用电磁力模拟空间微重力效应制备二元偏晶合金

提出了一种在地面利用电磁场与金属熔体的相互作用来模拟失重效应的方法。探讨了实现准失重环境的可能性,建立了准失重模拟装置。并成功地制备了均匀的Pb-Zn二元偏晶合金样品。实验结果表明,用此方法进行微重效应模拟可消除重力造成的斯托克斯(Stokes)沉积,制备的Pb-Zn二元偏晶合金中的弥散体(Pb)分布均匀,铅粒子的形状主要为微米量级的小球。与我们在我国返回式实验卫星上搭载的Pb-Zn合金样品相比较,其弥散体的分布状况无大的差异,只是前者弥散体尺寸略大于空间样品。然而,用该方法在准失重条件下制备的样品,无论在弥散体大小和均匀程度方面都与地面普通条件下(受重力影响)的样品有本质的区别。     

微重力水电解槽两相热流动与水量分配数值模拟

建立了固体聚合物电解槽单体的三维两相流动模型和电解槽系统供水过程模型，对电解槽的供水、两相流动和温度场特性进行模拟仿真，分析放置方式和微重力环境等因素对其工作性能的影响.电解槽单体的数值模拟结果表明，在微重力条件下或者水平放置时，其内部速度场和温度场都分布均匀.但是采用竖直放置且水平供水方式时，电解生成的氧气在电解槽上部聚集，出现局部缺水现象.对电解槽系统供水过程的数值模拟结果表明，无论在地面还是微重力条件下，电解槽系统的水量分配都是不均匀的.水平放置时，电解槽系统内的电解槽单体进出口水量从底部至顶部先减少后增加；在竖直放置或微重力条件下，水量从其底部至顶部持续增加.      

液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制,但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点,在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究,分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明:微重力下镓的融化过程中,热传导起主导作用;镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%,储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍;融化时间随过热度增加而减小,随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.      

地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真

为了预测航天器低温推进剂在轨工作时受热后的状态变化,采用二维轴对称Volume of Fluid(VOF)气液两相流计算流体力学模型,同时选择Lee提出的气液相变模型.由于模拟试验采用低温液氮贮箱,因此本文采用低温液氮贮箱为数值仿真对象.微重力情况下,贮箱内气枕区的压力和压力上升率均低于地面状况,重力水平越低,压力和压力上升率越小,并且气体形成的气枕区位置和形状因表面张力大小随温度不同而动态变化,液体区间的温差也随重力水平的降低而增大.     

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

抽屉式标准机柜地面通风换热性能的研究

通过抽屉式标准机柜通风换热性能的地面实验研究和数值模拟,分析了在侧进上出和下进上出两种方式下,进风流量、风道通风孔宽度及自然对流对机柜地面通风换热性能的影响。结果表明,在一定范围内增加机柜进气流量和减小通风孔尺寸可改善机柜通风换热性能。此外,对于本文所研究两种进出风口布置方式,在相同的参数状态下,机柜在微重力状态下的通风换热性能优于地面状态或者相当,因此,满足标准机柜地面状态换热要求的设计参数也会满足微重力状态的换热要求。     

基于气浮的卫星挠性旋转帆板物理仿真系统设计

挠性附件运动时产生的弹性振动是影响空间飞行器指向精度和控制性能的主要原因.因此,在地面对控制系统抑制振动的性能进行验证具有重要意义.由于太阳帆板低频且长度较大,在地面构建大范围运动的空间微重力环境,耗资及难度极大.本文提出一种基于等效主轴惯量与挠性频率的卫星挠性旋转帆板挠性模拟器,基于气浮法设计了低摩擦与微重力环境的物理仿真系统,并建立了模拟器的动力学模型,等效模拟了卫星挠性旋转帆板的振动特性,降低了卫星挠性旋转帆板地面微重力运动环境模拟的难度,实现了对其控制算法抑制振动性能的有效及高经济性测试.仿真结果表明,模拟器可以通过简单操作实现参数的平滑改变以模拟不同参数及结构的卫星挠性旋转帆板,且具有与真实太阳帆板一致的振动特性,满足测试要求.      

热冲击作用下钨钒合金的表面开裂及熔化行为

本文研究了机械合金化+热压（HP）烧结制备的钨钒（W-V）合金在热冲击作用下的表面损伤行为。以合金中钒的质量分数作为变量,探究钒质量分数的变化（1%~10%）对钨钒合金抗热冲击性能的影响。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、纳米压痕仪等多种测试方式,分析表征了HP烧结钨钒合金的组织结构特征及其经过热冲击测试后的表面开裂及熔化行为特征。结果表明:在1 800℃、20 MPa的压力条件下保温2 h可以制备出致密度高、合金化程度高的钨钒合金,且随着钒质量分数的增加,合金样品的致密度有所提高;合金样品中钨基体硬度大于富钒相,在高能电子束模拟的国际热核聚变实验堆（ITER）边界局域模（ELMs）热冲击作用下,钨基体对裂纹扩展的阻碍作用明显强于富钒相;随着钒质量分数的升高,合金的开裂阈值和熔化阈值均降低,本文对相关机理进行了讨论。      

镍基合金表面Al-Co共渗涂层制备

利用包埋渗法在镍基高温合金表面成功制备了Al-Co涂层.涂层为单层结构,显示出均匀、致密的特性,涂层主要由AlNi相、AlCo相和Al-Cr间金属化合物组成.涂层中Al和Co的含量明显高于基体中两元素的含量.基体与涂层之间有一层与涂层厚度相当的过渡层,过渡层是由于其内部的Al元素向外扩散导致Cr,W,Mo,Ti等元素析出而形成的.过渡层与基体和涂层之间的结合都较为紧密,达到了冶金结合.      

空间微重力条件下偏晶合金的研究

利用我国首次卫星搭载,进行了偏晶合金Zn—Pb、Al—Pb 的空间微重力下的重熔试验,研究了低于临界温度下Al—Pb 合金重熔过程中的物理规律;在临界温度之上重熔了Zn—Pb 合金,发现了Marangoni 对流对合金凝固过程的影响;在液态烧结条件下制备了均匀的粉末Zn—Pb 合金。在微重力下的研究表明:空间微重力条件对消除由于重力引起的宏观偏折和自然对流十分重要,但在重力消失后,非重力的其它因素的影响又显得格外重要。     

喷涂粉末对Al-Cu-Fe准晶涂层组织结构的影响

准晶材料具有低热导率、低磨擦系数、良好的耐磨性和抗氧化性、高硬度、高温塑性等优异性能,使之适于作为表面防护涂层.为了提高钛合金的抗高温氧化性能和耐磨性能, 采用低压等离子喷涂方法LPPS (Low Pressure Plasma Spraying)在钛合金表面制备了Al-Cu-Fe准晶涂层.通过改变喷涂粉末的成分和粒度大小,研究了喷涂粉末对制备态涂层相结构及微观形貌的影响. 由X-射线衍射XRD(X-Ray Diffraction)、扫描电镜SEM(Scanning Electronic Microscope)分析得出:采用原子比为Al70Cu20Fe10、粒度为-325目的粉末制备的涂层,在800℃下真空退火处理2?h后,结构均匀致密,二十面体准晶相(I相)含量高,并只含有少量的β相.     

变形Mg-Li-Al-Zn合金的组织与性能

根据Mg-Li二元合金相图及Al,Zn元素在合金中的作用,设计了一种新的β基变形镁锂合金(Mg-Li-Al-Zn),用光学显微镜和X射线衍射法对合金锻造、轧制和轧制退火态的组织及合金相进行了分析,结果表明该合金轧制退火态具有比较理想的组织.不同状态合金的拉伸性能表明,轧制退火态下合金具有最高的强度和屈强比,并具有较好的塑性.      

固溶时效处理对高强高韧钛合金显微组织与力学性能的影响

对固溶时效处理后的高强高韧钛合金初生α相的体积分数、尺寸,次生α相的体积分数和α_s/β相界面密度等显微组织特征进行了定量表征和统计分析,探讨了随着固溶温度的变化,高强高韧钛合金显微组织与其力学性能间的相关性.结果表明:在α+β两相区固溶时效处理,随着固溶温度的升高,合金初生α相的体积分数降低,相尺寸先降低后略有升高,次生α相的体积分数升高,α_s/β相界面密度先升高后降低.初生α相的体积分数与伸长率、静力韧度和裂纹形成功正相关,α_s/β相界面密度与合金屈服强度成正相关.      

铝热合成FeNiCr/NiAl-TiC涂层的时效研究

用铝热反应合成工艺在钢管内表面制备出了FeNiCr/NiAl-TiC复合涂层.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)和透射电子显微镜(TEM)等分析手段研究了涂层显微结构以及固溶时效对FeNiCr/NiAl-TiC涂层显微结构的影响.研究表明,FeNiCr/NiAl-TiC复合涂层由TiC,NiAl,α-FeNiCr三相组成,晶粒细小,合金基体由α-FeNiCr和NiAl两相组成,其中NiAl相尺寸约为100nm.经过固溶时效,物相组成不变,TiC形态和尺寸稳定,α-FeNiCr基体中NiAl相的尺寸约为400nm,时效后NiAl和α-FeNiCr仍保持共格关系.      

单向拉伸中TB5钛合金组织转变的原位观察

通过单向拉伸下的视频显微镜原位观察,定量研究了Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(即为TB5)钛合金显微组织在拉伸过程中的演变规律.结果表明:单向拉伸时,该钛合金在弹性阶段组织变化不明显,而在塑性阶段随变形量的增加,组织中滑移带的变化可分为单滑移、多滑移和交滑移3个阶段.在单向拉伸过程中,由于滑移带从单滑移进入到多滑移,发生了几何硬化,导致晶粒变化减缓,滑移带的转动幅度变小.     

超声能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成型的影响

为了探究超声能对铝合金搅拌摩擦焊（FSW）焊缝成型及焊缝缺陷的影响机理，采用数值模拟和试验验证相结合的方法，设计了同等工艺条件下的超声辅助搅拌摩擦焊（UAFSW）与搅拌摩擦焊的流场仿真和试验对比。通过分析2种焊缝横截面上热塑性金属的流动矢量和金相组织，研究了超声能导入后焊缝热塑性金属的流动变化情况。分析结果表明:超声能导入，使铝合金搅拌摩擦焊焊缝内金属的水平绕流方式演变成倾斜绕流方式，并使上下2个独立流场实现交汇统一，而且使焊缝金属最低流速提升近一个数量级，焊缝成型完整度明显增强，焊缝缺陷率大幅降低。      

45CrMoV钢奥氏体化空冷的显微组织分析

利用透射电镜和选区电子衍射研究了45CrMoV钢奥氏体化后空冷及其在不同温度回火的显微组织。结果表明,该钢奥氏体化后空冷得到以下贝氏体为主的混合组织。下贝氏体内的碳化物为ε碳化物和合金渗碳体M_3C,M_3C与基本的晶体取向关系符合Bagaryatskii关系。回火过程中钢的硬度下降和升高分别与ε碳化物的溶解和富钒碳化物M_4C_3的弥散析出有关。     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件,其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命,甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件,轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标,针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件,在滚动轴承摩擦学和动力学基础上,建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组,并采用预估 校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解,对其在有/无重力的工作环境、公 自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明：预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著,预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性,对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N;保持架稳定性受重力影响显著,无重力时自转工况下保持架较稳定;过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大,过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大,存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小,针对本文分析型号的轴承组件,间隙比应控制在0.6~0.8之间.