PS–PVD制备YSZ热障涂层的CMAS腐蚀行为研究

热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件,有效延长了发动机热端部件的服役寿命,成为先进航空发动机必不可少的热防护材料。但在服役过程中一些大气沉积物CMAS加热后变为熔融体吸附在热障涂层表面,并沿着孔隙和裂纹等缺陷渗透至涂层内部,诱导涂层过早失效。采用等离子–物理气相沉积技术（PS–PVD）制备YSZ热障涂层,利用XRD、SEM等表征手段,对不同腐蚀时间的涂层物相成分、微观结构进行了表征。研究结果表明,YSZ涂层在1250℃下经过CMAS腐蚀后发生了相变;随着腐蚀时间的增加,CMAS沉积物会沿着热障涂层类柱状晶间隙渗透至内部,导致涂层结构出现疏松,并且在陶瓷层上部区域出现了类柱状晶断裂现象,涂层宏观表现为部分陶瓷层剥落;腐蚀8 h后陶瓷层部分区域出现了类柱状晶从粘结层上整体剥离;CMAS渗透深度随腐蚀时间的增加不断加大,在腐蚀3 h内其渗透速度相对较快,腐蚀3 h以后其渗透速度会相对变得缓慢。     

不同钇含量氧化锆基热障涂层材料CMAS腐蚀行为研究

系统研究了不同YO_1.5含量掺杂氧化锆基材料(8YSZ、20YSZ、38YSZ、55YSZ)以及纯氧化钇材料(Y₂O₃)在1300℃下的CaO–MgO–Al₂O₃–SiO₂(CMAS)腐蚀行为。结果表明,不同钇含量氧化锆基材料表现出具有显著差异的CMAS腐蚀行为。对于YO_1.5含量较低的8YSZ与20YSZ而言,腐蚀行为由溶解–再析出及晶界腐蚀所主导,前者析出小球颗粒ZrO₂,后者的析出物则是直接沉积在原始ZrO₂表面形成核壳结构;随着YO_1.5含量的增加,腐蚀行为逐渐转变成反应腐蚀,38YSZ以及55YSZ与CMAS熔盐快速反应结晶,形成一层连续致密、含磷灰石相的保护层,能够有效阻挡CMAS熔盐的进一步侵蚀,并且55YSZ所形成的保护层中磷灰石相的体积分数更多,抗CMAS腐蚀能力更佳;纯Y₂O₃样品也能与CMAS熔盐快速反应...     

孔隙对热障涂层微压痕响应影响的数值模拟

微纳米压痕技术是表征陶瓷涂层系统力学性能和弹塑性响应行为的一项重要技术。通过Python二次开发在ABAQUS软件中建立含随机分布的圆形孔隙的热障涂层模型,研究孔隙对大气等离子法（APS）制备的热障涂层的微纳米压痕响应的影响,并在含随机圆形孔隙热障涂层模型的基础上,利用扩展有限元法（XFEM）模拟分析微纳米压痕试验过程中陶瓷层内的裂纹扩展,探究微裂纹和孔隙间的相互影响,以及涂层内裂纹萌生扩展的规律。模拟结果表明,孔隙的存在会在加载和卸载过程中释放一定的应力集中,从而改变涂层应力的分布特征;孔隙的存在会导致裂纹向孔隙的方向偏移扩展,并在一定程度上阻止裂纹扩展。将这些工作与微纳米压痕试验的试验数据联系起来,可以对热障涂层体系的力学性能进行有效预测。     

熔融沉积成型制备致密氮化硅陶瓷

创新地采用基于螺杆挤出和颗粒喂料的熔融沉积模型制备了致密氮化硅陶瓷。研究了喂料的打印性能、脱脂工艺,以及典型的打印缺陷的存在形式。结果表明,氮化硅颗粒喂料具有优异的打印性能,适合打印无支撑的小倾角、薄壁和复杂曲面的部件。本文研究开发的有机黏结剂体系结合溶剂+热两步脱脂工艺在厚截面部件制备中有突出优势,可以实现9 mm厚度的坯体安全脱脂。研究发现FDM的典型工艺缺陷有层间裂隙和路径间孔隙两种。结合气压烧结,制备了抗弯强度(774.5±70) MPa、密度3.25 g/cm³的致密氮化硅陶瓷,并成功制备了形状复杂和维形良好的氮化硅陶瓷零件。     

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层（BC）主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆（TCP）相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。     

TA32钛合金板材的超塑胀形性能研究

通过开展高温气胀成形试验研究了TA32钛合金板材在不同应变路径下的超塑胀形性能。采用4种具有不同短长轴比的椭圆模具实现不同的双拉应变路径,并将试样的轧向和横向分别平行于模具的长轴方向以分析变形各向异性。基于非关联流动准则下的Barlat’89屈服准则以及胀形试样顶点处的应变分量、壁厚和曲率半径,确定了不同应变路径下的等效应力–应变曲线。结果表明,TA32板材的超塑胀形性能具有显著的应变路径依赖性,当应变路径从等双轴拉伸转变为近平面应变时,板材极限胀形高度减小,减薄率和峰值应力增加,延伸率降低,成形性能下降。同时,TA32板材在高温双拉条件下表现出明显的力学性能各向异性。当板材轧向与第一主应变方向平行时,材料具有更低的峰值应力和更高的塑性,表现出更好的成形性。     

颗粒增强钛基复合材料磨削试验与仿真研究

采用单层钎焊CBN砂轮开展了颗粒增强钛基复合材料（PTMCs）磨削试验,对比研究了在磨削TC4钛合金和PTMCs时,磨削用量对磨削力与磨削温度的影响规律,利用有限元仿真研究了PTMCs材料去除演变过程。结果表明,磨削过程中PTMCs的磨削力较TC4增加了15%～30%,磨削温度提高了7%～11%,PTMCs比TC4钛合金更难加工;PTMCs材料去除过程为TC4基体材料的延性去除和Ti C增强颗粒的脆性去除,脆性去除形成了磨削表面孔洞缺陷;当磨削速度从120 m/s降到20 m/s时,磨削表面孔洞缺陷深度由0.8μm增至3.5μm,增加了约3.4倍;提高磨削速度可以降低增强颗粒脆性去除对PTMCs磨削表面孔洞缺陷的影响程度。     

面向BDSBAS电文认证的OTAR播发策略设计

星基增强系统（SBAS）是向用户提供完好性信息的广域增强系统,涉及生命安全领域。为了提高SBAS系统的抗欺骗能力,基于椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）提出面向北斗星基增强系统（BDSBAS）的电文认证设计方案。根据国内商用密码标准椭圆曲线（SM2）算法进行相应参数设计和电文排布方案,并描述了空中密钥更新（OTAR）的电文播发策略。为了进一步对试验方案进行验证,采用蒙特卡罗OTAR仿真器,基于3种播发调度算法进行仿真试验,通过调整权重对不同情况下OTAR电文接收时间进行分析。仿真结果为具体情况下OTAR电文方案播发调度的选择提供了重要参考依据。      

一种基于模糊控制的平稳滑翔再入制导律

针对升力式高超声速飞行器(LHV)再入滑翔过程中的周期性振荡现象,提出了一种基于模糊推理与控制的反馈调节方法以抑制振荡实现平稳滑翔。纵向制导在落点误差预测及指令校正的基础上,在倾侧角外环控制回路增加以高度变化率及空速作为输入的模糊控制器对倾侧角指令进行调节,横侧向制导通过航向角误差走廊约束及倾侧角反转逻辑实现大横程条件下的侧向控制。所提方法不依赖于准平衡滑翔条件(QEGC),同时避免了参数化反馈控制律中的反馈项参数设计问题,具有较强的自适应能力。LHV制导实例仿真表明,所提方法可有效抑制振荡现象,满足终端约束及再入走廊约束,方法的鲁棒性也通过Monte Carlo仿真得到了验证。      

非均匀间距的低副瓣宽带微带阵列天线设计

为降低天线副瓣电平（SLL）和展宽带宽,设计了一款谐振频率为14.25 GHz的16阵元非均匀间距的耦合馈电微带阵列天线。天线采用多层设计,通过在接地板开矩形槽进行耦合馈电,并引入空气层,降低天线Q值,增大带宽。区别于均匀间距阵列天线的激励幅值加权,从阵元间距角度入手,利用差分进化算法降低副瓣电平,构建非均匀间距并联线阵天线。用槽面辐射的能量近似代替阵元接收的能量,观察阵元功率分配情况,并建立馈电网络所有馈线段的数学关系,保证非均匀间距条件下所有阵元为等幅同相激励。测试结果显示,天线在14~14.5 GHz范围内电压驻波比小于2,满足了卫星动中通的带宽要求;工作带宽内增益大于16 dB,副瓣电平低于-16 dB,性能优于均匀间距阵列天线。