Machining of SiC ceramic matrix composites: A review

Continuous fiber reinforced SiC ceramic matrix composites (FRCMCs-SiC) are currently the preferred material for hot section components, safety–critical components and braking components (in the aerospace, energy, transportation) with high value, and have triggered the demand for machining. However, the high brittleness, anisotropy, and heterogeneity of materials bring great challenges to machining, due to high mechanical and thermal loads, severe tool wear, and poor machining quality. With the increasing demand of FRCMCs-SiC parts, high-quality and high-efficient machining has become a hot issue. This review paper provides a detailed literature survey on the machining of FRCMCs-SiC. The material removal mechanism, defect form, and interfacial mechanical properties of FRCMCs-SiC were summarized. The machining processes of FRCMCs-SiC were introduced, and their respective advantages and disadvantages were compared. Given the low machinability (high hardness, high brittleness, anisotropy, and heterogeneity) of FRCMCs-SiC, preliminary experiments have proved that ultrasonic-assisted machining and laser-assisted machining have shown unique advantages in reducing force and tool wear, improving machining quality and machining efficiency. The machined surface integrity was discussed, the influence of process parameters on the machined surface quality was analyzed, and the machining defects of FRCMCs-SiC were summarized. But for FRCMCs-SiC, the existing quantitative evaluation of the machined surface integrity was weak and unsystematic.     

硅化物涂层电子束重熔表面改性技术

在Nb521铌合金表面采用料浆烧结法制备硅化物涂层,利用高频扫描电子束对硅化物涂层进行重熔处理,通过扫描电子显微镜对处理样品表面形貌进行组织结构分析。研究表明,经过电子束重熔处理,硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低,表面粗糙度降低,陶瓷颗粒之间烧结作用增强,重熔区域与未处理区域具有明显的边界,电子束能量分布较均匀,电子束重熔提高了硅化物涂层的抗氧化性能和抗热震性能。     

液体离心喷嘴中的静态表面波

为了探讨液体离心喷嘴中静态空间波动现象的物理本质,在经典理论的基础上分析了液体离心喷嘴中喷口处表面波的相速度和平均轴向速度的相等关系,通过结合CICSAM表面捕捉技术在自适应网格中求解耦合VOF方程的N-S方程组的数值模拟,在旋转轴对称的长喷口模型中获得了不同背压下的空间静止波型。数值模拟结果与经典重力波理论的类比表明:表面波有与液体平均轴向速度大小相等方向相反的相速度;波动由喷嘴的过渡段台阶激励起;波动能量传播速度小于相速度使波动在台阶后的喷口段显现。     

用偏微分方程构造车身外形曲面

阐述了在给定边界条件及其他曲面限制因素的情况下,用偏微分方程构造曲面的基本理论;研究了引入曲面形状控制系数来控制生成曲面的形状以及应用于车身外形曲面设计的实现方法,并分析了该方法的特点,最后给出了在车身设计中应用的实例。     

可展桁架天线形面精度理论分析

针对可展桁架天线杆件多和转动铰多的特点, 研究杆件加工公差和转动铰间隙对天线反射面精度和重复展开精度的影响. 根据杆件加工公差和转动铰间隙发生的随机性, 建立相应的随机数据模型和Monte-Carlo随机有限元模型, 计算杆件加工公差和转动铰间隙所引起的天线反射面精度误差. 研究表明, 间隙所引起的反射面精度误差远大于杆件公差所引起的误差, 并且天线重复展开精度差值不宜忽视.      

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

图像法求液滴表面张力和接触角

空间流体实验具有无人操作的特殊性,需要对监控图像进行实时处理,得到目标参数.本文研究了利用照相机捕捉到的液滴灰度图像,分析求取液滴的表面张力、接触角、体积等物理参数的方法.针对液滴的灰度图像,利用边界提取、域值分割等图像处理方法,得到液滴的基本轮廓.建立基于液面像素点坐标的拉普拉斯方程,运用牛顿一拉夫逊法、龙格-库塔法、坐标轮换法等多种数值方法,对液滴的边界进行拟合,寻求最优的轮廓拟合点.根据最优的拟合点,确定液滴的物理参数.提出了利用牛顿法与一维寻优相结合的算法进行轮廓拟合的方法,并与文献[1]提出的算法进行了比较,证明了该方法具有收敛速度较快,拟合精度较高的特点.该方法是实现空间蒸发液滴热毛细对流和接触角测量实验的一项关键技术,同时也可以运用到非接触测量的实验场合.      

阵列式表面电弧等离子体气动激励控制三角翼流动分离的实验

为探索多路阵列式微秒脉冲表面电弧放电(μs-SAD,Microsecond pulse surface arc discharge)对尖前缘小后掠三角翼流动分离的控制效果和作用机理,首先通过放电测试和纹影测试对多路阵列式μs-SAD的激励特性进行研究,揭示其对流场的作用原理,进一步将多路阵列式μs-SAD用于三角翼流动控制,开展了小后掠三角翼流动分离控制低速风洞实验,研究了来流速度、激励电压和激励频率等参数对控制效果的影响规律。结果表明:多路阵列式μs-SAD能够快速放热,单路瞬间放电能量可达68mJ,在流场局部可诱导产生冲击波;机翼前缘多路阵列式μs-SAD能有效改善三角翼大迎角气动特性,当来流速度为30m/s时,使最大升力系数提高27.2%,失速迎角推迟4°;来流速度增大到40m/s时,流动控制效果减弱,使最大升力系数提高15.5%;存在最佳激励频率使无量纲频率F+=1时,控制效果最好;激励电压存在阈值,其随来流速度的增加而增大,当激励电压超过阈值电压继续增大时,流动控制效果不再增强。     

复合材料后加工技术的研究现状及发展趋势

分析了国内外复合材料后加工技术的研究现状和发展趋势,重点阐述了复合材料切削力和切削温度、切削刀具材料及结构、特种加工技术、表面质量评价技术研究等方面的研究成果,同时提出了建议。     

复合材料三维四向矩形类编织物表面结构研究

针对有限元计算对几何参数的需要,详细研究了由四步1：1法编织的复合材料三维四向矩形截面类型预成形件的表面结构,为其建立了较准确的几何模型。以矢量分析方法导出表面纱段轴线,表面纱段与内部纱段的接触线等数学表达式。据此得到该材料表面结构的几何参数值和下面结果：表面纱段轴线由两条相互对称且位于正交面上的椭圆弧光滑连接而成;同一条纱线的表面段和内部段为光滑连接;接触线是椭圆弧,提出了由表面纱缎倾斜角推算纱线内部编织角应注意的一个问题。