TiAl合金中的氧扩散及恒温氧化研究现状

TiAl合金由于高比强度和优异的高温力学性能,是一种极具应用潜力的轻质高温结构材料,但存在脆性大、室温塑性差以及800℃以上抗氧化能力不足是其工程应用的最大障碍。本文对TiAl合金的恒温氧化行为、氧扩散以及氧化后力学性能变化规律进行了总结。基于服役环境条件下合金中的氧扩散规律及受控机制,对改善合金高温抗氧化性能的表面处理和合金化研究现状进行了归纳。分析了TiAl合金高温抗氧化行为研究及其控制技术在今后一段时期的发展趋势。     

纳米颗粒增强环氧树脂抗原子氧剥蚀性能机理研究

 为了提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能,将不与原子氧反应的无机纳米二氧化硅颗粒添加到环氧树脂中,并对所制成的纳米复合材料试样进行原子氧效应地面模拟试验,分析了试验前后试样表面形貌、表面成分和表面化学结构的变化规律。结果表明,加入纳米颗粒后,环氧试样的质量损失和剥蚀率出现了明显的下降,抗原子氧剥蚀性能得到了大幅度的提高。同时,试验后的纳米复合材料表面仍然存在一些新的有机结构,它们和纳米二氧化硅颗粒一起,共同阻止原子氧对底层材料的进一步剥蚀。     

原子氧与真空紫外线协同效应对有机涂层的降解作用

为研究真空紫外与原子氧的协同作用,进行了环氧树脂和有机硅树脂的原子氧/真空紫外交互的地面模拟实验,结果表明:在交互作用中,对有机涂层破坏的主导因素是原子氧,真空紫外线起到协同作用,在切断有机高分子材料化学键的同时,为原子氧提供了反应基,加速了原子氧的反应速率.对比真空紫外辐照和原子氧/真空紫外交互实验结果分析中可以发现,有机硅树脂是较好的耐真空紫外辐射和原子氧侵蚀的有机涂层材料.     

地面模拟空间环境下磷酸盐涂层的摩擦学行为

针对有机类固体润滑防护涂层长期暴露在空间环境下涂层表面降解、致密性下降、润滑作用失效等问题,设计开发了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层。通过地面模拟空间综合环境设备系统,分析了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层在长时间紫外、原子氧、高能质子和电子辐照后的结构变化和真空摩擦学性能。结果表明:紫外和高能粒子辐照对改性磷酸盐黏结固体润滑涂层的力学和真空摩擦磨损性能均无影响;原子氧对涂层表面的二硫化钼具有一定的氧化作用,但并未影响涂层的摩擦磨损性能,涂层经过各种辐照后仍然表现出良好的润滑作用。该涂层有望应用于航天飞行器相关运动部件的润滑与防护。     

大推力氢氧发动机高模试验补氧燃烧过程仿真

为了研究液体火箭发动机试验富燃燃气安全处理方法,确保发动机试验过程的安全,通过对未来大推力氢氧发动机高模试验关键参数设计,确定富氢燃气补氧燃烧方案,并在此基础上建立大推力氢氧发动机高模试验富氢燃气补氧燃烧仿真模型,对补氧燃烧过程进行仿真研究,研究补氧流量和液氧喷注角度对燃烧过程及高模系统的影响,以验证补氧燃烧方案的可行性。仿真结果表明补氧补燃方案可以安全处理发动机燃气中的富氢,保证高模试验安全。并且补氧量越大,燃烧长度越小,热防护难度增加;补氧喷注角度增加对氢燃尽长度影响不大,但使设备热防护难度增大。     

基于急速混合管状火焰技术的丙烷富氧燃烧

采用燃料与氧化剂分别切向注入柱形燃烧室的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了丙烷富氧燃烧实验研究,重点分析了火焰结构和燃烧稳定性随氧气摩尔分数xO2的变化规律。丙烷空气实验中,急速混合获得了与预混燃烧相近的均匀稳定层流火焰。以CO2为稀释剂,利用急速混合燃烧分析了不同xO2的火焰特性。结果表明:当xO2≤0.5时,在可燃范围内可获得均匀稳定的管状火焰;xO2=0.6,火焰结构不均匀但仍为稳定层流火焰;xO2增加至0.7时,仅在低当量比下获得了稳定管状火焰,当量比为1.0附近则出现了不稳定燃烧;随着xO2进一步增加,不稳定燃烧范围扩大。实验测量了xO2≤0.4的丙烷可燃界限,相同xO2下N2为稀释剂的可燃范围比CO2的大;且在xO2低至0.125时仍能燃烧,而CO2为稀释剂时此值为0.18。      

利用OH夜气辉反演原子氧数密度时输入参数的不确定度对反演结果的影响

借助OH夜气辉辐射的光化学模式,由OH夜气辉辐射反演中间层-低热层区域的原子氧数密度时,输入参数的不确定性将导致反演得到的原子氧数密度具有不确定性.以在sudden death猝灭模式下通过OH(8-3)振动带体辐射率反演原子氧数密度为例,分别研究了大气参数和OH气辉辐射率的不确定度引起的反演不确定度、化学反应速率常数的不确定度引起的反演不确定度,以及所有输入参数的不确定度共同引起的反演不确定度,找出其不确定度对反演结果影响最大的参数.结果表明,三种反演不确定度均随着高度的升高而增大,温度和体辐射率的不确定度对第一种反演不确定度的贡献最大,反应速率常数b(8)和A(8-3)、的不确定度对第二种反演不确定度的贡献最大.     

高硅氧/酚醛复合材料烧蚀环境下的吸热机理

通过分析高硅氧/酚醛复合材料烧蚀过程中的吸热机制,结合表面烧蚀理论和边界层空气动力学关系,应用质量引射影响系数的半经验公式,建立了烧蚀环境下吸热机理的理论预报方法,并利用氧乙炔焰动态烧蚀实验对该理论预报方法进行了验证。根据烧蚀过程达到稳态时烧蚀材料表面的能量守恒原理,推导了各吸热机理与总吸热量的比重关系,在给定的烧蚀环境工况下,预报了各吸热机理占总吸热量的比重。结果表明,熔融高硅氧纤维的蒸发吸热对总吸热量的贡献最大,所占比重为44.9%,是主要的吸热机制;材料的热容吸热和烧蚀材料向外界环境的热辐射占总吸热量的比重分别为22.3%和20.1%;树脂热解吸热所占比重很小,仅为1.0%,但热解气体引射进入边界层产生热阻塞效应占总吸热量的比重较大,为11.7%。     

深度变推发动机浮动环工作适应性研究

按照我国载人航天登月需求,正在开展多次起动、10%~100%深度变推力80 k N液氧/甲烷发动机关键技术研究。氧涡轮泵作为发动机的核心组件,采用的浮动环密封变工况工作适应性将直接影响到涡轮泵工作的安全性和可靠性。依据发动机系统变推力要求,采用数值计算方法对浮动环密封进行不同推力工况、不同偏心率条件下的浮起力计算,并与一维方法计算的浮起阻力结果进行对比分析,确定全工况范围内一、二级浮动环工作时偏心率介于0.4~0.6之间,浮动环泄漏量约为2.58~39.4 g/s。浮动环在此偏心率范围内工作可靠性高,可以有效地避免浮动环碰磨、崩边,具备大范围变工况工作能力,满足涡轮泵安全性工作和发动机深度变推力工作要求,可以为涡轮泵方案论证及设计提供理论依据。     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。