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1、增材制造功能梯度材料及結構綜述：從多尺度設計到多功能性能（3）
增材制造功能梯度材料及結構綜述：從多尺度設計到多功能性能（3）
梯度結構在自然界中無處不在，許多仿生設計都涉及到FGMs，功能梯度設計用于生物圈和模擬生態系統和巖石圈，在地質模型中，需要對這些復雜的結構進行精確的設計，這些結構可能涉及不同大小的土壤孔隙、水滲流效應和承。
FGAM可以精確控制模型中的梯度結構，同時，土壤的機械強度和梯度滲透性可以在3D打印框架中再現，而孔隙大小的梯度可能會影響比表面積和功能，Tang等采用漿體沉積法構建了一個梯度結構的滑坡邊，并利用該模型準確模擬自然滑坡的損傷，在傳統的地質建模中。
滑坡模型中的人工帶是由薄膜和玻璃珠創建的，圖15 a) Inconel 718和銅基合金GR，以及純Inconel 718和GRCop-84的熱，b) 304 L到Invar 36梯度合金柱的成分，c)從B得到的梯度合金的洛氏硬度和熱膨脹系數隨距離，d) ITP結構的設計靈感。
e) Non-gradient結構，f) Three-gradient結構，g-l) GB結構在不同時間的瞬態溫度分布，m)不同蜂窩尺寸的分級蜂窩和非分級蜂窩，n)蜂窩結構CFD模型網格，o) AM制作的樣品，4.5光電特性與光電子器件，空間變化的折射率梯度已應用于抗反射表面、被動波束形。
傳統技術，包括離子交換和溶膠-凝膠技術，都有一些常見的局限性，如處理時間長(通常>100小時)和組分尺寸有限(通，可通過使用FGMs和FGSs來克服，Roper等人通過超聲粉末沉積在纖維玻璃復合基板(。
通過使用單層介電粉打印和疊加多層材料(圖17a，b)，最終形成了具有垂直方向介電常數梯度變化的復合材料，在15GHz的入射頻率下，通過透鏡表面附近的二維相位響應，在x方向和x-y平面的測量(圖17c，d)顯示了梯度介質，表明梯度折射率透鏡已經成功生產。
4.3熱性能和熱管理，圖14 用熒光細胞跟蹤染料(紅色和綠色)標記的打印，生物梯度最常見的影響是它們的機械功能，例如，承重和支撐(如骨骼或植物莖)，抵抗接觸和沖擊損傷(如鯊魚牙齒。
蜘蛛牙，魚鱗)和界面強化和韌化(如組織或器官)，提供多種功能特性，包括光的收集和傳輸，對環境刺激的傳感和驅動，以及液體流動的控制，生物功能梯度材料展示了相當復雜的結構多樣性和層次結。
結構特征的產生主要涉及i)組分的局部排列(例如，殼體中松散而致密的霰石單元)，Ii)分布(如細胞、纖維、管狀等)，Iii)尺寸(例如，多個長度尺度到納米級)，Iv)結構建筑單元的朝向(例如，具有不同朝向的層的連續排列)，v)梯度界面(例如連接)。
或vi)多個梯度的集成(如平行組合和分層梯度)，如圖13a-h所示，江蘇激光聯盟導讀：，本文綜述了各種制造想法，并對未來在設計和制造FGMs和FGSs方面的研究提，本文為第三部分。
4.6.1形狀記憶、4D打印和超材料，圖19 a)滑帶破裂過程，b，c)多孔滑帶和破裂滑帶，遵循Mohr Coulomb破壞準則:當F≥1時滑，當F≤1時滑帶滑動。
小模型制造過程:d)建模過程，e) 3 d打印，F)模型的形成，類似地，許多工具（如截齒和扳手）都是用FGSs制造的。
改善并優化了它們的機械性能，證明了在不犧牲承載能力的情況下，采用梯度蜂窩結構實現輕量化的可行性，梯度陀螺胞狀結構（GCS，一種功能梯度胞狀結構）具有與加載方向平行的梯度，表現出逐層的變形和破壞行為，通過優化各層的相對密度，開發了數學模型來預測和定制GCS的機械性能（圖12。
l），3D凝膠印刷TiC高錳鋼金屬陶瓷由于其梯度結構，在密度、硬度、橫向破壞強度、耐磨性和沖擊韌性方面呈，FGAM技術為多功能材料系統的制造開辟了新的途徑，使設計和制造更加智能、快速和集成，以解決廣泛應用中的一些問題。
FGAM中材料結構-加工-性能關系的設計對于獲得所，然而，到目前為止，FGAM實踐缺乏既定的設計原則、指南和標準，阻礙了其發展，阻礙了設計師或工程師從這項令人興奮的新技術中充分受，在Tang等人的3D打印滑坡模型中。
將水引入到滑坡體中，在巖土之間建立一個梯度過渡帶(圖19a)，利用3D泥漿沉積，該研究提出了一種多孔滑動帶（圖19b）的設計，該滑動帶將沿著應力鏈滑動（圖19c）。
Tang等人提出使用材料分配AM方法在滑動床和主體，在石-土-蠟成分和多孔結構中具有梯度，該研究揭示了材料-結構-性能關系，分析了雙梯度滑動帶的地質力學和破壞機制，為滑坡研究、測試、預測和預防創造了新的前景，4.6.2地質建模，參考文獻：N，Yang。
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23，5.未來的潛力和前景，隨著人工智能技術的發展，軟機器人需要能夠輕松與人互動，例如，具有分級機械性能的機器人可以被設計成吸收沖擊能量，機器人軟殼的梯度剛度可以通過將物理損傷和外部能量傳，表4總結了基于FGM或FGS的能量吸收系統的最新研。
Bodaghi等人表明，3D打印技術可以使工程超材料具有性能驅 動的功能，表明FDM具有制造3D形狀記憶聚合物的潛力(SMP，圖18c)，研究表明，這些4D打印的超材料在機械或生物醫學應用方面具有巨。
如結構和動態開關、部署支架、自卷曲和自整合襯底或自，e)，簡言之，FGAM通過在多個長度尺度上精確控制成分、成分和結，以及整合多個梯度。
創造了制造具有復雜梯度和高度特異性的先進功能材料的，預計在不久的將來，這種先進的多材料將用于開發新型3D結構和功能梯度器，圖12印刷長PU板的機械性能，除了光電材料，還使用激光成形系統完成了梯度磁性雙金屬結構的制造。
梯度磁性材料顯示出從非磁鋼316（SS316）到磁，以及在266到174 HV的顯微硬度值的平滑過渡，而磁性僅存在于SS430側，Ren等人制造了一種聚氨酯（PU）板，其硬度和彈性模量沿縱向呈線性和拋物線變化（圖12a，在懸臂梁彎曲試驗中也觀察到硬度和模量的線性梯度（圖。
f），通過監測和模擬作用在拓撲優化的四旋翼機臂上的力，Li等人設計了一種輕型功能分級蜂窩結構四旋翼機臂，與傳統設計的結構相比，不會影響其性能（圖12g-j），仿真和實驗數據均表明。
優化后的FGSs能顯著提高四旋翼機臂的結構剛度，4.6其他應用，圖17 a）印刷樣品，b）微型計算機斷層掃描（micro CT），c）d）實數部分和平面波入射到圓柱體Lunebur，e）梯度等離子體夜視隱形眼鏡的概念。
f）g）玻片和手指上3D打印等離子夜視隱形眼鏡的照，對于更復雜的器官，植入材料將界面應力和磨損降至最低尤為關鍵，然而，水凝膠等均質材料通常無法滿足生物組織的性能要求，受生物材料啟發的機械梯度可以減輕局部機械應力，有助于克服傳統工程系統中的某些限制。
一些案例制造了梯度多組分水凝膠和其他生物材料，以及設計了具有定制孔徑、孔隙率和支架組織互連性的仿，Bakarich等人通過基于擠壓的印刷工藝，使用具有定向分布硬度和剛度的纖維增強水凝膠制造了人，還開發了一種仿生人工肌腱，由肌肉和骨骼之間具有分級機械性能的結締組織組成（圖，g），此外。
類似的研究也應用于半月板軟骨，同樣，Kokkinis等人打印了一個軟核硬表面的分級人類，連接部件顯示出下降的梯度，并表現出良好的缺陷容限機械性能（圖14h），研究表明，FGS支架與骨髓源單核細胞聯合應用，可通過在骨壞死區提供增強的生物和生物力學線索。
改善早期股骨頭壞死的核心減壓效果，Klein等人利用生物打印工藝打印出含有關節軟骨不，在分級水凝膠材料上觀察到人類軟骨細胞明顯不同的反應，允許細胞功能控制和細胞或信號的空間分布(圖14a，b)，FGAM種植體的另一個例子是一種新型多孔鈦顱面部分，該部分具有分級的孔隙度和密度，適合于患者特定的種植體。
這些頜面和顱面種植體具有良好的兼容性、匹配的功能性，d)，在整體復合材料中，不同材料之間的界面機械行為的突然變化很容易導致弱界，與整體復合材料相比。
功能梯度材料更加堅固，因為其梯度界面有助于最小化熱機械應力集中，從而防止裂紋敏感區域的分層，并提高承重結構的耐久性，近年來，AM制造的聚合物/陶瓷/金屬基功能梯度材料得到了廣。
以克服每個組件的缺點（如裂紋萌生和擴展）（表2），雷達吸波結構是結構隱身技術的重要應用，然而，傳統的RAS結構由于其表面層的低介電常數或結構內部，無法與環境的阻抗匹配，具有梯度結構的超材料可以通過改變幾何形狀來調節剛度。
同時保持恒定的質量，Yin等創建了一種應用于隱形飛機的梯度折射RAS，該RAS由三層組成(梯度折射率雷達吸收結構，GRINRAS，圖16a)，并顯示GRINRAS在12-18 GHz時的吸收能，4.4能量吸收特性和電磁干擾屏蔽，doi.org/10.1002/admt.2019。
通過引入具有梯度微結構的氧化鋯成分，可以制成一種類似磚灰漿的成分，該成分由梯度密度(<1%孔隙率)和多孔(5%孔隙率，具有多種性能，這為通過AM生產陶瓷4D組件打開了大門。
例如多材料/顏色/功能組件，FGAM生產無縫材料集成，消除了不同材料之間的尖銳界面，避免了可能導致組件失效的地方，在這里，梯度可以產生不同的應變，導致4D打印配置的幾何變形，因此。
需要新的系統設計系統和模擬軟件來嵌入和表示有關這些，并更準確、可靠地創建組件，iii）需要能夠模擬FGAM物理過程以及預測組件生，以便為重建預先設計的模型提供可靠的指南，iv）現場和實時監測和表征在FGAM工藝中具有挑戰，需要通過光譜、微觀和宏觀手段來表征功能梯度材料的非。
到目前為止，科學家們創造性地提出了各種AM技術來制造功能梯度材，然而，真正的工業應用仍然很遙遠，而且很少，仍然需要進行大量和全面的研究工作，以解決所涉及的大量問題和挑戰，圖18 a）聯鎖梯度SMP的示意圖。
b） SMP組件的形狀恢復過程，c）如何通過FDM打印分級材料，d）具有自折疊能力的4D印刷超材料，模擬加熱和冷卻后的最終配置，e） 4D打印松散的結和纖維加熱收縮，圖13 生物材料的局部性質概況和梯度的基本形式，Haring等人已經研發出一種新型功能梯度等離子體，它可以過濾除紅光（650 nm）之外的可見波長。
防止藍光（475 nm）進入眼睛周圍區域，固體絕緣體在不同電位導體之間的機械支撐和電氣絕緣中，Li等人證實，FGM絕緣體可以顯著改善電場分布，同時最大電場強度（Emax）大大降低。
通過拓撲優化，得到了在絕緣子表面具有均勻電場的FGM絕緣子，Li等人通過FDM技術制造了一種功能梯度材料絕緣體，其最大電場值顯著降低了42%以上，從而實現了最佳電場分布。
4.2生物相容性和生物醫學應用，FGAM的另一個潛在應用是形狀記憶材料（SMM），它可以對適當的刺激做出反應，并根據預定的順序進行幾何變換，最近，大量研究集中在4D打印上，這是一種通過3D打印生產SMM的概念。
通過對微觀結構特性的裁剪，通過FGAM制造的4D打印組件可以通過戰略性地控制，實現更復雜的幾何變換（如功能梯度折疊、梯度卷曲、梯，最近有報道稱，對功能梯度材料或功能梯度材料的4D打印進行了研究，Yu等人展示了通過3D打印制作的功能梯度SMM（圖，其中通過改變材料成分以控制玻璃化轉變溫度來恢復原始。
AM技術可以制造結構和成分逐漸變化的更先進的SMM，4.1機械性能和應用，本文介紹了多尺度FGAM的設計原理，包括幾何表示、材料分布、微觀結構設計和模擬方法，確定了FGAM結構設計中的一些現有挑戰和未來趨勢，包括i）FGAM的設計是多學科的。
因此對沒有材料科學相關背景知識的設計師、工程師和制，應建立集成材料信息（成分、分布、相容性和梯度尺寸），以便設計師、工程師和制造商能夠避免不良結果，ii）傳統的基于虛擬幾何的設計系統主要使用基于單一，另一方面。
FGAM零件包含復雜的內部結構，需要在微觀結構水平上精確分布材料，隨著具有復雜成分的新型功能材料的出現，必須開發新的先進制造方法，包括制造功能梯度材料或功能梯度材料的新方法，微納米增材制造（又稱微納米級3D打印）是一種用于創，FGAM顯示出創造高深寬比微納米結構、多邊微納米結。
FGMs獨特的梯度分布減輕了熱應力集中，從而防止了裂紋敏感區域的分層，因此，FGMs被用來提高熱交換器的耐久性，Onuike等人通過SLM制備了由Inconel ，并報道了這些具有分級熱性能的雙金屬材料，與純Inconel相比。
熱擴散率和導熱率分別提高了250%和300%(圖1，同時，Hofmann等通過SLM制備了一種梯度合金(圖1，c)，并報道了其對熱膨脹系數的顯著影響(圖15c，實線紅線)。
合金的熱性能在15 ~ 25 mm處發生梯度變化，這有利于在非均勻合金中逐漸傳遞熱量，圖16 a）裝配式GRINRAS的照片：帶有木樁單，b）在8、13和18GHz的頻率下，電磁波束通過環形GRINRAS的功率密度。
電磁波的方向偏離環形GRINNRAS的中心60毫米，這是Ku波段三塊板樣品在8–18 GHz下的反射率，表2 各種材料和印刷方法制備的功能梯度材料的機械性，隨著運載火箭和高超音速飛行器的發展，更加復雜的幾何結構被應用于綜合熱防護（ITP）結構，受云杉莖的結構（圖15d）的啟發。
Kaijie Lin等人通過SLM制造了一系列具有，f）的ITP結構，導致最低底面溫度為263°C（圖15g–l），比其他結構低21°C，Zhang等人創建了一種分級多金屬換熱器。
該換熱器具有設計的分級結構，表現出更好的熱力學性質（例如壓降、溫度分布和傳熱系，圖15m-o），梯度鐵素體和奧氏體合金為創建化學成分和微觀結構具有，功能梯度合金接頭可以更有效地延緩碳的傳輸。
從而減少核電站奧氏體中的碳積累此外，相同金屬的3D打印分級密度也有助于將異種合金接頭中，可用于航空航天、汽車和海洋工業，FGAM在制造具有復雜生物啟發梯度的組織工程和生物，如支架、骨植入物、人造肌肉和人體器官，例如，Martin等人建立了一個基于SLA的AM系統。
稱為3D磁打印，利用磁場在體素水平精細控制陶瓷微粒的方向，與單相材料相比，開發的陶瓷/聚合物復合材料具有復雜的仿生增強結構(，圖13i-k)顯示出更好的機械性能(剛度、強度和硬，接下來將介紹一些使用FGAM創建生物漸變的案例，密度梯度晶格還具有優異的吸能性能(表4)。
滿足個人防護裝備、包裝材料等多種應用需求，結合梯度蜂窩結構和梯度材料密度，平臺應力和比能量吸收分別比均質材料高67%和72%，盡管FGAM在設計概念、設計形狀、打印精度和材料類，但它已在航空航天工程、生物醫學、熱管理、電磁屏蔽和。
本節旨在概述最有前途的潛在應用，盡管仍需不斷努力才能實現潛在的工業應用，表3 用于生物醫學應用的AM制備FGM和FGS結構，江蘇激光聯盟陳長軍原創作品，表4 FGM和/或FGS基能量吸收研究綜述，FGAM還提供了解決廣泛應用問題的機會。
包括生物醫學植入物、熱管理、電磁干擾屏蔽（EMI），甚至模擬自然滑坡災害的地質模型，FGAM超材料優異的吸能性能將促進電磁干擾的發展，此外，漸變可以為SMM等多功能智能材料提供多種功能。
包括4D打印結構的受控變形，4D FGAM技術能夠生產具有集成功能的智能響應材，從而促進智能制造的發展，分級生物材料在有機系統中很重要，可以提供生物和結構功能（表3），此前。
仿生系統使用均質材料進行形狀驅動設計，這在模擬生物組織的異質性和微觀結構方面遇到了巨大挑，FGAM允許直接制造具有梯度特性的復合生物醫學植入，然而，在嘗試打印完整器官之前，生物打印技術必須克服幾個問題。
例如微血管化和生物墨水的壽命，從文獻中可以看到一些初步結果，FGAM植入物離真正的臨床應用還很遠，人們認為，FGAM的進一步發展在考慮各種細胞類型、細胞生長、。
4.多功能特性及應用，與傳統的均勻多孔材料相比，FGSs具有漸變的機械性能(例如，輕質、高比強度和剛度)，并提供了梯度孔隙分布和大小，從而有可能為組織生長定制孔隙空間，采用SLM技術，通過調節梯度體積分數。
定制彈性模量(0.3-0.6 GPa)和屈服應力(，制備出與松質骨性能相當的連續型功能梯度多孔鈦支架，細胞位置在整個物質體積中逐漸改變，并與結構特征、化學成分或成分的變化有關，Costantini等采用了一種基于閥的流動聚焦結，在vFF中，孔口的大小可以實時調整。
以產生可在線控制氣泡大小的泡沫，在這里，vFF被安裝在擠壓打印機的頂部，以制造具有層狀和平滑梯度多孔結構的長骨組織工程模型，孔隙大小從80μm到800μm不等。
上圖顯示了WAAM制備的FGM TiAl樣品在垂直，元素分布圖用于研究氧化垢的特征，此外，還分析了氧化層結構的差異，來源：A Review on Functional，Advanced Materials Techno，WAAM制備的FGM TiAl合金在800℃氧化1，生物降解性對于組織再生和長期預防植入相關感染都是至。
Li等人報道了一種帶有功能梯度的拓撲設計，該設計可以控制AM制備的多孔鐵試樣的流體流動、質量，其滲透率變化高達四倍，生物降解率變化高達三倍，Han等利用SLM技術制備了準連續比值的鈦/羥基磷，其中HA在每個功能梯度中的比值在0 ~ 5 wt%，納米硬度(5.11-8.36 GPa)和斷裂韌性(。
可以根據皮質骨和松質骨量身定做，Kawai等設計并3D打印了一種由聚己內酯(PCL，其孔隙度、降解度和機械強度在空間上可控，用于重建股骨頭壞死骨組織。
航發觀察：劉大響院士
兩機動力控制/作者：中國航空發動機集團有限公司 劉，蜂窩或多孔層板結構鈦合金加力筒體，MA956合金多孔層板隔熱屏，陶瓷基復合材料或C/C復合材料噴管調節片/密封片，Ti2AlNb合金（SPF/DB)調節片支撐結構，高強高韌不鎊鋼+表面強化齒輪和軸承，潤滑系統為-50～220/250°C低揮發、高潤滑，指尖+刷封+蜂窩低、中、高溫封嚴裝置。
密封件為-50～350°C氟醚橡膠或金屬橡膠等，國產現役航空發動機都是多年前仿制國外或自行研制和改，經過較長時間的使用，迫切需要進一步延長使用壽命，保證我國空軍的戰斗力，這些發動機采用的主要材料和制造技術，由于其研制時的認識和經費的限制，對材料和制造技術工程化的深人研究不夠。
在發動機服役過程中，材料和制造技術的技術質量問題時有發生，如材料質量不穩定引起性能波動、工藝成熟度不高造成零，給定壽、延壽及排故工作帶來一些障礙，甚至嚴重影響了部隊的作戰訓練，導讀：在對世界航空動力技術加速發展態勢進行簡要綜述。
對航空發動機關鍵材料技術的發展現狀與趨勢進行分析研，并按照一代新材料、一代新型發動機的思路，提出先進航空發動機主要部件和系統對材料技術的發展需，并從質量穩定性和工藝成熟度、工程化研究和驗證、材料，對提高我國材料技術的發展和應用水平提出了建議。
來源：《材料工程》第45卷第10期，4、幾點思考和建議，上述情況充分表明，世界航空推進技術正呈現出一種加速發展的態勢，(3)渦輪，Rene88DT/N18渦輪盤。
CMSX-4G/PWA1484+熱障涂層(TBCs，渦輪動葉和導葉采用熱障涂層，渦輪動葉采用單晶對開葉片或雙層壁發汗冷卻鑄冷葉片，導葉采用陶瓷基復合材料（CMCs)或NiAl，MA956多孔層板高效冷卻雙葉片。
雙腹板盤、雙結構盤或輻條式盤雙性能粉末渦輪盤或含N，渦輪機匣采用超純高溫合金或Ti2AlNb合金或其復，低壓渦輪軸采用SiC長纖維鈦基復合材料（比IN71，(1)風扇和壓氣機，特別是部分已有預研成果的項目。
由于缺乏工程化應用研究驗證，難以被發動機設計所選用，導致部分成熟發動機發展后勁不足、在研發動機研制缺乏，部分型號無法按照節點完成研制任務，這些都需要通過新材料的工程化應用研究，盡快突破新材料、新結構的制造技術，穩定制造工藝流程和質量，提高技術成熟度。
3、先進航空發動機對材料技術的需求，耐溫1450～1650°C的陶瓷基復合材料（CMC，Lamilloy多孔層板火焰筒，抗氧化C/C復合材料或MA956合金Lamillo，精鑄r-TiAl+HIP多通道擴壓器，Ti2AlNb合金或其復合材料燃燒室機匣等。
從二戰結束到21世紀初，軍用噴氣戰斗機及其動力的發展大致經歷四次更新換代，推重比8—級渦扇發動機是目前世界主要大國現役第三代，第四代推重比10發動機從20世紀80年代中期開始發，其典型機種有美國的F119、西歐四國的EJ200、，2005～2007年開始。
配裝推重比10—級先進渦扇發動機的第四代戰斗機（如，已經陸續取代現役的第三代戰斗機，成為美國和部分西方國家，甚至我國部分周邊國家和地區21世紀上半葉的主戰機種，新中國建立以來，隨著我國航空發動機研制過程的開展，對于配套的材料研制和制造技術也進行了大量的型號攻關。
先后完成了鋁合金、鈦合金、高強度鋼、鎳基高溫合金、，制定了一千余份材料和工藝標準，形成了航空發動機材料和制造技術生產能力，但由于種種原因，材料和制造技術仍是制約我國航空發動機發展的重要因素，應找準問題、統籌規劃、協調發展、重點突破，為了同美國競爭。
以英國為主，意大利和德國參與共同實施了與IHPTET類似的先進，英國和法國又聯合實施了先進軍用發動機技術（AMET，德國宇航研究院聯合企業界獨立實施了針對民機的3E(，日本早已通過專利生產第三代發動機，并參與世界一流水平的大型民用渦扇發動機的國際合作研，目前又正在與美、英合作研制飛行速度5倍于聲速的HY，力圖在高超聲速推進技術領域搶占領先地位。
印度的軍用發動機在部分依靠與國外合作的條件下采取自，自行研制的推重比8—級GTX-35VS雙轉子渦扇發，在推重比10以上渦扇發動機和高超聲速組合動力關鍵技，我國復合材料研究起步較晚，目前存在的主要問題有：缺乏復合材料構件一體化設計方，對復合材料的損傷失效模式認識不清，尚未完全建立復合材料構件的設計準則。
缺乏復合材料構件的驗證考核方法等，在民用航空發動機用材料方面，我國現有發動機產品系列不全，適航取證經驗缺乏，大涵道比渦扇發動機和長壽命航改燃機剛剛起步，長壽命、高可靠性發動機材料和制造技術工程化應用研究。
與型號的迫切需求還存在明顯的差距，需要在民用航空發動機材料的適航取證方面進行補課，盡快開展相關研究工作，(3)梳理材料體系，優選品種，完善數據，建立完善我國自主研制的發動機材料譜系和試驗數據庫。
通過這些國家層面的大型研究計劃，大大推動了一批新材料和新工藝在發動機上的應用，使得材料耐溫、強度水平不斷提高，滿足了部件的承溫承載要求，高可靠性輕量化結構和精密、高效、低成本制造技術迅速，滿足了發動機新型整體結構的設計要求，使得發動機部件重量越來越輕，先進涂層技術和特種制造技術得到了廣泛應用。
大大縮短了發動機研制周期、使得新型航空發動機的性能，高能焊接技術：電子朿、離子朿、激光、輝光和摩擦焊等，國外研究的經驗和國內研制的實踐表明：工程化應用研究，不可缺少，不經過工程化應用研究，材料與制造技術存在的各種問題就難以得到充分暴露，從而為后面的型號研制帶來很大的風險，甚至嚴重拖延型號的研制進度。
大幅增加研制成本，1970年1月22日，裝有4臺涵道比為5.2、推力為193.lkN(19，標志著民用航空動力進人了全新的大涵道比渦扇發動機時，自20世紀70年代初第一代大涵道比渦扇發動機JT9，目前已經發展了五代，其耗油率比第一代民用渦扇發動機降低約20%。
由于歷史原因，我國航空發動機材料重復仿制現象較嚴重，造成材料牌號多、生產批量少、材料標準兼容性差、材料，如：提供給設計使用的數據有缺項，工業生產條件下毛坯的性能數據不足。
數據的可信度不高，與制造技術相關聯的材料性能數據更顯不足等，有必要下大決心，進一步梳理材料體系，優選品種，完善數據，建立完善我國自主研制發動機必不可少的材料譜系和試驗，各類表面強化和光飾技術:激光沖擊強化。
全方位離子注人，雙輝表面改性，磨粒流和超聲或振動光飾技術等，(5)重視民用航空發動機材料的適航取證研究工作，對此，我有以下幾點看法和建議：，復合材料構件具有材料/結構/制造一體化特征。
是先進發動機突破輕量化和整體化的關鍵途徑之一，其中纖維增強樹脂基復合材料、纖維增強鈦基復合材料、，(4)大力加強發動機用高性能復合材料的研究和驗證，(4)加力/噴管/機械系統，(2)燃燒室，特別值得指出的是，美國于20世紀60年代初至80年代中在連續實施十多。
在研制第四代發動機（F119)的同時，從1988年起至2003年又投人50億美元巨資，由軍方、政府及工業界聯合實施不針對特定發動機型號的，其目標是利用最新的科技成果，使推進系統的技術能力在1988年的基礎上翻一番，到2005年左右突破推重比12～15—級發動機的關，并通過大量試驗驗證。
不斷將新的成果用于型號，為其研制提供強有力的技術支持，這意味著他們用15年左右的時間，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技術進步，相當于過去30～40年所取得的成就。
1、世界航空發動機技術呈加速發展態勢，在航空發動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障。
試驗是關鍵，從總體上看，航空發動機部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發展，航空發動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發展，發動機性能的改進一半靠材料。
據預測，新材料、新工藝和新結構對推重比12～15—級發動機，從未來發展來看，甚至可占約2/3，因此，先進的材料和制造技術保證了新材料構件及新型結構的實，使發動機質量不斷減輕，發動機的效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高。
可以說沒有先進的材料和制造技術就沒有更先進的航空發，正是由于不斷提高的航空發動機性能對發動機材料與制造，各航空發達國家都投人了大量人力、物力和財力，對航空發動機用的材料與制造技術進行全面、深人的研究，取得了豐碩的成果，滿足了先進發動機的技術要求，(1)進一步提高現役發動機關鍵材料的質量穩定性和工，鈦合金/高溫合金雙性能（精鍛+高速銑+線性摩擦焊）。
整體葉環（碳纖維樹脂固化環冠箍或SiC纖維增強鈦基，寬弦或小展弦空心掠形葉片（鈦合金超塑成形/擴散連接，風扇/壓氣機軸和軸頸采用SiC纖維鈦基復合材料，整流葉片及機匣采用阻燃鈦或Ti2AlNb合金，風扇和壓氣機機匣采用增強纖維三維編織（0PC)技術。
Alloy C阻燃鈦合金壓氣機機匣，有機復合材料機匣等，工業水平的提高、科學技術的進步和經濟實力的增強，是航空動力快速發展的源動力，世界航空強國在重視教育、科技和工業技術發展的同時。
對航空動力技術的預先研究和試驗驗證給予極大的重視，開展了一系列大型研究計劃，為各種先進軍、民用發動機提供了堅實的技術基礎，2001年美國GE公司為波音-777研制成功GE9，推力達到547kN(55826kgf)，耗油率下降到0.05kg/(N＊h)左右。
是當今世界上推力最大的發動機，被收入吉尼斯世界紀錄中，目前，世界上窄體干線客機的動力100%選擇了渦扇發動機，用渦扇發動機為動力的支線客機訂貨量已超過70%，大涵道比渦扇發動機使雙發大型遠程寬體客機實現了不著，航空使世界變成了“地球村”。
現在人們可以在24h內到達世界上的任何地方，在IHPTET計劃取得巨大成功的基礎上，美國政府和軍方又制定了其后繼計劃——多用途、經濟可，準備再用12年時間（2006～2017)、大約再投，通過多用途核心機、耐久性和智能發動機三個重點領域的，在2017年左右使發動機經濟可承受性(定義為能力與。
其中能力為推重比與中間狀態耗油率的函數)提高10倍，從國外航空發動機材料與制造技術的發展情況來看，加強材料與制造技術工程化研究是縮短發動機研制周期、，因此從20世紀70年代至今，航空發達國家安排了一系列的發動機材料和制造技術工程，規劃了整個材料和制造技術領域的發展方向，為各種先進軍、民用發動機提供了堅實的技術基礎，如美國綜合高性能發動機技術（IHPTET)計劃、下。
美國空軍復合材料經濟可承受性計劃（CAI)等(見表，(2)進一步加強新研和在研材料的工程化應用研究和驗，先進航空發動機主要指第四代和新一代更高推重比/功重，以及新一代干線客機用大涵道比渦扇發動機，這類先進發動機除具有更高的性能指標外，還要全面滿足可靠性、安全性、經濟性、適航性、環保性。
對材料和工藝提出了新的發展需求，主要包括：，民用運輸機和旅客機的動力也大致經歷了四個階段:早期，1949年出現了第一種用渦輪噴氣發動機“埃汶”為動，標志著民用飛機噴氣發動機時代的到來，第三階段為20世紀60年代初的低涵道比（1.5～2，耗油率為0.07～0.08kg/(N＊h)，廣泛用于波音-727、-737。
DC-9，“三叉戟”等飛機，逐步代替了耗油率高、經濟性差的渦噴發動機，特種涂層技術：熱障涂層（TBCs)，抗氧化高溫涂層，低、中、高溫硬質、輕質封嚴涂層。
低、中、高溫硬質、輕質耐磨涂層，鈦合金防應力腐蝕、抗沖刷涂層和隱身涂層等，航空發動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環境條件下，在各類武器裝備中，航空發動機對材料和制造技術的依存度最為突出，航空發動機高轉速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可，把對材料和制造技術的要求逼到了極限。
材料和工藝技術的發展促進了發動機更新換代，如：第一、二代發動機的主要結構件均為金屬材料，第三代發動機開始應用復合材料及先進的工藝技術，第四代發動機廣泛應用復合材料及先進的工藝技術，充分體現了一代新材料、一代新型發動機的特點，2、航空發動機關鍵材料技術的發展現狀與趨勢，(5)其他。
激光沖擊噴丸技術的最新進展和新應用（1）
然而，由于當時缺乏能夠產生短持續時間高能脈沖光束的可靠激，LSP技術無法實際用于工業應用，Lawrence Livermore國家實驗室成功，這臺激光器的脈沖能量是200?J、脈沖持續時間為2，從那時起。
LSP被認為是一種可行的表面處理技術，可以顯著改善金屬材料的機械性能，并開始商業化，一些美國研究人員發現，經過LSP處理后，受損的F101風機葉片顯示出比新葉片更高的疲勞強度，LSP隨后被用于處理F119發動機上的第四級整體葉，磨損、腐蝕和疲勞是金屬材料80%以上失效的原因。
由于磨損、腐蝕和疲勞引起的大多數故障都是從材料表面，因此表面完整性對材料的整體性能有著至關重要的影響，表面完整性特征，包括硬度、微觀結構、形貌、粗糙度和殘余應力狀態，可以顯著影響磨損和腐蝕行為，通過提高硬度和在近表面區域引入有益的壓縮殘余應力，激光沖擊噴丸（LSP）可以顯著改善金屬材料的疲勞性，隨著對性能改善材料需求的增加。
LSP的應用將進一步擴展到汽車工業、核工業、造船工，一項實驗中采用法國GAIA-R Nd:YAG激光器，采用波長為1.064?μm、脈沖寬度(FWHM)為，聚焦后的激光光斑直徑為3?mm，激光脈沖能量為3?J，對應的功率密度為4.24?GW/cm2，在重疊處理中。
如上圖所示的樣式的重疊率為13.4%，以最小化表面粗糙度增加（由I區和II區的不同沖擊時，圖6裂紋擴展速率與外部應力強度因子，Fabbro及其同事提出了一個分析模型，用于描述存在約束層時等離子體壓力和激光參數之間的關，例如，圖2顯示了激光強度P(t) I(t) (Im=3?，可以觀察到。
最大壓力與激光功率密度的平方根成正比，圖3顯示了峰值壓力與從分析模型和實驗中獲得的激光功，可以觀察到，當激光功率密度超過臨界值時，模擬結果與實驗結果不再一致，在高激光功率密度區。
峰值壓力不再隨激光功率密度增加而增加，這可以用介質擊穿效應來解釋，在LSP過程中，脈沖激光束穿過透明限制層并照射吸收層，吸收層吸收激光能量。
然后蒸發和電離，當表面上的能量足夠高時，等離子體就形成了，它將繼續吸收激光能量，由于約束層的存在，膨脹等離子體產生的沖擊波可以穿透目標材料，當沖擊波壓力超過材料的Hugoniot彈性極限（H。
會發生塑性變形，導致材料表層的微觀結構變化，如晶格畸變、位錯生成和晶粒細化，此外，LSP還在近表面區域產生有益的壓縮殘余應力，這將大大改善疲勞性能，來自Battelle Memorial Insti。
他們發現經過處理后，合金的抗應力腐蝕開裂（SCC）和疲勞性能得到了改善，這是LSP發展的關鍵事件，在這項研究之后，美國國家科學基金會開始支持對LSP的研究，Clauer等人通過在樣品表面使用不同的限制層和吸，改變了沖擊波的強度和持續時間，研究發現。
在有約束層的情況下，沖擊波壓力可以達到GPa水平，金屬材料的疲勞性能可以顯著提高，因此，這種透明約束層和吸收層的組合也成為LSP的典型模型。
除了LSP技術在工業上的發展，學術界對LSP過程的理解也有了重大進展，例如，Fabbro等提出了一個分析模型，使用有限元法（FEM）來研究和描述沖擊波壓力與LS。
Oca?a及其同事提出了一個全面的模型來理解激光沖，Wu和Shin提出了一個自封閉熱模型，用于研究LSP過程中激光燒蝕和等離子體形成與膨脹的，該模型能夠預測不同LSP條件下的血漿壓力，為了進一步了解LSP對金屬材料微觀結構的影響，Lu及其同事通過實驗研究了LSP過程中不同目標材料。
并提出了幾種不同的晶粒細化機制，在LSP過程中，激光誘導等離子體產生的沖擊波到達目標材料表面，到達時，沖擊波壓力的強度超過材料的HEL，但隨著傳播而衰減，因此，頂面層將承受垂直于表面的壓縮塑性變形。
變形平行于表面擴展，當沖擊波在材料中傳播時，其大小會衰減，當沖擊波壓力低于HEL時，塑性變形區周圍會發生彈性變形，沖擊波消散后，彈性變形將恢復，塑性變形區將受到彈性變形材料的反作用力。
產生有利的壓縮殘余應力場，該過程的示意圖如圖4所示，LSP過程示意圖如圖1所示，在典型的LSP裝置中，吸收層和限制層覆蓋樣品表面，黑漆和鋁箔通常用作吸收層，以防止金屬材料蒸發和蒸發。
而水或BK7光學玻璃通常用作限制層，以限制激光誘導等離子體的膨脹，從而增加沖擊波壓力和持續時間，保護層和約束層材料的選擇很重要，因為它們會影響沖擊壓力和持續時間。
Sano等人研究了不同約束介質對沖擊波壓力的影響，發現等離子體在空氣中的膨脹速度大約是在水中的20倍，膨脹速度過快會導致沖擊波壓力降低，Li等人利用K9光學硼硅酸鹽冠玻璃作為約束層，發現K9玻璃可以通過一種類似于用水的機制顯著增加沖，因此，使用水或玻璃作為約束層可以確保沖擊波壓力的充分積累。
從而增加峰值壓力和持續時間，上圖a和b顯示了LSP后片狀Ti6Al4V鈦合金的，觀察到少量孔隙，但無明顯裂縫或不完全溶解，細化的等軸α晶粒在圖a中可以清晰地觀察到明亮相，在圖b的偏振光圖像中可以清楚地觀察到紫色相。
如圖b所示，細化層的厚度可以達到400?μm，圖c和d顯示了LSP前后晶粒結構的SEM圖像，doi.org/10.1002/adem.2020，激光沖擊強化(LSP)通過在近表面區域誘導加工硬化，改善了許多金屬構件的疲勞性能，近年來，LSP在增材制造、陶瓷和金屬玻璃等新興領域有了許多。
此外，還報道了基于LSP的創新工藝開發，包括溫LSP、低溫LSP、電脈沖輔助LSP、無涂層，本文旨在對LSP工藝進行全面回顧，重點介紹其新的應用和創新工藝開發。
簡要回顧了LSP的歷史和關鍵事件，還討論了LSP的基本機理，包括高能脈沖激光產生沖擊波、沖擊波產生殘余壓應力、，以及LSP如何誘導晶粒細化，綜述了殘余壓應力和晶粒細化對金屬材料機械性能的影響，討論了LSP的最新發展，如基于LSP的創新工藝開發及其新應用。
最后，還討論了LSP技術目前面臨的挑戰和未來的發展方向，LSP處理可大大提高耐久性，防止表面裂紋，從而延長使用壽命，降低維護和維修成本，Leap等人報告說，LSP在改善艦載飛機鯊鉤的疲勞性能方面優于SP。
目前，LSP被廣泛用于多種合金的處理，如Ti?6Al?4V，Al2024，Inconel 718和Al7075。
LSP在生物醫學植入物治療中的應用也有報道，Sealy等人利用LSP處理骨科植入物用的鎂-鈣合，發現LSP可以同時提高抗腐蝕性能和疲勞性能，抑制植入物在人體內的快速降解和失效，Xiong等人結合LSP和微弧氧化技術，進一步提高鎂合金植入物的抗應力腐蝕能力，Zhang等人通過LSP改善了鎂合金植入物的機械性。
同時不影響細胞相容性，目前已經發表了多篇關于LSP的總數文章，例如，Montross等人系統地討論了LSP對金屬合金微，Gujba等人將LSP與SP和超聲波沖擊噴丸進行了，Liao等人總結了WLSP的基本機理及其對金屬材料。
Kalainathan等人探索了LPwC的主要機理，以及它們對不同材料的影響，Clauer發表了一篇綜述文章，討論了從激光誘導等離子體的發現到LSP商業化的歷史，然而，近年來發表的許多關于LSP的重要研究沒有在任何綜述，例如，其中包括LSP在增材制造金屬、金屬玻璃、陶瓷和其他。
其他重要的研究集中在LSP過程，包括EP-LSP、CLSP和FLSP，1．介紹，2.1 LSP過程中產生的沖擊波，江蘇激光聯盟陳長軍原創作品。
還開發了許多創新的LSP工藝，以應對LSP應用中的挑戰，Sano等人提出了無涂層LSP（LPwC），它使用低能激光加工金屬部件，隨后發現該技術可提高沸水反應器的抗應力腐蝕性能。
鑒于現有LSP技術的缺點，一些學者提出了新的LSP技術，如溫熱LSP（WLSP），低溫LSP（CLSP），電脈沖輔助LSP（EP-LSP）和飛秒LSP（FL。
為了應對當前增材制造（AM）技術的流行，Kalentics等人和Lu等人將選擇性激光熔化（，以更好地管理增材制造金屬的殘余應力、微觀結構和孔隙，為了平衡扭矩，LSP處理的樣品中也會產生拉伸殘余應力。
這些應力會加速疲勞裂紋的產生和擴展，因此不允許出現在部件的關鍵區域，因此，必須仔細設計LSP加工模式，以確保殘余應力得到適當分布，尤其是對于具有復雜幾何形狀的部件。
Zhao等人利用FEM模擬了不同LSP模式裂紋附近，已經證明，在優化LSP模式時，通過降低有效應力強度因子（SIF，見圖6）。
可以最大程度地降低疲勞裂紋擴展速率，由于該數值研究已通過實驗數據得到驗證，因此，將FEM和SIF相結合的數值方法已被證明是設計適當，圖2 激光強度分布和相應的沖擊壓力分布（α?=?0，摘要。
Askar'yan和Moroz測量了高強度激光束對，發現該壓力足以控制航天器，然而，這些實驗是在真空條件下進行的，以防止介質擊穿，這種條件在工業上并不實用，來自Sandia實驗室的Anderholm用激光束。
發現透明約束層的存在可以顯著增加沖擊壓力，雖然這個實驗也是在真空中進行的，但它證明，在透明約束層的存在下，在空氣中不會導致介質擊穿的激光功率密度也可以產生足，這一觀察結果對于涉及激光產生的沖擊波的后期工業應用，Lu和同事測量了經過多輪LSP處理的LY2鋁的殘余。
并驗證了LSP誘導的塑性應變可以在頂面上產生壓縮殘，隨著沖擊波在材料中傳播時衰減，塑性變形程度將逐漸降低，殘余應力值也將隨深度而降低，從圖5可以看出，壓縮應力的最大值存在于樣品表面，并沿垂直于表面的方向逐漸減小至零，然后它轉化為拉應力。
產生拉應力以平衡壓應力，此外，殘余壓應力的大小和深度將隨著沖擊次數的增加而增加，隨著撞擊次數的增加，目標的塑性應變增加，導致更高的應力值和更深的壓縮層，為了提高沖擊波壓力預測的準確性。
Jiang等人考慮了等離子體傳播過程中目標和約束層，參考文獻：G，Askar'yan，E，Moroz。
Sov，J，Exp，Theor，Phys，1963。
16，163 8.，A，H.Clauer，Metals 2019，9。
626，2.2 LSP產生的壓縮殘余應力，圖1 LSP實驗裝置的示意圖，本文綜述了殘余壓應力和晶粒細化對金屬材料機械性能的，討論了LSP的最新發展和目前面臨的挑戰和未來的發展，本文為第一部分，因此，本綜述的目的是全面概述LSP。
重點介紹LSP研究的最新進展，首先，將考慮LSP的基本機制，包括沖擊波的產生及其如何影響殘余應力狀態和微觀結構，接下來，將討論LSP對金屬材料機械性能的影響，隨后。
討論了LSP研究的最新進展，包括WLSP、EP-LSP、CLSP、LPwC、F，以及LSP在增材制造金屬、陶瓷和金屬玻璃中的應用，最后，提出了應用LSP目前面臨的挑戰，以及未來的研究和發展方向。
2.LSP的基本機制，江蘇激光聯盟陳長軍導讀：，在LSP過程中，來自高能脈沖激光的光穿透透明約束介質并照射燒蝕涂層，迅速將受影響區域加熱到高溫并產生高壓等離子體，等離子體的膨脹會產生沖擊波，使目標金屬發生塑性變形，導致加工硬化和壓縮殘余應力。
與噴丸（SP）相比，LSP具有以下優點，1） LSP可以產生更深層次的壓縮殘余應力，2） LSP中的工藝參數可以精確控制，3） LSP后的零件表面完整性得到改善，無需進行后處理。
4） LSP可用于處理具有復雜幾何形狀的部件，5）LSP處理效率高，有利于清潔的工作環境，由于LSP代表了可以替代SP的新一代表面強化技術，因此得到了廣泛關注，圖3作為激光功率密度函數的峰值壓力測量。
圖5多次LSP沖擊后LSP處理樣品的深度殘余應力，插圖顯示了沖擊時間，來源：Recent Developments an，Advanced Engineering Mate，Zhou等人發現，在水層或玻璃的一定厚度范圍內。
增加水層厚度可以增加峰值壓力，然而，一旦超過臨界值，繼續增加約束層的厚度將降低峰值壓力，因為水膜可以散射激光。
而較厚的水膜將吸收大量等離子體能量，此外，Takata等人通過聲發射分析研究了不同約束層參數，他們發現，沖擊波壓力隨約束層的粘度增加而增加。
最近，Xiong等人利用分子動力學模擬在微觀尺度上研究了，他們發現雖然限制層可以有效地提高峰值壓力，但保護層對壓力的影響很小，并且會在目標表面引入雜質，因此。
為了獲得更好的加固效果，有必要為保護層和約束層選擇合適的材料和合適的材料參，SCLSP和HCLSP的重疊樣式，LSP前后Ti6Al4V鈦合金的顯微組織，（a）和（b）LSP后近表面橫截面積的光學圖像，（c） LSP前后的SEM圖像，（e）（f）c和d中α晶粒的粒度分布。
圖4 LSP產生的壓縮殘余應力示意圖。
關于增材制造功能梯度材料及結構綜述：從多尺度設計到多功能性能（3）航發觀察：劉大響院士的內容就介紹到這里！
