新型飞机结构的生产技术提高了它们的强度

　　江苏激光联盟陈长军导读：
　　NUST MISIS的科学家开发了一种为航空航天工业生产复合材料零件的方法，由于激光技术和等静压技术的结合，使成品的强度提高了15%。这项研究的结果发表在《国际先进制造技术杂志》上。
　　3D打印复合材料零件。来源：Sergey Gnuskov/NUST MISIS
　　钛硅复合材料具有独特的机械性能，这是创造空运和陆运高抗拉强度和刚度所必需的。航空航天工业对这种复合材料制成的零件很有需求。
　　这种纤维复合材料的性能在很大程度上取决于相当复杂的制造技术，这意味着有许多重大限制。由于钛的高化学活性，液态制备方法不适用于钛硅复合材料的制备。
　　碳化硅纤维增强复合钛合金零件的不同制造方法
　　NUST MISIS混合增材技术实验室的研究团队为该问题提供了一种解决方案——将激光技术和热压技术相结合的混合方法。
　　＂将激光粉末床熔合和封装热等静压相结合的混合方法应用于由碳化硅纤维增强的钛合金基体组成的复合零件的加工。＂该开发项目的共同作者、NUST MISIS混合增材技术实验室的领先专家Andrey Travyanov说。
　　纤维的拉伸强度在2.2到3.3 MPa之间。测试量规等于12英寸（300 mm）。对于12英寸（300 mm）测试量规，弹性模量等于320–360 GPa。
　　LPBF增材制造生产的钛合金基体单元素的可能设计示意图。
　　纤维的SEM图像如上图所示。纤维表面光滑，无可见缺陷（图4a）。由于光纤通过CVD反应器的几个连续腔室，形成了光纤表面略微可见的环（图4b）。图4b中还可以看到热解碳的后者。
　　＂该方法假设纤维可以在制造单个元件后放置在基体中。之后，可以使用单个元件组装具有最终形状的零件。最终零件的固结可以通过热等静压进行。高压和高温将导致基体和纤维之间的间隙收缩，并促进扩散关于矩阵元素的连接。纤维的进一步插入和几个单一元件的组装允许预制件的生产，纤维在体积中均匀分布。
　　SiC纤维的SEM图像和EDS分析（a）左半径，（b）右半径。
　　通过EDS分析确定的不同区域的纤维成分如上图所示。
　　据开发人员介绍，实验证实了所提出方法的可行性。结果，成功制造出纤维体积分数为17%的纤维增强钛合金零件。X射线断层扫描显示，获得的部分没有缺陷，基质和纤维之间接触良好。
　　三点弯曲试验表明，根据新技术制造的复合材料零件的强度和刚度指标明显高于大块钛合金零件，高达15%。
　　实验用Ti6Al4V合金粉末的SEM图像：（a）1000倍放大；（b）2000倍放大。
　　目前，科学小组正在努力优化技术，扩大制造零件的范围。
　　LPDF制造的单个矩阵元素的尺寸。
　　来源：Andrey Travyanov et al, Manufacturing of Ti6Al4V alloy part reinforced by silicon carbide fibers by laser powder bed fusion with following hot isostatic pressing, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2021). DOI: 10.1007/s00170-021-08307-5
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