塞斯纳172飞机发动机机匣脉冲激光清洗工艺研究

针对航空发动机机匣表面除漆需求,采用纳秒脉冲激光开展了塞斯纳172飞机发动机机匣表面漆层的激光清洗研究。通过对机匣除漆区域的表面形貌及粗糙度进行分析,探究了激光能量密度与扫描速度对机匣表面漆层清洗效果的影响规律,确定了机匣激光除漆最佳工艺参数,并对机匣除漆后的表面质量、显微硬度及粗糙度进行综合评估。结果表明,能量密度和扫描速度均显著影响机匣除漆质量,能量密度18.33 J/cm2、扫描速度1600 mm/s时,可实现除漆率98.7%,表面粗糙度Sa为2.48μm,机匣本身未损伤,表面显微硬度提升1.9%,满足机匣表面除漆质量要求。研究结果为发动机机匣激光除漆提供了理论与技术支持。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

ZrC、ZrC-TaC增强石墨基复合材料的超高温氧化行为

利用自建的可控气氛感应加热超高温氧化装置研究了ZrC、ZrC-TaC颗粒增强石墨基复合材料在1900和2100℃下空气及0.2×103Pa的纯氧气中的氧化行为.结果表明,石墨以及颗粒增强石墨基复合材料的径向线度随氧化时间直线减小,在1900和2100℃下的氧化烧蚀速率:石墨为3.4和4.3 mm/s,C-ZrC为1.9和2.4 mm/s,C-ZrC-TaC为1.4和2.0 mm/s.添加增强相后使得石墨在1900和2100℃的空气中氧化540 s后烧蚀速率分别降低了60%和54%.在2100℃下,C-ZrC在0.2×103Pa O2中的氧化速率是其在空气中的2倍多.综合考虑材料的氧化动力学规律以及氧化温度、气氛的总压及氧分压的影响,提出了超高温氧化边界层扩散控制模型.     

高温氧化及颗粒冲蚀对C/C-SiC复合材料使用性能的影响

采用3K斜纹碳布和12K无纬布铺层的针刺预制体,经化学气相渗透法（CVI）及先驱体浸渍裂解法（PIP）最终成型C/C-SiC复合材料,采用长时间氧乙炔烧蚀实验及高速颗粒冲蚀实验进行复合材料长时间抗氧化及抗冲刷性能测试,研究影响其抗烧蚀（冲蚀）行为的主要因素。结果表明：经过600 s氧乙炔烧蚀后,C/C-SiC复合材料发生一定程度的烧蚀,采用无纬布预制体较采用斜纹碳布预制体成型的C/C-SiC复合材料的线烧蚀率、质量烧蚀率、烧蚀深度低;两种材料颗粒冲蚀实验结果一致,试样冲刷面呈现明显的机械冲刷的特征,在短短的10 s内,冲刷坑深度能达到7.21～7.25 mm,材料失效严重;而没有颗粒气流冲刷实验时,材料冲蚀程度显著下降。C/C-SiC复合材料在实际使用过程中一般受到气流压力、粒子冲击及高温氧化的综合作用,粒子冲击引起的机械剥蚀比长时间高温氧化产生的热化学烧蚀对C/C-SiC复合材料的失效影响更大,直接影响材料的使用性能。     

纳秒激光脉冲宽度对2024铝合金损伤特性的影响

飞机激光除漆对2024铝合金蒙皮可能造成潜在的损伤,需探究激光参数变化对基体材料表面的作用规律,其中脉冲宽度对激光-材料作用与材料损伤特性具有重要影响。本文采用COMSOL Multiphysics软件模拟分析了不同脉冲宽度时激光作用铝合金表面的温升特性,并借鉴ISO 11254 1-on-1激光损伤阈值测试方法研究了脉冲宽度对铝合金损伤阈值的影响,进一步分析了不同脉冲宽度下的烧蚀凹坑微观形貌、直径与深度变化规律。结果表明：铝合金表面峰值温度随脉冲宽度增加而降低;脉冲宽度从150 ns增加到240和330 ns时,铝合金损伤阈值从9.96 J/cm²分别增加到11.24和12.66 J/cm²,当激光能量密度达到损伤阈值时,3μm厚氧化膜被完全损伤,破坏了铝合金表面完整性;烧蚀凹坑直径和深度随脉冲宽度增加而增加,深度受影响程度更大。该研究可为激光与材料作用的脉冲宽度选择提供一定的参考。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

单颗金刚石磨粒划擦多晶烧结碳化硅陶瓷试验研究

为了研究多晶烧结碳化硅陶瓷材料去除机理,利用自行搭建的单颗金刚石磨粒划擦试验平台划擦无压固相烧结碳化硅陶瓷,在线观察单颗金刚石磨粒划擦多晶烧结碳化硅陶瓷成屑过程,同时采集和分析切削力,然后用光学显微镜观察划痕形貌。试验结果表明,烧结碳化硅陶瓷切屑形态有带状和崩碎状2种,成屑过程可分为带状切屑形成阶段、带状切屑堆积阶段以及切屑崩碎阶段;当切削速度v=0.01mm/s时,切向和法向切削力在t=16s时出现显著的拐点,而v=0.04mm/s时,仅仅法向力出现拐点(t=12.5s),由于在拐点之后切屑呈崩碎状,法向力发生显著的波动;在塑性去除阶段,划痕表面仍存在微小鱼鳞状裂纹,在脆性去除阶段,随着未变形切厚增加,断裂凹坑由间断区域转变成连续区域,直至断裂面扩展至非划痕区域。     

高体积分数SiCp/Al激光诱导氧化辅助铣削研究

为了解决高体积分数的SiC_p/Al复合材料在常规切削加工中存在切削力大、刀具磨损快、表面完整性差等问题。本文针对高体积分数SiC_p/Al材料开展激光诱导氧化辅助铣削技术研究，通过激光辐照铣削区域形成易于去除的疏松氧化层提高切削性能，同时开展氧化层调控策略及激光诱导氧化辅助下的铣削参数优化工艺研究，研究不同激光能量密度、辅助气体对氧化层质量的影响及铣削参数优化。结果表明随激光能量密度的增大热影响区宽度和烧蚀沟槽深度随之增加，在氧气辅助下易形成疏松且易于去除氧化层。选取较高的激光能量密度可获得较好的氧化效果，而使用PCD金刚石铣刀，主轴转速为10 000 r/min，在每齿进给量为7.5 μm /s可获得最佳表面质量。     

EPDM/CR并用橡胶绝热层性能研究

不同种类的橡胶并用是提高制品性能的有效途径之一。通过在三元乙丙橡胶（EPDM）中混入部分氯丁橡胶（CR），研究了并用橡胶绝热层性能的影响规律。结果表明，在EPDM橡胶中并用适量CR橡胶可以改善其性能。当EPDM/CR并用橡胶中CR用量不大于30份时，并用橡胶的硫化特性、耐热性能和拉伸力学性能可以得到明显改善，而并用橡胶的玻璃化转变温度、制备工艺等基本特性并不会发生本质改变；此外，烧蚀试验结果表明，CR橡胶的混入增加了基材烧蚀后在芳纶纤维表面的沉积量，有利于提高绝热层的耐烧蚀性能；应用结果表明，EPDM/CR并用橡胶绝热层的拉伸强度和烧蚀性能优于单一EPDM橡胶绝热层。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

钛合金低温脉冲微弧阳极氧化技术

为了防止钛合金与其它活泼金属接触时发生电偶腐蚀，防止粘结，提高其表面硬度，减少摩擦磨损而提出了脉冲微弧阳极氧化工艺。微弧阳极氧化在L(含硫化合物)、T(含磷化合物)及若干添加剂的混合电解液中进行。由脉冲电源供电。高压、高热的微弧使零件表面发生等离子体放电现象，形成2-15μm致密的、高绝缘的氧化膜层。它有抗腐蚀、防粘结的功能；同时，钛合金的表面硬度得到大幅度提高。     

激光冲击波对单晶合金抗热腐蚀性能的影响

针对镍基单晶高温合金叶片服役时受高温腐蚀工作环境影响极易疲劳断裂问题,研究了不同激光冲击次数下激光冲击强化对单晶合金抗热腐蚀性能的影响。利用显微硬度仪测量激光冲击前后合金纵截面的显微硬度;借助扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察和分析腐蚀层表面及纵截面的微观组织,并结合X射线衍射仪（XRD）确定腐蚀层表面相结构。实验结果表明：经激光冲击强化后,合金表面显微硬度和截面硬度影响层深度均随激光冲击次数的增加而增大;在短时热腐蚀实验中,当激光冲击次数增加到1次、2次、3次后,合金腐蚀最大单位面积增重量分别从未冲击合金的2.87 mg·cm^-2降低到2.17、1.81、1.10 mg·cm^-2,腐蚀层深度分别从91μm降低到65、41、27μm,且表面腐蚀坑的尺寸、深度和数量明显下降,保护性氧化膜致密性得到提高。所得结果表明激光冲击强化能有效提高900℃/75%Na₂SO₄-25%NaCl盐膜条件下单晶合金的抗热腐蚀性能。     

KrF激光对高速飞片的驱动特性研究

利用诱导空间非相干技术平滑的KrF准分子（248nm）激光驱动带有烧蚀层的平面靶，研究激光空间均匀性对产生完整飞片的影响，结果表明激光不均匀性在2％以下，能够产生完整的高速飞片，且完整飞片能够维持20ns以上不破裂；当激光不均匀性达到5％，激光引入流体力学不稳定性种子应很强，冲击波在靶内输运过程中不稳定性不断发展增强，到靶背时强到足以使飞片解体甚至气化，不能产生完整的飞片。为了获得尽可能高的飞片速度，采用激光与烧蚀层参数不匹配方法，使冲击波对飞片作多次加速。利用功率密度为1012 W/cm2的KrF激光与含50μm Kapton烧蚀层的5μm铝飞片作用，得到速度约10km/s的高速飞片，与模拟结果吻合得很好。     

稀土镁合金铸件表面微观缺陷形成机理及修复技术

VW63Z稀土镁合金铸件表面微观缺陷经过荧光检测的结果表现为“条状荧光”现象，当该缺陷出现在铸件非加工面时，由于无法经过机械加工去除将直接导致铸件报废。本文探究了铸件表面缺陷的微观组织及其形成机理，结果表明微观缺陷主要成分为稀土氧化物的双层氧化膜，其中部分存在夹杂物；金属液汇流导致表面微观缺陷更易形成。应用激光熔凝技术对铸件表面微观缺陷进行处理，当平顶激光束输出功率为800 W时，重熔层组织呈树枝晶形貌特征，晶粒细小并与基体结合良好，重熔层深度约为915 μm，控制铸件热影响范围的同时基本可以修复铸件表面缺陷，原缺陷位置荧光检测未见条纹状缺陷。     

AFRP激光-铣削组合加工及其工艺参数优化研究

针对芳纶纤维增强复合材料（AFRP）加工中极易出现抽丝拉毛、烧蚀等问题，提出采用激光-铣削组合加工的工艺方法对AFRP进行试验研究，优化AFRP激光-铣削组合加工工艺参数。试验表明：与铣削加工相比，激光-铣削组合加工的切削温度更低，切削力以及毛刺因子更小，且在加工中切削力波动幅度小，铣削平稳；AFRP激光-铣削组合加工中的最佳激光工艺参数为：激光功率P=20 W，扫描速度v=3 mm/s，脉冲宽度L_f=60 ns，重复频率f=50 kHz；最佳铣削工艺参数为：主轴转速n=2 000 r/min，进给速度v_f=105 mm/min，切削深度a_p=0.5 mm。     

基于流固耦合的激波/边界层干扰作用下壁板颤振特性

为了解激波/边界层干扰作用下壁板气动弹性及其对流动分离的影响，采用自主开发的双向流固耦合求解器，对不同激波冲击位置下壁板的振动响应和流动特性进行了数值模拟研究。壁板几何非线性运动方程采用有限差分法求解，基于有限体积法求解Navier-Stokes方程组，对流通量采用MUSCL和AUSMPW+格式离散，双向流固耦合采用交错迭代算法。研究结果表明：激波/边界层干扰作用下壁板振动位移先增大后减小，经若干振荡周期后达到稳定颤振状态，呈现二阶振动模态，壁板变形相对于激波冲击位置呈现非对称性，壁板前部分的振幅始终小于壁板后部分；激波冲击位置可显著改变壁板的颤振振幅、频率及分离区长度，当激波冲击位置靠近壁板两端时，壁板振动最终收敛达到静稳定状态；壁板振动响应与流场特征不随激波冲击位置的改变而单调变化，对于激波冲击位置x/a=0.35工况，壁板颤振可有效抑制激波/边界层干扰流动分离。     

大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析

为了研究大型运输类飞机坠撞特性及失效模式，发展机身框段结构有限元建模及坠撞仿真技术，首先设计加工三框两段全尺寸机身框段试验件(含2套三联座椅和4个FAA混Ⅲ假人)；其次通过开展坠撞试验获得其坠撞变形及响应特性；最后建立经试验验证的机身框段有限元模型，并进一步评估其撞击不同地面(混凝土地面和软土地面)时的响应特性。结果表明，在6.02 m/s坠撞速度下，客舱地板上部区域基本保持完整，客舱地板下部区域发生了较大变形与破坏，产生3处塑性铰；货舱地板横梁一侧在其与机身框连接处发生断裂，导致同侧的客舱地板峰值加速度明显大于另一侧，最大峰值加速度和撞击力分别为427.7 m/s²和290.8 kN。有限元模型能够准确模拟客舱地板下部的3处塑性铰、货舱地板横梁与机身框连接处的失效情况等，且在速度、加速度等方面与试验结果吻合较好，仿真结果表明机身框是主要的吸能部件，占总吸能量的40.7%；当机身框段撞击不同地面时，由于软土地面发生变形并吸收了部分冲击能量，导致机身变形模式发生改变，并降低了传递给乘员的峰值加速度。     

氧弹法测量硼粉燃烧热值的方法学研究

硼是一种高能固体燃料，其燃烧热值的准确测定十分重要。用甲醇-水混合溶剂洗脱去除硼粉表面的氧化物，然后用氢氧化钠溶液滴定洗脱液中硼酸含量，计算得到500nm原始硼粉表面氧化层平均厚度为1.8～5.5nm,40nm原始硼粉表面氧化层平均厚度0.5～1.6nm，采用氧弹法测定了500nm和40nm原始硼粉及其去除氧化物后的燃烧热值，通过滴定法分析燃烧产物中硼酸含量，换算得到实际燃烧的单质硼质量，从而计算出单质硼燃烧热值。实验结果表明，500nm原始硼粉及其去除氧化物后燃烧得到的单质硼平均燃烧热值分别为55.2±0.8kJ·g^-1和55.4±1.2kJ·g^-1，两者非常接近，且落在文献值范围内；40nm原始硼粉及其去除氧化物后燃烧得到的单质硼平均燃烧热值分别为53.3±0.9kJ·g^-1和51.6±0.9kJ·g^-1，略低于文献值。为了准确测量单质硼的燃烧热值，宜选择颗粒尺寸较大(如500nm)的硼粉样品。在上述厚度范围内，氧化层对500nm原始硼粉或40nm原始硼粉的燃烧效率均无影响。当硼颗粒的尺寸为40...     

闪烧恒流保持时间对MgO-Y2O3复相陶瓷力学性能的影响

随着红外技术的应用和发展，红外窗口材料需要具备更高的性能。MgO-Y₂O₃复相陶瓷相比单一相Y₂O₃陶瓷具有更好的力学性能和更高的抗热冲击品质因子，同时兼具良好的光学透过性。但传统的烧结技术均需在高温高压下才能完成，这不利于通过获得细小的晶粒来提高性能。而闪烧具有烧结温度低，烧结速度快，保温时间短等特点，所获得的材料晶粒更加细小，性能更好。将闪烧用于制备MgO-Y₂O₃复相陶瓷，其性能有望得到进一步提高。实验结果表明：闪烧4到9s后，功率密度维持在700mW/mm³左右；随着恒流保持时间的增加，相对密度、维氏硬度逐渐增加，平均晶粒尺寸先减小后增大，断裂韧性先增加后减小。当恒流保持时间为62s时，相对密度和维氏硬度均达到最大值，分别为94.13%和7.87GPa;当恒流保持时间为25s时，晶粒尺寸达到最小值0.39μm,断裂韧性达到最大值1.99MPa·m^1/2。     

陀螺电机转子动平衡激光精密去重技术

陀螺电机转子动平衡采用的人工打孔去重存在效率低、去重精度低、金属碎屑残留等问题，严重制约了陀螺的生产效率和精度。而激光去重具有去重精度高、无接触、效率高等优点，在精密去重领域应用前景广泛。采用脉冲光纤激光器对陀螺电机转子动平衡进行了激光精密去重技术研究，探讨了激光频率、振镜扫描速度等参数对去重效果的影响规律，优化了激光去重工艺参数。当激光功率为30W、振镜扫描速度为1000mm/s时，去重盲孔效果最好。针对激光去重盲孔存在残留物问题，提出了激光二次抛光去除残留物的方法，研究了激光功率、振镜扫描速度对残留物去除效果影响规律，优化了激光抛光工艺参数。激光去重盲孔经二次扫描抛光后，盲孔表面残留物去除干净，满足陀螺电机转子的精密去重要求。