簡訊

我國自主研制大功率重型燃氣輪機首臺樣機總裝下線

2024年2月28日，我國自主研制的300兆瓦級F級重型燃氣輪機首臺樣機在上海臨港新片區總裝下線，這是我國重型燃氣輪機自主創新發展歷程中的重要里程碑，標志著我國大功率重型燃氣輪機首次走完基于正向設計的制造全過程，全面進入整機試驗與驗證的最終階段。

重型燃氣輪機是能源領域的核心設備，可在高溫、高應力、高腐蝕環境下長時間運行，廣泛應用于地面發電和電網調峰，具有重要的戰略地位和廣闊的市場前景，被譽為裝備制造業“皇冠上的明珠”。

按照燃氣工作溫度，重型燃氣輪機可以分為E級(燃氣工作溫度約1200℃)、F級(燃氣工作溫度約1400℃)、G/H級(燃氣工作溫度約1500℃)、J級(燃氣工作溫度約1600℃)，其中F級是目前在役的主流機型。

據悉，300兆瓦級F級重型燃氣輪機由5大系統、5萬余個零部件構成，是我國首次自主研制的最大功率、最高技術等級重型燃氣輪機，對我國燃氣輪機基礎學科進步、產業技術發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展具有重要意義。

國家電投集團作為項目實施責任主體，聯合哈電集團、東方電氣集團、上海電氣集團組建了聯合重燃公司，負責具體實施。首臺樣機由上海電氣集團總裝制造，北京、遼寧、上海、江蘇等19個省市200余家企業、科研院所、高校等參與研制。

左下圖為300兆瓦級F級重型燃氣輪機首臺樣機總裝下線儀式現場。

（本刊記者 逸飛）

中國科學院西安光機所在透明吸波材料方面取得重要發展

近日，中國科學院西安光機所光子功能材料與器件研究室高通量輻射防護材料與技術研究團隊在透明吸波材料方面取得重要進展，相關研究成果在線發表于Chemical EngineeringJournal。

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

研究團隊創新性地選擇AgI-AgPO3-WO3透明導電玻璃為研究對象，綜合研究了碘化銀含量對玻璃結構、光電性能、電磁參數和微波吸收性能的影響，并通過雷達反射截面模擬對其隱身性能進行了評估。研究發現，玻璃中碘化銀含量的增加引起Q2相關磷酸鏈的斷裂和非橋接氧鍵的增加，使玻璃網絡結構的緊密性降低，顯著提高了玻璃的電學性能、電磁參數和微波吸收性能，一定程度上減弱了光學透光率和熱穩定性。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范圍內的透光率約為80%，并且在X波段表現出優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），同時滿足了高光學透明度和高微波吸收的要求。

下圖為AAW玻璃的微波吸收機理示意圖。

（本刊記者 逸飛）

中國科學院金屬所3D打印鈦合金抗疲勞設計制備取得突破

近日，中國科學院金屬研究所研究員張哲峰帶領的材料疲勞與斷裂團隊，在前期疲勞損傷機制和疲勞預測理論的指導下，與輕質高強材料研究部研究員楊銳團隊合作，在3D打印鈦合金抗疲勞設計制備方面取得了突破性進展，制備出具有優異疲勞性能的3D打印鈦合金材料。

相關研究成果以“High fatigue resistance in a titanium alloy via near voidfree 3D printing”為題，發表在Nature上。

該研究首次明確提出理想狀態下3D打印技術直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應具有天然優異的疲勞性能，而打印過程中產生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優點，導致實際測量的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。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細化組織的處理又會帶來氣孔復現，甚至引發晶界α相富集等新的不利因素，可謂進退兩難。研究在Ti-6Al-4V合金中首次發現，高溫下3D打印態組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉變過程表現出異步的特性。這意味著存在一個寶貴的熱處理工藝窗口，既可實現板條組織細化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復現。為此，科研人員巧妙地利用這一工藝窗口，發明了缺陷與組織分步調控的新工藝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-拉疲勞強度從原始態的475 MPa提升至978 MPa，增幅高達106%。對比發現，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-拉疲勞強度，而且在目前已報道的材料疲勞數據中具有最高的比疲勞強度（疲勞強度除以密度）。

上述成果更新了科學家以往對3D打印材料疲勞性能不高的固有認識，揭示了3D打印技術在抗疲勞制造方面的優勢，展現了3D打印材料作為結構承力件在航空航天等領域的應用前景。

右上圖為不同組織疲勞裂紋萌生典型位置。

（本刊記者 逸飛）

南航團隊通過操控界面氣流實現超疏水材料表面高效防冰

近日，南京航空航天大學材料科學與技術學院柔性成形技術及裝備團隊表面柔性加工方向陶杰教授和沈一洲教授在Nature Communications發表了一篇題為“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冰形核時間，進而在不依賴額外能量輸入的情況下突破當前超疏水材料的防冰性能極限，顯著擴大了超疏水材料在防冰領域的應用范圍。

該策略受外場輔助超疏水材料防冰思路的啟發，通過設計構建兼具氣動特性和疏水特性的微結構陣列，操控近壁面氣流運動，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，有望突破傳統超疏水材料在實際服役條件下的防冰性能極限，進而降低飛機飛行過程中的結冰風險。

研究團隊通過一步電沉積工藝將硬脂酸鈰均勻覆蓋于減阻微結構陣列，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構組成，該結構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，由于表面存在獨特的減阻微結構陣列，液滴更傾向于沿微結構的迎風方向滾動，表明超疏水表面的非潤濕性具有各向異性。

該研究團隊認為，結構表面因結構氣動特征引發的上升氣流和超疏水微納結構提供的液滴自驅離效應共同降低了超疏水表面的結冰概率。此外，具有特定角度的低能微結構表面可以有效延緩結冰形核過程，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出了一定的效果，體現出了廣泛的環境適用性。同時該方法不受限于特定的疏水材料體系，有望擴展到復雜曲面，具有全天候、大規模的應用潛力，為進一步提升常規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展

近日，華東理工大學化學與分子工程學院費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心曲大輝教授團隊在形狀記憶功能聚合物材料研究中取得新進展，相關研究成果以“Mechanically interlocked [c2]daisy chain backbone enabling advanced shape-memory polymeric materials”為題發表于NatureCommunications.

該研究以[c2]雛菊鏈結構作為聚合物網絡的動態單元，通過共價交聯劑四(3-巰基丙酸)季戊四醇酯單體與[c2]雛菊鏈機械互鎖組裝體的光誘導硫烯點擊反應構筑了一種超分子形狀記憶聚合物DCSM，其表現出優異的形狀固定率（Rf）、形狀恢復率（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至其永久形狀。通過對照試驗，系統研究了基于二苯并24-冠-8的[c2]雛菊鏈的機械互鎖拓撲結構與形狀記憶功能的構效關系，發現該類空間互鎖結構有助于提高聚合物玻璃化轉變溫度，這對熵驅動形狀記憶效應至關重要。

同時，機械互鎖拓撲結構極大地提高了聚合網絡的機械性能，并顯著增強了材料的形狀恢復性能和抗疲勞特性，這一發現為高性能動態智能材料的性能定制提供了重要依據。

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

近日，南方科技大學機械與能源工程系講席教授朱強團隊在Acta Materialia上發表題為“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，進而實現在微尺度上將構件中的裂紋“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難題具有重要意義。

激光增材制造技術具有微區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，尤其是對于具有優異服役性能的沉淀強化型鎳基高溫合金、超高強鋁合金等高裂紋敏感性合金。因此，打印裂紋是當前公認的制約激光增材制造產業發展的技術瓶頸，也是整個技術體系中的研究重點和前沿方向。

現有應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控合金凝固區間、晶粒形貌及構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。熱等靜壓是當前激光增材制造關鍵構件，尤其是航空航天領域廣泛采取的缺陷消除后處理工藝。然而HIP無法修復表面缺陷，且極高壓的工作條件使得HIP裝備復雜、成本極高，因此僅適于少部分高附加值的金屬增材制造構件。

裂紋總是發生在最后凝固的晶界位置，當再次加熱熔化時，裂紋附近也是最先熔化的區域。朱強團隊基于引入晶間連續液膜將裂紋“焊合”的技術思路提出了LIH技術。

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勢：（1）突破其無法愈合表面缺陷的技術局限，可適用于復雜構件的孔隙愈合處理而無須額外的機加工去除表面；（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。

右上圖為液相誘導愈合（LIH）工藝原理。

（本刊記者 逸飛）