研究风沙环境下钢结构涂层的侵蚀机理

随着我国钢结构技术的稳步发展,钢结构在建筑上的应用越来越广泛。但由于钢结构容易锈蚀的特点,其防锈保护环节也就显得尤为重要。在钢结构表面进行涂层对钢结构建筑的防锈防腐,以及维护钢结构的强度和使用都有非常好的效果。本文将研究涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理。     

挟沙风作用下风力机叶片涂层冲蚀特性研究

内蒙古中西部地区高频出现沙尘暴活动,风力机叶片涂层长期被挟沙风冲蚀磨损,导致风力机叶片涂层出现冲蚀坑和裂纹,缩短风力机叶片寿命。针对这一问题,利用自制的挟沙风试验台,采用气流挟沙喷射法对以环氧玻璃纤维板为基底的风力机叶片涂层进行低角度加速冲蚀磨损试验,用失重测量法测定冲蚀磨损量与冲蚀速度的关系,用扫描电镜(SEM)观测分析涂层表面的冲蚀形貌来确定冲蚀机理,并提出涂层冲蚀磨损程度的评价计算公式。结果表明:涂层的冲蚀磨损量随着冲蚀速度的增大而增加;低角度冲蚀以微切削冲蚀磨损作用为主,材料的硬度起着决定性作用,高角度冲蚀主要以挤压变形冲蚀磨损为主,材料的韧性起决定性因素,由于聚氨酯涂层材料是塑性材料,其韧性高而硬度低,故在低冲蚀角下冲蚀磨损量大;验证了评价计算公式用于评价涂层冲蚀磨损程度的可靠性,为运行在风沙环境下的风力机叶片涂层的改进提供理论依据。     

涂层疲劳损伤声发射特征参数及损伤机理

使用超音速等离子喷涂设备在1045钢基体上制备了铁基合金涂层。以球盘式接触疲劳试验机为平台,研究了涂层接触疲劳损伤过程中声发射特征参数的变化规律,并分析了涂层的接触疲劳损伤机理。结果表明,在转速为2500r/min和应力水平为1.58GPa实验条件下,点蚀是涂层的主要失效形式,表现为在涂层磨痕轨迹范围内出现大量的点蚀坑,点蚀坑深度为20～30μm。涂层表面粗糙的微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损,以及涂层、磨粒、滚动轴承三者形成三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因。声发射幅值、有效值(Root Mean Square,RMS)、能量、计数和平均频率对涂层表面粗糙微凸体去除、弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定扩展和失稳扩展过程比较敏感,并且在不同的疲劳损伤阶段具有不同的信号反馈特点。     

盐冻条件下水泥砂浆受风沙冲蚀磨损性能及损伤机制

通过气流挟沙喷射法对水泥砂浆进行了复合盐-冻融循环后气-固两相流冲蚀磨损试验研究。基于SEM、激光共聚焦显微镜（LSCM）和XRD,观测了水泥砂浆试件冲蚀磨损后表面微观形貌,分析了盐冻前后其表面化学成分,探究其冲蚀损伤机制。结果表明：相同冲蚀试验条件下,水泥砂浆试件冲蚀率随冲蚀角度的增加而增大,在高冲蚀角下的增长趋势较为缓慢;冲蚀率随复合盐-冻融循环次数的增加出现先减小后增大的趋势,在冻融10次时冲蚀率最小;同等条件下,8%浓度下的冲蚀率均大于10%浓度下的冲蚀率。冲蚀损伤过程中动能法向分量起决定性作用,明显特征表现为冲蚀坑和微破坏区的出现。复合盐-冻融循环对冲蚀磨损性能的影响主要体现在两个方面：物理方面,表现为降温过程中溶液过饱和晶体析出以及冰胀压和渗透压对内部孔隙的作用;化学方面,溶液中的阴离子与水泥砂浆发生化学反应,生成钙矾石和石膏晶体填充在水泥砂浆内部,提高了其致密性,但后期晶体压力的增大会促进裂缝的产生,对水泥砂浆抗冲蚀磨损能力产生不利影响。     

粗糙度对热障涂层冲蚀失效的影响及模型建立

采用气体喷砂试验机研究了大气等离子喷涂(APS) ZrO₂-7%Y₂O₃(7YSZ)热障涂层的冲蚀失效机理, 分析了陶瓷层表面粗糙度对热障涂层冲蚀磨损率及失效行为的影响, 研究了基于多孔层状的热障涂层在常温高速粒子90°攻角下的冲蚀失效特征, 探讨了多孔层状结构对涂层冲蚀失效演变机制的作用, 此外, 建立了基于粗糙度的冲蚀失效数学模型。研究结果表明: 冲蚀磨损率与陶瓷层表面粗糙度呈线性递增关系; 涂层在高速粒子冲蚀下多孔层状结构加剧了涂层的冲蚀失效; 涂层表面在粒子冲蚀下承受着非均匀、非连续的压-压脉动循环载荷, 在微凸粗糙表面承载着正应力和切应力的相互作用; 正应力迫使涂层出现凹坑, 切应力易导致涂层出现沟槽, 并同时以原喷涂态表面网状裂纹为策源地诱发裂纹在粒子晶界和层间界面萌生扩展导致涂层产生粒子和片状剥落, 最终涂层显示出典型的磨粒磨损和低周疲劳失效形式。     

玻璃材料在气固两相流作用下的冲蚀损伤机理研究

为探究玻璃材料的抗冲蚀磨损性能,采用气流挟沙喷射法对钢化玻璃、浮法玻璃及有机玻璃进行冲蚀磨损试验,分析不同冲蚀参数(冲蚀速度、冲蚀角度和冲蚀时间)下3种玻璃的冲蚀规律及损伤机理。结果表明:钢化玻璃与浮法玻璃的冲蚀率随冲蚀速度与冲蚀角度的增加而增大,有机玻璃的冲蚀率则随冲蚀速度的增加而增加,随冲蚀角度的增加先增加后减小,最大冲蚀率出现在45°;钢化玻璃与浮法玻璃的冲蚀率随冲蚀时间的增加依次出现上升阶段、下降阶段和稳态阶段,而有机玻璃的冲蚀率随冲蚀时间的增加缓慢增加并很快趋于稳定;相同条件下浮法玻璃冲蚀率大于其他2种玻璃;低角度时钢化玻璃与浮法玻璃的质量损失主要由切削作用引起,高角度时由裂纹叠加引起,发生脆性断裂;有机玻璃的损伤在整个过程主要由切削作用引起。     

热障涂层服役温度测试与隔热机理

热障涂层(TBC)被用于航空发动机涡轮叶片表面的热防护,主要由粘结层和陶瓷层组成,准确测量陶瓷层表面与粘结层/陶瓷层界面温度分布对指导涂层高隔热结构设计与制备具有重要意义。现有非接触式与接触式测温技术可测量表面温度,接触式测温技术可测量界面温度。主要介绍了3种用于测量航空发动机涡轮叶片表面温度的技术,其中,适用于TBC表面测温的包括以光学原理为主的红外辐射、荧光、晶体、光纤测温技术;以热致变原理为主的示温漆测温技术;适用于TBC界面测温的以热电原理为主的填埋式热电偶、薄膜热电偶测温技术,并介绍了其测温的原理、优势和局限性。进一步对TBC隔热机理及性能优化进行了介绍,并对TBC表/界面测温技术及涂层结构设计方向进行了展望。     

覆冰导线舞动作用下输电塔破坏机理的试验研究

以某型号转角耐张塔为研究对象,基于模型相似理论,设计制作了覆冰导线模型和弹性边界条件下的大比例输电塔节段模型,并根据覆冰导线舞动特征,研制了用于模拟导线舞动的动力加载装置。同时,结合实际线路舞动时的特征参数,于试验室条件下进行了覆冰塔线体系舞动事故的反演,并根据试验测得的构件动应力幅值,计算了输电塔构件在导线舞动作用下的疲劳寿命。研究结果表明：该输电塔在导线舞动作用下的失效并非由构件承载力不足和疲劳损伤而造成的,其原因在于构件连接螺栓在导线舞动产生的大幅动张力作用下发生松动,使部分构件的内力重分配,导致某些杆件受力过大而发生破坏,从而引发了输电塔的失稳甚至倒塌。     

二元复合结构聚合物涂层的减阻机理研究

对二元复合结构聚合物涂层阻力特性与形貌特征参数之间的关系进行了实验研究,并采用计算流体力学方法对形貌效应作用下形貌壁面的阻力特性进行了数值模拟,在此基础上讨论了聚合物涂层的减阻机理。结果表明,一阶形貌特征长度以及二阶形貌分布密度对聚合物涂层的减阻性能有显著影响;在来流条件下,聚合物涂层在二元复合结构表面形貌效应作用下,近壁面流场出现涡结构和流动分离现象,导致相应区域内的流场发生漩涡空化,促使二阶凹坑内驻留的微气泡生长形成气膜,在固/液界面间构建出气相结构,以气/液剪切代替固/液剪切实现界面效应减阻,有效降低了形貌壁面的摩擦阻力。     

P7412陶瓷涂层的制备与腐蚀机理的研究

利用等离子喷涂技术制备NiCr作为粘接层的P7412陶瓷涂层。采用失重法研究了P7412涂层在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率。采用SEM观察涂层腐蚀前后的表面形貌,并用动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)技术研究涂层腐蚀过程中的电化学特征。根据陶瓷涂层的特殊结构,建立等效电路图并进行拟合分析,同时结合涂层的失重曲线研究涂层的腐蚀机理。失重曲线显示陶瓷涂层质量在3.5%NaCl溶液中出现周期性增减变化。电化学研究结果表明,基体表面腐蚀钝化膜以及腐蚀产物等都会影响涂层失重。氧化膜的生长与溶解以及腐蚀二次产物的积累共同导致了涂层质量出现增减交替的变化。     

热障涂层的研究进展与发展趋势

热障涂层一般由金属粘结层和具有低热导率的陶瓷顶层组成,应用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,提高发动机的效率.综述了热障涂层的成分选择、制备方法及等离子喷涂和电子束物理气相沉积2种热障涂层的典型结构,分析了热障涂层的剥落失效机理,并简单介绍了热障涂层的寿命预测模型和隔热特性的研究.     

基于小波变换的大型输电铁塔损伤位置识别

利用空间域信息进行小波变换的结构损伤位置识别方法。采用双正交小波bior6.8对结构的位移曲线进行一个尺度的小波分解,精确地识别了等截面和渐变截面悬臂梁的损伤位置,验证了空间域信息小波变换方法对结构损伤位置识别的有效性。针对土木工程结构的复杂性、输入不完备性等特点,提出了利用环境激励下的结构振动曲线进行小波变换的结构损伤位置识别方法,并将该方法应用于大型输电铁塔的损伤位置识别。结果表明,该方法能有效地识别沿高度刚度均匀分布或渐变的高耸格构式塔架的损伤位置,但对存在刚度突变的塔架,则无法有效地识别刚度突变处的损伤。     

利用微米划痕研究TiN涂层的失效机理

利用微米划痕仪和扫描电子显微镜,研究了TiN涂层的失效过程,分析了摩擦系数波动的机理,并评估了涂层的断裂韧性。结果表明:低载荷阶段,TiN涂层发生剪切滑移,划痕轨迹边缘出现了由反向V形裂纹到平行裂纹,再到正向V形裂纹的裂纹形式转变;随着法向载荷的增大,TiN涂层发生阶梯式剥落。摩擦系数的波动主要由于表面形貌和涂层失效的影响,不同的加载方式,摩擦系数有一定差别。采用微米划痕可以较准确地测试TiN涂层的断裂韧性,与压痕断裂法和有限元模拟法的测试结果相吻合。     

高速滚动轴承力学特性建模与损伤机理分析

滚动轴承广泛应用于航空发动机转子、高速数控机床主轴、高速列车轮对等高速旋转机械系统中,其力学特性和运行状态对整个转子系统的精度、可靠性及寿命等具有重要的影响。当转子-轴承系统在高速旋转时,所产生的离心惯性力和陀螺力矩,使轴承负荷增加,高速旋转的轴承内圈还将发生径向离心膨胀变形;另外,随着运行时间的增长,工作温度将升高,转子、轴承等部件会发生热变形。在离心惯性力和工作温升的综合作用下,轴承结构元件的几何位置关系会发生改变,从而改变轴承的刚度、应力、应变等动态特性。本文考虑了旋转内圈离心膨胀和热膨胀变形对轴承内部几何位移的影响,对Jones提出的轴承模型进行改进,建立了一种高速滚动轴承力学模型,可以预测滚动体与内圈、外圈之间的接触角、接触变形以及接触载荷等参数,并计算轴承刚度。在该轴承力学模型的基础上,研究了静载荷、动态载荷及高转速等工况下滚动轴承内部接触载荷、接触位置的变化规律,并基于材料疲劳失效理论对轴承的损伤机理和早期损伤部位进行了分析,为高速滚动轴承的损伤识别和故障诊断提供理论依据。     

富铝CMAS对稀土硅酸盐环境障涂层的腐蚀行为与机制研究

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)有望应用于新一代高推重比航空发动机热端部件,但是服役条件下的熔盐腐蚀成为限制其应用的瓶颈。CMAS组分和稀土硅酸盐的晶体结构等因素对其腐蚀行为产生显著影响。本工作以不同晶型的稀土硅酸盐涂层材料为研究对象,采用大气等离子喷涂技术制备X1-Gd₂SiO₅、X²-RE₂SiO₅(RE=Y,Er)涂层,并研究其在富Al₂O₃的CMAS熔盐环境(1400℃)的腐蚀行为与机制。结果表明,X²-RE₂SiO₅(RE=Y,Er)涂层耐蚀性能优于X1-Gd₂SiO₅涂层,这与涂层材料的物相组成和晶体结构的稳定性等因素有关。经CMAS腐蚀25 h后,X1-Gd₂SiO₅涂层表面仅生成磷灰石相;X²-RE₂SiO₅     

水机过流件护面弹性涂层的粒子流冲击溃裂与磨蚀研究（修改稿）

采用刚性球面与弹性体斜冲击接触模型,考虑法向与切向面力的耦合作用,分析了粒子冲击过程中弹性涂层表面的接触动应力。结果表明,弹性涂层表面接触区拉应力是导致磨蚀急剧增加的主要因素;同时指出,高速粒子流冲击可导致弹性体内应力波不能及时传播从而发生表面溃裂。根据分析结论,对应不同的冲击角,计算出弹性涂层应用的极限射流速度约为39-69m/s,与冲蚀实验结果相差10%左右。     

等离子喷涂铁基涂层的接触疲劳失效机理研究

对超音速等离子喷涂铁基涂层的接触疲劳失效机理进行了研究.使用球盘式接触疲劳试验机进行了涂层的接触疲劳实验,并通过对失效试样表面形貌的观察,总结出了涂层三种典型的失效形式,即点蚀、剥落和分层.分别研究了三种失效形式的相应的失效机理,结果表明:点蚀失效是由粗糙的表面引起的;剥落失效是由于表层与次表层的微观缺陷引起的;而分层失效则由涂层内部的剪切应力机制决定.     

水平与摇摆地震动作用下大跨越输电塔体系的反应分析

本文首先根据弹性波动理论给出了推算地震动转动分量的方法。然后对沈阳地区跨越浑河的60kv线路的输电塔进行了研究,建立了在水平与摇摆地震动联合作用下输电塔—电缆体系的振动方程;采用作者编制的TCCV90数值积分计算机程序对塔—缆体系进行了地震反应分析,得到了一些有意义的结果。     

双硅酸镱环境障涂层的高温水氧腐蚀机理研究

陶瓷基复合材料构件在航空发动机燃气环境中面临严重的水氧腐蚀退化问题,在构件表面采用环境障涂层进行热防护是提高陶瓷基复合材料部件的高温性能、延长其使用寿命的有效措施。环境障涂层的高温稳定性对部件的结构完整性具有重要影响。为了探明环境障涂层在高温下的水氧腐蚀失效行为和机理,针对大气等离子喷涂(APS)Yb₂Si₂O₇/莫来石/硅体系的环境障涂层系统,开展了其在1 350℃、90%(体积分数)H₂O-10%O₂水/氧蒸汽环境中的静态高温水氧腐蚀试验,采用XRD、SEM、EDS等材料表征分析手段,研究涂层在高温静态水氧腐蚀环境中的失效行为,获得EBCs涂层微观结构及物相在腐蚀过程中的演变规律,揭示EBCs涂层的失效机理。结果表明：表面的Yb₂Si₂O₇与环境中的氧化剂(主要为水)反应生成挥发性物质Si(OH)₄,导致Yb₂Si₂O₇被...     

基于声发射技术的Si-Cr-Ti高温抗氧化涂层弯曲失效机理研究

本研究借助声发射技术对铌基高温抗氧化涂层在常温下的弯曲失效过程进行了研究。利用k均值聚类方法对信号进行了分类,结合截面扫描电镜观测结果确定高温抗氧化涂层在弯曲载荷下的信号分别对应基体变形、表面垂直裂纹、滑动型界面裂纹和张开型界面裂纹,通过快速傅里叶变换得到了各类信号的主频分别为100、310、590和450 kHz,借助小波分析得到了各信号的小波能量系数。涂层弯曲失效过程主要包括四个阶段,分别为受拉侧表面垂直裂纹萌生的初始损伤阶段、表面垂直裂纹增殖阶段、两侧界面裂纹快速扩展的损伤积累阶段和受压侧涂层明显剥落的宏观剥落阶段。