孔隙预置技术制备多孔C/SiC复合材料及其性能表征

以玻璃纤维为成孔剂,采用孔隙预置技术制备了发汗多孔C/SiC复合材料.对孔隙结构进行了表征,并研究了材料的力学性能和渗透行为.研究结果表明,采用孔隙预置技术能够有效地实现多孔 C/SiC材料开孔率和孔隙结构控制,该材料具有良好的力学性能和渗透性能.     

发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发现,分4段的结构在满足室壁温冷却要求的前提下可将冷却剂与主气流量百分比从28.3%降至12.6%,这表明烧结多孔结构分段设计是减少喷管发汗冷却剂流量的有效手段.      

氧化钇稳定氧化锆多孔陶瓷的制备与性能

以叔丁醇为溶剂,采用凝胶注模成型方法,制备出防/隔热的摩尔分数为8%Y_2O_3-ZrO_2(8YSZ)多孔陶瓷.在浆料中初始固相含量固定为10%体积分数的基础上,研究了烧结温度对8ySZ陶瓷材料的气孔率、开气孔率、孔径尺寸分布及显微结构的影响,分析了压缩强度、热导率与结构之间的关系.通过改变烧结温度,所制备的8YSZ多孔陶瓷的气孔率为65%～74%,孔隙分布均匀,平均孔径为0.68～1.82μm,压缩强度为7.92～13.15 MPa,室温热导率[最低可达0.053 W/(m·K)],比相应的致密陶瓷[～2.2 W/(m·K)]低一个数量级,且随着气孔率的增加而降低.     

粘结剂喷射成形多孔Inconel 625合金的孔隙结构及力学性能研究

采用粘结剂喷射成形与粉末烧结技术相结合制备多孔Inconel 625合金制品,研究了烧结温度对多孔试样的孔隙率、气孔特征、微观结构、烧结颈和拉伸性能的影响。首先采用粘结剂喷射成形技术制备生坯,然后进行脱脂烧结得到多孔试样,通过光学显微镜、扫描电镜对金相和拉伸断口形貌进行表征,对气孔特征、微观结构和烧结行为进行分析,利用阿基米德排水法和拉伸试验分别对孔隙率和力学性能进行表征。试验结果表明,烧结温度由1150℃升高至1280℃,烧结制品的孔隙率由24.8%降低至8.63%,抗拉强度由316 MPa提高至515 MPa,在1250℃烧结时可获得最佳综合性能,孔隙率为17.16%,拉伸强度达到451 MPa。该方法为多孔材料的制备提供了新思路,并为粘结剂喷射成形Inconel 625多孔材料,烧结温度对孔隙结构和力学性能的影响规律提供了参考。     

镍基高温合金多孔发汗材料的制备工艺研究

针对高超声速武器发动机对耐高温金属多孔发汗冷却材料的需求,本文以镍基高温合金为研究对象,通过粉末粒度选型、成形和烧结工艺的综合调控,制备出了孔结构均匀的多孔发汗材料,并对其性能进行分析。结果表明,制备的多孔发汗材料最大孔径<21.3μm,抗拉强度> 225 MPa,孔隙率> 25%;通过原料及制备工艺的调控,可实现发汗冷却材料的渗透率在10^-13～10^-12 m²范围内的有效控制;对多孔发汗材料的拉伸数据及断口形貌进行分析与表征,并证实其断裂方式为韧性断裂。     

烧结助剂含量对多孔氮化硅结构及性能的影响

以氮化硅为原料,以叔丁醇为溶剂,采用凝胶注模成型工艺和无压烧结工艺(17500C、保温1.5h、流动氮气气氛),制备出具有高强度和高气孔率的多孔氮化硅.在浆料中初始固相含量固定为15%体积分数的基础上,研究了烧结助剂含量对多孔氮化硅的气孔率、孔径尺寸分布、物相组成及显微结构的影响,分析了弯曲强度与结构之间的关系.结果表明,通过改变烧结助剂含量,所制备的多孔氮化硅的气孔率为52%-65%;气孔尺寸呈单峰分布,均匀性好,平均孔径为0.82-1.05μm;弯曲强度为64.4-193.5 MPa,且随烧结助剂含量增加呈先增大后减少,在烧结助剂含量为7.5%质量分数时达到最大值(193.5±10.1)MPa.     

液氢液氧发动机用丝网多孔发汗冷却面板材料

丝网多孔发汗冷却材料是以金属丝网为原料,经高精度的轧制和真空烧结制成的多孔合金板材。材料有良好的渗透性能和渗透均匀性、较好的抗氧化性能。研制的材料工艺保证了材料具有较高的机械性能。同时,还研制出层间结合强度(即横向拉伸强度)的测试方法。 该材料在液氢液氧火箭发动机上通过了长程试车考验,材料的主要性能指标达到和超过国外同类材料的水平。我国发射通讯卫星的运载火箭中的氢氧发动机使用了丝网多孔发汗冷却面板,取得很好的使用效果。     

微波烧结制备MoSi2 及SiC/ MoSi2 纳米复合陶瓷

采用微波烧结法制备了MoSi2和10vol%SiC/MoSi2纳米复合陶瓷。通过SiC预加热体的混合式加热法和合理的保温结构设计,实现了MoSi2低温阶段的快速升温,提高了温度均匀性。密度和力学性能测试结果表明,1 450℃保温60 min烧结工艺下,MoSi2试样的相对密度达到93.4%,断裂韧度4.5 MPa.m1/2,维氏硬度为10.53 GPa,弯曲强度为186 MPa。10vol%SiC/MoSi2试样尽管相对密度下降为90.3%,但各项力学性能均优于MoSi2试样。相比1 650℃热压烧结,微波烧结温度降低了200℃,MoSi2和SiC/MoSi2试样致密性有所下降,但力学性能有较大提高,尤其是MoSi2试样。断口扫描分析表明,微波烧结试样相对热压烧结试样基体晶粒更细,孔隙细小且分布均匀;SiC/MoSi2试样微波烧结的晶粒细化效果不如MoSi2明显。     

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

三维网络碳化硅多孔陶瓷的制备

以中间相沥青添加55%(质量分数,下同)的Si粉混合物为原料,制备了含Si的炭泡沫模板。在高温反应烧结炉中,氩气气氛下1500℃保温1～6h,结合反应烧结工艺制备了碳化硅多孔陶瓷。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析仪(XRD)对碳化硅多孔陶瓷的微观形貌、物相组成进行了观察,并对熔融Si与C的反应机理进行了探讨。结果表明:碳化硅多孔陶瓷的微观结构与炭泡沫模板的微观结构一致,烧结温度1500℃下,随着保温时间的延长,多孔陶瓷的弯曲强度先增大后减小,而孔隙率先减小后增大;在保温4h的条件下制备的碳化硅多孔陶瓷主要由β-SiC相组成,最大弯曲强度为26.2MPa,对应的孔隙率为45%。内部熔融的Si与外部熔融的Si同时与C反应生成SiC,最后两者结合在一起形成致密的SiC多孔陶瓷。     

烧结温度对Ｓｉ３Ｎ４显微结构及性能的影响

基于凝胶分子造孔机理,通过提高凝胶注模工艺中有机单体含量,制备微多孔氮化硅陶瓷,研究了烧结温度对Si3N4微多孔陶瓷烧结体的显微结构、强度、气孔率、孔径等方面的影响.结果表明,温度升高有利于β-Si3N4晶相的生成,烧结温度为1 680℃时,氮化硅陶瓷烧结体中α-Si3N4和β-Si3N4并存,当烧结温度为1 730和1 780℃时,氮化硅陶瓷烧结体的晶相全部为β-Si3N4;陶瓷烧结体的孔径均<1μm,而且孔径分布范围较窄、较均匀;随着烧结温度的提高,陶瓷烧结体的强度单调上升而气孔率下降.     

孔隙率对多孔陶瓷材料失效强度的影响

应用格模型和统计学方法分析了多孔陶瓷材料的失效问题.首先建立了多孔材料宏观力学性能分析的有限元模型,然后使用自适应加载技术对多孔材料单向拉伸失效过程进行模拟,最后根据统计学方法对计算模拟结果进行统计分析.通过三维格模型方便地考虑到了气孔大小、位置分布、气孔率等影响因素,研究表明:脆性多孔陶瓷材料的失效过程表现出一定塑性,气孔位置随机分布引起失效强度的分散性,气孔率越高,材料失效强度越低.      

单相液体发汗冷却规律实验

以超燃冲压发动机内支板结构的热防护问题为背景,制备了全烧结金属多孔介质支板结构,并对以液态水为冷却工质的发汗冷却特性进行了实验研究.实验结果表明:液态水发汗冷却能有效地减少支板壁面和高温流体之间的换热,当注入率为2%时,冷却效率可以高达93%;随注入率增大,发汗冷却的冷却效率趋近于100%,增幅逐渐减小;在该实验所采用的两种不同主流温度条件下,相同注入率、相同位置的冷却效率近似相等.对发汗冷却的冷却剂停止供应后的支板表面温度热响应特性进行了初步研究,根据支板内液态水蒸发的过程分3个阶段进行了分析.      

表面完整性对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的影响

研究了Ti6Al4V钛合金表面喷丸强化及光饰处理后表面粗糙度、表面残余应力和表面层微观组织结构等表面完整性因素的变化及其对高周疲劳性能的影响。结果表明,Ti6Al4V钛合金对表面粗糙度和表面残余应力比较敏感,经喷丸强度为0.10~0.20mmA的强化后,受喷表面的残余压应力和粗糙度持续提高,Ti6Al4V钛合金的疲劳寿命增加值先升高后降低;后续光饰处理使强化后的材料表面粗糙度显著降低,促进了疲劳寿命进一步提高。表面完整性影响因素的平衡与协调对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的提高有着非常重要的影响。     

多孔陶瓷氢气发汗冷却特性研究

为了研究复合材料微孔发汗冷却热防护技术,研究了冷冻浇注成型工艺定向直孔道碳化硅多孔陶瓷在高压高热流密度时氢气的发汗冷却特性。用电弧加热主流空气产生高温燃气、氢气发汗冷却对多孔陶瓷材料进行了13次热试验研究。试验的材料孔隙率为10~28%,燃烧室压力为3.6~7.9MPa,冷却氢气注入率为0.008~0.021。试验表明,当多孔陶瓷材料氢发汗冷却的注入率为1%时,主流高温燃气与微孔壁面之间的换热减少了30%以上。多孔陶瓷材料氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。研究得出了陶瓷多孔材料在高压大热流环境下用氢气发汗冷却的性能关联式。     

反应烧结制备六方氮化硼陶瓷

解决六方氮化硼的难烧结性,是提高其性能的关键.本文探讨了以硼粉为基体,Y2O3,、Al2O3为添加剂,在N2气氛下,反应烧结制备六方氮化硼陶瓷的工艺过程.研究结果表明,硼粉和氮气反应剧烈进行的温度区间在1 050～1 350℃,在1 550℃反应得到进一步完善.当烧结助剂的质量分数为20%,且w(Al2O3):w(Y2O3)=3:2,1 850℃保温2 h,试样有较高强度及较低气孔率,且h-BN晶粒形状大小分布均匀.     

纤维C涂层对SiC_f/Ti6Al4V界面及拉伸性能的影响

通过对SiC纤维增强Ti6Al4V复合材料的拉伸试件断口与界面观察,研究了SiC纤维C涂层对基体与纤维元素扩散、界面反应层厚度与成分、拉伸断口的影响。结果表明,与纤维无C涂层的SiCf/Ti6Al4V相比较,有纤维C涂层的SiCf/Ti6Al4V界面结合强度较弱、反应层厚度较厚,涂层能有效防止纤维性能在复合过程中下降,提高了复合材料拉伸强度。     

发汗冷却中多孔壁面添质通道流动的实验和数值研究

发汗冷却相比常规主动冷却方式是冷却效率更高、覆盖性能更好的热防护技术。为了研究发汗冷却中的添质流动现象,通过带有红外热成像技术的发汗冷却实验平台,在雷诺数1.35×105和总温373K的来流条件下对金属颗粒烧结多孔材料的发汗冷却效果进行了研究,得到了在不同注入率条件下多孔壁面的温度分布,结果显示平均冷却效率与注入率之间近似呈线性关系,当氮气注入率为33.5%时平均冷却效率接近0.45。通过对比单温度方程的局部热平衡模型和双温度方程的局部非热平衡模型的模拟结果,显示局部非热平衡模型能正确反映发汗冷却过程中的换热过程,模拟结果和实验数据具有较高吻合度。模拟结果表明:多孔壁面边界层随注入率的增大而增厚,边界层增厚是发汗冷却具有较高冷却效率的原因之一。     

影响微动疲劳行为的材料因素研究

实验对比研究了两种结构不同的钛合金 [Ti6Al4V (α +β型 )和Ti5Al2 .5Sn(α型 ) ]和两种结构相同 (马氏体 )但强度与硬度差别较大的耐热不锈钢 (lCr11Ni2W 2MoV和Cr17Ni2 )的微动疲劳 (FF)抗力及微动垫材料的影响 ,以进一步探讨材料因素对FF抗力的作用规律和机制。在本文实验条件下 ,具有较高强度和疲劳极限的Ti6Al4V钛合金和Cr17Ni2耐热不锈钢的FF抗力分别高于Ti5Al2 .5Sn钛合金和 1Cr11Ni2W2MoV钢 ,即在材料组织结构相同或相近的条件下 ,屈服强度和疲劳极限决定FF抗力 ;当材料与高硬度配副接触时 ,FF裂纹易于萌生 ,FF损伤倾向增大 ,此时喷丸形变强化可更有效地提高材料的FF抗力。     

增材制造Ti–6Al–4V组织的演化与拉伸性能的差异

Ti–6Al–4V适用于多种增材制造技术,但是不同增材技术制造的Ti–6Al–4V组织演变形式不同。以沉积效率最低的选区激光熔化和沉积效率最高的电弧填丝增材制造技术为研究对象,总结了这两种工艺条件下Ti–6Al–4V微观组织的演变形式和拉伸性能的差异。选区激光熔化制造的Ti–6Al–4V组织以α'马氏体为主,使其延展性降低。电弧填丝增材技术制造的Ti–6Al–4V晶粒粗大、存在晶界α相,导致其强度较低。针对这些问题,提出了有效改善性能的方法,同时对这两种增材技术的发展和未来的研究趋势进行了预测。