真空环境下纳秒脉冲激光烧蚀典型材料的推进流场特性分析

为研究纳秒脉冲激光烧蚀典型材料推进流场瞬态流动过程,采用流场显示阴影技术,实现纳秒级时间分辨率、毫米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,解决激光烧蚀推进羽流的时间、空间高分辨率测量难题。对典型金属材料铝和典型聚合物材料的流场特性进行测量分析,并研究激光能量密度对羽流特性的影响。在典型时间尺度上,定性分析激光作用典型材料羽流特征与推进性能之间的关系。由于纳秒激光峰值功率高,当烧蚀金属材料Al时容易形成高温高压的等离子体羽流,等离子体喷射速度超过17km/s,等离子体羽流在百纳秒时间尺度离开靶面,对靶的力的耦合结束;当烧蚀聚合物PMMA和PVC材料时,PVC材料羽流喷射以等离子体和细小颗粒为主,喷射量较大且集中、方向性好,实验测量得到PVC工质真空羽流速度达到1500m/s,因此带来的反喷冲量以及推力都会较高。     

脉冲激光输出模式对介质薄膜损伤的影响

采用单横模(TEM01)和多模横向激励高气压(TEA)脉冲二氧化碳激光器和不同焦距的透镜对10.6μm的增透膜进行了破坏实验,对破坏样品进行了显微分析,研究了不同激光模式和不同焦距透镜对薄膜破坏的影响。实验结果表明,在短焦距透镜聚焦时,相同能量密度的单横模激光脉冲焦距前比焦距后更容易造成薄膜的损伤,破坏阈值相差5 J/cm2;使用长焦距透镜聚焦时,在单模激光脉冲和多模激光脉冲幅照下薄膜的损伤阈值基本相同,但比使用短焦距单模激光测量到的损伤阈值高。     

纳秒脉冲等离子体合成射流特性实验研究

设计了新型的等离子体合成射流激励器,采用实验方法研究了该激励器的放电特性、合成射流强度特性以及时均冲力特性。实验结果表明:存在一个饱和激励频率使合成射流的强度达到最大值,当射流孔径为1mm和1.5mm时,这一饱和频率分别为4k Hz和6k Hz;随着与出口距离的增加,射流的强度呈指数衰减,射流的影响距离约为10mm;在4k Hz下,激励器所产生的时均冲力随着激励频率的增加而近似线性增加,该时均冲力与单位长度介质阻挡放电(SDBD)激励器所产生的体积力处于同一量级(m N),孔径为1.5mm下的时均冲力约为孔径为1 mm时的两倍。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

超声速气流中纳秒脉冲放电特性实验研究

产生超声速导电流体是开展磁流体（MHD）动力技术实验研究的前提,低温超声速条件下产生大体积均匀等离子体有效可行的方法之一是纳秒脉冲介质阻挡放电。介绍了基于马赫数为3吸气式双喉道风洞的超声速纳秒脉冲介质阻挡放电实验系统的基本组成、设计原理和运行情况,分别在静止和马赫数为3超声速条件下对气体电离,测量分析电压和电流波形。得到以下结论：风洞稳定工作时间约为16 s,满足超声速气体放电实验的可靠进行和数据的有效采集;实验条件下,纳秒脉冲介质阻挡放电气体击穿与电场强度值有关,而与电场强度变化率无关;实验条件下,着火电压大小受超声速气流密度波动影响显著,而受气流速度影响较小。另外,气体击穿后的放电状态受超声速气流影响小;气体击穿时刻的电流峰值受着火电压和实验环境中随机自由电子数共同影响。     

霍尔推力器通道宽度对电离特性的影响

为了研究霍尔推力器通道宽度对电离特性的影响,采用以数值模拟为主、实验验证为辅两种手段相结合的方式。所建立的数学模型是基于蒙特卡洛方法的二维完全动力学粒子模型,实验选择了与等离子体无接触的光谱诊断方法。计算和实验两方面的结果都发现随着宽度的增加,电子电离工质气体的速率增加,电离更加有效,而且电离区域变得集中的规律。通过进一步的计算发现,电离特性的明显差异和电子与壁面碰撞频率随宽度增加而减小,电子温度随之升高有着密切关系。电子温度升高一方面会对电离特性起到促进作用,另一方面也会使电离消耗的能量增加。由于稳态时的电子温度是由电子能量平衡机制决定的,因此对电子能量平衡方程进行深入分析之后发现,在研究通道宽度影响电离特性这一物理问题上,电子在壁面上的能量损失是决定电子温度的主导因素,而电离损失仅属于次要因素,宽度增加有利于改善推力器的电离特性。     

倍频激光分离膜的损伤特性研究

从激光分离膜的热损伤原理出发,建立了1064nm波长激光分离膜的损伤方程,并给出了损伤阈值的求解过程,在理论上分析了1064nm波长激光对SiO2薄膜材料的损伤特性;文中运用仿真方法得出激光照射过陧中薄膜内温度场随杂质位置不同的分布曲线。     

激光功率密度对纳秒激光烧蚀冲量耦合影响的数值模拟

为研究激光功率密度对纳秒激光烧蚀冲量耦合影响,建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型。以空间碎片常见材料Al为例,用建立的物理模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀产生的冲量随时间变化情况,数值结果和已有的实验数据符合较好。数值计算表明:辐照的激光功率密度越高,发生等离子体屏蔽时间越早,等离子体屏蔽越明显,能量利用率越低;随着激光功率密度的逐渐增大,获得的冲量逐渐趋于稳定,冲量耦合系数降低,数值计算结果与Phipps的最优能量耦合规律一致。      

纳秒激光对含能聚合物固体薄膜的烧蚀特性研究

含能聚合物是激光烧蚀微推进中一类重要的推进剂,聚叠氮缩水甘油醚(GAP)是其中的典型代表。为了研究含能聚合物固体薄膜在纳秒激光下的烧蚀特性,使用8ns脉宽的Nd:YaG激光器以反射式和透射式烧蚀GAP固体薄膜靶材,对羽流演化过程和烧蚀坑形态进行了研究。结果表明:反射式烧蚀的羽流中喷射产物以气态为主,固态碎片较少,受迫形成锥面喷射,羽流演化速度较快。透射式烧蚀喷射在约束作用下,有大量固态碎片以球面膨胀,约束在羽流演化的早期抑制了喷射速度,但会逐渐碎裂分解释放产物和能量,使喷射前沿再次加速,约束延长了烧蚀区在靶材滞留的时间,使透射式烧蚀的靶材内热传导效应更为显著。在此基础上,以不同激光能量密度透射式烧蚀靶材,研究透射式烧蚀能量沉积区与周围工质的侵蚀和约束关系。结果表明:激光能量密度越大,周围工质受到的侵蚀作用越强,烧蚀坑面积越大,能量沉积区受到的约束作用越弱,透射式烧蚀的羽流演化体现出部分反射式烧蚀的特征。     

减压腔宽度对刷式密封泄漏特性和滞后效应的影响

对减压腔轴向宽度分别为0、04 mm和06 mm的基本型和两种低滞后刷式密封结构进行了静态和动态下压差升降和转子转速升降循环试验,并对其泄漏特性和滞后效应进行了研究。研究结果表明:压差大于02 MPa后,同一压差下的动态泄漏系数比静态降低约14%~20%;低滞后结构的密封性能优于基本型,其泄漏系数最高比基本型降低约20%;静态压差升降循环中,减压腔轴向宽度为06 mm的低滞后结构的滞后效应最强;动态的压差升降循环中,基本型结构的滞后效应最强。转子转速升降循环前后,w为06 mm结构泄漏系数减小约15%,滞后效应最强,减压腔轴向宽度为04 mm结构几乎不存在滞后效应;三种结构中,减压腔轴向宽度为04 mm的结构密封性能最优,滞后效应也最弱。     

铝合金变极性TIG焊工艺参数对焊缝成形的影响

研究了5A06铝合金变极性TIG焊接参数对焊缝成形的影响,研究表明:DCEP半波电流值增大和DCEN半波所占比例的减小一方面会使得清理作用的宽度增大,同时也使得熔宽和熔深都有所增加;阴极清理作用一定的情况下,DCEN半波电流值越大,熔宽和熔深越大;随着频率的增加,熔宽更小,熔深更大.阴极清理作用也与频率有关系,频率越大,阴极清理作用越差.     

脉冲频率对机载设备铝合金微弧氧化膜的影响

选用复合电解液体系和双极性脉冲电源,在脉冲频率分别为 250 Hz、500 Hz和 750 Hz条件下制备出 2024机载摘设备铝合金微弧氧化陶瓷膜。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、涡流涂层测厚仪、粗糙度检测仪、维氏硬度计、附着力测试仪和电化学工作站分别对微弧氧化膜层的微观形貌、元素组成、相结构、厚度、粗糙度、硬度、油漆附着力和耐蚀性进行测试分析。结果表明,膜层元素组成为 Al、O、C、P、Si、W、Na,其中,Al和 O为主要元素,膜层相结构主要组成为 α-Al2O3和 γ-Al2O3,250 Hz时衍射峰最为明显。随着脉冲频率的增加,膜层微观表面的孔洞明显变小且膜层更细腻,膜层的厚度、粗糙度、硬度和油漆附着力都随着频率的增加而减小。电化学测试结果表明,500 Hz时的膜层耐蚀性最好,750 Hz时耐蚀性最差。     

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

AA2024铝合金搅拌摩擦焊接头特性研究

对6 mm厚AA2024-T4铝合金搅拌摩擦焊接头特性进行了研究。通过拉伸试验,得到了应力-应变曲线。用光学显微镜、显微硬度仪以及扫描电镜对焊接接头进行了金相分析、硬度测试以及断口分析。结果表明：试件断裂属于韧性断裂;断裂发生在前进侧热机影响区/热影响区的过渡区;当搅拌头转速为800 r/min,焊接速度为100 mm...     

喷丸对激光辅助成形铝合金样件拉-拉疲劳性能的影响

为了研究激光辅助成形样件的疲劳性能及喷丸处理的作用规律,以2024铝合金板材为对象,对原始、激光辅助成形以及激光辅助成形后再喷丸等样件的微观组织、显微硬度、残余应力和拉-拉疲劳性能进行了对比分析研究.结果表明:激光辅助成形后,样件的组织和微结构未发现明显变化,但其硬度和残余拉应力水平有所下降;喷丸处理的激光辅助成形样件...     

基于改进非零矢量脉宽调制的三相逆变器共模电压抑制方法

三相逆变器的电机驱动系统会产生较大的共模电压,其对电机的危害巨大,传统脉宽调制(PWM)共模电压抑制方法忽略了死区的影响。为使得永磁同步电机三相PWM逆变器输出的共模电压得到有效抑制,在分析传统共模电压抑制方法的基础上,提出了一种基于改进非零矢量调制方法。该方法能较好地消除加入死区时间后逆变器输出的共模电压尖峰。利用仿真软件验证了所提方法的有效性。     

TC32钛合金的动态力学性能及损伤特点

采用分离式霍普金森压杆技术对TC32钛合金片层组织、双态组织、网篮组织试样进行了动态剪切实验,通过光学显微镜、扫描电镜研究了TC32钛合金不同组织的损伤特点。结果表明：片层组织、双态组织、网篮组织的临界应变率分别为2400 s-1,2700 s-1与2600 s-1,与网篮组织和片层组织相比,双态组织具有最优的综合动态力学性能。三种组织均观察到了绝热剪切带,并且绝热剪切破坏都要经过微孔洞的形核、长大与相互联结的过程,微孔洞的萌生与长大优先沿着绝热剪切带与基体的界面位置。片层组织绝热剪切带与基体的界面塑性流变特征不明显,并且在该区域观察到了呈快速扩展特征的长裂纹。双态组织绝热剪切带及与基体界面呈纤维状,周围组织在剧烈剪切力的作用下呈明显的塑性流变特征,等轴状或者椭圆型的初生α相被严重拉长变形,微孔洞也容易在α/β转变基体的界面处形核。网篮组织与双态组织的损伤特点类似,但与片层组织和双态组织不同的是,当网篮组织中具有规则排列的针状α相与绝热剪切带垂直时,微孔洞也容易在该处萌生。绝热剪切带内部组织主要是由细小的等轴晶粒组成,形成机制尚无统一定论。     

空间推进系统铝合金组件激光焊阈值特性

为解决空间推进系统直属组件轻量化需求,对新采用的铝合金材料进行了激光焊阈值特性研究。结果表明,铝合金激光焊阈值区间与焊接速度和离焦量的绝对值正相关,但正向变化幅度远低于不锈钢、镍合金和钛合金等材料。对于光束质量不同的激光焊机来说,光束的焦斑直径越小,实焦焊时阈值区间越低;光束的发散角越小,相同离焦量下阈值区间越低。在-12°～12°内,铝合金激光焊阈值区间与入射角无关。保护气的吹送方向和吹送速度基本不改变铝合金激光焊的阈值区间,此特性与不锈钢等材料略有区别。     

表面涂层破损对7 B04铝合金点蚀的影响及仿真研究

模拟7B04铝合金表面涂层破损,采用电化学试验研究7B04铝合金在不同环境条件下的自腐蚀与点蚀行为,基于电偶腐蚀数学模型,通过有限元法分析7B04铝合金与TA15钛合金接触后发生点蚀的条件。结果表明：7B04铝合金点蚀电位受Cl-浓度和pH值的影响,在NaCl质量分数>10%的中性溶液及NaCl质量分数为3.5%的酸性溶液中,自腐蚀状态下7B04铝合金即可发生点蚀;7B04铝合金与TA15钛合金接触后,电位升高,增加了发生点蚀的可能性,在NaCl质量分数为3.5%的中性溶液中,当阴阳极面积比≥40时,7B04铝合金发生点蚀的萌生并进一步扩展;7B04铝合金电位随阴阳极距离的增大而下降,但幅度有限,在10 m的距离内下降不超过2 mV。