新一代600℃高温钛合金材料的合金设计及应用展望

先进航空发动机及超声速飞行器的发展对耐热轻质的600℃高温钛合金材料提出了迫切需求。600℃高温钛合金主要用于制造发动机600℃以下高温段高压压气机轮盘、叶片、整体叶盘、机匣以及飞行器机身构件、蒙皮等,可以显著减轻结构重量,大幅提高发动机的推重比和飞行器的飞行速度和机动性。600℃高温钛合金的设计受蠕变与热稳定性本质矛盾的限制,为了最大程度发挥高温蠕变抗力,同时兼顾塑性、热稳定性等,基于当量设计准则和扩散理论,设计研制新的600℃高温钛合金材料TA29,合金系为Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Ta-Si-C。TA29钛合金具有优异的热强性,良好的断裂韧度、塑性和热稳定性,其整体叶盘部件成功通过了发动机强度考核试验,有望推广应用于先进航空发动机、超高声速导弹等飞行器的高温结构部件。应加强TA29钛合金高温蠕变-疲劳-环境交互作用、微织构、表面完整性、残余应力分析及其对使用性能影响等研究。     

科技信息

美国X-30型国民号空天飞机(NASP)将是一种完全可以重复使用的航天飞行器。它以高超音速(轨道飞行速度为25马赫)飞行,水平起飞和着落。NASP头锥部的温度可达2760℃,其机翼前缘可能经常处于1490～1925℃的高温。NASP的高刚性、薄壁型材加工制成的承载部件需要由具有高强度、低密度、在高温下保持高性能的新材料制成,这些材料应兼有超级合金的高温性能和钛合     

飞行器典型结构的热适配分体螺栓连接技术

由于复合材料与高温合金的热膨胀系数差异,导致在高温环境下采用高温合金机械连接件的复合材料组合构件发生预紧力降低。为解决高超声速飞行器热部件的连接难点、保证热结构的高温可靠性,对复合材料部件与高温合金螺栓的连接进行了研究。对一种采用分体式热适配螺栓的方法进行了相关的理论推导,采用典型单元进行的数值模型仿真表明了结果趋势的一致性良好。采用C/SiC局部端框的典型试验表明,这种新的连接设计在不改变以往常规连接强度性能的情况下,可以将820℃条件下的高温剩余预紧力由大约14%有效提升至80%。     

高温聚酰亚胺复合材料可减轻导弹部件的重量

高温聚酰亚胺复合材料已应用于制造导弹部件,与同样的金属部件相比重量显著减轻。以聚酰亚胺树脂为基的石墨纤维复合材料用来制做耐370℃或更高温度环境的空气进口导管整流罩装置时,单块模压部件的重     

瞬态热冲击环境下金属蜂窝板结构的热防护特性

使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统,对金属蜂窝板结构在多种瞬态热冲击速率下(5℃/s至30℃/s)的隔热特性进行了试验研究,其中最高瞬时温度达到950℃.并采用三维有限元方法对金属蜂窝板结构在高速热冲击环境下的隔热特性进行了数值计算,其计算结果与试验结果吻合性良好,验证了试验方法以及数值模拟方法的可信性和有效性.由试验知金属蜂窝板结构经过950℃热冲击后的翘曲和扭曲变形均很小,特别适合用于制作在高温环境下,要求变形小、质量少的高速飞行器结构部件.     

气动热环境下多翼导弹温度场数值模拟

导弹在飞行过程中与大气摩擦产生的热量,会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力,使结构产生热变形,破坏部件的气动外形并影响飞行器的安全飞行,带来安全隐患。通过气动加热工程算法确定表面热流密度,利用有限元分析软件MSC Nastran和MSC Patran,对四翼导弹进行有限元计算,给出温度场分布情况,为导弹的设计和制造提供依据。     

导热增强型相变材料温控试验

为满足高超声速飞行器舱内温度要求,提出了在舵轴热短路区域使用相变材料进行热耗散的方案.通过开展导热增强型相变材料温控试验,获得了不同试验方案对舵轴及周围金属壳体的降温效果.结果表明,导热增强型相变材料由于良好的导热性能,能够很好地发挥相变吸热能力,对降低舵轴热短路区域的局部高温具有显著效果;金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置,能够将舵轴周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内(150℃).本研究可为飞行器舵轴温控设计提供指导.     

1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

电子束物理气相沉积热障涂层抗氧化行为研究

电子束物理气相沉积热障涂层技术是一项用于保护航空发动机热端部件的关键技术。热障涂层除了要完成降低热端部件工作温度（或提高发动机工作温度）的任务之外，另一项主要任务就是防止高温腐蚀。本文通过理论分析和实验证实，在以ＺｒＯ２为基的隔热层中，由于粘结层氧化所需氧量极少，其氧气分压与环境中的氧分压几乎一样，因此热障涂层系统中粘结层的高温氧化与陶瓷层厚度基本无关。同时还系统地分析了粘结层合金的选择、不同合金元素的作用及其对抗高温氧化性能的影响。     

航空发动机高温包覆热电偶研制

为实现高温条件下发动机内部部件的温度测试,研制了1种耐温1500℃的高温包覆热电偶。通过对其进行结构设计、材料选取、包覆工艺的研究,确定了1500℃高温包覆热电偶的材料及制作方法。通过耐高温试验、绝缘电阻试验、相容性试验及检定校准与验证,证明了1500℃高温包覆热电偶的发动机测温工程实用性。将包覆热电偶使用温度提高到1500℃,可以部分代替铠装热电偶,解决发动机内部一些高温部件和复杂结构细径铠装热电偶无法测量的难题。     

国外宇航部件故障分析

就宇航事业来说,无数导弹星船从地面研制试验,到空中使用飞行,各系统、部件、环节均可发生种类繁多的故障,而故障的分析、解决、预防,不仅影响到部件质量和可靠性,也涉及飞行器和人身安全,联系     

高超声速导弹等离子体合成射流控制数值研究

快响应控制技术已成为高超声速飞行器发展的关键技术之一,具有极快响应、零质量特性的等离子体合成射流(PSJ)已在超声速流动控制方面初步显示出优异的控制能力,极有潜力应用于高超声速飞行器的快响应控制。基于等离子体合成射流的快响应特性,提出了高超声速飞行器等离子体合成射流快响应控制技术,并通过建立简化的高超声速导弹流场控制模型,对等离子体合成射流控制高超声速导弹进行数值研究。首先,理论分析了高超声速导弹流场的典型结构特征,导弹流场中存在3个特征流场结构。在此基础上,在导弹3个特征位置前面安装等离子体合成射流激励器,研究等离子体合成射流对高超声速流场结构的控制作用,分析由此导致的导弹表面压力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性变化。数值仿真结果表明:等离子体合成射流对高超声速导弹外流场中膨胀波和斜激波都具有控制作用,使得波的强度均变弱,且对斜激波的控制效果更为显著;导弹流场结构及气动特性变化具有很强的射流跟随性,射流作用下的导弹流场变化响应时间非常短,仅为0.2 ms;通过合理布置等离子合成射流激励器的位置,可以使得导弹表面压力分布快速改变,从而实现高超声速导弹姿态的快速控制。     

最优策略的导引特性分析

 本文从微分对策理论出发,在考虑了导弹与目标的响应频宽及纵向加速度下,导出了飞行器的三维最优追逃策略;并以此进行了较全面的导引特性分析。分析表明,最优策略实质上是以零控脱靶作为误差信号的反馈控制,在每一采样时刻近似地以平行接近法作为理想运动状态,是一种修正的比例导引方法。当不计飞行器的响应时间、纵向加速度和控制溢出时,蜕化为常规比例导引。本文还定义了飞行器对对局的可控能力,讨论了相应的影响因素;通过对最优增益系数的计算和分析,加深了对最优策略的认识。     

巡航导弹防热部件热-振联合试验

针对高速巡航导弹防热部件热-振联合试验的需要,建立了高速飞行器高温热-振试验环境模拟系统,该系统由振动激励试验系统和热环境模拟试验系统组成.试验时,热试验系统按照导弹高速飞行过程中弹体表面温度的连续变化对气动加热模拟过程实施动态复现,同时激振系统对防热部件实施振动激励.试验结果表明,该环境试验系统能够为巡航导弹在热振复合状态下的安全飞行提供可靠依据.      

航空发动机高温测量技术

<正>航空发动机高温测量,主要是指对热端部件(燃烧室、涡轮)高温燃气与壁面温度的测量。新型航空发动机为追求更高的推重比,必然提高涡轮前燃气温度。在这种高温环境下工作,发动机的结构故障频发。因此,研究热端部件在高温临界应力下的工作。提高冷却效果,使热端部件能在寿命极限温度下连续工作,都迫切需要对高温燃气温度和热端部件的温度分布进行测量。理论上讲,所有与被测对象温度呈单调关系的可定量测量特性参数,都可用于温度测量,因此温度的测量方法和技术非常多。但考虑到测试空间、测试受感部安     

航空用燃气发生器和高温放气阀的设计原则及试验

分析了燃气发生器和高温放气阀的作用及必要性,阐述了两者的设计思路,提出了有关的设计原则,并根据该原则设计研制出了满足技术指标的燃气发生器和高温放气阀.对两者进行一系列试验,验证了设计原则的正确性.结果表明:燃气发生器在最小空气流量为0.025kg/s,最高燃气工作温度为950℃,燃气温度波动范围为±10℃,实现稳定工作;高温放气阀在1200℃时能实现不漏气、灵活可靠的工作.上述技术指标均高于我国目前地面上使用的、车用的同类试验设备.利用该两项试验设备,可准确、完整地得到涡轮增压器特性,为实现航空活塞发动机的优良高空性能提供了依据.      

主动制冷型温控系统在捷联式重力仪上的应用

针对惯性导航系统内部惯性器件工作温度偏高的问题,以捷联式重力仪为研究对象,基于热电制冷器设计了一套主动制冷型温控系统.它可显著降低惯性器件工作环境温度及其变化率,有利于提升加速度计工作的温度稳定性和长期稳定性.根据系统仿真与实验验证,直接控制对象的温度能够稳定在30℃±0.05℃.与加热型温控系统相比,温差达到了-21.00℃,加速度计的工作环境温度从56.00℃降低到了43.59℃.主动制冷型温控系统能够提升重力仪在高温环境下的环境适应性,且其温度分布更加有利于提升加速度计的输出稳定性.     

高强度钛合金导弹舵翼面设计制造技术

导弹舵翼面是弹体主要承力部件之一,其表面积比较小,厚度比较簿.结构设计要求其具有良好的气动性能、质量小、承载大,同时必须保证具有良好的强度和刚度,在各种使用环境下正常工作,而且结构简单,工艺性好,使用、维护方便[1]. 钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好和热强性高的特点,有利于降低飞行器的结构重量,提高飞行器的结构效率.目前常用的重量轻、强度高、空心结构的钛合金舵翼面主要采用的形式有超塑成形/扩散连接结构和机械加工/扩散焊接结构.     

吸热型碳氢燃料催化裂解热沉测定

报道了一套高温下测量吸热型碳氢燃料催化裂解热沉的稳态热导型流动热量计，仪器常数标定结果线性关系良好，符合Tian’s方程，可以正常工作；测定了500℃和600℃下吸热型碳氢燃料RL7及NNJ-150在SAPO-34分子筛催化剂上的催化裂解热沉，并与相同条件下热裂解热沉相比较，结果表明，吸热型碳氢燃料在SAPO-34分子筛催化剂上发生催化裂解能够比热裂解获得更高的热沉，燃料吸热工作温度可降低100℃。     

恢复性能热处理在航空部件修复中的应用

<正>航空发动机热端部件如涡轮叶片、涡轮转盘、整体铸造扩散机匣等长期服役后,虽然外观良好,但性能下降。采用恢复性能热处理技术,调整到寿部件中的析出相,全部或部分地恢复材料组织和力学性能,可延长到寿部件的使用年限。航空发动机涡轮工作叶片、导向叶片、扩压器、燃烧室机匣、涡轮盘等热端部件,多为镍基、钴基高温合金。在高温下长期工作,这些合金中的相会发生变化,强化相会聚集长大,有害相会沉淀析出,在高温和应力作用下甚至会出现微缺陷,导致材料的高温拉伸性能、持久性能下降。当性能下降过多时,构件存在失效