增材制造钛铝合金研究进展

钛铝合金具有轻质、高强、耐高温等优异特性,在航空领域,特别是在航空发动机涡轮叶片上具有重要应用价值。然而,钛铝合金的室温脆性大、热变形能力低,使得采用传统的锻造、精密铸造、粉末冶金等技术均难以制造具有复杂形状,特别是具有内部空腔结构的钛铝合金叶片,限制了其性能的进一步提升。增材制造技术能够突破形状的制约,有望发展成为制造钛铝合金复杂结构零部件的新技术。目前,应用于钛铝合金的增材制造技术主要有电子束选区熔化、选区激光熔化和激光金属沉积。本文调研了增材制造钛铝合金领域2010~2020年的文献,对上述3类增材制造技术的原理和特性、所使用合金粉末的特性、打印构件的相组成、组织形貌和热处理工艺、宏观和微观力学性能及其在航空领域的应用等研究进行了对比分析和评述,并对增材制造钛铝合金发展中所存在的问题及下一步研发重点进行了总结和探讨。     

PW 1000G发动机率先使用铝合金风扇叶片

<正>PW和Alcoa公司于2014年8月称,PW1000G系列齿轮传动涡扇发动机的风扇叶片,主要由铝合金材料制成,成为业界的首例。这2家公司刚宣布签约了1个为期10年,耗资11亿美元研发"发动机关键部件"的合同,其中包括铝合金风扇叶片的研发。用于庞巴迪公司C系列客机的PW1500G发动机于2013年     

航空发动机压气机整流导向叶片裂纹故障分析

针对航空发动机中LD2CS铝合金压气机整流导向叶片裂纹故障,根据导向叶片结构设计特征,采用故障部位切片检测、裂纹宏微观形貌观察、振动模态计算、加工工艺优化等方法对其进行故障分析及研究,确定导向叶片产生裂纹的性质及原因,并提出相应的预防措施。     

诱导轮形状对汽蚀特性的影响

作者通过对两个叶片的平板螺旋形诱导叶轮的汽蚀特性和叶轮内空泡发展进行了测试和可视化观察, 发现随着吸入压力的降低, 两个叶片上原来同样发展的空泡之间有时会失去平衡, 出现一个叶片的空泡急剧缩小, 而另一个叶片空泡随之增大, 这种交错叶片空泡现象, 并有可能导致扬程的急速下降。在此基础上, 作者进一步对叶片数, 叶片长度不同的 4种诱导叶轮进行了测试, 弄清了叶轮几何形状对上述现象发生和汽蚀性能的影响, 并对其原因作了初步的探讨。      

铝合金在低温下的力学性能

阐述了铝合金在低温下的力学性能随温度的变化规律：在低温下拉伸性能提高、韧性改善、疲劳强度增加,且介质不同铝合金表现出不同的力学性能。并分析了这些力学性能变化规律的机理,同时对在极低温下某些铝合金锯齿变形的现象、特征、形成机理以及对力学性能的影响作了分析说明。     

叶轮机叶片颤振系列转子的设计与流体诱发振动的实验研究

 本文介绍了叶轮机“叶片颤振系列转子”的设计情况和试验过程中出现的多种流体诱发振动现象。介绍了测试方法,并着重对叶片失速颤振现象进行了分析。     

阳极化对航空铝合金疲劳性能的影响

采用S-N曲线研究硫酸阳极化、铬酸阳极化和硼酸硫酸阳极化对航空铝合金疲劳极限的影响.结果表明,对包铝的铝合金,不同阳极化试样的疲劳极限差别很小,对于铝合金基材,硫酸阳极化明显降低材料的疲劳极限,铬酸阳极化使材料的疲劳极限下降,而硼酸-硫酸阳极化不降低材料的疲劳极限.并对造成上述现象的原因进行了讨论.     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

某型钛铝合金航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验

以某型钛铝合金航空发动机叶片为研究对象,针对该型叶片高温高周振动疲劳实验时遇到的高温疲劳应力监测、高频激励等问题进行了实验方法研究。采用闭环控制最大应力的方法解决了高温疲劳应力的监测,通过夹具放大设计实现了高频激励,利用辐射加热和电磁振动台完成了温度载荷和振动载荷的综合施加。运用所述的高温高周振动疲劳实验方法,对该型叶片进行了寿命实验。实验的高温疲劳应力控制精度优于±2%,得到该型叶片可靠度为50%的中值疲劳极限是444 MPa,并有效获得了其寿命曲线。该实验方法适合航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验,并可为其他航空发动机零部件高温高周疲劳实验提供参考。     

TiAl合金低循环疲劳行为与寿命预测模型

通过400 ℃和750 ℃下的单轴应变控制低循环疲劳（LCF）试验获取了一种TiAl合金循环变形行为和低循环疲劳寿命。合金在应变循环载荷下具有较稳定的循环特性,未出现明显的循环软化或循环硬化现象。Ramberg-Osgood方程能够较好地描述合金的循环应力-应变关系,疲劳寿命与总应变幅值近似呈对数线性关系。材料在750 ℃条件下呈现韧性断裂特征,在400 ℃条件下材料脆性特征较为明显。试件失效以层状组织跨层断裂为主,且层间断裂现象都随应变幅的增加而大幅减少,值得注意的是材料在750 ℃时氧化速度明显加快。与Manson-Coffin模型相比较,Cruse-Meyer模型尽管数学形式更简单,材料常数更少,但对具有低温度高应力的叶片榫头部位的寿命预测精度不高,不宜直接用于钛铝合金叶片寿命预测。      

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

铝合金机箱PVF涂敷工艺优化及耐蚀性分析

针对铝合金产品化学转化膜表面在进行高温涂料聚氟乙烯(PVF)涂装时,出现流挂、露底现象,以及涂装后在仓储过程中,漆膜出现气泡、开裂现象;或在温度、潮湿交变试验后出现起泡、起白粉现象,结合涂料的成膜过程和铝合金化学转化膜高温脱水的机理,进行了试验和研究,确定了化学转化膜在涂装前未进行烘烤脱去分子结合水是产生问题的主要原因;并找到了工艺优化的方案,并对其它类似性质材料的涂装,提出了提高产品漆膜质量的建议。     

不等栅距整流器对工作叶片振动的影响

 本文介绍燃气涡轮发动机压气机装有两种不等栅距整流器结构时的工作叶片动应力试验,并分析了它们对工作叶片振动的影响。 叶片动测结果表明,与等栅距整流器相比,笫一种结构平均振动应力下降30.8％,第二种结构下降42％。与此同时,还出现了一些较为复杂的振动现象,如共振转速数目大大增加,第一种结构的振动信号皆呈拍振现象等等。 在分析中,对这两种结构的尾流激振力用富氏级数展开,得到的激振力频谱与试验结果完全符合;还研究了工作叶片强迫振动方程的解,用它阐明了试验中出现的叶片动态响应和拍振等现象。     

微小整体叶轮五轴联动微细铣削加工试验研究

微小整体叶轮作为微型发动机的重要组成部分,其加工质量直接影响微型发动机的使用性能。针对微小整体式复杂叶轮流道狭窄、叶片扭曲大和长厚比大等特点,开展了微小复杂扭曲整体式叶轮五轴联动微细铣削加工方法研究。针对微小叶轮加工过程极易发生变形、过切和碰撞干涉等问题,对微小叶轮的加工过程进行工艺规划,建立了微小叶轮流道加工刀具选择的约束方程,计算出叶轮加工刀具的最大理论直径。通过CAM软件对叶轮进行切削仿真,验证了刀具选择和工艺规划的正确性。通过五轴联动微细铣削试验,得到了具有6个直径10mm的叶片、叶片最小厚度0.15mm、叶片最小相邻间距0.58mm的7075铝合金微小整体叶轮。     

推进剂贮箱用2A14铝合金接头应力腐蚀性能研究

为了研究推进剂贮箱用2A14铝合金接头介质相容性,分析了铝合金的应力腐蚀机理,以2A14-T6铝合金本体、搅拌摩擦焊(FSW)接头和变极性氩弧焊(VPTIG)接头为研究对象,通过慢应变速率拉伸法进行应力腐蚀试验研究。结果表明,2A14铝合金在3.5%NaCl溶液中存在应力腐蚀现象,FSW接头的抗腐蚀性能优于VPTIG接头。。     

基于耦合传输的薄壁铝铸件充型参数

根据传热学和流体动力学原理，对调压充填的耦合传输现象进行了理论分析，提出了铝合金薄壁铸件工艺参数的计算方法，并给出了应用实例。     

含有失谐特征的叶片-转盘-转轴转子系统动态特性

采用有限元法建立了叶片、叶片-转盘及叶片-转盘-转轴动力学模型,在结构谐调和失谐情况下,分析了不同类别的模型动力学特性,给出了不同模型的振型分布图和频率分布图.通过对比研究发现:对于叶片的特性计算考虑转盘和考虑转轴有着非常大的区别,一些模型出现严重的频率分裂和振型耦合现象.另外,由于失谐会造成叶片-转盘及叶片-转盘-转轴模型的不同类型的叶片耦合振动,也出现了振动频率的分离和集中现象,甚至导致系统模态的丢失和局部振动情况,结构失谐最终导致模态频率更为连续,这为叶片转子系统的设计带来一定困难.     

基于MATLAB的叶片参数辨识

航奎压气机叶片数量多,叶片尺寸陂化现象严重,叶片技术质量要求十分严格,叶片的形状和结构复杂,对测得叶片数据的处理是叶片型面检测的一个重要内容,是判别叶片是否可用的前提和基础,为了检测叶片是否合格,叶片参数的提取工作是必不可少的.     

含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性分析

某型轴流式压气机性能试验过程中出现转子叶片裂纹故障.结合该型压气机结构特点,分析了振动响应的时域信号、频域信号以及高频成分出现的频率波动现象,总结了含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性.分析结果显示:含裂纹叶片的整体叶盘使得轴流压气机振动响应呈现非线性特性;振动频谱中出现共振峰分离现象,表明叶片裂纹引起轴流压气机1级转子叶盘出现结构失谐;随转速升高,两个共振峰对应频率均出现波动现象(波动周期分别约为8s和9.2s),叶片裂纹不断扩展且数量增加,整体叶盘失谐程度不断加深,整体叶盘系统出现低阶模态局部化现象.      

开发铝合金硬质阳极化膜层新用途

为了满足国防及民用工业对铝合金硬质阳极化膜层的特殊要求:如绝缘性、耐热性和耐腐蚀性等,经过工艺试验,弄清了温度、合金元素,阳极电流密度等因素对膜层的影响规律。温度下降,膜层耐磨性增强,但纯铝在6～11℃时膜层硬度更高;合金元素越多,氧化越困难,膜层薄而多孔,硬度低耐磨性和耐蚀性差;摸索出最佳阳极电流密度为2～5A/cm~2,并总结出一套铝合金硬质阳极化工艺。用上述新工艺处理蜗轮叶片