我国深空探测领域防热材料的进展与需求

我国深空探测任务的不断发展对航天器的防热技术提出了更高的要求,而先进的防热材料是防热技术发展的重要支撑。本文主要针对月球探测返回任务和火星探测任务,重点介绍了我国在防热材料领域所取得的研究进展,并对未来以火星与小天体探测返回、火星大气制动、以及近日探测为代表的深空探测任务中防热材料的发展和需求进行了展望。     

高温合金涡轮转子叶片裂纹形成机理

高温合金涡轮转子在经历过多次发动机试车后荧光检查发现叶片根部存在裂纹,对涡轮转子叶片裂纹进行分析。结果表明,涡轮转子叶片裂纹位于叶片根部进出口薄壁区,裂纹的开裂模式为高温疲劳开裂,属于低周疲劳,为寿命型失效。试车过程中转子叶片根部应力集中部位在高温及交变应力的交互作用下,叶尖根部应力集中区域发生蠕变和晶界择优氧化,高温蠕变和沿晶氧化相互促进,导致叶片根部的晶界弱化开裂,形成了疲劳源区,进而在后续工作过程中发生高温疲劳扩展。     

阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响

采用电化学阳极氧化技术在含NH4F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明:由于“卤素效应”,阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜,有效阻止了氧的内扩散,进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000℃氧化100 h后,阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面,阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后,合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升,但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后,表面形成了一层富铝含氟氧化膜,由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物,卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。     

进口流量对无管式减涡器流阻特性影响研究

为分析进口流量对压气机引气系统无管式减涡器压力损失的影响及无管式减涡器减阻效果,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对无管式减涡器开展研究,并与直喷嘴模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,建立了无管式减涡器流阻特性"S"形曲线三分区模型,分析了无管式减涡器各截面间压力损失及其占比随无量纲质量流量变化规律。在计算流量范围内,与直喷嘴模型相比,无管式减涡器平均可降低压气机引气系统压力损失约45.9%。在第二拐点处,共转盘腔内压力损失降低了96.44%,此时无管式减涡器减阻效果最佳,较直喷嘴模型压力损失降低了73.44%。     

TGO非均匀增长对热障涂层应力演化和破坏机理的影响

采用内聚力模型和热生长氧化层(TGO)非均匀增长子程序,数值模拟了在热循环载荷作用下热障涂层(TBC)内部应力演化规律和开裂行为。涂层失效过程首先是源自陶瓷层(TC)内近波峰位置的拉伸和切应力共同主导的陶瓷层Ⅰ、陶瓷层Ⅱ混合型裂纹;随着循环数增加,则转向由TC内近波峰位置的切应力主导的Ⅱ型裂纹和波峰波谷中间的涂层厚度方向拉伸应力主导的Ⅰ型裂纹。整体非均匀增长和波谷均匀增长模式下的最大拉伸应力经过一定循环数后几乎不再随循环数而增加;而在波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大拉伸应力则会随着循环数增加持续增长。整体非均匀增长、波谷非均匀增长模式下,20个循环后最大切应力出现在近波峰位置,分别为-16241 MPa和-15428 MPa;而整体波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大切应力为-11382 MPa和-11198 MPa。对于波谷均匀增长和整体非均匀增长模式,在9个循环后出现界面裂纹。而对于波峰均匀增长和整体非均匀增长模式,在第17个循环出现界面裂纹。     

石墨烯的制备及其在陶瓷基复合材料中的应用

石墨烯以其优异的力学、光学、电学、热学性能和独特的二维结构成为材料领域的研究热点。本文主要介绍了石墨烯特性、石墨烯制备方法及其在陶瓷基复合材料中的应用。其中,其制备方法包括机械剥离法、化学还原法、化学气相沉积法及晶体外延生长法等;石墨烯在陶瓷复合材料中的应用可显著提高其物理性能。     

GH3044合金堵盖高温氧化机理研究

为了研究固体推进剂燃气对GH3044合金堵盖的作用机理,通过光学显微镜、扫描电镜、硬度测试仪等手段对GH3044合金堵盖的孔洞进行测试与分析。结果显示:在氧化性气氛下,GH3044合金出现了沿晶界的择优氧化,形成了楔形裂纹,在热应力及氧化物长大的膨胀应力作用下发生剥落并最终形成喇叭形的烧蚀孔洞;其中,燃气中的金属氧化物(PbO)沿晶界与基体中的Ni发生氧化还原反应,形成低熔点的Pb-Ni共晶,进一步加剧了GH3044合金的高温氧化。     

航天器空间辐射防护材料与防护结构

电子、质子、重离子、光子等空间辐射环境可在航天器材料或元器件中产生单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、位移损伤效应、内带电效应等,因此,需要对航天器进行空间辐射防护。本文首先介绍空间辐射防护原理和防护有效性,进而从材料、分系统(或部组件)、航天器3个不同维度,对质量屏蔽防护材料、静电防护材料、抗辐射功能材料、航天器局部辐射防护结构和整星辐射防护结构进行了探讨,最后对未来发展的方向进行了讨论。     

航天材料工程学内涵及其体系构建

为应对空间特殊服役环境,航天材料研制、保证和使用单位已在材料设计、材料加工、材料评价和材料使用方面开展了大量工作。在此基础上,本文首先对我国航天材料的选型要求进行了分析,接着对航天材料、航天材料飞行试验、空间材料科学、航天材料空间环境适应性等概念进行了辨析,并提出了航天材料工程学的概念,进而对航天材料工程的各个组成部分的关联性进行了阐述。最后,为满足未来空间技术发展需求,在总结和借鉴国内外航天材料工程发展经验的基础上,从规划、研发、试(实)验、评价、选用、数据服务等角度,设计构建了具有航天领域特色的航天材料工程体系。     

铜基等离子体喷涂钨涂层性能

阐述了钨涂层微观结构影响机理以及涂层性能。通过等离子体喷涂工艺参数及微观形貌分析涂层微观结构和参数对涂层性能的影响,工艺参数主要包括喷涂功率、喷涂距离、送粉气量等。结果显示钨涂层是由钨粒子熔融沉积平铺成"圆饼状"或"花瓣状"的单层叠加而成,单层呈现柱状晶微观结构,厚度约10μm、直径约50μm的"圆饼状"单层是状态比较好的涂层结构。钨粒子熔化状态、沉积速率以及喷涂环境决定了熔化粒子的沉积形貌;与大气喷涂相比,真空喷涂钨涂层气孔率低、传热性能和结合性能较好,适合作为面对等离子体材料的制备技术。