
2023 Vol. 66 (17): 89-95 [
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96
多频能量分散的CFRP层合板微波固化温度场控制方法
王攀，郭嘉炜，周靖，郝小忠
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.096
碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）轻质高强，已成为航空航天领域减重增效的优选材料。固化是制造兼具几何外形与承载性能的CFRP 构件的关键。与传统的传导加热固化/ 修补方法相比，微波加热固化/修补方法具有控温灵敏、周期短、能耗低等优势。然而微波会在腔体内谐振形成驻波，使得CFRP 层合板面内存在大量冷、热点，温度不均匀，构件易变形，严重时甚至发生局部烧蚀或固化不完全。本研究提出了多频能量分散的CFRP 层合板微波固化温度场控制方法，通过将加热所需能量分散到多种频率的微波以弱化单一频率驻波的影响，同时利用多种频率驻波间的叠加效应，提升CFRP 层合板微波固化过程中的温度均匀性。试验结果表明，在仅采用915 MHz 和2.45 GHz 两种频率微波进行加热的情况下，CFRP 层合板的最大温差相比单频微波加热降低了26%。
2023 Vol. 66 (17): 96-102 [
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103
孔隙对热障涂层微压痕响应影响的数值模拟
赵伟玲，王亮，刘楠，曹枝军，苏怀宇
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.103
微纳米压痕技术是表征陶瓷涂层系统力学性能和弹塑性响应行为的一项重要技术。通过Python 二次开发在ABAQUS 软件中建立含随机分布的圆形孔隙的热障涂层模型，研究孔隙对大气等离子法（APS）制备的热障涂层的微纳米压痕响应的影响，并在含随机圆形孔隙热障涂层模型的基础上，利用扩展有限元法（XFEM）模拟分析微纳米压痕试验过程中陶瓷层内的裂纹扩展，探究微裂纹和孔隙间的相互影响，以及涂层内裂纹萌生扩展的规律。模拟结果表明，孔隙的存在会在加载和卸载过程中释放一定的应力集中，从而改变涂层应力的分布特征；孔隙的存在会导致裂纹向孔隙的方向偏移扩展，并在一定程度上阻止裂纹扩展。将这些工作与微纳米压痕试验的试验数据联系起来，可以对热障涂层体系的力学性能进行有效预测。
2023 Vol. 66 (17): 103-109 [
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110
近净成形叶片重构曲面刀具轨迹自适应规划
郭一鸣，梁永收，李飞闯，任军学
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.17.110
近净成形叶片作为一种高效低成本的新型工艺方法，越来越广泛地被应用在航空发动机叶片毛坯制造上。航空发动机近净成形叶片其叶型复杂且属于薄壁类零件，无法保证所有区域一次成形且满足设计精度要求，需要对进/ 排气边区域进行自适应加工。自适应加工中进/ 排气边曲面通常为重构曲面，因为测量数据、缘头形状约束、毛坯变形等因素影响，重构曲面会出现曲率变化大、边界不齐等问题。针对上述问题，本文通过分析刀心轨迹与加工曲面几何关系，以光顺偏置曲面为基础，建立光顺刀心轨迹规划线规划算法，实现了重构曲面光顺刀心轨迹的高效自动化生成。在某型精锻叶片上进行了数控加工试验，试验结果显示进/ 排气边曲面轮廓公差控制在（–0.02~+0.039） mm范围内，满足图纸设计公差（–0.03~+0.05） mm 的要求，证明了所提算法的有效性和实用性。
2023 Vol. 66 (17): 110-119 [
摘要
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编辑部公告
《航空制造技术》入编中国科协《航空航天领域高质量科技期刊分级目录（2023版）》
《航空制造技术》入编《中文核心期刊要目总览》2023版
《航空制造技术》入选中国科技核心期刊
《航空制造技术》入选WJCI科技期刊世界影响力指数报告（2023）来源期刊
《航空制造技术》被中国科学引文数据库(CSCD)核心库收录
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