飞秒激光制备铜微纳结构表面的润湿及抗结冰特性研究

基于微结构表面形成的疏水特性可以有效应用于水腐蚀防护、电缆防护、飞机防冰等重要领域。研究中,不借助其他化学处理手段,仅通过飞秒激光直接制备了多种疏水功能特性微纳结构铜表面,并系统研究了温度对微纳结构表面的疏水特性影响及抗结冰性能。结果表明,这些疏水微纳结构表面在低温下与原表面相比都能有效延缓水滴的结冰过程,这一现象的产生与其表面润湿性能及微纳结构形貌有关。     

基于疏水功能表面的飞机防覆冰机理研究进展

如何规避飞机结冰产生的飞行安全隐患一直是航空领域的重要问题。近年来,疏水材料表面被动防覆冰概念被提出并快速发展起来。首先介绍了在液滴冲击阶段防止表面结冰的机理及方法,系统综述了包括减少水滴与表面接触时间以及减少冰核形成时间的研究方案。又进一步介绍了液滴结冰后的防覆冰机理,综述了通过优化疏水表面性能及微纳结构形貌减小冰黏附力的研究进展。最后对疏水表面防覆冰的发展趋势进行了展望。     

液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制

针对飞机表面易结冰部位设计超疏水表面,可以大幅度减轻对高能耗防/除冰技术的依赖程度,进而提高飞机的燃油经济性。主要通过实验研究与数值模拟的手段,分析讨论了液滴撞击分级粗糙结构超疏水表面过程中的能量耗散机制。以Ti6Al4V为基体经过喷砂处理形成微米级粗糙结构,然后在1mol/L的低浓度NaOH溶液中水热生长一层一维纳米线,构建出微/纳米复合粗糙结构并氟化修饰获得超疏水表面。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察了微观形貌的变化规律,利用动态视频接触角测量仪表征试样表面液滴表观接触角与接触角滞后。基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF方法,实现了液滴撞击超疏水表面过程的数值模拟。采用高速摄像技术记录了撞击液滴在超疏水表面的运动过程,实验验证了模拟方法与铺展计算模型的正确性,并详细讨论了液滴运动过程中的能量耗散问题,分析表明液滴撞击过程中的能量耗散主要取决于超疏水表面的动态润湿特性和润湿界面模型。     

不同扫描速度下激光熔覆修复TC4合金表面性能

在当前的航空产业中，激光熔覆是一种理想的TC4合金部件修复和表面处理技术，在工艺方面具有优于传统金属修复技术的优势。本工作在功率2 kW下，通过不同的激光扫描速度，对合金试件表面进行激光熔覆修复加工，检测分析修复后表面的金相组织变化、电化学腐蚀性能和力学性能变化。结果表明：在激光修复过程中发生了显著的显微形貌变化；激光扫描速度为150 mm/min的修复表面耐腐蚀性能最佳；200 mm/min的修复表面显微硬度和耐磨性能最佳。     

紫外纳秒脉冲激光烧蚀单晶硅表面特征创成机制

脉冲激光表面微织构技术可以有效改善单晶硅表面磨擦特性、光学反射率以及亲疏水性等，拓宽了单晶硅的使用范围。为加工出均匀的表面织构，基于激光与物质的相互作用，开展了紫外纳秒激光加工单晶硅表面阵列织构的试验研究。采用面积法计算了单晶硅紫外纳秒激光烧蚀阈值，并通过单因素法研究了激光输出功率、脉冲重复频率、光斑扫描速度以及扫描次数对加工沟槽宽度和深度的影响规律，分析了烧蚀沟槽典型形貌特征及形成机制，获得了工艺参数对微结构特征的影响规律。最后，基于优化的工艺参数，在单晶硅表面加工了点阵、方形阵列、正六边形阵列、正弦波阵列以及螺旋线等表面结构。     

前缘带光滑霜冰的NACA0012翼型表面声学特性计算

结冰将改变飞机空气动力表面形状,不仅使飞机空气动力性能下降,还会导致气动噪声的变化。为研究结冰对翼型气动噪声的影响,采用计算流体力学方法对前缘带光滑霜冰的NACA0012翼型表面声学特性进行了数值计算。采用C型网格拓扑结构对结冰翼型的计算区域进行了划分,采用不可压缩雷诺平均N-S方程对结冰翼型周围黏性流场进行了数值计算,采用基于Proudman理论的宽频噪声模型和Curle的表面积分方法预测了结冰翼型的表面声学参数,获得了沿结冰翼型弦向分布的表面声功率和表面声功率级。研究表明,0°或小攻角时,靠近前缘霜冰区域的流动转捩或流动分离使结冰翼型的表面声功率更高;较大攻角时,靠近后缘的区域发生流动分离,使后缘的表面声功率增加,进一步增加了结冰翼型的表面声功率。前缘霜冰产生的流动转捩和流动分离是结冰翼型气动噪声增加的主要原因。     

旋转超声铣削钛合金表面形貌及涂层研究

以TC4钛合金为例,开展了有无旋转超声两种方式下钛合金表面铣削实验,并分析其三维粗糙度(Sa、Spd、Str以及Svi)及表面微观形貌。研究结果表明,主轴转速、进给速度和超声电流3个加工参数均会对旋转超声铣削表面的三维粗糙度及微观形貌产生不同影响。同时,TiAlN涂层与基体的结合力随主轴转速的增大而增大、随进给速度的增大而减小、随超声电流的增大总体呈增大趋势。     

纳秒激光构造锡青铜粗糙表面的工艺研究

为了在考虑表面粗糙度条件下,对表面织构影响润滑性能的理论计算结果进行试验验证,提出了一种通过纳秒紫外激光在锡青铜样片表面构造不同粗糙度参数的方法。通过改变激光加工参数制备了不同表面粗糙形貌,并采用白光干涉共聚焦显微镜以及粗糙度仪对表面粗糙形貌进行表征。试验结果表明,表面粗糙度随激光扫描速度的增大而减小;扫描间距等于光斑直径50μm、扫描速度300mm/s时,表面粗糙纹理方向清晰,便于粗糙度方向参数的控制。通过控制粗糙度方向参数以及微织构方向控制,实现了与表面粗糙方向成规定角度的微织构阵列的制备。     

无机盐沉积下7B04铝合金表面微液滴形成研究

采用环境扫描电镜模拟潮湿环境,实时观察水汽在沉积NaCl,Na2SO4,NaNO3的7B04铝合金表面上的凝聚过程,研究不同温度下三种无机盐对铝合金表面微液滴形成的影响。结果表明,沉积无机盐的铝合金表面比洁净表面更易形成微液滴,诱发大气腐蚀的发生;同种盐沉积时合金表面形成微液滴的临界水汽压力随温度的升高而增大,而临界相对湿度降低;在研究的温度区间内(2~10℃),同温度下NaCl沉积时形成微液滴的临界相对湿度最小,最易为大气腐蚀发生创造条件,NaNO3次之,Na2SO4最大。     

动力对全机水滴收集率的影响计算

针对飞机在飞行中遭遇过冷水滴撞击并结冰现象,建立了适合于发动机带动力情况下结冰过程水滴收集率计算的三维数值方法和计算程序.其基本思路为:采用多块技术与SIMPLE方法计算空气流场,以流场分布的计算结果为基础,求解水滴相的控制方程,进而获得物体表面的水滴收集率.空气相控制方程和水滴相控制方程均写成典型输运方程的形式,采用一致的有限体积法离散求解,方便了计算程序的编制.对某型运输机巡航构型有/无动力条件的水滴收集率进行了比较计算,获得了不同直径水滴在飞机表面的撞击特征以及水滴收集率在飞机机翼、平尾、垂尾和发动机进气道唇口上的分布规律.研究表明:(1)发动机是否带动力对机翼、平尾、垂尾的水滴收集率基本无影响;(2)飞机带动力主要影响发动机进气道唇口处的水滴收集率,带动力后唇口的收集率比无动力情况高,水滴撞击范围增大,在进行防除冰研究和设计时需引起重视.     

激光喷丸强化TC6钛合金的振动疲劳寿命及断口形貌分析

为了研究TC6钛合金激光喷丸强化(Laser Shocking Peening,LSP)处理后对振动疲劳寿命的影响,采用不同喷丸次数的方法对TC6钛合金进行LSP处理,采用振动疲劳测试系统对振动试样进行振动疲劳测试,用X射线衍射仪和显微硬度计测试LSP前后试样的残余应力和硬度,研究LSP对TC6钛合金振动疲劳性能的影响...     

TC11合金燃烧特性初步研究

钛火严重威胁航空发动机用钛安全,开展钛合金燃烧特性研究是发动机合理用钛及采取有效防范措施的基础。通过液滴引燃试验法初步研究了TC11合金的燃烧特性,分析了燃烧的过程特征、试片温度与氧气含量(分压)对启燃的影响及燃烧表面的微观组织。结果表明:在压缩空气/氧气作用下,TA1液滴发生燃烧并将TC11合金试片引燃,燃烧过程中反应剧烈,喷射出大量火花;随着TC11合金试片温度的提高,引燃所需的临界氧气分压逐渐降低;TC11合金试片的烧损表面形成了氧化层,从表面到内部呈现出疏松区、致密区和燃烧影响区三种典型的组织区。     

过冷水滴撞击结冰表面的数值模拟

为了计算过冷水滴撞击结冰表面,本文应用雷诺平均Navier-Stokes方程和k-ε两方程紊流模型计算结冰表面外的空气流场。用欧拉法建立了空气中过冷水滴的运动方程,并采用有限控制容积法对方程进行了数值计算。为了提高计算精度,方程中的对流—扩散项采用MUSCL格式进行了离散。计算结果表明过冷水滴的大小和机翼攻角的变化对结冰区的大小和水收集系数的影响很大。      

钛合金TC4高速铣削表面完整性的研究

研究了钛合金TC4材料在高速铣削与常规铣削参数条件下的加工表面完整性 ,表明高速铣削在提高制造效率和改善表面质量上都是非常有益的 ,值得在飞机薄壁结构件生产中推广应用     

TC4钛合金高速外圆磨削表面完整性实验

为充分发挥钛合金的优良性能,以TC4为研究对象进行高速外圆磨削实验,分析外圆磨削工艺参数对工件表面完整性的影响规律。结果表明:工件亚表面未出现变质层;随着砂轮线速度提高,表面质量提高;随着工件转速提高,表面划痕明显;随着磨削深度增加,出现表面烧伤现象,并且磨削深度对表面完整性的影响程度最大;磨削力与磨削温度对表面硬度的影响是正相关的,且磨削力对表面硬度的影响程度较大。因此可以通过选择合理的工艺参数来保证较大的材料去除率与较好的工件表面质量,为TC4钛合金高速外圆磨削提供指导。     

Hot deformation behavior and microstructure evolution of the laser solid formed TC4 titanium alloy

Hot compressive experiments of the laser solid formed (LSFed) TC4 titanium alloy were conducted at a wide temperature range of 650–950 °C and strain rate of 0.01–10 s⁻¹. The Arrhenius-type constitutive models of the LSFed TC4 alloy were established at the temperature range of 800–950 °C and of 650–800 °C, respectively. The average relative error between the predicted stresses and experimental values in those two temperature ranges are 10.4% and 8.3%, respectively, indicating that the prediction models constructed in this paper are in a good agreement with experimental data. Processing maps were established by the principle of dynamic materials modeling on the basis of the data achieved from the hot compression experiments. The processing parameters corresponding to the stable and unstable regions of material deformation can be determined from the processing maps. The microstructure evolution of the stable and unstable regions of the samples after tests were observed. Finally, the effect of hot compressive parameters on the microstructure were investigated to research the dynamic recrystallization and the texture of the deformed LSFed TC4 alloy.     

不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展

由于激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)TC4钛合金加工成形过程的特殊性,导致该合金在力学性能上存在明显的各向异性,同时韧性、疲劳性能不能很好地满足使用要求。从材料组织与力学性能之间的关系出发,介绍了不同热处理工艺对激光增材制造TC4钛合金组织与力学性能的影响,指出了当前激光增材制造TC4钛合金热处理研究中存在的问题,并为后续激光增材制造TC4钛合金的热处理研究提供思路与方向。     

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.     

Surface micro-texture on sapphire fabricated by laser ablation trajectory regulation

Fabrication of the surface micro-texture on the C-plane sapphire is undertaken by a355 nm Ultraviolet(UV) pulsed laser. The surface micro-textures of sapphire with different laser scanning line spacing ranging from 10 lm to 100 lm are obtained, where the selection range of scanning line spacing is controlled in the range of the groove width and plasma width to obtain a surface of high Peak-Valley(PV) value. A reasonable processing order is proposed to manufacture different types of surface micro...