飞秒脉冲激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验

飞机发动机进气道前缘唇口积冰将会严重威胁航空安全,仿生研究表明具有微纳结构的疏水表面可以起到良好的抑冰效果。针对飞机唇口材料TC4,采用飞秒脉冲激光诱导制备TC4微结构表面,利用三维形貌仪和扫描电镜对TC4合金表面三维形貌和微纳结构进行观测,应用接触角测量仪分析表面浸润改性,依托结冰特性实验系统测试微结构表面抑冰抑霜性能,并分析飞秒脉冲激光加工工艺参数对表面微观结构和抑霜特性的影响机制。研究结果表明：随着激光扫描速度的增大,TC4合金表面形成的拱形沟壑深度增加,沟壑上方出现干涉条纹以及圆形凸起且微纳凸起的尺寸随扫描速度的增大而增大,接触角先减小后增大再减小;加工后表面液滴冻结时间比未加工表面延迟30 s;扫描速度2 000 mm/s时的液滴冻结时间最长,霜层质量最小,高度最低。飞秒激光加工TC4合金表面形成的微纳结构以及表面吸附的有机物能够改变表面接触角;粗糙度和表面形貌能够影响表面结冰时间和结霜量。     

一种提高表面完整性的气膜孔成形方法

为了解决目前航空发动机涡轮叶片气膜孔成形工艺存在热影响严重等问题,提出了采用超快激光环切与螺旋扫描的加工方法,设计了一种可实现高效、无热效应气膜孔加工的双激光光源微加工系统,并从作用机理和实际加工过程两方面分析了热效应的产生原因,指出了其中的主要影响因素,然后针对这些因素选用DD6材料进行了工艺参数优化和实验验证.实验结果表明:采用500fs激光与微秒长脉冲激光复合加工的方式可以使精细钻孔的效率提升约10倍,并得到基本无重铸层和微裂纹的涡轮叶片气膜孔;其工艺参数包括扫描速度为2400r/min,重叠率为12%,进给量为5μm,重复频率为20kHz以及0.6Pa同轴吹气.表明超快激光配合合理的工艺参数和加工方式可以实现无热效应气膜孔加工,是一种有效提高气膜孔成形表面完整性的工艺方法.      

激光宏观结构化金刚石砂轮磨削氧化铝工艺

为了研究砂轮表面结构化对砂轮磨削性能的影响,利用脉冲激光对树脂结合剂金刚石砂轮进行了表面宏观结构化。采用6种不同类型的金刚石砂轮表面宏观结构进行了氧化铝的磨削实验,建立了激光宏观结构化金刚石砂轮的磨削力模型,比较了6种不同激光宏观结构化金刚石砂轮与非结构化砂轮在不同磨削参数下磨削力的差异,分析了砂轮制造后的表面形貌与结构化砂轮的磨损特性。实验结果表明,砂轮宏观结构化对磨削性能有很大影响,激光宏观结构化砂轮的磨削力可以减小2. 5%~24. 5%,砂轮结构化后的表面形貌出现石墨化现象;宏观结构化砂轮沟槽边缘磨损加剧,但沟槽磨损并没有明显加快宏观结构化砂轮的磨损。     

基于单颗粒模型的航发叶片砂带磨削微观仿生锯齿状表面形成及实验

基于鲨鱼皮衍生出来的微观仿生表面被广泛应用于机翼等航空零部件的设计中，对于提高航空零部件的疲劳寿命、气流动力性等服役性能具有重要作用。砂带磨削能实现零部件表面的高完整性要求的加工，故常用于叶片、整体叶盘等复杂曲面的精密磨削，且能实现微观表面形状，但目前缺乏砂带磨削微观表面的系统研究从而难以实现其精确控制。首先，分析了微观仿生锯齿状表面的典型结构特征，基于单颗粒砂带磨削模型，研究了单颗粒砂带磨削去除机理；然后，建立了砂带磨削多颗粒参数化数学模型，提出了微观仿生锯齿状表面砂带磨削方法；最后，以钛合金叶片型面为对象，搭建以钛合金为典型材料的微观仿生锯齿状表面砂带磨削基础实验平台，进行仿生表面的实验验证。通过对磨削后叶片的表面微观形状参数进行检测，结果表明通过砂带磨削方法实现的微观仿生锯齿状表面以锯齿形沟槽为主，其中沟槽的宽度在2.5~8 μm之间、平均值为4.91 μm，沟槽的高度在3.5~9 μm之间、平均值为5.91 μm，沟槽的夹角在28°~68°之间、平均值为42.3°，验证了微观仿生锯齿状表面砂带磨削的可行性。     

Development of a new high-shear and low-pressure grinding wheel and its grinding characteristics for Inconel718 alloy

Nickel-based alloy has been widely used due to its outstanding mechanical properties.However, Nickel-based alloy is a typical difficult-to-machine material, which is a great constrain for its application in the manufacturing field. To improve the surface quality of the ground workpiece, a new high-shear and low-pressure grinding wheel, with high ratio of tangential grinding force to normal grinding force, was fabricated for the grinding of selective laser melting(SLM) manufactured Inconel718 all...     

纳秒激光构造锡青铜粗糙表面的工艺研究

为了在考虑表面粗糙度条件下,对表面织构影响润滑性能的理论计算结果进行试验验证,提出了一种通过纳秒紫外激光在锡青铜样片表面构造不同粗糙度参数的方法.通过改变激光加工参数制备了不同表面粗糙形貌,并采用白光干涉共聚焦显微镜以及粗糙度仪对表面粗糙形貌进行表征.试验结果表明,表面粗糙度随激光扫描速度的增大而减小;扫描间距等于光斑直径50μm、扫描速度300mm/s时,表面粗糙纹理方向清晰,便于粗糙度方向参数的控制.通过控制粗糙度方向参数以及微织构方向控制,实现了与表面粗糙方向成规定角度的微织构阵列的制备.     

激光冲击对TC11钛合金组织和力学性能的影响

对TC11钛合金进行激光冲击强化处理,通过透射电子显微镜观察不同参数下TC11钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和X射线应力测试仪分别测试材料表层硬度和残余应力,并通过TC11钛合金标准疲劳试片高周振动疲劳试验验证激光冲击对其疲劳性能的影响.试验结果表明:激光冲击波作用后表面组织结构发生明显变化,当冲击次数增加,先后出现了高密度位错、位错胞和纳米级晶粒等微观组织特征.冲击10次后,表面残余应力最高达到-632.5MPa,相应的塑性变形层深度达到1500μm左右;同时表面硬度在冲击1次即可提高19%,硬度影响深度为700μm,随着次数增加而提高,但幅度不大.经3次冲击处理的TC11钛合金标准疲劳试片的疲劳极限由原始483MPa提高到593MPa.      

模具约束条件对H96黄铜双脊矩形管E弯截面变形的影响

 双脊矩形管的绕弯成形受内外侧模具的共同约束,不同模具约束下管坯的受力不同,使得其截面变形情况也不相同,而截面变形严重地影响弯管件的成形质量和使用性能。因此,基于ABAQUS有限元平台建立了双脊矩形管E弯成形三维有限元模型,并通过实验验证了模型的可靠性。采用所建模型,研究了内外侧模具约束条件对双脊矩形管E弯截面变形的影响规律,发现当只有内腹板脊槽受约束时,内腹板脊槽的内缩变形可得到较好的控制,而其他部位的变形则有增大的趋势;当只有外腹板脊槽受约束时,内腹板脊槽宽度变形基本不发生变化,而其他部位的变形则有减小的趋势;当内外腹板脊槽均受约束时,可较好地控制双脊矩形管E弯过程中的截面变形。芯头个数对整管截面高度、宽度、外腹板脊槽宽度与两脊槽底部的间距的变形影响较大,但对内腹板脊槽宽度的变形影响不显著。     

FRS技术对瞬态高速喷流的可视化研究

为了诊断瞬态高速喷流的结构特征,开展了基于分子滤波瑞利散射(FRS)技术的可视化研究.介绍了FRS技术的基本原理,分析了散射光的多普勒频移对诊断的影响.针对瞬态高速喷流特点,建立了FRS诊断系统,设计了两种不同的激光入射方式.采用与流场方向垂直的激光入射方式,获得了喷流与空气作用的湍流结构.而采用与流场轴向平行的激光入射方式,则获得了喷流自身的结构.FRS技术对瞬态高速喷流的可视化研究,对研究超声速湍流混合层流场具有重要指导意义.      

基于电化学沉积的高深宽比无源MEMS惯性开关的研制

基于电化学沉积技术在金属基底上制作了一种新型的无源MEMS惯性开关。针对高深宽比、细线宽微电铸用光刻胶模具制作过程中,由于SU-8胶膜严重侧蚀导致的胶膜制作困难、质量低下的问题,进行了紫外光刻试验研究。试验研究了不同曝光剂量和后烘时间对SU-8胶光刻效果的影响,优化了光刻工艺参数。采用降低曝光剂量和延长后烘时间相结合的方法解决了高深宽比、细线宽SU-8胶膜制作困难的问题,制作出高质量的微电铸用光刻胶模具。最后,在上述试验结果基础上制作了一种高深宽比、无源MEMS惯性开关。其外形尺寸为3935μm×3935μm×234μm,其中最细线宽12μm,单层最大深宽比达10∶1,多层最大深宽比达20∶1。     

激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验

针对某航空发动机涡轮叶片榫头部位疲劳断裂故障,利用激光诱导高压冲击波对榫头部位进行冲击强化,提高其抗疲劳性能。在试验测试激光冲击GH4133B镍基高温合金材料残余应力场的基础上,确定了叶片材料激光冲击工艺参数;根据榫齿面转接R区结构特征,设计了不等强度分布冲击方式,保证强化区域残余应力均匀、过渡分布,防止出现应力突变。由于榫头结构不均匀,高压冲击波引起的塑性流动使叶片发生宏观变形,采用数值仿真方法分析了激光冲击后叶片榫头宏观变形规律和机理。在此基础上提出了激光冲击叶片榫头变形控制的方法,并设计了榫头结合面冲击区域和方式,保证叶片榫头两侧对应区域的激光能量输入基本相当,通过结合面的塑性流动来减小叶片榫头宏观变形。冲击处理后的叶片榫头表面粗糙度、滚棒尺寸和平面度等均满足技术要求。并分析了激光冲击强化提高叶片高温疲劳寿命的原因。疲劳试验结果表明：激光冲击强化可提高叶片榫头部位的高温高低周复合疲劳寿命提高了279%。     

Single track and single layer formation in selective laser melting of niobium solid solution alloy

Selective laser melting (SLM) was employed to fabricate Nb-37Ti-13Cr-2Al-1Si (at%) alloy, using pre-alloyed powders prepared by plasma rotating electrode processing (PREP). A series of single tracks and single layers under different processing parameters was manufactured to evaluate the processing feasibility by SLM, including laser power, scanning speed, and hatch distance. Results showed that continuous single tracks could be fabricated using proper laser powers and scanning velocities. Both the width of a single track and its penetration depth into a substrate increased with an increase of the linear laser beam energy density (LED), i.e., an increase of the laser power and a decrease of the scanning speed. Nb, Ti, Si, Cr, and Al elements distributed heterogeneously over the melt pool in the form of swirl-like patterns. An excess of the hatch distance was not able to interconnect neighboring tracks. Under improper processing parameters, a balling phenomenon occurred, but could be eliminated with an increased LED. This work testified the SLM-processing feasibility of Nb-based alloy and promoted the application of SLM to the manufacture of niobium-based alloys.     

圆角横槽结构对气膜冷却效率影响的实验研究

为了研究圆角横槽结构对气膜冷却效率的影响,选取槽深、槽宽、圆角半径、吹风比四个影响因素进行正交实验,采用压力敏感漆测试技术对圆孔冷却结构和圆角横槽结构的气膜冷却效率进行测试。结果表明：在低吹风(BR=0.5)、中吹风(BR=1)比、高吹风(BR=1.5)比下,除Case3外,圆角横槽的面平均气膜冷却效率均高于单一圆孔。圆角横槽的面平均气膜冷却效率相对于圆孔冷却结构最高可以提高127％,Case1-Case9中,优化组合的结构参数为：槽宽2.4D,槽深0.6D,圆角半径0.9D,优化组合面平均气膜冷却效率相对于气膜冷却效率最低的Case8可以提高177％。在槽宽、圆角半径、槽深、吹风比四个影响因素中,吹风比对圆角槽气膜冷却效率影响程度最大,其次分别是槽深、槽宽、圆角半径。     

晶体生长方向对亚快速凝固结晶形貌的影响

采用区域熔化定向凝固装置,对冷却速度在１３～１３０Ｋ／ｓ范围内Ｎｉ－５％Ｃｕ合金的结晶形貌研究表明：在温度梯度ＧＬ３００Ｋ／ｃｍ条件下,晶体生长速度υ为５００μｍ／ｓ时,不同结晶取向的晶粒其结晶形貌不同。以＜１００＞方向生长的晶粒为树枝晶组织;以＜１２０＞方向生长的晶粒为细胞晶组织。当υ为８００μｍ／ｓ时,不同结晶取向的细胞晶间距不同。以＜１００＞方向生长的细胞晶间距是２８μｍ;以＜２１１＞方向生长的细胞晶间距是１６. ５μｍ。相同凝固条件下,同一晶粒内不同取向的分枝,结晶形貌不同。亚快速凝固条件下,树枝晶生长的生长方向已不完全按＜１００＞方向择优取向,细胞晶生长的择优取向性被抑制。     

渐开线碟形砂轮磨削面齿轮数控加工研究

为进行面齿轮数控精密加工,提出了一种渐开线碟形砂轮磨削面齿轮加工方法.根据面齿轮成形过程及磨削加工原理,推导了渐开线碟形砂轮磨削面齿轮齿面方程,进行了面齿轮磨削加工机床设计,给出了基于机床结构的面齿轮磨削加工方法,进行了磨削加工过程中的啮合点刀位计算;借助VERICUT软件进行了面齿轮数控磨削加工仿真,最后进行了面齿轮磨削加工试验,通过对面齿轮齿面进行检测,得到齿面偏差最大值为-10.1~12.1μm,结果验证了渐开线碟形砂轮磨削加工面齿轮方法的正确性.      

镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响

研究了用单晶刚玉砂轮磨削镍基高温合金GH4169时,磨削参数对表面完整性中的表面特征(表面粗糙度、表面形貌、表面显微硬度和表面残余应力)的影响,以期优化磨削参数.砂轮速度依次选择15,20,25m/s,磨削深度分别选择50,100,150μm,工件速度分别选择5,10,15m/min.研究结果表明:表面粗糙度对工件速度的变化最敏感,表面显微硬度对砂轮速度变化最敏感,表面残余应力对砂轮速度变化最敏感;同时表明了磨削参数对磨削表面形貌、显微硬度梯度、微观组织、残余应力梯度的影响,揭示了表面完整性中的变质层形成规律.其塑性变形层在5～10μm,显微硬度变化影响层为80～100μm,残余应力影响层厚度为80～200μm,其为磨削镍基高温合金表面完整性控制研究提供相关的实验数据基础.      

量规刻线参数设计方法的改进

论述了刻线量规设计、制造、使用中存在的问题和改进方法，并介绍了以刻线中心为基准，以线深控制线宽的刻线方法．     

高纯钨磨削加工试验研究

为探究适用于高纯钨磨削加工的砂轮,使用80~#绿碳化硅砂轮和金刚石砂轮开展磨削对比试验,从工件表面粗糙度角度评价上述两种砂料对高纯钨磨削加工表面的影响。试验结果表明,绿碳化硅砂轮对应的工件得到了更理想的表面粗糙度。使用绿碳化硅砂轮开展工艺试验,分析在不同磨削参数下加工表面粗糙度的变化趋势,以此为依据对高纯钨磨削加工工艺参数进行评价与优化。综合考虑加工表面粗糙度以及加工效率,得出适合于钨磨削加工的参数为砂轮线速度v_s=23m/s、磨削深度a_p=8μm、工作台进给速度v_w=10m/min,该参数下得到的表面粗糙度均值为0.336μm。     

稀土改性高强铝微桁架激光增材制造工艺调控

微桁架夹芯板点阵轻量化结构在航空航天领域有重要应用,选区激光熔化（SLM）增材制造技术可克服传统工艺局限性,高质量一体化成形复杂点阵结构。以稀土Sc改性高强Al-Mg合金为对象,采用SLM工艺对其进行工艺优化试验,并基于优化结果对微桁架夹芯板开展一体化成形工艺调控研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面质量、冶金缺陷等随激光参数发生显著变化,在激光功率400 W、扫描速度800 mm/s的条件下获得较高表面质量（粗糙度为13.2 μm）及致密度（相对密度为99.5%）。当扫描速度较低时试件熔池底部形成一次Al₃Sc析出相,而当扫描速度过高时因凝固速度过快析出相减少,导致试件显微硬度降低。在优化工艺区间内,随激光扫描速度增加SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夹芯板粘粉比例下降,构件质量随之减轻;水平方向构件尺寸精度、桁架微杆成形精度均随扫描速度增加而增加。     

TB6钛合金抛光表面完整性试验

针对目前TB6钛合金类零件主要依靠手工抛光的技术问题,提出了羊毛毡轮数控抛光工艺,研究了抛光参数对表面粗糙度、表面硬度、表面残余应力的影响,进行了羊毛毡轮抛光参数优化,优选出了一组抛光参数:线速度v_s=19.63m/s,进给速度v_f=300mm/min,预压量a_p=0.5mm,加工行宽w=0.5mm。在此抛光参数下,羊毛毡轮抛光能够有效去除铣削刀纹,抛光后表面粗糙度R_a=0.15μm,并且抛光后表面残余应力为压应力。试验结果表明,该抛光方法能够有效地改善零件的表面完整性。