航空发动机叶片-机匣碰摩试验技术研究综述

转静子碰摩问题是发动机在过渡态时发生振动超标故障的主要原因之一,为了对其进行更为有效地 考核验证与分析,从碰摩实验装置、测试技术及涂层可磨耗试验验证方面阐述了国内外目前的研究现状,并分 析了主要差距。结合发动机真实工况,提出了碰摩试验的发展需求。本文研究对于发展我国军/民用航空发动 机封严涂层适航审定技术具有重要的工程指导意义。     

硅橡胶基防热涂层高温压缩行为

为研究硅橡胶基防热涂层高温下的力学性能,针对两种硅橡胶基防热涂层开展高温压缩试验,对其截面的宏观及微观形貌进行分析,并结合高温下的热失重分析,探讨了其高温压缩强度变化规律及机理。研究结果表明:甲基苯基硅橡胶涂层高温热解温度区间主要为500～650℃,最终质量残余率为67.61%,其高温压缩强度在25～800℃呈增加趋势,由于玻璃小球的软化及树脂基体的热解,导致在400及700℃两个温度点的压缩强度降低,但在800℃由于玻璃小球与涂层中填料、烧蚀产物等发生共融,使涂层力学性能显著增加。甲基乙烯基硅橡胶涂层的高温热解温度区间主要为450～800℃,最终质量残余率为89.95%,由于甲基乙烯基硅橡胶涂层在高温热解后产生的陶瓷相,弥补了树脂裂解所带来的强度下降,因此在25～800℃其高温压缩强度较为稳定,并未产生明显衰减。影响硅橡胶基防热涂层高温力学性能的因素主要包括树脂基体的热解以及填料在高温下发生的物理-化学变化。     

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。     

复合材料表面涂层多级微脉管修复剂输送系统研究

为了实现复合材料表面涂层划痕的多点自修复,研究多级管径的修复剂输送系统。在涂层中分别布置了主管道、次级管道以及末端微纳/多孔结构,构成多级微脉管修复剂输送系统。研究发现三级微脉管输送系统输送修复剂的效果最好,修复剂扩散更为均匀,扩散速度更快;主级管道水平布置更为合理,管道不易堵塞,修复剂输送更流畅,而且将主级管道嵌入基体中,可以减少其对涂层性能的影响。对末级管道结构的进一步研究表明,导流网结构比多孔泡沫镍的输送效果更好。因此,使用将主管道水平嵌入基体,末端微纳结构使用导流网的三级微脉管系统有望应用于复合材料表面涂层划痕的自修复。     

基于单片机和CdS涂层老化探头的装备腐蚀监测系统设计

针对装备对腐蚀状态监测需求,以 MSP320单片机为核心控制器、CdS涂层老化探头为腐蚀状态传感器,设计了一款 4路腐蚀状态监测系统,并用于某型车辆腐蚀状态监测。实验结果表明,该系统能真实监控该型车辆的腐蚀状态,为该车辆的预防性维修提供了重要技术和数据支持。同时,该系统具有安装灵活方便、工作可靠、体积小等优点,具有较高的推广应用价值。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

热障涂层表面裂纹水浸超声检测

为有效检测热障涂层(TBCs)表面裂纹,进行了热障涂层表面裂纹水浸超声检测技术的应用研究。以常用的大气等离子喷涂(APS)热障涂层作为试验材料,采用水浸超声检测回波声程差和C扫描图像对不同深度、宽度和长度的热障涂层表面裂纹进行了表征。结果表明:热障涂层基体材料对热障涂层表面裂纹的检测效果无明显影响;通过优化检测参数和合理选用仪器探头,利用水浸超声方法可实现对热障涂层表面深度为0.1 mm、长度为2 mm裂纹的有效检测;水浸超声检测技术可以获得裂纹的长度、深度参数,是解决热障涂层表面裂纹检测问题的有效方法。      

润滑相尺寸对镍-石墨可磨耗封严涂层性能的影响

采用普通大气等离子喷涂(atmospheric plasma spraying,APS)和高能效超音速等离子喷涂(supersonic atmospheric plasma spraying,SAPS)分别沉积制备镍石墨可磨耗封严涂层,对比研究润滑相尺寸对涂层的力学性能、抗腐蚀性能以及抗冲蚀磨损性能的影响。结果表明:相较于APS涂层,SAPS沉积制备的涂层中石墨润滑相尺寸较小;SAPS涂层的结合强度(22.3±1.4)MPa和表面洛氏硬度(87±0.8)HR15Y比APS涂层分别高出22.5%和20.8%;APS涂层在30°攻角和90°攻角的相对冲蚀速率分别比SAPS涂层高出7%和13%,表明SAPS涂层抗冲蚀性能优于APS涂层;APS涂层和SAPS涂层在250℃的高温醋酸环境中均发生了明显的电化学腐蚀现象,但SAPS涂层的抗腐蚀性能优于APS涂层。     

热障涂层的界面形貌对TGO层生长行为的作用机制

通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物(thermally grown oxides,TGO)层的生长规律分析,研究涂层界面凸起对TGO生长行为的作用机制。结果表明:TGO在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区域;由ANSYS有限元软件应力分析可知,随着界面粗糙度的增加(10μm增至20μm),涂层的界面应力增加(185 MPa增到406 MPa);TGO层的厚度增加(1.6μm增至9.3μm)同样会使界面应力增加(142 MPa增大到574 MPa);此外,在高温氧化过程中,陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力,凹陷区域为压应力;拉应力能够促进TGO层的快速生长,压应力则会抑制TGO的生长速率;在保证涂层有效结合强度的前提下,降低粘接层的表面粗糙度,能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓TGO的生长速率,从而提高热障涂层高温稳定性。     

镍铝涂层晶粒细化与金属氧化物掺杂改性研究

包埋渗铝获得的镍铝涂层是一种最早使用的Al_2O_3膜热生长型高温涂层。自20世纪50年代应用于航空发动机热端部构件的高温防护以来,进一步提高其抗高温氧化性能的机理和技术研究延续至今。基于对合金氧化及Al_2O_3膜热生长机制的理解,提出了晶粒细化与特定金属氧化物掺杂可提升镍铝涂层抗氧化性能的观点,介绍了涂层晶粒细化与金属氧化物弥撒掺杂方法,讨论了这些结构和成分改性影响涂层抗高温氧化性能的关键因素:包括Al_2O_3膜生长速度、亚稳态相向稳态相转变、涂层的黏附性以及涂层与合金基体的互扩散。这些新的研究结果有望为进一步挖掘渗铝涂层的应用潜力、延长其服役寿命提供理论和试验基础。