太空环境下电子束原位制造技术

美国国家航空航天局（NASA）载人探索计划的提出给载人登月和载人火星等带来了机会和风险,NASA的工程师和科学家正在开展在月球或火星表面利用当地提炼的材料进行原位制造工艺技术的研究。首先,介绍了太空原位制造和修复（ISFR）技术的概念和特点,结合该技术的发展背景,介绍了电子束原位制造技术的概念、特点以及在太空环境下应用的优势和潜力。然后,根据所用原材料和成形工艺原理的不同,电子束原位制造技术又分为电子束熔融（EBM）和电子束自由成形制造（EBF³）技术两个分支,分别介绍了这两个分支技术的概念、原理、特点以及采用该技术研制出的零件的性能,结合硬件设备的情况介绍了在太空环境下应用的适用性,同时也详细介绍了NASA利用兰利研究中心的C-9抛物线飞行试验系统进行电子束原位制造微重力试验的研究成果、试验数据和未来的发展趋势。最后,结合中国未来空间事业发展的需要,提出了关于发展太空环境下电子束原位制造技术的设想与建议。     

民用航空发动机TA19电子束焊疲劳试验

针对民用航空发动机钛合金整体叶盘常用材料TA19开展其母材试件与电子束焊焊接试件在20,300,450℃的疲劳试验,通过焊接试件的焊缝材料断口与母材断口形貌的比较探讨了焊缝材料的疲劳破坏机理,并在104~106循环的疲劳寿命区间内采用Basquin模型分别建立了焊缝材料和母材的应力-疲劳寿命(S-N)曲线,结果显示母材试件与焊接试件的试验疲劳寿命大部分都落在了对应模型计算疲劳寿命的2倍线之内,表明试验得到的S-N曲线是合理的.焊接试件与母材试件的S-N曲线的对比分析表明,20℃时焊接试件的疲劳性能比母材试件略高,而在300℃和450℃时焊接试件与母材试件的疲劳性能差异随应力水平发生变化.但总地说来,在所关注疲劳寿命区间内,母材试件与焊接试件的计算疲劳寿命差异也在2倍线以内,初步表明两者的疲劳性能相当.      

30CrMnSiA钢真空电子束焊缝显微组织及力学性能研究

通过对航空航天常用的30CrMnSi钢进行真空电子束焊接,探讨了焊接工艺参数对焊接成形性、接头显维组织及力学性能的影响。研究结果表明:1.8 mm的30CrMnSiA钢板材的真空电子束焊缝成形良好,工艺参数范围宽;焊缝显微组织为典型的板条马氏体,焊缝显微硬度高达600 HV,远高于母材的300 HV;拉伸强度达1400 MPa,在拉伸试验中,所有接头全部在热影响区断裂。     

150kV/30kW逆变式电子束焊接高压电源设计

针对150kV/30kW电子束焊接高压电源高电压、大功率输出的要求,低压电路采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)逆变隔离直流电源与逆变全桥串联的主电路拓扑,高压电路由3组升压变压器与10倍压整流电路的串联结构并联组成;设计了高压采样电路、束流采样电路,以及双闭环控制电路.基于上述技术,实现了150kV/30kW高电压大功率输出.实验结果表明高压加速电源的输出线性度和束流输出线性度较好,同时高压稳定度和束流稳定度均在0.5%左右,能够满足电子束焊接的要求.     

高压脉冲电子束的控制及其对焊缝形貌影响

研制出一台150 kV/30 kW高压脉冲电子束焊机,介绍了控制脉冲束流产生的偏压脉冲电源拓扑电路结构及脉冲束流频率、占空比、束流基值、束流峰值的调节控制技术.在0~1 kHz频率范围内,该电源可输出最大幅值200 mA的脉冲电子束束流,且工艺参数调节方便.分别采用脉冲束流与连续束流电子束工艺焊接了1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,对不同工艺的焊缝形貌进行了对比分析.与连续束流电子束焊接工艺相比,采用脉冲电子束焊接工艺的焊缝熔深增加,深宽比增大;对于脉冲电子束焊接工艺,占空比给定时,随着束流频率增加,焊接缺陷减少.试验结果表明:脉冲束流频率、占空比是影响焊缝成形的关键工艺参数;脉冲调制方式控制偏压是获得高压脉冲电子束的理想控制技术之一.      

特种加工技术在某新型微叠层复合材料中的应用

目前航空航天领域采用的微叠层复合材料主要集中在Fe、Ni、Ti和Al的合金或金属间化合物上。这类金属的金属间化合物具有熔点高、密度低、热导率好及抗高温性能好等优点,可被用作航空飞行器或航空发动机的高温结构材料。但是这类金属间化合物具有其本征脆性,导致其室温下的断裂韧性很差,因而应用受到限制。为解决这一问题,采用特种加工技术制备出具备微叠层结构的金属/金属间化合物复合材料是理想的手段之一。     

新型电子束焊机阴极加热电源自动调节系统

开发了一种新型电子束焊机阴极加热电源自动调节系统,包括新型主电路拓扑和对应控制策略,该系统能够使阴极处在最佳加热电流状态,从而提高电子束流稳定性.并且在检测到电子枪未加高压时,阴极加热电流自动关闭,在加有高压但束流给定为零时,阴极加热电流自动减少,能大幅增加阴极的使用寿命.经试验证明该系统相比传统阴极加热电源操作简洁、快速和准确,对焊缝成形质量好.     

150kV逆变电源性能优化及其束源特性

为了进一步提高电子束流发生系统工作的可靠性和稳定性,提高电子束加工质量,采用AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓扑电路、新型功率变压器、高压脉冲检测技术、优化的束流反馈控制与灯丝加热电流闭环反馈控制技术等,分别优化了高压加速电源、偏压电源与灯丝加热电源。将所研制逆变电源与150 k V/30 k W电子枪、真空系统等组成了一套电子束流发生系统,测试了该电子束流发生系统输出的高压、最大束流以及灯丝加热电流、偏压变化对束流输出的影响。试验结果表明:经过优化的逆变电源高压输出达到-150 k V,高压输出线性度较好,最大束流达到200 m A;高压、灯丝加热电流给定时,随着偏压降低,束流输出逐渐增大;高压、偏压给定时,随着灯丝加热电流增大,束流输出存在死区、线性增大区和恒流区。     

电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能

考察了YSZ热障涂层的抗热循环性能;分别利用SEM、XRD分析了热循环前后涂层的显微结构和相组成。经分析可知,YSZ热障涂层具有典型的柱状晶结构,沉积态时YSZ涂层为t/t′相,经过600次热循环后,YSZ涂层未发现脱落。     

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。