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。     

激光辅助局部电化学沉积的试验研究

在局部电化学沉积加工体系中引入纳秒脉冲激光,利用激光辐照和局部电化学沉积的方法对铜进行三维微结构的沉积试验。分析了激光的热力效应对局部电化学沉积的作用机理。构建了激光辅助局部电化学沉积的试验系统,进行了沉积试验,并利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和X射线能量色散色谱仪对电沉积体进行了检测。试验结果表明激光辅助局部电化学沉积相较于普通的局部电化学沉积,定域性好。随着激光能量的增加,沉积体的高宽比增加,定域性提高。同时,激光还可以减少阴极杂质的吸附,提高沉积体的纯度。     

测压导管内颗粒沉积的机理及抑制方法

针对固体火箭发动机测压导管内二相流动开展了数值分析,揭示了测压导管末端压强滞后现象的内在机理。在此基础上,提出了抑制方案,并开展了实验研究。结果表明,凝聚相颗粒在导管内壁面发生沉积形成的沉积物,可能会导致导管内燃气流通发生壅塞现象。这是引发导管末端压强滞后的主要原因,沉积物的形成主要发生在发动机点火上升阶段。基于流-固分离原理提出的抑制方案,通过有效减小进入导管内颗粒的质量,可解决测压导管末端压强的滞后问题。     

电子束熔丝沉积快速制造成型技术与组织特征

利用电子束熔丝沉积快速制造技术制备了TC4钛合金薄壁结构和实体结构试样,分析了成型技术特点,探讨了组织形貌特征及形成机制。研究表明:对于薄壁结构,采用合理的工艺参数,获得的熔积层的宽度为7.4mm,层高为1.5mm;结构纵截面的组织形貌特征是原始β柱状晶与沉积高度方向大约成15°角,较为粗大,宽3～5mm,单个柱状晶贯穿几层到十几层熔积层不等。对于实体结构,熔积间距为4.7mm时得到的试样表面较为平整,熔积高度基本一致;试样纵截面可观察到明显的层带,而原始β柱状晶垂直向上生长。     

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。     

激光熔化沉积TA15+Ti_2AlNb合金的组织与力学性能

将TA15和Ti_2AlNb合金粉末以不同比例预混,采用激光熔化沉积工艺,制备出40%TA15+60%Ti_2AlNb,50%TA15+50%Ti_2AlNb,60%TA15+40%Ti_2AlNb(质量分数)3种比例的合金薄壁,分析了薄壁的成分、组织及力学性能。结果表明:3种沉积薄壁的成分分布均匀,合金由α相、α2相及β/B2相组成,针状α相和α2相呈网篮状分布在初生β/B2晶粒内部;3种合金的抗拉强度分别为1108 MPa,1071 MPa,1105 MPa,断裂伸长率分别为3.0%,2.2%,3.8%;拉伸断口可见沿α2相撕裂产生的撕裂棱,断裂方式均为准解理断裂。     

基于电化学沉积的高深宽比无源MEMS惯性开关的研制

基于电化学沉积技术在金属基底上制作了一种新型的无源MEMS惯性开关。针对高深宽比、细线宽微电铸用光刻胶模具制作过程中,由于SU-8胶膜严重侧蚀导致的胶膜制作困难、质量低下的问题,进行了紫外光刻试验研究。试验研究了不同曝光剂量和后烘时间对SU-8胶光刻效果的影响,优化了光刻工艺参数。采用降低曝光剂量和延长后烘时间相结合的方法解决了高深宽比、细线宽SU-8胶膜制作困难的问题,制作出高质量的微电铸用光刻胶模具。最后,在上述试验结果基础上制作了一种高深宽比、无源MEMS惯性开关。其外形尺寸为3935μm×3935μm×234μm,其中最细线宽12μm,单层最大深宽比达10∶1,多层最大深宽比达20∶1。     

油焦浆发动机排气中的颗粒物特性分析

运用扫描电子显微镜、X射线能谱仪和热重分析仪对油焦浆和0#柴油燃烧产生的颗粒物样品以及制备油焦浆用的石油焦颗粒样品进行了检测和分析.研究结果表明:油焦浆燃烧产生的颗粒物排列稀疏,柴油燃烧产生的颗粒物互相粘结,排列紧密.油焦浆燃烧产生的颗粒物尺寸比石油焦颗粒稍大,比柴油燃烧产生的颗粒物稍小.油焦浆燃烧产生的颗粒物表面C,O和S 3种主要元素含量与柴油燃烧产生的颗粒物表面3种主要元素含量比较接近,但C和S元素含量比石油焦颗粒低,O元素含量比石油焦颗粒高.油焦浆燃烧产生的颗粒物挥发分含量比石油焦颗粒多,但比柴油燃烧产生的颗粒物少;固定碳含量比石油焦颗粒少,比柴油燃烧产生的颗粒物多.最后,油焦浆燃烧产生的颗粒物与柴油燃烧产生的颗粒物中固定碳着火和燃尽温度比较接近,但都比石油焦颗粒中固定碳着火和燃尽温度高.      

压力对航空煤油RP-3结焦的影响

实验研究航空煤油RP-3在流动状态下的结焦分布情况,并分析了压力对于氧化结焦的影响.实验中采用恒定热流的方式将流经长2 m的单通道不锈钢管(Ф2.2×0.2,1Cr18N i9Ti)中的航空煤油由127℃加热到427℃,质量流量4 g/s,并利用"称重法"获得RP-3结焦数据.通过改变系统压力3,4,5,6,7MPa,研究了压力对RP-3壁面结焦速率的影响规律.实验结果表明,压力的提高,对管壁的结焦有一定的抑制作用,结焦峰值位置也有沿实验段往下游移动的趋势,不同压力情况下的管壁结焦速率分布曲线的形状大致相当.     

化学气相沉积工艺制备SiC涂层

利用化学气相沉积工艺制备了SiC涂层，对涂层进行了SEM及XRD分析，考察了温度，载气和稀释气体对涂层微观结构的影响；对不同基体进行了对照试验。在1100℃－1300℃沉积时，随着温度的升高，SiC涂层积速度加快，SiC颗粒变大，同时颗粒间的孔隙也变大，涂层的致密度降低，Ar流量相对小时，制备的涂层致密，光滑。以SiCp/SiC作基体时，涂层和基体结合得很牢固，SiC颗粒会向基体中渗透，从而增强了涂层和基体之间的结合力。