大推力发动机高温隔热屏设计及优化研究

以卫星用大推力发动机高温隔热屏为研究对象,根据传热机理建立了其瞬态传热模型。对不同边界温度条件下高温隔热屏的瞬态传热过程进行数值仿真,且经对比,仿真计算出的隔热屏温度值与试验结果吻合良好,验证了模型的准确性和适用性。利用该模型设计了某卫星高温隔热屏,并分析了隔热屏覆盖层发射率、反射屏发射率、比热容等对隔热屏瞬态隔热性能的影响。研究结果为隔热屏的设计和优化提供了依据。     

纳米铝燃料研究进展

纳米铝代替传统微米铝作为固体火箭推进剂的金属燃料,有助于提高推进剂的燃速、比冲和降低特征信号等。综述了纳米铝燃料合成、活性保持、高温氧化反应机理和在含能材料体系中的分散性能等方面的研究进展,分析了关键技术的发展趋势。最后,给出了下一阶段纳米铝燃料的研究建议:探索各向异性纳米铝燃料合成途径,丰富纳米铝燃料类别;在不降低铝燃料能量的前提下,进行修饰、包覆,提高纳米铝燃料活性;弄清不同反应速率下纳米铝燃料氧化反应过程,明晰纳米铝燃料氧化反应机理;重视铝燃料在含能材料中的分散技术、表征手段,揭示分散状况对燃烧稳定性的影响规律。     

未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向

根据发动机材料基本服役环境的特点,提出将先进的结构概念与材料概念、发动机的先进性、可靠性与材料组织和缺陷的可控性与稳定性结合起来开展材料研究的论点。从使用温度、高温比强、抗氧化性、韧性、导热性与加工性方面分析了传统材料与新材料体系的特点,并针对我国航空发动机材料中存在的问题,提出了若干建议。     

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiC_f/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明：纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1 960~1 987 MPa;纤维偏轴角度再增大时（＞2°）,材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1 870 MPa降至1 797 MPa。纤维偏轴角度较小时（≤2°）,平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时（＞2°）,部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiC_f/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时（≤2°）,裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时（＞2°）,“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。     

增材制造600℃高温钛合金研究进展

先进航空发动机高压压气机550～600℃环境使用的关键/重要件对600℃高温钛合金提出迫切需求。但是,难成形的复杂构件以及梯度/复合结构与功能一体化构件等的制造,采用传统铸造、锻造等工艺技术难以满足需求和研发要求。增材制造是先进制造技术的典型代表,拥有材料设计-制造一体化、复杂设计-定制一体化等独特优势,为600℃高温钛合金新材料/新技术研发提供了新的途径。目前国内外已开始关注通过增材制造的方式制备600℃高温钛合金,重点研究材料-工艺-组织-性能的关系。本文首先简要回顾600℃高温钛合金研究,其次重点介绍不同增材制造工艺下600℃高温钛合金沉积态和后处理态的微观组织特点;在综合性能研究方面,列举并分析拉伸性能、蠕变性能、热疲劳性能和抗氧化性能等关键性能;在复杂设计/复合结构章节,论述以600℃高温钛合金为基体的复合材料和梯度结构增材制造的研究进展。最后,对增材制造600℃高温钛合金材料开发、复合工艺探索、缺陷控制和性能评价标准建立等研究方向进行展望。     

超声高温熔体处理对Mg-Gd-Y-Zr合金晶粒及力学性能的影响

探究超声处理温度、超声处理时间及超声功率密度对Mg-Gd-Y-Zr合金晶粒和力学性能的影响。结果表明:超声高温熔体处理可有效细化Mg-Gd-Y-Zr合金晶粒,提高其力学性能;在660~750 ℃范围内,随着处理温度的升高,合金晶粒尺寸逐渐增大;相较于未处理合金,处理温度在750 ℃时,合金晶粒的细化效果更为显著。当超声功率密度为0~2.31 W/cm³或处理时间为0~90 s时,随着超声功率密度的提高或处理时间的增加,合金晶粒尺寸先减小后增大,转折点分别为1.29 W/cm³和60 s。合金的力学性能与其晶粒尺寸基本对应,合金的晶粒尺寸越小,其抗拉强度和伸长率越高。当处理温度为750 ℃、超声功率密度为1.29 W/cm³、处理时间为60 s时,与未处理的合金相比,合金晶粒尺寸减小53%,其抗拉强度和伸长率分别提高了31%和79%。     

非零变位弧齿锥齿轮的切齿设计与分析

借助于局部综合法,研究了非零变位弧齿锥齿轮的切齿设计。通过变位系数的选择,改善了齿面结构,提高了弧齿锥齿轮的承载能力;由局部综合法,利用二阶接触参数的可预控性,从而优化弧齿锥齿轮的啮合性能。从分圆型变位齿轮与Gleason轮坯计算所得齿轮之间的比较可以看出,由于节锥不变,轮坯外形尺寸不变,通过变位,齿根厚度增加,且在相同的大轮负荷力矩下,变位齿轮的最大拉伸应力、最大压缩应力和最大接触应力明显降低。      

高温加速寿命试验加速因子研究及工程应用

本文介绍一种应用阿伦尼斯(Arrhenius)模型开展高温加速寿命试验时,获得寿命加速因子的试验和工程计算方法。应用此工程方法可以低成本快速获取塑料、橡胶、复合材料等高分子材料的活化能,进而得到其高温加速寿命试验加速因子,为阿伦尼斯模型的工程应用提供理论及试验解决方案。     

高温结构激光扫描模态测试的降噪与参数识别

针对高温结构激光扫描模态测试中存在的噪声问题,提出了一种基于模态峰值汉克尔奇异值分解的降噪处理与模态参数识别方法。首先,将测试得到的频率响应函数(Frequency Response Function(FRF))经过FFT逆变换得到对应的时间域脉冲响应函数(Impulse Response Function(IRF)),并通过汉克尔奇异值分解(Hankel Singular Value Decomposition (HSVD)),进一步将脉冲响应函数转化为按能量从大到小顺序排列的一系列分量信号组合;其次,以恢复所有关心的模态峰值为基准,将分量信号从前到后累加,并在所关心的模态峰值完全恢复后,将剩余分量信号当作噪声舍弃掉;该步骤会去除掉信号中包含的大部分噪声,但仍会有一些残余噪声不可避免地被恢复;再次,对步骤二中提取得到的分量信号,采用基于模态峰值频率通带的迭代选取进行二次滤波,以分离出属于模态峰值的分量信号,进而将它们累加为降噪后的IRF信号,并转换至频域以获取降噪后FRF信号;最后,对降噪后的频响函数进行模态辨识以提取模态参数。本方法应用于600度高温环境下一个直板叶片的激光扫描模态测试数据的处理,结果表明频响函数中的噪声被有效滤去,模态参数可准确地提取,显示了方法的有效性和优越性。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。