民航特色材料物理專業工程應用課程的教學

丁坤英

摘要：為了突出民航特色材料物理專業工程應用課程的“民航特色”和“科學前沿性”，精選高溫合金精密鑄造、鋁合金焊接成型、鈦合金塑性成型和復合材料熱壓成型等教學內容并采用“案例教學法”提高教學質量。

關鍵詞：民航；材料物理；工程應用課程；教學內容；案例教學法

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）13-0163-02

一、民航特色材料物理專業開設工程應用課程的意義

材料物理專業是培養具有較深厚物理學和材料學基本理論，同時具備材料物理知識應用能力的復合型人才的專業。民航特色院校材料物理專業培養的學生以服務于民航行業為主，所以在人才培養方面更要體現其“理、工”兼備的特色。材料物理專業課程體系中對于物理學基礎課程的設置相對成熟，主要是固體物理、量子力學、熱力學課程；與之銜接的材料學基礎課程有材料科學基礎、材料成型理論、材料力學等；在兩大課程體系之下怎樣設置側重于工程應用的課程是突出“理、工”兼備培養目標的關鍵。

民航特色院校材料物理專業設置的工程應用課程要滿足兩點要求：一是要具備“民航特色”。開設工程應用課程的目的是學以致用，引導學生將理論知識和實際應用相結合。民航特色材料物理專業的學生大多數是從事民用航空器材料設計、成型、維修相關工作，所以在設置應用課程時要貼近民用航空材料的工程應用，體現“民航特色”。二是要具備“科學前沿性”。一代材料，一代飛機。航空材料經歷了多個階段的發展，鋼、鋁合金、高溫合金、鈦合金、先進復合材料等不斷更替，航空材料加工技術也不斷推陳出新[1]，所以在教學過程中應緊緊抓住先進材料以及先進材料成型技術的科學前沿，讓學生的知識結構跟上時代的步伐。“具備民航特色”和“科學前沿性”是材料物理專業材料應用課程設置的關鍵，要實現以上兩點要求，需要做好兩方面的工作，一是設置適宜的教學內容，而是采用合理的教學方法。

二、材料工程應用課程內容的設置

材料工程應用課程涉及到的內容很多，對于民航特色材料物理專業的學生培養來講，安排事宜的教學內容非常重要。結合近年來航空材料方面的研究和應用成果，教學內容的安排應該側重如下幾個方面：

1.高溫合金的精密鑄造。高溫合金在航空發動機中的應用比較廣泛，例如渦輪機匣、級間機匣、調節葉片，尤其是渦輪空心葉片。在民航發動機，如CFM56、PW4000、RB211等機型中高溫合金的精密鑄造都是關鍵技術[2]。精密鑄件的微觀結構、內部缺陷與殘余應力等會在澆注成型過程中形成，因此合金的澆注與凝固工藝對鑄件力學性能、尺寸精度和內部質量的影響規律是此部分內容講解的主要內容。

2.鋁合金的焊接成型。目前民用飛機的機身結構依然是以鋁合金材料為主，因此鋁合金結構的連接是影響機身結構強度的關鍵。鋁合金熔點低、易氧化，采用熔化焊接的方法連接會產生焊接缺陷。英國焊接研究所開發一種新型的焊接技術，稱為摩擦焊[3]。它利用表面摩擦使焊縫材料溫度升高而熱塑化，同時使接縫處的變形金屬通過相互擴散與再結晶而牢固地結合在一起，從而實現固態連接的過程。摩擦焊過程中的發熱量和焊接材料的塑性流動形態是影響焊縫成型質量的主要因素，這種影響機制是此部分講解的主要內容。

3.鈦合金的塑性成型。鈦合金在室溫條件下塑性低、變形能力差，但是在850-950℃條件下呈現良好的超塑性。航空發動機的空心寬弦葉片由鈦合金制成，它應用技術主要是超塑性成型技術。與傳統帶凸肩窄弦實心風扇葉片相比，新技術強化了葉片的抗外物撞擊能力，大大減輕了葉片的質量，減小了高速旋轉時產生的離心力，提高了流量和效率[4]。超塑性成型過程中變形工藝的選擇和優化，組織演變與變形機制、空洞演變及斷裂機制等內容是此部分講解的主要內容。

4.復合材料的熱壓成型。樹脂基的碳纖維復合材料具有比金屬材料更高的比強度和比剛度，它在民用航空飛機中的應用越來越廣泛。先進復合材料在A380飛機中應用的比例達到30%，而在B787中的應用的比例達到50%，可以說先進復合材料的應用體現了航空器的先進性[5]。先進復合材料的成型采用的方法是熱壓罐的熱壓成型。成型過程中先將復合材料預浸料按照不同方向鋪設，再將其放置在熱壓罐中熱壓成型。在此過程中熱壓罐的壓力和溫度的控制將影響復合材料層合板的孔隙率、粘接強度、力學性能等，這種影響機制是此部分講解的主要內容。

三、材料工程應用課程中“案例教學方法”的應用

材料物理專業工程應用課程知識點較為分散，講授課時較短，在有限的課上時間內讓學生較為深刻地掌握所學知識點，需要借助于案例教學法。案例教學法非常適合于開發分析、綜合評估能力等高級智力技能的講授。它以案例為教學基礎，教師于教學中扮演著設計者和激勵者的角色，鼓勵學生積極參與討論。此種教學方法的實施過程如圖1所示。應用此方法教學，可以激發學生在學習過程中的主動性，增加學生對知識點的認知能力，同時可以培養學生的協作能力，增進師生之間的交流[6，7]。下面以一個實例說明此種教學方法在教學過程中的應用。

首先教師精選一個案例“熔模鑄造技術在渦輪空心葉片制造中的應用”，詳細介紹這個案例引起學生的興趣；然后將這個案例的知識點分成若干模塊：“熔模鑄造技術”、“空心葉片的應用”、“熔模鑄造中陶瓷芯的制備”等，組織學生分成相應的組別對模塊進行課下自學；課上拿出一定時間讓各組的學生代表對自學內容進行交流，教師對學生發言進行評價和總結；然后教師利用相應的模擬軟件對空心葉片的熔模鑄造過程進行全程演示，加深學生對知識點的認識；最后教師根據此案例內容給出一定量的試題，評價學生對知識點的掌握程度。

四、總結

要實現民航特色院校材料物理專業“理、工”兼備的特色，需要在物理和材料理論基礎課程的基礎上開設工程應用型課程，并且此課程需要具備“民航特色”和“科學前沿性”。為了實現上述目標需要教師精選教學內容并引入科學的教學方法。高溫合金、鋁合金、鈦合金、復合材料的先進成型方法應該是此類課程的主要教學內容，在教學過程中引入“案例教學法”能夠增加學生的學習主動性，提升學習的效率。

參考文獻：

[1]王莉莉，陳云翔，王政.再制造工程在某型軍用航空發動機上的應用[J].航空制造技術，2009，（6）：69-71.

[2]樊振中，徐秀利，王玉靈，等.熔模精密鑄造技術在航空工業的應用及發展[J].特種鑄造及有色合金，2014，34（3）：285-289.

[3]張磊先，杜靜，李文學.先進焊接技術在國內航空制造領域內的應用和發展概況[J].新技術新工藝，2012，（9）：61-64.

[4]吳心晨，陳明和，謝蘭生，等.復雜外形航空發動機TC4鈦合金寬弦空心風扇葉片彎扭成形[J].航空學報，2015，36（6）：2055-2063.

[5]畢鳳陽，楊波，金天國.樹脂基復合材料熱壓罐成型工藝固化變形模擬[J].兵器材料與科學，2014，（4）：20-25.

[6]王青梅，趙革.國內外案例教學法研究綜述[J].寧波大學學報教育科學版，2009，（3）：7-11.

[7]王曉溪，宋美娟，楊峰，等.案例教學法在材料成形工藝課程中的應用[J].中國現代教育裝備，2015，（9）：110-112.