镍基高温合金高效成型磨削的研究进展与展望

镍基高温合金因其优异的高温强度、热稳定性和抗疲劳特性,被广泛应用于航空发动机的核心部件,该材料机械加工性差,成型加工更加困难。本文阐述了镍基高温合金高效磨削工艺的研究现状,找出了成型磨削加工应用中存在的瓶颈,并对现有的解决方法加以剖析;提出以确保成型面具有相同单颗磨料切厚为目标优化成型砂轮磨粒排布,并与高效深切磨削工艺(HEDG)相结合的构想,以达到进一步挖掘高效成型磨削技术在航空难加工材料成型加工中潜力之目的。     

Calculation of high-temperature insulation parameters and heat transfer behaviors of multilayer insulation by inverse problems method

In the present paper, a numerical model combining radiation and conduction for porous materials is developed based on the finite volume method. The model can be used to investigate high-temperature thermal insulations which are widely used in metallic thermal protection systems on reusable launch vehicles and high-temperature fuel cells. The effective thermal conductivities（ECTs） which are measured experimentally can hardly be used separately to analyze the heat transfer behaviors of conduction and radiation for high-temperature insulation. By fitting the effective thermal conductivities with experimental data, the equivalent radiation transmittance, absorptivity and reflectivity, as well as a linear function to describe the relationship between temperature and conductivity can be estimated by an inverse problems method. The deviation between the calculated and measured effective thermal conductivities is less than 4%. Using the material parameters so obtained for conduction and radiation, the heat transfer process in multilayer thermal insulation（MTI） is calculated and the deviation between the calculated and the measured transient temperatures at a certain depth in the multilayer thermal insulation is less than 6.5%.     

高温环境下板壳结构局部屈曲理论研究

传统高温板壳结构的热屈曲分析方法,在解决热-机械载荷耦合作用下复杂板壳结构的屈曲问题时存在较大的局限性,合理的局部热屈曲理论分析方法有助于提高板壳热结构设计水平。因此,根据高温板壳的结构特征和力学特征,在"机械载荷等效成局部边界压应力效应"假设前提下,提出了四种典型的应力等效的局部热屈曲模型,基于初始后屈曲渐近分析理论,建立了一套有效的局部热屈曲理论分析方法。采用上述方法,研究了完善和具有初始缺陷板壳的弹性热后屈曲性态,具体分析了带预载的四边简支模型,带预载的四边固支模型,带预载的三边简支、一边自由模型以及带预载的三边固支、一边自由模型,给出了板壳长度尺寸、厚度等参数对热屈曲载荷的影响规律,并将其推广到高阶热屈曲问题中。分析结果表明:板体现为分叉式屈曲,壳体现为跳跃式屈曲;在长宽比一定的情况下,长度越长,屈曲临界载荷越小,厚度越厚,屈曲临界载荷越高。     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

孔挤压对于高温合金GH4169孔结构高温疲劳性能的影响

根据高压压气机盘螺栓孔结构,设计中心孔板材疲劳试样.表征了孔挤压强化后的表面轮廓,分析了在多种交变载荷条件下孔挤压前后试样的疲劳寿命,并进行了断口观察和疲劳过程中孔挤压残余应力的演化分析.结果表明:孔挤压强化减小了孔壁表面粗糙度,并使孔结构在多种高温大应力条件下（825MPa/600℃、825MPa/400℃和663MPa/600℃）的高温疲劳性能提高1～3倍,但疲劳数据分散度略有增大.孔挤压残余应力在最大拉应力为663MPa,温度为600℃,应力比为01条件下20000次疲劳试验中松弛到60%.原始试样的多源疲劳断口主要起源于孔边的加工刀痕,而挤压强化试样断口起源于孔挤压在倒角区域流动金属堆积处,为单源疲劳断口.      

粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征

通过宽载荷水平大子样试验研究了缺陷对粉末冶金镍基高温合金FGH96的疲劳寿命分散性的影响,获得FGH96在宽载荷水平下的疲劳寿命分布特征.通过扫描电镜对疲劳失效断口进行统计分析,揭示缺陷在不同载荷条件下的作用.结果表明:①FGH96中导致疲劳失效的缺陷主要为非金属夹杂;②在高应力水平下（1200,1100MPa）下,导致表面萌生裂纹的夹杂是最差疲劳寿命的主导因素,使得疲劳寿命分散性较大;③在中间应力水平（1000MPa）下,在材料内部萌生裂纹的夹杂并不影响疲劳寿命的分散性;④在低应力水平（900MPa）下,疲劳破坏均萌生于内部,在材料内部夹杂处萌生的裂纹并不影响疲劳寿命的分散性.因此,在高应力水平下的寿命预测需要考虑缺陷信息.      

显著变量识别与高温叶片多学科设计优化方法

针对高温叶片气热多学科优化设计问题中设计变量过多造成的维数灾难问题,提出了基于数据挖掘技术的显著变量识别方法。采用显著变量识别方法剔除了对高温叶片Mark II气热性能影响小的设计变量,使设计变量个数从36个减少为15个。通过耦合共轭换热分析方法、三维叶片及冷却系统参数化方法以及自适应多目标差分进化算法,建立了高温叶片多学科多目标设计优化系统。基于显著变量识别方法获得的设计变量,完成了Mark II型叶片的气热性能多学科设计优化。优化获得了9个Pareto解,典型Pareto解的气热分析结果表明,优化后叶片的气热性能明显优于原始叶片,验证了基于数据挖掘技术的高温叶片多学科设计方法的有效性。     

氩气雾化FGH95合金的热模拟实验

采用Gleeble-1500D热模拟试验机进行氩气雾化FGH95合金的热压缩实验,在不同的温度和应变速率下,获得FGH95合金的变形应力应变曲线,根据变形数据,建立FGH95合金的变形本构方程,并基于动态材料模型,绘制合金的热加工图。计算得到氩气雾化FGH95合金的变形激活能Q=695.78 kJ/mol,通过建立的本构方程计算得出的峰值应力与实验值符合较好,平均误差范围约6%;根据热加工图,确定FGH95合金安全的热加工区域如下：1070~1100℃,0.01~0.001 s-1,当温度增加到1100℃以上后,应变速率可以增大到0.5 s-1。     

镍基高温合金铣削加工的残余应力研究

对硬质合金与陶瓷两类不同刀具分别以低速湿式铣削和高速干铣削方式加工镍基高温合金GH4169时的已加工表面残余应力进行研究.采用X射线衍射法测量铣削后的工件表面残余应力.采用涂层硬质合金刀具在较低铣削速度30～90m/min并浇注切削液的条件下铣削GH4169时,可在工件表面形成残余压应力或相对较小的残余拉应力,对残余应力数据进行统计分析.结果表明,刀具和铣削速度对表面残余应力均有显著影响,而且表面残余应力总体上随着每齿进给量的增加而呈现拉应力增加的趋势.采用涂层Al2O3-SiCw和Sialon陶瓷刀具以较高铣削速度300～1100m/min干铣削GH4169时,工件表面都将形成很大的残余拉应力.镍基高温合金GH4169的精加工更适合采用硬质合金涂层刀具并浇注切削液充分冷却,而陶瓷刀具干铣削则更适合于GH4169的粗加工.     

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。