民航特色材料物理专业工程应用课程的教学

丁坤英

摘要：为了突出民航特色材料物理专业工程应用课程的“民航特色”和“科学前沿性”，精选高温合金精密铸造、铝合金焊接成型、钛合金塑性成型和复合材料热压成型等教学内容并采用“案例教学法”提高教学质量。

关键词：民航；材料物理；工程应用课程；教学内容；案例教学法

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）13-0163-02

一、民航特色材料物理专业开设工程应用课程的意义

材料物理专业是培养具有较深厚物理学和材料学基本理论，同时具备材料物理知识应用能力的复合型人才的专业。民航特色院校材料物理专业培养的学生以服务于民航行业为主，所以在人才培养方面更要体现其“理、工”兼备的特色。材料物理专业课程体系中对于物理学基础课程的设置相对成熟，主要是固体物理、量子力学、热力学课程；与之衔接的材料学基础课程有材料科学基础、材料成型理论、材料力学等；在两大课程体系之下怎样设置侧重于工程应用的课程是突出“理、工”兼备培养目标的关键。

民航特色院校材料物理专业设置的工程应用课程要满足两点要求：一是要具备“民航特色”。开设工程应用课程的目的是学以致用，引导学生将理论知识和实际应用相结合。民航特色材料物理专业的学生大多数是从事民用航空器材料设计、成型、维修相关工作，所以在设置应用课程时要贴近民用航空材料的工程应用，体现“民航特色”。二是要具备“科学前沿性”。一代材料，一代飞机。航空材料经历了多个阶段的发展，钢、铝合金、高温合金、钛合金、先进复合材料等不断更替，航空材料加工技术也不断推陈出新[1]，所以在教学过程中应紧紧抓住先进材料以及先进材料成型技术的科学前沿，让学生的知识结构跟上时代的步伐。“具备民航特色”和“科学前沿性”是材料物理专业材料应用课程设置的关键，要实现以上两点要求，需要做好两方面的工作，一是设置适宜的教学内容，而是采用合理的教学方法。

二、材料工程应用课程内容的设置

材料工程应用课程涉及到的内容很多，对于民航特色材料物理专业的学生培养来讲，安排事宜的教学内容非常重要。结合近年来航空材料方面的研究和应用成果，教学内容的安排应该侧重如下几个方面：

1.高温合金的精密铸造。高温合金在航空发动机中的应用比较广泛，例如涡轮机匣、级间机匣、调节叶片，尤其是涡轮空心叶片。在民航发动机，如CFM56、PW4000、RB211等机型中高温合金的精密铸造都是关键技术[2]。精密铸件的微观结构、内部缺陷与残余应力等会在浇注成型过程中形成，因此合金的浇注与凝固工艺对铸件力学性能、尺寸精度和内部质量的影响规律是此部分内容讲解的主要内容。

2.铝合金的焊接成型。目前民用飞机的机身结构依然是以铝合金材料为主，因此铝合金结构的连接是影响机身结构强度的关键。铝合金熔点低、易氧化，采用熔化焊接的方法连接会产生焊接缺陷。英国焊接研究所开发一种新型的焊接技术，称为摩擦焊[3]。它利用表面摩擦使焊缝材料温度升高而热塑化，同时使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶而牢固地结合在一起，从而实现固态连接的过程。摩擦焊过程中的发热量和焊接材料的塑性流动形态是影响焊缝成型质量的主要因素，这种影响机制是此部分讲解的主要内容。

3.钛合金的塑性成型。钛合金在室温条件下塑性低、变形能力差，但是在850-950℃条件下呈现良好的超塑性。航空发动机的空心宽弦叶片由钛合金制成，它应用技术主要是超塑性成型技术。与传统带凸肩窄弦实心风扇叶片相比，新技术强化了叶片的抗外物撞击能力，大大减轻了叶片的质量，减小了高速旋转时产生的离心力，提高了流量和效率[4]。超塑性成型过程中变形工艺的选择和优化，组织演变与变形机制、空洞演变及断裂机制等内容是此部分讲解的主要内容。

4.复合材料的热压成型。树脂基的碳纤维复合材料具有比金属材料更高的比强度和比刚度，它在民用航空飞机中的应用越来越广泛。先进复合材料在A380飞机中应用的比例达到30%，而在B787中的应用的比例达到50%，可以说先进复合材料的应用体现了航空器的先进性[5]。先进复合材料的成型采用的方法是热压罐的热压成型。成型过程中先将复合材料预浸料按照不同方向铺设，再将其放置在热压罐中热压成型。在此过程中热压罐的压力和温度的控制将影响复合材料层合板的孔隙率、粘接强度、力学性能等，这种影响机制是此部分讲解的主要内容。

三、材料工程应用课程中“案例教学方法”的应用

材料物理专业工程应用课程知识点较为分散，讲授课时较短，在有限的课上时间内让学生较为深刻地掌握所学知识点，需要借助于案例教学法。案例教学法非常适合于开发分析、综合评估能力等高级智力技能的讲授。它以案例为教学基础，教师于教学中扮演着设计者和激励者的角色，鼓励学生积极参与讨论。此种教学方法的实施过程如图1所示。应用此方法教学，可以激发学生在学习过程中的主动性，增加学生对知识点的认知能力，同时可以培养学生的协作能力，增进师生之间的交流[6，7]。下面以一个实例说明此种教学方法在教学过程中的应用。

首先教师精选一个案例“熔模铸造技术在涡轮空心叶片制造中的应用”，详细介绍这个案例引起学生的兴趣；然后将这个案例的知识点分成若干模块：“熔模铸造技术”、“空心叶片的应用”、“熔模铸造中陶瓷芯的制备”等，组织学生分成相应的组别对模块进行课下自学；课上拿出一定时间让各组的学生代表对自学内容进行交流，教师对学生发言进行评价和总结；然后教师利用相应的模拟软件对空心叶片的熔模铸造过程进行全程演示，加深学生对知识点的认识；最后教师根据此案例内容给出一定量的试题，评价学生对知识点的掌握程度。

四、总结

要实现民航特色院校材料物理专业“理、工”兼备的特色，需要在物理和材料理论基础课程的基础上开设工程应用型课程，并且此课程需要具备“民航特色”和“科学前沿性”。为了实现上述目标需要教师精选教学内容并引入科学的教学方法。高温合金、铝合金、钛合金、复合材料的先进成型方法应该是此类课程的主要教学内容，在教学过程中引入“案例教学法”能够增加学生的学习主动性，提升学习的效率。

参考文献：

[1]王莉莉，陈云翔，王政.再制造工程在某型军用航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2009，（6）：69-71.

[2]樊振中，徐秀利，王玉灵，等.熔模精密铸造技术在航空工业的应用及发展[J].特种铸造及有色合金，2014，34（3）：285-289.

[3]张磊先，杜静，李文学.先进焊接技术在国内航空制造领域内的应用和发展概况[J].新技术新工艺，2012，（9）：61-64.

[4]吴心晨，陈明和，谢兰生，等.复杂外形航空发动机TC4钛合金宽弦空心风扇叶片弯扭成形[J].航空学报，2015，36（6）：2055-2063.

[5]毕凤阳，杨波，金天国.树脂基复合材料热压罐成型工艺固化变形模拟[J].兵器材料与科学，2014，（4）：20-25.

[6]王青梅，赵革.国内外案例教学法研究综述[J].宁波大学学报教育科学版，2009，（3）：7-11.

[7]王晓溪，宋美娟，杨峰，等.案例教学法在材料成形工艺课程中的应用[J].中国现代教育装备，2015，（9）：110-112.