飞秒激光能量密度对镍基合金重铸层和加工效率的影响

以航空发动机叶片制孔为导向,结合飞秒激光对单晶镍基高温合金材料的非热熔性损伤阈值(Φth1)和热熔性损伤阈值(Φth2)特征,研究了飞秒激光能量密度(0Φ44.2J/cm2)对制孔重铸层和加工效率的影响规律。研究结果表明:在Φth1ΦΦth2时,镍基合金经飞秒激光加工后加工侧壁没有出现明显的重铸物;在ΦΦth2时,加工侧壁开始出现重铸物,并随着能量密度的增加,重铸层厚度增大。在试验结果的基础上,建立了飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的定量关系。能量密度越高,飞秒激光单脉冲加工深度越大,加工效率越高。     

激光烧蚀掺杂金属聚合物推力产生过程数值模拟

为了增进对激光烧蚀推进中推力产生过程的认识,建立了激光烧蚀掺杂聚合物推力产生过程的模型,发展了一套包括激光能量沉积、工质烧蚀、烧蚀羽流飞散等过程的数值仿真程序。数值计算了真空中3~40J/cm~2激光烧蚀掺杂微米铝颗粒聚甲醛工质的推力、烧蚀轮廓及质量、压强分布和比冲特性,且比冲与实验数据较吻合。计算结果表明:高激光能量密度(30.0J/cm~2)较低激光能量密度(5.0J/cm~2)的金属颗粒剥蚀情况严重;低激光能量密度(5.0J/cm~2)下推力时间变化规律较简单,总体呈现先增后减的趋势,且从整体上看只有一个压强峰值;而相对较高的激光能量密度(30.0J/cm~2)下,由于存在"烧蚀-屏蔽-烧蚀被削弱"的制约关系,推力时间变化规律复杂;流场产生的高压区较多,且呈现交替产生、并存发展到衰减消失的规律;羽流与激光的相互作用更为剧烈,峰值压强也更大。     

一种镍基单晶高温合金的高温蠕变行为

采用扫描电镜、透射电镜等方法研究了一种镍基单晶高温合金在1000℃的高温低应力蠕变行为。实验结果表明:合金蠕变速率呈现出先减小再增大的变化趋势,当应变量达到一定临界值(1±0.2)%后,变形速率迅速上升,蠕变进入第三阶段。高温蠕变初始阶段的主要变形机制为a/2〈110〉{111}型位错环在基体内运动。合金在高温蠕变稳态阶段的主要变形机制为位错切割γ’相,切割位错主要有螺型位错对和[001]超位错两种形式。     

脉冲激光输出模式对介质薄膜损伤的影响

采用单横模(TEM01)和多模横向激励高气压(TEA)脉冲二氧化碳激光器和不同焦距的透镜对10.6μm的增透膜进行了破坏实验,对破坏样品进行了显微分析,研究了不同激光模式和不同焦距透镜对薄膜破坏的影响。实验结果表明,在短焦距透镜聚焦时,相同能量密度的单横模激光脉冲焦距前比焦距后更容易造成薄膜的损伤,破坏阈值相差5 J/cm2;使用长焦距透镜聚焦时,在单模激光脉冲和多模激光脉冲幅照下薄膜的损伤阈值基本相同,但比使用短焦距单模激光测量到的损伤阈值高。     

超快激光加工斜孔对热障涂层热循环剥落失效的影响

采用超快激光在电子束物理气相沉积(EB–PVD)方法制备的带热障涂层高温合金上加工45°斜孔,然后对制孔试样进行热循环试验,研究热循环前后孔的变化及孔对热障涂层热循环剥落失效的影响。初步试验结果表明,超快激光在带热障涂层的高温合金上制孔时,孔边缘涂层和高温合金位置处均不存在开裂和再铸层,高温合金孔壁边缘组织没有明显变化,仍为典型的γ和γ'组织。热循环前后小孔孔径无明显变化,斜孔高温合金内壁由较为光洁表面变为具有明显氧化物的表面,且随着热循环次数的增加,高温合金孔内壁表面氧化物逐渐脱落。热障涂层在热循环500次后出现局部剥落现象,超快激光加工45°斜孔未对热障涂层热循环剥落失效产生影响。     

高体积分数SiCp/Al激光诱导氧化辅助铣削研究

为了解决高体积分数的SiC_p/Al复合材料在常规切削加工中存在切削力大、刀具磨损快、表面完整性差等问题。本文针对高体积分数SiC_p/Al材料开展激光诱导氧化辅助铣削技术研究，通过激光辐照铣削区域形成易于去除的疏松氧化层提高切削性能，同时开展氧化层调控策略及激光诱导氧化辅助下的铣削参数优化工艺研究，研究不同激光能量密度、辅助气体对氧化层质量的影响及铣削参数优化。结果表明随激光能量密度的增大热影响区宽度和烧蚀沟槽深度随之增加，在氧气辅助下易形成疏松且易于去除氧化层。选取较高的激光能量密度可获得较好的氧化效果，而使用PCD金刚石铣刀，主轴转速为10 000 r/min，在每齿进给量为7.5 μm /s可获得最佳表面质量。     

一种利用水下激光冲击处理涡轮叶片残余应力的方法

为提高涡轮叶片疲劳寿命,探索了一种利用水下激光冲击强化方法处理涡轮叶片残余应力的技术。利用波长532 nm、脉宽10 ns、能量1.2～1.5 J、光斑直径1.0 mm的YAG激光器,对涡轮叶片榫齿部位进行了激光冲击强化处理。结果表明,水下激光冲击强化方法能有效消除、调整机械加工残余应力。当激光功率密度大于2.5 GW/cm~2且小于7.5 GW/cm~2时,随着功率密度的增加,表面残余应力也相应增加;当功率密度大于10.0 GW/cm~2后,表面残余压应力随功率密度的增加而明显降低;功率密度等于7.5G W/cm~2时,表面残余应力为-419.5 MPa,为最佳。     

一种民用高温固化环氧树脂基复合材料性能研究

研制一种新型高韧性高温环氧树脂ACTECH~? 1316体系,研究其固化反应特性、流变性能及耐热性能,其中Tg可达222.5℃,可在130℃温度下长期使用。分别选用两种国产碳纤维CCF800H和ZT9H作为纤维增强体,通过热熔两步法制备预浸料,加工工艺性较好,显示出该树脂体系与两种纤维有较好的匹配性。采用热压罐工艺进行固化,对复合材料层合板的力学性能进行研究,通过与国外高温环氧树脂体系8552/IM7的性能对比发现,ACTECH~? 1316/ZT9H和ACTECH~? 1316/CCF800H在0°拉伸强度及模量、0°压缩强度及模量和冲击后压缩强度等方面表现较好,基本满足民机领域对树脂及复合材料性能的要求。     

纤维增强树脂基复合材料激光切割热影响探析

作为一类典型难加工材料，实现以碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP）、芳纶纤维增强树脂基复合材料(AFRP）为代表的纤维增强树脂基复合材料(FRP）的高精密、高质量加工是业界的追求目标。初探了激光脉冲宽度、波长对于典型FRP切割边缘热影响区的影响规律，比较了不同FRP材料精密切割对于激光参数需求的异同。发现纳秒激光、连续激光等传统激光因加工热效应明显而不适合精密切割，而皮秒激光、飞秒激光等超快激光可以实现热影响区宽度仅0.01mm~0.1mm量级的高质量切割，且热影响区宽度几乎不依赖于脉冲宽度；缩短超快激光波长有利于减小AFRP材料的热影响区宽度，但对于CFRP材料则不明显。考虑到高功率皮秒激光一般比对应的飞秒激光更经济，可使用倍频后得到的短波长皮秒激光实现对AFRP的精密切割，对于CFRP则考虑本征波长的皮秒激光即可。     

塞斯纳172飞机发动机机匣脉冲激光清洗工艺研究

针对航空发动机机匣表面除漆需求,采用纳秒脉冲激光开展了塞斯纳172飞机发动机机匣表面漆层的激光清洗研究。通过对机匣除漆区域的表面形貌及粗糙度进行分析,探究了激光能量密度与扫描速度对机匣表面漆层清洗效果的影响规律,确定了机匣激光除漆最佳工艺参数,并对机匣除漆后的表面质量、显微硬度及粗糙度进行综合评估。结果表明,能量密度和扫描速度均显著影响机匣除漆质量,能量密度18.33 J/cm2、扫描速度1600 mm/s时,可实现除漆率98.7%,表面粗糙度Sa为2.48μm,机匣本身未损伤,表面显微硬度提升1.9%,满足机匣表面除漆质量要求。研究结果为发动机机匣激光除漆提供了理论与技术支持。     

激光选区熔化TC4合金在HF–H2O2体系的化学抛光研究

采用HF–H₂O₂溶液对激光选区熔化TC4合金进行化学抛光。以抛光前、后试样表面的形貌、粗糙度、光泽度、失重和减薄率为指标,探究抛光时间、H₂O₂浓度对样品表面抛光效果的影响。结果表明,随抛光时间增加,粗糙度逐渐降低,光泽度、失重率和减薄率逐渐提高;随H₂O₂浓度增大,粗糙度先降低后增大,光泽度、失重率和减薄率则先提高后降低。其中,在HF/H₂O₂体积比1:5、时间8 min时,钛合金表面的抛光效果较好,试样表面粘附的粉末完全去除,表面粗糙度Ra达到(3.5±0.3)μm、表面光泽度达到(80.3±0.7)GU,相对于打印态表面(Ra(13.3±0.8)μm、光泽度(0.9±0.3)GU)显著提升。同时也探讨了钛合金在HF–H₂O₂体系的化学抛光机理。     

Al–Mg–Si合金电弧熔丝增材构件组织与性能

以复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧(HPVP–GTAW)为热源,Al–5Mg(ER5087)和Al–5Si(ER4043两种焊丝为填丝材料进行铝合金电弧熔丝增材制造,通过控制两焊丝的送丝速度获得不同主要合金元素Mg和Si含量的Al–Mg–Si合金薄壁构件,试验研究不同Mg/Si比及热处理对薄壁构件组织及性能的影响。结果表明:合金组织主要由柱状晶及少量等轴晶组成,呈非均匀分布。调节主要合金元素含量可实现对铝合金增材构件性能的控制,随着Mg/Si比的增加,增材构件的力学性能呈上升趋势,各向同性;经过固溶及人工时效热处理后,增材构件的力学性能得到显著提升,但塑性降低。     

热轧态Ti2AlNb合金超塑性变形行为的研究

研究了热轧态Ti2AlNb合金在1193～1233K温度范围内和1×10-5～5×10-4s-1应变速率范围内的超塑性变形行为.结果表明,在上述试验条件下Ti2AlNb合金表现出良好的超塑性,最高延伸率超过600%;合金具有较高的应变速率敏感指数,计算得到Ti2AlNb合金超塑性变形的表观激活能为283.05kJ·mol-1.此时Ti2AlNb合金超塑性变形主要是受晶格扩散所控制的晶界滑动机制,动态再结晶是合金超塑性变形的重要协同机制.     

适用于热熔法制备预浸料的氰酸酯树脂的制备

为改进纤维增强氰酸酯树脂基复合材料的制备工艺,研制了一种适用热熔法制备预浸料的氰酸酯树脂体系.以旋转黏度计确定了适用热熔法浸渍纤维的树脂黏度为1.5 Pa·s/80℃、最佳加工温度为(90±2)℃、工艺适用期为2 h.利用DSC及哈克流变仪确定了树脂的固化工艺、纤维增强树脂基复合材料的制备工艺等.结果表明此树脂体系具有良好的热熔加工性能,适宜的工艺适用期,树脂体系在-10℃下贮存6个月后,树脂黏度基本保持不变,应用热熔浸渍法制备的M40J碳纤维/氰酸酯复合材料,具有优异的力学性能,拉伸强度和模量分别为2 037 MPa和226 GPa,弯曲强度和模量分别为1 580 MPa和217 GPa.     

（100）/（111）面金刚石膜抗氧等离子刻蚀能力

使用微波等离子体技术(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)对膜厚100μm的(100)和(111)晶面金刚石膜进行刻蚀处理,研究其抗氧等离子体的行为。结果表明:(100)晶面刻蚀首先发生在晶棱晶界处,而(111)晶面金刚石的刻蚀首先发生在晶面处;30 min刻蚀后,(100)面金刚石有明显晶面显现,(111)面金刚石膜晶面不明显;60 min刻蚀后,(100)和(111)晶面金刚石膜的择优取向消失;(100)晶面金刚石特征峰的半高宽值(full width at the half maximum,FWHM)由刻蚀前的8.51 cm~(–1)上升至刻蚀后的12.48 cm~(–1),(111)晶面金刚石FWHM值由8.74 cm~(–1)上升至148.49 cm~(–1);(100)晶面金刚石膜刻蚀速率在40 min时为0.35μm/min,60 min时上升至1.34μm/min;刻蚀前期,(100)晶面金刚石膜具有更好的抗氧等离子体刻蚀能力,刻蚀后期其抗刻蚀能力与(111)晶面金刚石膜相似。     

激光选区熔化成形TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能

对3mm厚激光选区熔化成形(SLM)TC4钛合金对接接头进行了激光焊接工艺试验,研究了80J/mm和100J/mm两种能量输入对接头焊缝成形、微观组织及接头力学性能的影响.结果表明,在两种不同焊接能量输入条件下,激光焊接SLM成形TC4钛合金获得良好的焊缝成形,焊缝区的平均显微硬度分别为388.7HV及403.3HV,...     

ECAP变形2J4合金回火后的磁性能研究

研究了磁性材料2J4合金经等径弯曲通道变形(Equal Channel Angular Pressing,简称ECAP)和不同温度回火后的磁性能,并与冷轧变形合金的磁性能进行了对比分析.结果表明,2J4合金随着ECAP变形道次的增加,磁导率增加,4道次ECAP变形的饱和磁感应强度最高.另外,2J4合金的磁性能对回火温度的变化非常敏感,呈波浪式变化.4道次ECAP变形2J4合金沿挤压面(S面)进行85%冷轧变形,在610℃回火后获得的磁性能最好,矫顽力达到3.8364 kA/m.ECAP变形2J4合金沿挤压面的磁性能远优于传统冷轧合金.试验结果证实了采用ECAP变形方式制备高性能磁性材料是可行的.     

几种COTS元器件单粒子试验研究

针对COTS元器件没有考虑空间辐射环境的影响导致的高风险,特别是单粒子效应,使用重离子对空间科学用的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和模数转换器(ADC)开展了单粒子效应试验研究,分析了这几种COTS元器件单粒子效应发生时的现象。结果表明:TMS570LS20216型DSP的单粒子闩锁阈值低于12.6 MeV·cm~2/mg,A3PE3000L型FPGA的单粒子翻转阈值在个位数量级,ADS7883S型ADC的单粒子效应阈值大于36.8 MeV·cm~2/mg。试验结果可用于COTS元器件空间应用的系统级单粒子效应防护设计和风险评估。     

气氛对紫外激光非晶合金盲孔加工性的影响研究

为了获得不同气氛对紫外激光加工非晶合金盲孔的质量和效率的影响,采用波长355nm的纳秒激光对Zr–Cu非晶合金进行同心圆式旋切法盲孔加工试验,利用光学显微镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜等仪器对盲孔的显微形貌、粗糙度和加工效率进行了测试。结果表明,气氛的压力和种类影响着盲孔的底面形貌、加工质量和效率。气氛压力越小,盲孔底面粗糙度越低,材料的去除效率越高;相对于氮气、空气中的加工,氧气中表面粗糙度最小,且材料去除率最高。另外,加工表面未出现晶化现象,说明在一定激光参数下紫外纳秒激光可以实现非晶态合金的无晶化加工。     

激光切割与类似工艺的比较

激光切割是一种加工精度高、速度快、应用广泛的切割技术，本文从加工能力和成本两个方面，介绍了激光切割与细等离子束切割、带磨料高压水切割之间的相同点和不同点。