TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验

建了砂尘冲蚀试验系统,采用粒子成像测速方法获得了气体压力和砂尘速度之间的关系,并在砂尘质量浓度为28.91g/m3,速度为80m/s,冲蚀角度为30°的条件下,对TC4钛合金和多层TiN/Ti涂层进行了冲蚀试验.结果表明:TC4钛合金抗冲蚀损伤能力较差,平均质量损失率达0.7mg/min.多层TiN/Ti涂层可承受砂尘冲蚀200min以上,且TiN/Ti调制比为1:3涂层的抗冲蚀能力优于调制比为1:1的涂层.砂尘粒子垂直冲击速度分量引起的微区剥落是涂层冲蚀损伤的主要原因,增加多层涂层韧性是提高其抗冲蚀性能的关键.      

韧性材料的冲蚀损伤数值仿真综述

砂尘造成韧性材料的冲蚀损伤现象和损伤演化规律是冲蚀机理研究的重要内容，基于相应冲蚀试验和数值仿真的分析 方法是揭示冲蚀机理的重要手段。回顾了砂尘冲蚀损伤研究的缘起和发展经历，在介绍砂尘冲蚀损伤机理的基础上，总结了当前 数值仿真研究的3种主流方法：有限元方法、无网格方法和计算流体动力学方法。从数值仿真角度针对砂尘对韧性材料造成的破 坏模式、砂尘冲击姿态、砂尘冲击速度和形状、砂尘破碎对材料去除机制的影响等4个方面综述了影响冲蚀损伤机理的主要因素 和当前研究进展。砂尘对韧性材料造成的破坏模式通常分为材料凹陷、滑动、犁削、切削等4种不同机制；砂尘的冲击姿态决定了 材料的损伤模式；砂尘的冲击速度和砂尘的形状决定了材料的损伤严重程度；砂尘破碎现象对材料的去除机制有一定影响。     

不同冲击角度外物损伤对TC4钛合金高循环疲劳强度的影响

基于空气炮冲击试验装置在不同冲击角度下进行了TC4钛合金平板试件的外物损伤模拟试验,采用逐级加载试验方法测试获得了光滑和冲击损伤试件的高循环疲劳(high cycle fatigue,HCF)强度,研究了冲击角度、冲击位置以及冲击损伤宏观几何尺寸与HCF强度的关系.结果表明:不同冲击角度下的损伤对HCF强度的影响程度不同.冲击损伤在试件边缘时,30°冲击使试件HCF强度的下降幅度最大;冲击损伤在试件表面时,60°冲击使试件HCF强度的下降幅度最大.试件边缘产生的缺口使HCF强度的下降幅度一般大于试件表面产生弹坑的影响.但在60°冲击时,冲击缺口损伤的影响要小于冲击弹坑损伤的影响.冲击损伤宏观几何尺寸一定程度上可以表征损伤试件HCF强度下降的严重程度.      

TiN/Ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无TiN/Ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究TiN/Ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:TiN/Ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因;高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。TiN/Ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍;高冲击角下能提高约2倍。      

状态方程对叶片外物损伤数值模拟结果的影响

分别采用Bammann粘塑性本构模型和修正Zerilli-Armstrong本构模型在LS-DYNA软件中对钢珠冲击TC4钛合金平板试件的冲击损伤过程进行了数值模拟。通过对修正Zerilli-Armstrong本构模型选择线性多项式状态方程和Gruneisen状态方程,研究了状态方程在发动机叶片FOD数值模拟中的作用。通过对比分析钢珠在不同速度下冲击TC4试件产生的弹坑外貌、尺寸以及残余应力分布,结果表明,是否使用状态方程来描述叶片材料在冲击载荷下的体积压缩或膨胀行为,对FOD数值模拟结果的影响很小。在发动机叶片的FOD数值模拟中,材料本构模型的选择和评估更为重要。     

可磨耗封严涂层的冲蚀磨损特性及模型

抗冲蚀性是可磨耗封严涂层最重要的性能。在自制的真空自由落砂试样旋转式冲蚀磨损试验机上对几种中温封严涂层的冲蚀磨损特性及机理进行了研究。实验结果表明,冲蚀失重与冲蚀时间具有良好的线性关系;在60°时冲蚀率最大;冲蚀率与冲蚀速度有幂函数关系,速度指数随冲蚀角度增大而增大;90°冲蚀时,涂层的冲蚀机理为冲击粒子在涂层表面冲击挤压,产生凹坑和凹坑边缘凸起的唇片,随后的冲蚀使唇片流失;粒子的不断冲击使表层金属相松动,导致呈颗粒状剥落。30°冲蚀时涂层的冲蚀机理为切削、犁削并有孔洞、非金属相贯通效应。在此基础上提出了封严涂层的冲蚀磨损模型。     

外物损伤对TC4 钛合金的高周疲劳强度的影响

为了研究外物损伤对航空发动机叶片疲劳性能的影响规律,将直径为3、4 mm的钢珠利用空气炮加速到约300 m/s对TC4合金平板试样进行外物损伤试验,利用3维体式显微镜和扫描电子显微镜(SEM)分别观察外物损伤的宏观特征和微观特征。结果表明:在随后的高周疲劳试验中外物损伤容易诱发疲劳裂纹的萌生,且试样的疲劳强度随损伤深度的增加而降低;疲劳源一般位于损伤区域的表面位置,因为试样在冲击过程中在损伤区域形成了微观裂纹和缺口。     

固体颗粒冲蚀对钛合金ZrN涂层抗冲蚀性能的影响

采用真空电弧镀在TC11钛合金上沉积ZrN涂层,固体颗粒冲蚀实验研究不同冲蚀颗粒、冲蚀速度、冲蚀角度对涂层抗冲蚀性能的影响,并用SEM观察表面及断面形貌.结果表明,在相同冲蚀条件下,ZrN涂层冲蚀率随冲蚀颗粒硬度、冲击角度及冲蚀颗粒速度的增加而增加,冲蚀角度为90°时,ZrN涂层冲蚀速率最大,ZrN涂层提高了TC11钛合金的抗冲蚀性能.     

TC4钛合金表面激光原位反应制备TiN涂层及性能研究

利用激光原位反应技术在TC4钛合金表面制备了无裂纹、组织均匀致密的TiN涂层,并分析了激光氮化层的显微组织、成分和物相,测试了涂层横截面显微硬度、涂层耐磨性能及抗SiO_2颗粒高速冲蚀的能力。结果表明:在适当的激光参数下制备的氮化钛涂层与TC4基体之间呈现良好的冶金结合,其界面结合强度为240～270MPa;涂层主要为硬质TiN相,涂层硬度高达1550HV_(0.1),约为基材的4.5倍;涂层磨损失重量是TC4钛合金的14.7%;在60o冲蚀角度下,基材的冲蚀质量损失为涂层的2倍。     

FOD 对TC4 合金扩散焊板材HCF 性能影响

针对外物损伤(FOD)对航空发动机宽弦空心风扇叶片高循环疲劳(HCF)性能的影响,以TC4合金3层扩散焊板件模拟宽弦空心风扇叶片典型冲击部位,采用空气炮法对TC4合金3层扩散焊板进行FOD模拟试验,对冲击角度为25°、40°和80°时的损伤状况进行了宏微观测量;采用逐级加载法对FOD后的扩散焊焊板进行HCF强度试验,获得各条件下扩散焊板件的条件疲劳极限。结果表明:在各冲击条件下,冲击角度为25°时对材料造成的损伤最严重,HCF强度降低幅度最大;FOD不仅会造成材料表面损伤,还会对内部焊缝层造成损伤。在上述因素共同作用下,扩散焊板件FOD后HCF强度显著降低,相应的疲劳缺口系数明显增大。     

等质量异形粒子超高速撞击侵蚀

用数值方法模拟双锥，圆柱，椭球、圆锥和倒圆锥五类等质量异形铝粒子五种高宽比共２５种粒子对半无限铝靶的超高速撞击侵蚀，撞击速度为４ｋｍ／ｓ，给出了坑深、坑径、坑形参数和坑体积随粒子形状及高宽比的变化曲线。结果与非圆球异形粒子超高速撞击侵蚀计算有重要参考价值。     

粒子撞击树脂涂层/铝/合金钢板的反弹特性试验

为了精准探索直升机进气粒子分离器性能,研究了砂粒撞击不同壁面材料的反弹特性。采用粒径为600～800μm的砂粒撞击树脂涂层/铝/合金钢板开展试验探究。设计的试验系统可实现单颗粒子撞击板面。撞击角度在10°～80°范围内变化,撞击前后的速度矢量由高速摄影仪拍摄获得。结果表明:撞击树脂涂层板时,法向恢复系数要高于撞击铝板及合金钢板的法向恢复系数。切向恢复系数主要受摩擦力的影响。同时由于阴影效应的影响,在接近切向/法向撞击时,切向/法向恢复系数分别出现大于1的现象。不同扫气比（SCR）下,应用砂粒撞击铝板的切向/法向恢复系数对粒子分离器进行数值模拟的分离效率与已有的分离器试验结果最接近。      

高速平板着水数值模拟

探索和揭示物体入水冲击的流体力学现象与机理对飞行器水上迫降问题的研究有重要的参考价值。对高速平板着水涉及到的复杂物理问题展开数值模拟,采用有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程和标准k-ε湍流模型,流体体积(VOF)模型捕捉水气交界面,整体动网格技术处理平板与水面的相对运动。在二维楔形体入水冲击的算例验证基础上,详细研究平板高速着水引起流体喷溅、射流、空气垫等现象和平板底面压力变化历程,结果表明:空气垫现象明显,俯仰角4°平板下表面出现规律的空气泡,10°时则不存在;平板下表面的水体沿壁面运动,当俯仰角为10°时,壁面水体的运动速度显著增加;在大俯仰角的情况下明显出现负压区。     

Effects of surface topography and specimen thickness on high-speed raindrop impact damage of CFRP laminates

Raindrop impact erosion has been observed since early days of aviation, and can be catastrophic for exposed materials during supersonic flight. A single impact waterjet apparatus is established for mimicking drop impacts at the velocities between 350 m/s and 620 m/s. Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) laminates with three different surface morphologies and specimen thicknesses are tested here. A central region with no visible damage has been noticed, surrounded by a “failure ring” with common...     

模拟过载条件下EPDM绝热层烧蚀实验

用一种粒子浓度、速度和角度可调的高过载模拟烧蚀发动机,开展过载条件下粒子冲刷对EPDM绝热层烧蚀特性影响的实验研究。实验结果表明:(1)存在一个临界速度,当冲刷速度低于临界速度时,粒子浓度,速度和角度对炭化烧蚀率影响较小,而当冲刷速度高于临界速度时,炭化烧蚀率随速度的增加而急剧增加,角度影响也较大。(2)弱冲刷条件下的炭化层表面平整,而粒子沉积条件下的炭化层表面附着有很多大粒径的粒子,炭化层结构也更加疏松,而强冲刷条件下,粒子由于速度较高而不易在炭化层表面沉积。(3)当低于临界速度冲刷时,炭化层的孔隙结构分布不均匀,存在致密/疏松分层结构,而高于临界速度冲刷时,炭化层结构则更为致密。(4)通过多元回归得到了炭化烧蚀率与粒子冲刷速度,浓度和角度的经验关系式。     

Impact of erosion testing aspects on current and future flight conditions

High speed of aero vehicles including commercial and military aircraft, missiles, unmanned air vehicles, as well as conceptual aircraft of the future are imposing larger restrictions on the materials of these vehicles and highlight the importance of adequate quantification of material behavior and performance during different flight conditions. Erosion due to weather conditions and other present particles such as hydrometeors; rain, hail and ice, as well as sand, volcanic ash and dust resulting from residues in the atmosphere are eminent as hazardous on the structure of a flying vehicle and may adversely influence the lifecycle of the structure. This study outlines an extensive review of research efforts on erosion in aviation and provides a basis for comparison between different apparatus simulating rain erosion and their usage within the aerospace industry. The significant aspects of erosion testing and future prospects for erosion impact are further addressed for forthcoming generations of flying vehicles.