簡訊

我國自主研制大功率重型燃?xì)廨啓C(jī)首臺樣機(jī)總裝下線

2024年2月28日，我國自主研制的300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)首臺樣機(jī)在上海臨港新片區(qū)總裝下線，這是我國重型燃?xì)廨啓C(jī)自主創(chuàng)新發(fā)展歷程中的重要里程碑，標(biāo)志著我國大功率重型燃?xì)廨啓C(jī)首次走完基于正向設(shè)計的制造全過程，全面進(jìn)入整機(jī)試驗與驗證的最終階段。

重型燃?xì)廨啓C(jī)是能源領(lǐng)域的核心設(shè)備，可在高溫、高應(yīng)力、高腐蝕環(huán)境下長時間運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于地面發(fā)電和電網(wǎng)調(diào)峰，具有重要的戰(zhàn)略地位和廣闊的市場前景，被譽(yù)為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”。

按照燃?xì)夤ぷ鳒囟龋匦腿細(xì)廨啓C(jī)可以分為E級(燃?xì)夤ぷ鳒囟燃s1200℃)、F級(燃?xì)夤ぷ鳒囟燃s1400℃)、G/H級(燃?xì)夤ぷ鳒囟燃s1500℃)、J級(燃?xì)夤ぷ鳒囟燃s1600℃)，其中F級是目前在役的主流機(jī)型。

據(jù)悉，300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)由5大系統(tǒng)、5萬余個零部件構(gòu)成，是我國首次自主研制的最大功率、最高技術(shù)等級重型燃?xì)廨啓C(jī)，對我國燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有顯著的帶動輻射作用，對保障我國能源安全和綠色發(fā)展具有重要意義。

國家電投集團(tuán)作為項目實施責(zé)任主體，聯(lián)合哈電集團(tuán)、東方電氣集團(tuán)、上海電氣集團(tuán)組建了聯(lián)合重燃公司，負(fù)責(zé)具體實施。首臺樣機(jī)由上海電氣集團(tuán)總裝制造，北京、遼寧、上海、江蘇等19個省市200余家企業(yè)、科研院所、高校等參與研制。

左下圖為300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)首臺樣機(jī)總裝下線儀式現(xiàn)場。

（本刊記者 逸飛）

中國科學(xué)院西安光機(jī)所在透明吸波材料方面取得重要發(fā)展

近日，中國科學(xué)院西安光機(jī)所光子功能材料與器件研究室高通量輻射防護(hù)材料與技術(shù)研究團(tuán)隊在透明吸波材料方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于Chemical EngineeringJournal。

透明吸波材料是一類特種功能材料，目前該領(lǐng)域的研究難點是兼具高光學(xué)透明度和高微波吸收的新型玻璃材料的研究。

研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地選擇AgI-AgPO3-WO3透明導(dǎo)電玻璃為研究對象，綜合研究了碘化銀含量對玻璃結(jié)構(gòu)、光電性能、電磁參數(shù)和微波吸收性能的影響，并通過雷達(dá)反射截面模擬對其隱身性能進(jìn)行了評估。研究發(fā)現(xiàn)，玻璃中碘化銀含量的增加引起Q2相關(guān)磷酸鏈的斷裂和非橋接氧鍵的增加，使玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密性降低，顯著提高了玻璃的電學(xué)性能、電磁參數(shù)和微波吸收性能，一定程度上減弱了光學(xué)透光率和熱穩(wěn)定性。具備最佳綜合性能的45AgI-45AgPO3-10WO3（簡稱AAW）玻璃樣品在可見光和NIR范圍內(nèi)的透光率約為80%，并且在X波段表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能和隱身性能（RLmin=-47.18 dB，EAB=1.97 GHz，RCS縮減=31.46 dBm2），同時滿足了高光學(xué)透明度和高微波吸收的要求。

下圖為AAW玻璃的微波吸收機(jī)理示意圖。

（本刊記者 逸飛）

中國科學(xué)院金屬所3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計制備取得突破

近日，中國科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰帶領(lǐng)的材料疲勞與斷裂團(tuán)隊，在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測理論的指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部研究員楊銳團(tuán)隊合作，在3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計制備方面取得了突破性進(jìn)展，制備出具有優(yōu)異疲勞性能的3D打印鈦合金材料。

相關(guān)研究成果以“High fatigue resistance in a titanium alloy via near voidfree 3D printing”為題，發(fā)表在Nature上。

該研究首次明確提出理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點，導(dǎo)致實際測量的3D打印材料疲勞性能降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時，盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細(xì)化組織的處理又會帶來氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。研究在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉(zhuǎn)變過程表現(xiàn)出異步的特性。這意味著存在一個寶貴的熱處理工藝窗口，既可實現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，科研人員巧妙地利用這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的新工藝NAMP（Net-additive manufacturing process），制備出幾乎無氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。

大量疲勞試驗表明，這一近Net-AM鈦合金有效避免了從打印氣孔、粗大板條及α相富集晶界等多種疲勞短板處開裂，展示出3D打印組織自身所特有的高疲勞抗性：拉-拉疲勞強(qiáng)度從原始態(tài)的475 MPa提升至978 MPa，增幅高達(dá)106%。對比發(fā)現(xiàn)，這種近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金不僅在所有鈦合金材料中具有最高的拉-拉疲勞強(qiáng)度，而且在目前已報道的材料疲勞數(shù)據(jù)中具有最高的比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度除以密度）。

上述成果更新了科學(xué)家以往對3D打印材料疲勞性能不高的固有認(rèn)識，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的優(yōu)勢，展現(xiàn)了3D打印材料作為結(jié)構(gòu)承力件在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

右上圖為不同組織疲勞裂紋萌生典型位置。

（本刊記者 逸飛）

南航團(tuán)隊通過操控界面氣流實現(xiàn)超疏水材料表面高效防冰

近日，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院柔性成形技術(shù)及裝備團(tuán)隊表面柔性加工方向陶杰教授和沈一洲教授在Nature Communications發(fā)表了一篇題為“An energy-free strategy to elevate anti-icing performance of superhydrophobic materials through interfacial airflow manipulation”的研究論文。

該論文提出一種通過操控界面氣流提升超疏水材料防冰性能的策略，可以在降低來流過冷液滴與表面的接觸概率的同時延長液滴結(jié)冰形核時間，進(jìn)而在不依賴額外能量輸入的情況下突破當(dāng)前超疏水材料的防冰性能極限，顯著擴(kuò)大了超疏水材料在防冰領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

該策略受外場輔助超疏水材料防冰思路的啟發(fā)，通過設(shè)計構(gòu)建兼具氣動特性和疏水特性的微結(jié)構(gòu)陣列，操控近壁面氣流運(yùn)動，在降低來流液滴與表面的接觸概率的同時延緩了液滴結(jié)冰形核過程，顯著降低表面覆冰量。該方法無須額外的能量輸入，且不依賴于特定的疏水材料體系，具備大面積制備潛力，有望突破傳統(tǒng)超疏水材料在實際服役條件下的防冰性能極限，進(jìn)而降低飛機(jī)飛行過程中的結(jié)冰風(fēng)險。

研究團(tuán)隊通過一步電沉積工藝將硬脂酸鈰均勻覆蓋于減阻微結(jié)構(gòu)陣列，獲得了不影響氣動性能的超疏水表面。表面形貌分析結(jié)果顯示，沉積表面主要由一系列寬度約為50 nm的交錯納米棒組成的花瓣狀結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)具有高孔隙率的特點，可以更大程度保留空氣，從而使得該表面具有更高的疏水性能（接觸角約為170°，滾動角約為1.7°）。值得注意的是，由于表面存在獨(dú)特的減阻微結(jié)構(gòu)陣列，液滴更傾向于沿微結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)方向滾動，表明超疏水表面的非潤濕性具有各向異性。

該研究團(tuán)隊認(rèn)為，結(jié)構(gòu)表面因結(jié)構(gòu)氣動特征引發(fā)的上升氣流和超疏水微納結(jié)構(gòu)提供的液滴自驅(qū)離效應(yīng)共同降低了超疏水表面的結(jié)冰概率。此外，具有特定角度的低能微結(jié)構(gòu)表面可以有效延緩結(jié)冰形核過程，為微小液滴的彈離提供了更多的時間。

這種通過操控界面氣流來提升超疏水材料防冰性能的通用策略，在不同的攻角條件下均表現(xiàn)出了一定的效果，體現(xiàn)出了廣泛的環(huán)境適用性。同時該方法不受限于特定的疏水材料體系，有望擴(kuò)展到復(fù)雜曲面，具有全天候、大規(guī)模的應(yīng)用潛力，為進(jìn)一步提升常規(guī)超疏水材料的防冰性能提供了全新的解決方案。

（本刊記者 逸飛）

形狀記憶功能聚合物材料研究取得新進(jìn)展

近日，華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院費(fèi)林加諾貝爾獎科學(xué)家聯(lián)合研究中心曲大輝教授團(tuán)隊在形狀記憶功能聚合物材料研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Mechanically interlocked [c2]daisy chain backbone enabling advanced shape-memory polymeric materials”為題發(fā)表于NatureCommunications.

該研究以[c2]雛菊鏈結(jié)構(gòu)作為聚合物網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)單元，通過共價交聯(lián)劑四(3-巰基丙酸)季戊四醇酯單體與[c2]雛菊鏈機(jī)械互鎖組裝體的光誘導(dǎo)硫烯點擊反應(yīng)構(gòu)筑了一種超分子形狀記憶聚合物DCSM，其表現(xiàn)出優(yōu)異的形狀固定率（Rf）、形狀恢復(fù)率（Rr）以及形狀記憶抗疲勞特性。通過控制溫度可形成多種臨時形狀，并能夠在特定的溫度下完全恢復(fù)至其永久形狀。通過對照試驗，系統(tǒng)研究了基于二苯并24-冠-8的[c2]雛菊鏈的機(jī)械互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與形狀記憶功能的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該類空間互鎖結(jié)構(gòu)有助于提高聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這對熵驅(qū)動形狀記憶效應(yīng)至關(guān)重要。

同時，機(jī)械互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大地提高了聚合網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械性能，并顯著增強(qiáng)了材料的形狀恢復(fù)性能和抗疲勞特性，這一發(fā)現(xiàn)為高性能動態(tài)智能材料的性能定制提供了重要依據(jù)。

右下圖為材料的制備及其形狀記憶功能。

（本刊記者 逸飛）

南科大提出可高效愈合激光增材制造裂紋的后處理新技術(shù)

近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授朱強(qiáng)團(tuán)隊在Acta Materialia上發(fā)表題為“Liquid-induced healing of cracks in nickel-based superalloy fabricated by laser powder bed fusion”的研究論文。

該論文首次提出一種液相誘導(dǎo)愈合（Liquidinduced healing, LIH）激光增材制造裂紋的新工藝，通過控制晶界微量重熔以引入晶間液膜回填缺陷，進(jìn)而實現(xiàn)在微尺度上將構(gòu)件中的裂紋“焊合”。該研究成果對于突破激光增材制造高裂紋敏感性合金這一行業(yè)難題具有重要意義。

激光增材制造技術(shù)具有微區(qū)超常冶金和快速凝固的本征屬性，相比于鑄造、焊接等工藝，其更容易引起開裂，尤其是對于具有優(yōu)異服役性能的沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金、超高強(qiáng)鋁合金等高裂紋敏感性合金。因此，打印裂紋是當(dāng)前公認(rèn)的制約激光增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，也是整個技術(shù)體系中的研究重點和前沿方向。

現(xiàn)有應(yīng)對激光增材制造裂紋的思路有兩類，一是打印過程中通過調(diào)控合金凝固區(qū)間、晶粒形貌及構(gòu)件溫度梯度等方法抑制裂紋，作用效果差異顯著，工藝窗口窄，穩(wěn)定性較差，且難以徹底消除裂紋；二是采用熱等靜壓（HIP）后處理閉合裂紋。熱等靜壓是當(dāng)前激光增材制造關(guān)鍵構(gòu)件，尤其是航空航天領(lǐng)域廣泛采取的缺陷消除后處理工藝。然而HIP無法修復(fù)表面缺陷，且極高壓的工作條件使得HIP裝備復(fù)雜、成本極高，因此僅適于少部分高附加值的金屬增材制造構(gòu)件。

裂紋總是發(fā)生在最后凝固的晶界位置，當(dāng)再次加熱熔化時，裂紋附近也是最先熔化的區(qū)域。朱強(qiáng)團(tuán)隊基于引入晶間連續(xù)液膜將裂紋“焊合”的技術(shù)思路提出了LIH技術(shù)。

與HIP方案相比較，LIH在缺陷消除效率、普適性、便捷性及成本上均有顯著的優(yōu)勢：（1）突破其無法愈合表面缺陷的技術(shù)局限，可適用于復(fù)雜構(gòu)件的孔隙愈合處理而無須額外的機(jī)加工去除表面；（2）所需壓力不到HIP工藝的1/20，消除了高壓特種裝備的安全隱患，簡化了裝備構(gòu)造和成本；（3）無須保溫處理，工藝效率提高，能耗成本降低。

右上圖為液相誘導(dǎo)愈合（LIH）工藝原理。

（本刊記者 逸飛）