脱合金法在TC4钛合金磁粒研磨光整加工中的应用

为解决TC4钛合金表面材料的定量去除问题,提高TC4钛合金磁粒研磨光整加工的效率,采用电化学脱合金法对不同浓度的Na OH溶液进行分析,得出最佳电解液浓度为1.5 mol/L;利用动电位和恒电位极化确定脱合金临界电压为2.1 V。在1.5 mol/L NaOH溶液中,2.1 V电压下进行脱合金试验,TC4钛合金表面获得连续均匀的纳米多孔结构。脱合金3、6、9 h后,工件表面纳米多孔层的维氏硬度分别降低29.4%、39.5%、46.7%。摩擦磨损试验中,磨球穿透纳米多孔层的时间分别为11、21、35 min,纳米多孔层厚度分别达到2.2、3.8和6.2μm。对TC4钛合金和脱合金工件进行磁粒研磨光整加工,研磨加工165 min后,TC4钛合金表面6.2μm厚度的磨痕得到有效去除;研磨加工45 min后,脱合金工件表面6.2μm厚度的纳米多孔层被有效去除,研磨效率提升72.7%。使用脱合金-磁粒研磨复合加工的方法,实现了TC4钛合金表面材料的定量去除,而且降低了表面材料的维氏硬度,提高了磁粒研磨的加工效率。     

磁力研磨工艺提高叶片表面质量的试验研究

目的 提高航空发动机涡轮叶片的服役年限。方法 应用磁力研磨工艺提高涡轮叶片表面质量,包括降低叶片表面粗糙度、去除飞秒激光制孔过程中产生的棱边毛刺以及降低叶片表面残余应力,建立神经网络模型确定最佳工艺参数,在最佳工艺参数下对叶片进行研磨加工。使用JB-8E触针式表面粗糙度测量仪、超景深显微镜和X''Pert Powder残余应力测试分析系统,分别对叶片表面粗糙度、孔口形貌以及叶片表面残余应力进行分析。结果 叶片在最佳工艺参数下完成研磨加工,叶片表面粗糙度从3.08 μm下降到0.19 μm,叶片气膜孔棱边毛刺基本去除,且存在倒圆迹象,研磨后叶片晶格更加致密,受力状态从残余拉应力(324.7 MPa)转变为残余压应力(132.8 MPa)。结论 应用磁力研磨工艺可以有效降低叶片表面粗糙度,去除叶片气膜孔的棱边毛刺,对气膜孔的棱边进行倒圆加工,提高飞秒激光制气膜孔的表面质量,同时还可以将叶片的残余拉应力转化为残余压应力,使得叶片晶格排布更加紧密,在提高叶片强度和耐磨性的同时不会引入新的缺陷,增加叶片的服役寿命。     

供油孔流量数值模拟及其飞秒激光加工工艺优化

航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标,其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主,存在较厚的重铸层,且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法,具有加工效率高、质量好,重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求,采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺,针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段,研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段,之后根据模拟所获得的理论结果,通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现,出入口孔径是决定流量大小最重要的因素,在单脉冲能量140μJ,单层扫描时间1 200 ms,单层进给量0.02 mm,重复频率100 kHz,旋转速度2 400 r/min的工艺下,将孔径偏差控制在±5μm以内,最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。     

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的多相反应制备与抗烧蚀性能

为提高C/C复合材料在2000℃以上有氧环境中的抗氧化烧蚀性能,本研究采用ZrB₂浆料浸渍、ZrC-SiC前驱体浸渍裂解与Si-Zr10共晶合金反应熔渗复合工艺制备了C/C-SiC-ZrB₂-ZrC复合材料,细致研究了复合材料在熔渗过程中的基体微观结构演变机理及其力学性能和抗烧蚀性能。结果表明,在反应熔渗结束后的降温阶段,部分ZrC陶瓷与残余Si熔体通过原位固-液反应转化为ZrSi₂和SiC,生成的亚微米级SiC颗粒均匀镶嵌于ZrC-ZrSi₂二元混合物中,最终形成ZrC-ZrSi₂-SiC三相混合微区。制备的C/C-SiC-ZrB₂-ZrC复合材料密度为3.18 g/cm³,开孔率为2.77%,其弯曲强度和弯曲模量分别为121.46±13.77 MPa和21.78±5.56 GPa。在其断口处能观察到较长且较多的单丝纤维拔出以及明显的界面脱黏,这表明复合材料的失效方式为韧性断裂。经2000℃,300 s的大气等离子体烧蚀,复合材料表...     

飞秒激光加工功率对热障涂层微观组织的影响

针对飞秒激光加工镍基高温合金叶片气膜孔时,功率对气膜孔内壁质量影响的问题进行了研究。利用EBSD表征技术,研究了制备功率为4、10和16 W的气膜孔截面的微观组织结构。结果表明:经飞秒激光处理后,热障涂层气膜边界区域的晶体结构发生明显变化;不同功率的飞秒激光对陶瓷涂层结构的影响范围存在差异,因此制备的气膜孔边界质量也存在较大差异,其中功率为10 W的飞秒激光制备的气膜孔边界质量最佳。本研究结果对于指导飞秒激光加工工艺对材料微观组织影响具有重要意义。     

GH3230高温合金绿光飞秒激光的刻蚀特性

飞秒激光以其超窄脉宽和超高光强等特性被广泛应用于各种金属材料的加工。本课题组采用波长为515 nm的绿光飞秒激光器对GH3230镍基高温合金进行刻蚀试验，研究了GH3230高温合金的绿光飞秒激光刻蚀阈值、刻蚀率和极限刻蚀深度。结果表明：相比于红外飞秒激光，绿光飞秒激光的刻蚀阈值明显降低，刻蚀率显著提高；与红外飞秒激光刻蚀类似，随着刻蚀次数增加，刻蚀深度增大，但当刻蚀次数增加到一定值后，刻蚀深度出现饱和现象；激光能量密度越高，极限刻蚀深度越大；改变扫描策略进行双道刻蚀时，通过增加刻缝宽度可以增大刻蚀深度；激光诱导等离子体是影响刻蚀深度的主要因素。     

飞秒激光加工气膜孔的热障涂层表面残余应力研究

针对飞秒激光打孔后孔周热障涂层残余应力演化问题，采用cosα法对不同飞秒激光工艺制备的气膜冷却孔周围残余应力进行步进式逐点测量，结果表明，喷涂态热障涂层和激光打孔后气膜孔周围的涂层表面应力皆是以淬火应力主导的残余拉应力；不同飞秒激光加工工艺、不同的孔尺寸下，气膜孔周围都存在一个明显的径向残余应力影响区，且在该影响区内残余应力呈线性递减；由于飞秒激光热效应形成的飞溅物的影响，不同工艺制备的气膜孔周围径向残余应力场无明显差别，改变气膜孔直径无法改善这种热效应。     

镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工

飞秒激光平面螺旋钻孔策略在灵活性、精度和工艺效率方面具有许多优势，可满足某型号航天发动机供油喷嘴直通孔的加工精度需求。因此，本研究采用飞秒激光平面螺旋钻孔方式，系统研究了激光功率、单层进给量、单层扫描时间、离焦量以及脉冲重复率之间的作用关系及对钻孔质量的影响。结果表明，离焦量对入口孔径的影响最为明显；对出口孔径和锥度影响较大的参数为功率以及进给量；对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述影响规律进行调整，本实验成功在厚度为1.5 mm的GH3044板材上制备出孔径为390μm的通孔，出口入口孔径误差小于0.6μm、锥度小于0.5°。通过统计不同参数下微孔内壁粗糙度变化规律并以此对参数进行调整，有效地将孔壁粗糙度降低至Sa 0.6μm，满足工艺要求。孔壁形貌分析表明钻孔质量优良，随激光脉冲重复频率增加，孔壁附近组织逐渐粗化，但均无明显重铸层或热影响区，能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。本研究为后续追求高雾化效果的异形孔的制备提供了理论依据。