高温氧化对粉末高温合金微观结构和疲劳性能影响研究

为了探究涡轮盘用粉末高温合金表面氧化对其低周疲劳性能的影响，分别针对第三代镍基粉末高温合金的粗晶(Coarse grain,CG)和细晶(Fine grain,FG)材料开展氧化时间对其疲劳性能影响机理的研究。通过在700℃空气环境下开展不同时长的高温预氧化实验和低周疲劳(Low-cycle fatigue,LCF)实验，使用SEM和EDS表征LCF断口、表面氧化层结构成分及其强化相形貌变化，揭示LCF裂纹萌生机理。实验结果表明，氧化层厚度随氧化时间而增加，氧元素以氧化侵入的形式进入基体；相同氧化时间下，CG抗氧化性能优于FG；疲劳裂纹萌生于氧化侵入和亚表面夹杂物等应力集中部位，在实验温度下LCF寿命受氧化作用和夹杂物共同影响；高温氧化作用下氧化层呈现分层结构，外层为NiO，中间层为含有Cr₂O₃,TiO₂等复杂氧化物及尖晶石相(NiCr₂O₄)的混合层，内层为Al₂O₃;CG二次γ’相氧化后平均尺寸增加，FG二次γ’相平均尺寸没有明...     

硼颗粒点火燃烧模型求解及影响因素分析

简要介绍了含氧气和水蒸气环境下硼颗粒点火动力学模型和燃烧动力学模型,并给出了详细的数值求解方法,采用权威实验数据校验模型的合理性和准确性。利用模型预测硼颗粒点火燃烧特性,分析表面氧化层厚度,粒径,环境压强,氧分压,水蒸气分压及环境温度等因素对硼的点火燃烧特性的影响,并与相应的实验结果进行比较。结果显示,硼颗粒点火时间和燃烧时间均随粒径增大而增加。当粒径小于20μm时,燃烧时间与粒径基本呈正比关系。而当粒径大于20μm时,燃烧时间随粒径增大呈二次方增长。点火时间随初始氧化层厚度增加单调递增,增长率达到65ms/μm。点火时间和燃烧时间随环境压强增大基本呈现减小的趋势,但3MPa以上均不敏感。氧分压的提高对点火时间没有影响,但使燃烧时间明显减小,而水蒸气分压的升高则显著降低点火时间,但对燃烧时间几乎没有影响。环境温度的升高会减小点火时间,但对燃烧时间的影响可忽略。     

镍基高温合金表面Co-Al涂层抗高温氧化性能研究

为了研究镍基高温合金表面Co-Al涂层抗高温氧化性,对该Co-Al涂层在800、900和1000℃下进行200 h高温氧化试验,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等进行高温氧化行为分析。结果表明：合金氧化动力学曲线均基本符合抛物线规律,氧化激活能为78185 kJ/mol,质量增大速度较缓慢,平均氧化速度也较慢;合金表面生成氧化物结构完整、致密,主要以Al₂O₃为主;表面生成连续致密的Al₂O₃保护膜有效地阻止了Al向涂层与空气界面的外扩散和氧向涂层与基体界面的内扩散,在3种温度下Co-Al涂层均表现出优异的抗高温氧化性能。     

圆柱面点阵自生Al2O3铝合金粉芯丝材开发及应用

基于Al和NiO的冶金反应设计了圆柱面点阵电弧增材制造自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材，进行了热分析；制备了直径1.2 mm的自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材，研究了其工艺性能，分析了自生Al₂O₃的尺寸、形貌，并测试了单元杆的热导率和强度；利用该粉芯丝材在直径157 mm的圆柱面上成形了两层金字塔点阵结构。结果表明：Al和NiO冶金反应的最大反应速率温度为1 038.9℃，能够在电弧增材制造条件下可靠进行；粉芯中含1.5%NiO的铝合金粉芯丝材在电弧增材制造中电弧稳定、熔滴呈均匀小颗粒过渡、过程平稳、飞溅率小于0.74%。研发的粉芯丝材成形点阵单元杆表面粗糙度小于10.40μm，自生成了大量的密排六方α-Al₂O₃，尺寸在50～300 nm之间，与铝基体的界面结合良好；单元杆的热导率为103.68 W/(m·K)，平均抗拉强度达到了288 MPa；成形的圆柱面点阵单元杆直径误差在±0.1 mm以内，倾角误差在±0.9°...     

飞机刹车盘用炭/炭复合材料新型防氧化复合涂层

 研究了一种工艺简单、成本低廉的飞机刹车盘用炭/炭复合材料防氧化复合涂层。该复合涂层由两层组成，其中内层由硼酸制备而成，外层由硼粉、炭化硼、氧化硅玻璃粉、有机硅树脂以及铝粉和铁粉制备成。恒温氧化和热震实验的结果表明：在700 ℃下空气中恒温氧化50 h后，带该涂层试样的氧化失重率只有0.08％，同时在700 ℃下空气中热循环50次后，试样的氧化失重率也只有0.12％。另外，用扫描电镜(SEM)、X射线能量分散谱(EDX)、Raman光谱和差热分析(DTA)等方法分析了涂层的防氧化机理。     

NiCrAl-NiC封严涂层在硫氯酸盐中的热腐蚀行为

为探究NiCrAl-NiC封严涂层在高温熔盐环境下的腐蚀行为,使用大气等离子喷涂技术制备NiCrAl-NiC封严涂层。通过测量NiCrAl-NiC封严涂层的失重情况研究涂层的动力学变化,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光共聚焦显微镜等方法,探讨NiCrAl-NiC封严涂层在650℃下混合硫氯酸盐(75%Na₂SO₄+25%NaCl)中的热腐蚀行为。结果表明：在进行10 h的热腐蚀实验后,NiCrAl-NiC封严涂层呈现出快速增重状态,增重速率为32.041 mg₂·cm^-4·h^-1。在进行20 h的热腐蚀实验后,涂层由于表面氧化膜的脱落而发生减重现象。在热腐蚀进行了30 h后,涂层表面膜的生长覆盖了整个涂层,涂层表面形貌均匀,表面孔隙减少,可以对基体起到很好的保护作用。在完整的氧化膜的保护作用下,进行了40 h热腐蚀实验的NiCrAl-NiC封严涂层的质量变化速率为0.064 mg²·cm^-4·h^-1<...     

表面深滚处理对纯镍组织性能及残余应力分布的影响

通过一种新型表面自纳米化方法———表面深滚处理,在纯镍（N4）表面制备出晶粒尺寸小于500nm 的梯度超细晶结构,并对材料次表面微观组织结构、残余应力分布及力学性能进行了研究。结果表明：N4经过表面深滚处理,表面形成织构;由于剧烈塑性变形,位错大量产生,并出现胞状组织和高密度位错墙,这些组织经过演化形成超细晶,并在表面形成具有一定厚度的残余压应力场;与原始材料相比,经过表面深滚处理后表面组织硬度提高近一倍;通过合理选择滚压参数,其细化层厚度、硬度、表面粗糙度及残余应力分布均得到不同程度改善。     

阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响

采用电化学阳极氧化技术在含NH4F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明:由于“卤素效应”,阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜,有效阻止了氧的内扩散,进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000℃氧化100 h后,阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面,阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后,合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升,但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后,表面形成了一层富铝含氟氧化膜,由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物,卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。     

激光冲击波对单晶合金抗热腐蚀性能的影响

针对镍基单晶高温合金叶片服役时受高温腐蚀工作环境影响极易疲劳断裂问题,研究了不同激光冲击次数下激光冲击强化对单晶合金抗热腐蚀性能的影响。利用显微硬度仪测量激光冲击前后合金纵截面的显微硬度;借助扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察和分析腐蚀层表面及纵截面的微观组织,并结合X射线衍射仪（XRD）确定腐蚀层表面相结构。实验结果表明：经激光冲击强化后,合金表面显微硬度和截面硬度影响层深度均随激光冲击次数的增加而增大;在短时热腐蚀实验中,当激光冲击次数增加到1次、2次、3次后,合金腐蚀最大单位面积增重量分别从未冲击合金的2.87 mg·cm^-2降低到2.17、1.81、1.10 mg·cm^-2,腐蚀层深度分别从91μm降低到65、41、27μm,且表面腐蚀坑的尺寸、深度和数量明显下降,保护性氧化膜致密性得到提高。所得结果表明激光冲击强化能有效提高900℃/75%Na₂SO₄-25%NaCl盐膜条件下单晶合金的抗热腐蚀性能。     

核壳结构纳米铝粉热学行为

为了研究不同表面包覆物对纳米铝粉热学行为的影响,采用激光-感应复合加热法制备了三种不同表面包覆的核/壳结构纳米铝粉(氧化铝钝化、碳包覆及增塑剂DOS包覆)。采用高分辨透射电镜(HRTEM)对制备的纳米粉末结构进行表征,并采用差示扫描量热及热重分析(DSC-TG)对不同物质包覆纳米铝粉的热学性能进行研究。结果表明,这些纳米粒子均呈现出明显的核壳结构,且包覆层厚度约3.5nm。这三种不同表面包覆纳米铝粉在400℃至铝熔点(660℃)之间均发生了氧化,但非氧化物包覆纳米铝粉(碳包覆与增塑剂DOS包覆)的氧化开始温度及峰温比氧化铝钝化纳米铝粉提前了约30℃左右,而且氧化放热热焓和氧化质量增重均高于氧化铝钝化纳米铝粉,表明这两种非氧化物表面包覆对纳米铝粉的热学行为有积极的影响。最后对不同物质包覆纳米铝粉的破壳氧化机制进行了探讨。     

镁粉与二氧化碳动态点火燃烧特性数值研究

Mg粉/CO₂粉末发动机是火星探测中较为理想的原位资源利用方案，为了掌握Mg/CO₂粉末发动机稳定点火燃烧特性，在考虑氧化层厚度对Mg颗粒熄火影响的基础上，基于涡耗散/有限速率模型建立了点火燃烧模型，并应用数值计算方法研究了Mg粉颗粒粒径（5μm， 10μm， 15μm， 20μm和25μm）、入口预混气流雷诺数（1500， 2000， 2500， 3000和3500）和CO₂/Mg氧燃比（0.5， 1， 1.5， 2和2.5）对Mg粉/CO₂动态点火燃烧的影响。计算结果表明：雷诺数和氧燃比恒定时，随着粒径从5μm增加到10μm，平均温度升高，平均点火时间延长，燃烧效率增加；随着粒径从10μm增加到25μm，平均温度降低，平均点火时间延长，燃烧效率减少。粒径和氧燃比恒定时，平均温度随雷诺数增加而下降；平均点火时间和燃烧效率随雷诺数增加基本不变。粒径和雷诺数恒定，随着氧燃比从0.5增大到1.5，平均温度升高；随着氧燃比从1.5增大到2.5，平均温度下降；平均点火时间和燃烧效率随氧燃比增大基本不变。     

氧掺杂对NiCrAlYN纳米金属陶瓷涂层抗氧化性能的影响

研究了不同O含量掺杂对Ni Cr Al YN纳米金属陶瓷涂层在1100℃下抗氧化性能的影响。采用多弧离子镀设备,分别在0、10 sccm、20 sccm O₂流量下制备得到3种不同O含量的涂层。经1100℃、300 h的高温测试后,3组样品表面均生成了α–Al₂O₃和Ni Al₂O₄,氧化膜厚度分别为8.78μm、7.9μm和5.7μm。O₂流量为0和10 sccm涂层的氧化膜产生明显分层,其中上层为Ni Al₂O₄,下层为α–Al₂O₃;而流量为20 sccm涂层的氧化膜并没有发生明显分层。O掺杂量的增加能够抑制氧化膜中大颗粒状Y–Al氧化物夹杂的形成,降低氧化膜的生长速率。此外,氧化后未掺杂氧的涂层较含氧涂层退化严重,主要归因于氧掺杂涂层中弥散分布的氧化物颗粒抑制了涂层的退化。     

掺铒光纤光源辐照致有源区损耗研究及其抗辐照设计

在辐照环境下,掺铒光纤光源谱宽、平均波长稳定性及功率稳定性与光纤陀螺精度直接相关。为研究高性能、抗辐照掺铒光纤光源,研究了掺铒光纤光源辐射致有源区损耗特性。利用Er³⁺的本征荧光光谱作为光源原始输出光谱,结合“多重光褪色”和“980nm泵浦功率闭环控制技术”,提出了一种高性能、抗辐照掺铒光子晶体光纤光源设计方案。结果表明,在50krad照射剂量下,光源谱宽大于40nm,平均波长稳定性约5.4×10^-7/krad,输出功率衰减小于0.1dB。该宽谱光源在辐射环境下具有良好的综合性能,特别适用于战略级高精度干涉式光纤陀螺。     

稀土镁合金铸件表面微观缺陷形成机理及修复技术

VW63Z稀土镁合金铸件表面微观缺陷经过荧光检测的结果表现为“条状荧光”现象，当该缺陷出现在铸件非加工面时，由于无法经过机械加工去除将直接导致铸件报废。本文探究了铸件表面缺陷的微观组织及其形成机理，结果表明微观缺陷主要成分为稀土氧化物的双层氧化膜，其中部分存在夹杂物；金属液汇流导致表面微观缺陷更易形成。应用激光熔凝技术对铸件表面微观缺陷进行处理，当平顶激光束输出功率为800 W时，重熔层组织呈树枝晶形貌特征，晶粒细小并与基体结合良好，重熔层深度约为915 μm，控制铸件热影响范围的同时基本可以修复铸件表面缺陷，原缺陷位置荧光检测未见条纹状缺陷。     

SiCf/TC17复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiC_f/Ti复合材料可采用箔压法(FFF)和基体涂层法(MCF)进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用FFF和MCF分别制备SiC_f/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiC_f/TC17复合材料在高温下(800～900℃)进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下MCF法制备的SiC_f/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料，前者的反应速率因子k₀为4.942×10^-3 m/s^1/2，反应激活能Q为276.3 kJ/mol，后者的界面反应速率因子k₀为8.149×10^-3 ...     

钛表面阳极氧化处理对TA2/聚醚醚酮（PEEK）粘结性能的影响

为了改善TA2/C_f/PEEK纤维金属混杂层板中TA2/PEEK的界面粘结性能,利用NaTESi恒压阳极氧化法对TA2板进行表面改性。首先通过正交试验对阳极氧化工艺进行优化,对不同处理工艺的TA2板表面进行了XRD、SEM分析以及粗糙度的表征;其次,研究了钛板表面改性对TA2/PEEK界面结合强度及断裂韧性的影响。结合扫描电镜图进行表面粗糙度及剪切强度的极差分析,发现随着阳极氧化时间的增长,表面粗糙度减小,TA2/PEEK接头的单搭剪切强度下降。对不同工艺下单搭接头的拉伸剪切强度进行比较后,确定了利于提高TA2/PEEK界面结合强度的最优工艺为恒压10 V、在35℃下阳极氧化10 min;该种工艺处理后的钛板表面粗糙度为1.34 μm,其表面形貌为纳米颗粒,粒径尺寸为100~200 nm,在阳极氧化时间为10 min、电压为10 V时,其表面纳米颗粒分布最为均匀,该种形貌下制备的TA2/PEEK界面剪切强度达到19 MPa,失效模式为混合破坏;通过载荷-位移曲线、R曲线,对此工艺下TA2/PEEK界面I型层间断裂韧性进行了表征,发现其平均能量释放率为188.1 J/m²,相比于未经表面处理的试样增加了103.1%,阳极氧化工艺处理后的TA2/PEEK界面抗分层能力更好。     

轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜

嵌套聚焦型X射线望远镜在脉冲星自主导航、X射线天文学等领域有广泛的应用需求。论文开展了紧凑型、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜的光学优化设计，成功探索出基于轻质平面玻璃的X射线掠入射反射镜热成型、镜面精密切割、嵌套同轴共焦装配等工艺流程，研制了一款轻量化、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜(NFXT)。NFXT镜面轴向长度300 mm，厚度0.3 mm，镜面溅射Ir金属膜，膜层厚度300 nm，镜面粗糙度优于0.3 nm(rms)。NFXT共计11层嵌套，每层圆周向等分3个扇区，内8层镜面为近似抛物面的锥形镜，外3层为抛物面镜，11层镜面同轴共焦装配。NFXT净几何面积175 cm²，有效探测面积130 cm²@1.5 keV，轴上视场聚焦光斑半径0.85 mm(EoE=50%)，包络尺寸(直径×高度)为200 mm×326 mm，能谱响应范围0.2～12 keV，后工作距1300 mm，重量4.25 kg。NFXT技术突破，为国内开展脉冲星导航试验验证，以及研制先进的X射线天文卫星提供关键技术支撑。     

基于TDLAS的电弧风洞流场Cu组分监测

电弧风洞是进行防热材料和防热结构考核与研究的必要设备，也是高超声速地面试验能力的重要组成部分，但电弧加热器的电极烧蚀会导致较为严重的流场污染，影响试验准确性。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），通过对20 MW级片式电弧加热器内部流场中Cu原子809.25 nm跃迁谱线进行实时测量，研究了电弧风洞流场中Cu污染情况和电极烧蚀情况。在获得Cu原子该谱线低能态数密度基础上，估算了运行功率分别在7.3、8.7、10.0和11.7 MW时流场中Cu组分（原子态和离子态）总数密度平均为10.6×10¹³、11.2×10¹³、11.7×10¹³和16.4×10¹³ cm^-3，同时得到平均电极烧蚀率约为1.65×10^-5 g/C。试验还发现，TDLAS信号在高温流场建立阶段起伏变化明显，并且在功率跃变时也会出现突然增强而后迅速回落的现象，表明电弧抖动会使电极烧蚀严重加剧。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜，并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面，手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板，研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明，随着碳纳米管薄膜面密度的增加，层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高，当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时，层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳，与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时，会引起树脂浸润困难，导致增韧效果降低。     

不同温度下DSM11镍基高温合金热腐蚀试验

为了研究DSM11镍基高温合金的抗热腐蚀性能，对该合金在650、750、850℃条件下涂覆5%NaCl+95%Na 2 SO 4 混合盐膜 进行腐蚀试验。利用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）等手段，对合金被腐蚀200 h 后的表面形貌、物相组成、元素和腐蚀层的分布情况以及腐蚀机理进行分析。结果表明：随着试验温度的升高，合金表面腐蚀程度 逐渐加重、腐蚀产物组成逐渐复杂、失重加大、腐蚀产物层厚度增大；合金的腐蚀产物层均可分为3层，最外层和中间层主要为氧 化物，内层由颗粒状氧化物和硫化物组成，O和S的侵入现象表明合金发生了较明显的内氧化与内硫化现象；在3种温度下，合金 表面生成连续稳定的Al 2 O 3 保护层，抑制了热腐蚀反应的进行，对基体存在有效的保护作用，表明合金具有一定的抗热腐蚀性能。