TC4钛合金燃烧形貌和机理分析

采用液滴法引燃TC4钛合金试片,利用扫描电镜及能谱仪观察燃烧产物,并分析其燃烧机理。结果表明:钛合金燃烧需要的外部条件高,采用熔融TA1液滴在富氧条件下剧烈燃烧生成的热量引发TC4试片局部燃烧,燃烧剧烈,燃烧时间持续约10 s,但局部燃烧无法引起基体全面燃烧。TC4钛合金燃烧截面具有燃烧瘤状区、燃烧过渡区及燃烧影响区三个典型结构特征;钛合金剧烈燃烧的主要原因是钛合金燃烧放出大量的热,外层瘤状区疏松多孔且不稳定。     

超临界环境下煤油替代物液滴燃烧特性数值研究

为研究液氧/煤油火箭发动机燃烧室内经喷注形成的煤油液滴的燃烧过程,基于实际气体状态方程、高压热物性修正、高压气液平衡和详细化学反应动力学,建立一维的全瞬态液滴燃烧模型,对超临界环境下两组分煤油替代物液滴的燃烧特性及液滴初始直径的影响进行仿真研究。结果表明,在超临界环境下,相比于煤油液滴纯蒸发过程,煤油液滴燃烧过程的迁移时刻大大提前;煤油液滴着火之后很快进入超临界燃烧阶段,此时液滴燃烧过程可以看成中心附近的燃料高浓度区与外侧氧气高浓度区之间的扩散燃烧过程;煤油液滴的火焰半径先增大,达到最大值之后开始减小,并减小为零,火焰温度在着火之后快速上升至最大值,并基本保持不变,在火焰半径减小为零之后开始降低;随着液滴初始直径的增大,火焰特性以及液滴中心参数变化曲线趋势不变、整体延迟,着火时间、迁移时间和液滴寿命增大。     

钛液滴作用下钛合金薄片火蔓延的数值模拟

针对钛火液滴法实验过程中钛合金薄片被引燃后的火蔓延行为,基于数值模拟研究钛合金在高温热源作用下的钛火传播过程。研究了在不同初始温度和环境条件下钛合金薄片中心被引燃后向四周蔓延的过程,并分析了钛合金薄片被烧断的条件。结果表明：钛合金薄片被引燃的初始阶段,钛火传播前沿以圆弧形态传播,圆弧形火焰前锋在薄片边缘会因边沿效应而出现拉伸;当薄片初始温度较低时钛合金起火经短暂传播后缓慢熄灭,当初始温度较高时钛合金薄片最终被烧断;通过参数分析发现钛合金薄片燃烧断裂的临界对流换热系数和初始温度呈线性关系,临界氧分压和初始温度呈负指数函数关系。     

钛合金构件碰摩着火试验器研制及应用

介绍了自主研制的国内首台可变环境条件(压力、温度、流速)旋转碰摩式钛火试验器及相关试验研究,建立了旋转碰摩着火试验流程。通过设定旋转碰摩的工作环境及进给力大小,成功再现了钛合金试样(TC17/TC4)着火、稳定燃烧、燃烧扩展等复杂燃烧过程。该试验器的成功研制,为钛合金构件着火性能及其防护研究提供了试验手段,在航空发动机钛合金燃烧特性评估和防钛火试验研究领域,具有良好的应用前景。     

飞秒脉冲激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验

飞机发动机进气道前缘唇口积冰将会严重威胁航空安全,仿生研究表明具有微纳结构的疏水表面可以起到良好的抑冰效果。针对飞机唇口材料TC4,采用飞秒脉冲激光诱导制备TC4微结构表面,利用三维形貌仪和扫描电镜对TC4合金表面三维形貌和微纳结构进行观测,应用接触角测量仪分析表面浸润改性,依托结冰特性实验系统测试微结构表面抑冰抑霜性能,并分析飞秒脉冲激光加工工艺参数对表面微观结构和抑霜特性的影响机制。研究结果表明：随着激光扫描速度的增大,TC4合金表面形成的拱形沟壑深度增加,沟壑上方出现干涉条纹以及圆形凸起且微纳凸起的尺寸随扫描速度的增大而增大,接触角先减小后增大再减小;加工后表面液滴冻结时间比未加工表面延迟30 s;扫描速度2 000 mm/s时的液滴冻结时间最长,霜层质量最小,高度最低。飞秒激光加工TC4合金表面形成的微纳结构以及表面吸附的有机物能够改变表面接触角;粗糙度和表面形貌能够影响表面结冰时间和结霜量。     

TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头组织与性能

针对航空发动机钛合金整体叶盘的典型材料TC11和TC17开展对异种钛合金线性摩擦焊的研究,其中包括飞边形貌、接头组织及拉伸性能等.研究结果表明:TC11/TC17异种钛合金线性摩擦焊沿振动方向的飞边较长;焊接接头明显分为3个区域:母材、热机械影响区和焊缝区,其中TC11母材为双态组织、TC17母材为网篮组织、热机械影响区的组织沿着受力方向被拉长,焊缝发生了动态再结晶,组织为等轴晶.拉伸测试结果表明:接头的抗拉强度及屈服强度能达到与TC11等强,拉伸试样均断在TC11母材一侧,随着测试温度提高,强度呈线性下降趋势;而断面收缩率均超过TC17母材,随着测试温度提高,变化不明显.     

来流温度振荡对液滴燃烧释热特性的影响

液滴蒸发、燃烧过程均对温度变化较为敏感,为了获得液滴燃烧释热过程对于温度振荡的响应特性,对庚烷液滴气液两相燃烧问题进行了数值模拟。主要分析了来流温度振荡频率分别为2k Hz,5k Hz和10k Hz,温度振荡幅值分别为5%,10%和15%时,液滴燃烧过程中释热速率振荡幅值及相位差变化规律,同时考察了液滴直径变化产生的影响。结果表明,释热速率振荡幅值随着来流温度振荡频率和振荡幅值的增加而大幅升高;释热速率波动与来流温度振荡之间的相位差受温度振荡频率影响较大;改变液滴直径可以有效控制释热响应特性,相同工况下,减小液滴直径会使得释热振荡幅值显著降低;由于温度振荡与液滴的蒸发和释热之间的相互影响,使得在部分工况下液滴燃烧释热响应特性出现了显著的非线性特征。     

有机凝胶燃料液滴燃烧过程相分离现象

要掌握凝胶推进剂在燃烧室内燃烧特性,必须首先认识清楚单个凝胶推进剂液滴的燃烧机理。为了揭示凝胶燃料液滴特殊的燃烧机制,在考虑相分离阶段液滴内部温度和浓度梯度变化的基础上,完善并发展了一种新的数学模型来描述凝胶燃料液滴的相分离过程,并且用之研究了凝胶燃料单液滴蒸发/燃烧过程中的相分离特性。研究结果表明:相分离阶段,液滴的半径按d2定律收缩,与实验结果吻合;液滴点火后,火焰由初始位置向液滴外围扩展,火焰温度不断上升,并且逐渐趋于稳定;相分离前期,在液滴内部,特别是表面附近的区域,质量的输运较热量输运容易,而相分离后期则呈现相反趋势,这就导致在相应的区域相分离前期比后期有更大的温度梯度,而相分离后期比前期有更大燃料浓度梯度。     

激光冲击对TC11钛合金组织和力学性能的影响

对TC11钛合金进行激光冲击强化处理,通过透射电子显微镜观察不同参数下TC11钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和X射线应力测试仪分别测试材料表层硬度和残余应力,并通过TC11钛合金标准疲劳试片高周振动疲劳试验验证激光冲击对其疲劳性能的影响.试验结果表明:激光冲击波作用后表面组织结构发生明显变化,当冲击次数增加,先后出现了高密度位错、位错胞和纳米级晶粒等微观组织特征.冲击10次后,表面残余应力最高达到-632.5MPa,相应的塑性变形层深度达到1500μm左右;同时表面硬度在冲击1次即可提高19%,硬度影响深度为700μm,随着次数增加而提高,但幅度不大.经3次冲击处理的TC11钛合金标准疲劳试片的疲劳极限由原始483MPa提高到593MPa.      

基于ADN基液体推进剂的无毒可贮存空间发动机

对一台基于ADN基液体推进剂的无毒空间发动机进行了试验研究。通过三维PDA(Phase Doppler Anemometry)综合测量系统,获得了发动机喷注器的雾化性能,得到了喷注器雾化液滴空间上的双分支分布以及液滴尺寸上的双峰状分布;通过高空模拟热试车试验,对于发动机的稳态、脉冲工作性能、工作过程中包含的催化分解及燃烧反应特性有了深入理解,研究了发动机启动时燃烧室内的建压和温度抬升过程,揭示了ADN基发动机在点火过程中体现出的点火延迟特性。     

飞机钛合金构件热损伤检测试验

为准确检测和修理飞机钛合金构件的热损伤,选用TA4、TC9进行热损伤模拟试验,对材料在不同温度下的力学性能、电导率与加热温度的关系进行了分析。结果表明,TA4、TC9的强度、硬度和电导率随温度的上升呈单调变化趋势;硬度和电导率均可作为钛合金热损伤的检测参数。     

Effects of sodium tartrate anodizing on fatigue life of TA15 titanium alloy

Anodizing is always used as an effective surface modification method to improve the corrosion resistance and wear resistance of titanium alloy.The sodium tartrate anodizing is a new kind of environmental anodizing method.In this work, the effects of sodium tartrate anodizing on mechanical property were studied.The oxide film was performed on the TA15 titanium alloy using sodium tartrate as the film former.The effects of this anodizing and the traditional acid anodizing on the fatigue life of TA15 alloy were compared.The results show that the sodium tartrate anodizing just caused a slight increase of hydrogen content in the alloy, and had a slight effect on the fatigue life.While, the traditional acid anodizing caused a significant increase of hydrogen content in the substrate and reduced the fatigue life of the alloy significantly.     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼（UDMH）液滴在四氧化二氮（NTO）氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明：有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。     

剧烈塑性变形对钛合金热氧化的影响

钛合金热氧化通过在表面形成氧化层和氧扩散层改善其综合性能。热氧化前对钛合金进行剧烈塑性变形可以引入高密度晶界、位错、孪晶界等晶体缺陷及高畸变能,能够促进氧原子吸附、降低氧化物形核温度、加速氧化膜生长并促进氧原子向基体内的扩散,形成更厚、更致密的氧化层和更深的氧扩散区,获得更好的性能。本文对剧烈塑性变形钛合金的热氧化进行综述。首先,介绍了几种常见的剧烈塑性变形方法,总结了钛合金剧烈塑性变形和热氧化复合处理的工艺情况和处理效果。然后,根据氧化物形成的一般过程阐述了剧烈塑性变形引起的微观结构变化对氧原子吸附、氧化物形核、氧化膜形成、氧化膜增厚和氧扩散区形成的影响机理。最后,总结了剧烈塑性变形对氧化膜厚度、氧扩散区范围和氧化物形貌等热氧化微观结构及硬度、摩擦磨损等力学性能的影响,指出了当前研究中存在的问题,并展望了未来的研究方向。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

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钛合金整体叶盘锻件组织均匀性评价方法

根据锻件内热力参数分布情况建立了基于Taguchi方法的损失函数,探索盘类锻件组织均匀性数值评价方法。应用所建立的损失函数以及TC11钛合金整体叶盘的锻造过程有限元数值模拟结果,对TC11钛合金整体叶盘组织均匀性进行了数值评价,并进行了试验验证。结果表明,对于TC11钛合金整体叶盘锻件,应用本文建立的质量损失函数贡献因子得到的损失函数(情况2)的评价结果与实际生产得到的锻件内组织均匀性一致性好,且当质量损失函数值在0.33～0.44范围内时,锻件的组织均匀性能满足技术条件要求。     

燃烧油滴内部蒸发的气泡周期性暴涨/碎裂

利用高速显微摄像技术捕捉到航空煤油RP-3挂滴的燃烧现象——微气泡周期性暴涨/破碎现象。环境温度为973K时,在直径为1.25mm的燃烧油滴内,捕捉到了微气泡的急剧暴涨和瞬间碎裂现象。即:①在0.04s内,微气泡直径增长41.6%;②在0.01s内,暴涨的气泡在油滴内破碎,激发油滴急剧振荡;③油滴恢复相对稳定的蒸发燃烧,内部残留的微气泡,启动第2轮暴涨/破碎;④经过3轮暴涨/破碎,油滴燃烧殆尽。因而得出:被高温加热的石英丝挂钩在油滴内部诱发的快速蒸发效应,是微气泡周期性暴涨/碎裂的驱动力,而表面张力则是油滴恢复并保持稳定燃烧的约束机制。