变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究

采用数值模拟方法分析了来流工况变化对连续旋转爆轰发动机(rotating detonation engine,RDE)工作模态的影响。研究发现,随着进气总压的下降,流量将迅速减小,旋转爆轰波可以首先通过调整波头高度和传播速度来匹配新的工况,维持稳定传播;如果进气总压下降幅度较大,旋转爆轰波只能通过调整流场中波面的数目才能匹配新的工况,此时RDE将发生自适应性的工作模态转换。研究中验证了稳定阶段旋转爆轰波特征参数(波面数目、传播速度以及波头高度)与燃烧室几何尺寸、工况(流量)之间需要满足的近似匹配关系式,用于解释RDE的工作模态转换过程及变化规律。

钛合金水助激光打孔试验研究

为了提高激光打孔的质量,采用水助激光扫描加工方法对钛合金进行激光打孔试验研究,通过响应曲面法设计试验,研究了各加工参数对孔径和孔锥度的影响关系。结果表明,对孔径的影响程度由大到小依次为激光器电流、脉冲频率和水泵电压;对孔锥度的影响程度由大到小依次为脉冲频率、激光器电流和水泵电压。当优选激光器电流33.6818 A、脉冲频率30.6818 kHz、水泵电压12.6818 V时,孔入口直径最小、孔出口直径最大、孔锥度最小。同时,还发现水助激光加工通孔直径大于空气中加工,但孔锥度减小了33.2%。

碳纤维增强复合材料水导激光切割试验研究

采用正交试验方法对影响水导激光切割碳纤维增强复合材料(CFRP)的关键工艺参数进行了深入研究,得出了进给速度、水射流速度、脉冲频率和激光功率对切割CFRP的影响规律,并用直接对比法和极差分析法所得最优参数进行单次划槽切割对比。研究结果表明:在极差分析法所得最优参数下切割CFRP时,切缝深度增大3.2%、切缝宽度减小9.2%、切缝锥度减小11.8%、线粗糙度减小40.2%。通过与干式激光加工方法对比发现,水导激光加工技术在切割CFRP方面优势明显,由于水射流的冲刷和冷却作用,材料切割表面几乎无热影响区和纤维拔出。另外,采用正交试验所得最优工艺参数实现了4 mm厚度CFRP的无锥度切割。

电脉冲复合激光冲击对316L不锈钢摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响

不锈钢具有良好的力学性能,在航空航天、能源开发等领域受到广泛应用,但其硬度低、耐磨性较差。本文利用脉冲电流对316L不锈钢进行处理然后进行激光冲击强化(Electro-pulsing combining laser shock peening,EPLSP),并对比激光冲击强化(Laser shock peening,LSP)进行分析。研究不同工艺对显微硬度、表面形貌、摩擦磨损等特性的影响。LSP和EP-LSP处理后试样的显微硬度比原试样分别提升26.1%和38.3%。在相同的摩擦条件下,LSP和EP-LSP处理后试样的磨损率比原试样减小12.3%和30.0%。原始试样主要为黏着磨损与疲劳磨损,LSP及EP-LSP处理后试样主要为磨粒磨损,EP-LSP试样犁沟细小且深度较浅。EP-LSP试样腐蚀试验中,腐蚀电位超过1.1V电流密度逐渐增大,大于原始试样的0.4 V和LSP试样的0.7 V,表明EP-LSP试样钝化区域最大,耐腐蚀性最好。

基于数字孪生技术的五轴联动坐标转换

针对现有坐标变换公式计算繁琐且容易出错的问题,将数字孪生技术应用到五轴联动设备的坐标变换过程中。在NX软件中搭建了五轴设备的精准零部件模型,并将模型导入Simscape/Multibody模块进行了多刚体物理建模。创建五轴联动设备的数字孪生模型后,开展坐标变换仿真,并运用公式计算验证了仿真模型的正确性。

同步纳秒激光辅助电解加工Ti-6Al-4V钛合金实验研究

针对Ti-6Al-4V钛合金深窄槽等结构的高效、精密、绿色加工难题,本团队利用同步纳秒激光辅助电解钛合金加工方法,综合利用激光加工效率高、局部温升、可直接去除表面钝化层以及电解加工表面质量好等优势,实现了钛合金材料的高效定域去除。研究了关键工艺参数(电解电压、激光功率、进给速度)对钛合金深窄槽加工精度和槽底面粗糙度的影响规律,验证了采用常温钝性盐溶液和较低的电解电压实现钛合金高效精密加工的可行性。研究结果表明:在电解电压为20 V、激光功率为3~5 W、进给速度为1.8 mm/min的参数下,可以实现钛合金的高效率、低表面粗糙度加工。本文提出了激光功率梯度变化(5 W→3 W)的钛合金三维结构高精密加工方法,并采用该方法在Ti-6Al-4V钛合金工件上实现了矩形台和深窄槽三维结构的加工。

激光增材制造CoCrFeNi高熵合金激光抛光工艺研究

激光增材制造技术可实现高熵合金零部件的快速制造,但增材件存在表面质量差、难加工等问题。对此,笔者采用激光抛光工艺来改善CoCrFeNi高熵合金增材件的表面质量。首先通过筛选实验法和单因素实验法,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、离焦量、扫描轨迹和扫描次数等因素对表面粗糙度的影响规律,而后探讨了激光抛光对合金表面元素分布和微观组织的作用机制。结果表明:激光抛光技术可以有效降低增材件的表面粗糙度,离焦量和激光功率对表面质量的影响相对较大,表面粗糙度随着扫描速度、离焦量、扫描次数的增加呈现先减小后增大的趋势;经激光抛光后的高熵合金增材件表面O元素和Cr元素含量显著降低,Co元素、Fe元素及Ni元素含量略有提升,表面粗糙度较初始表面粗糙度降低了约90%;连续激光对增材件表面的作用机制主要是重熔,对表层氧化物的去除机制主要是汽化。

镍基高温合金光束耦合纳秒激光铣削表面成型质量研究

激光铣削具有材料适应性广、激光能量密度可调控以及无机械力等特点,可用于难加工材料镍基高温合金的材料去除加工。本团队采用光束整形的多激光束耦合纳秒激光开展了DZ411镍基高温合金微铣削表面的工艺研究,分析了扫描次数N、扫描速度v、扫描间距s、脉冲频率f以及激光功率P等工艺参数对铣削表面形貌、表面粗糙度、铣削效率以及表面元素分布等的影响机制。结果表明:多光束耦合激光对材料的去除机制主要是汽化与重熔,在加工表面形成了凸起与凹坑等周期性多尺度特征;当N=10、v=100 mm/s、s=25μm、P=15 W、f=10 kHz时,面槽底部的粗糙度R_(a)最大(51.75μm),铣削效率也达到最大值(1.87 mm^(3)/min);随着扫描间距s由15μm增大到35μm或激光功率P由5 W增大到15 W,铣削效率逐渐增大;激光铣削过程中材料发生了复杂的物理化学变化,加工表面的凸起结构中可能包含多种金属氧化物和金属间化合物。本研究工作可以拓展激光加工的工艺类型,为新型激光铣削参数优化提供工艺支撑。

基于双向光斑重叠率调控的耦合激光抛光碳化硅陶瓷的表面质量研究

采用多光束耦合纳秒激光对SiC陶瓷进行抛光试验研究,研究了耦合激光的双向光斑重叠率(δ)和能量密度(ED)对抛光表面质量的影响。使用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪以及拉曼光谱仪等仪器观测表征了SiC陶瓷抛光前后的表面形貌、表面粗糙度、元素分布以及物相变化等。结果表明:随着δ和ED的增加,激光抛光表面出现重铸层,重铸层的拉曼光谱曲线含有Si的特征峰;当耦合激光的δ为75%、ED为4.254 J/cm^(2)、扫描次数为2时,抛光表面粗糙度(Ra)降至0.73μm;当δ和ED过大时,抛光表面易在孔隙附近出现微裂纹,并向周围延伸。

激光冲击强化对AZ31B镁合金表面耐腐蚀行为的影响

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、机械加工性能好、生物相容性良好等优异性能,成为潜在新一代可生物降解骨板材料,但其耐腐蚀性能差,限制其发展。使用激光冲击强化技术(LSP),研究其对镁合金表面耐腐蚀性能的影响。采用激光功率密度为1.35 GW/cm^(2)、2.99 GW/cm^(2)和3.92 GW/cm^(2)进行冲击强化试验,在3.5%(质量分数)NaCl溶液中,通过电化学测量技术动电位扫描得到极化曲线,并通过微观结构探究激光冲击强化对AZ31B镁合金耐腐蚀性能的影响机理。试验结果显示,随着激光功率密度的提升,样品的表面硬度也随之提高,2.99 GW/cm^(2)样品的表面硬度为81.2 HV,相比原始样品提高了35.8%。XRD图谱显示,与原始样品相比,激光冲击处理后的样品衍射峰向高角度方向偏移,衍射峰强度均降低,半峰宽增加。2.99 GW/cm^(2)样品的耐腐蚀性能最好,腐蚀电位为-0.60241 V,腐蚀电流密度为1.0215×10^(-4 )A/cm^(2),相比原始样品腐蚀电位提升了50.47%,腐蚀电流密度降低了42.90%。

激光冲击强化与热处理复合工艺对TC4钛合金表面性能的影响

为研究激光冲击强化(LSP)与热处理(HT)对TC4钛合金表面性能的影响,对TC4钛合金试样进行激光冲击强化处理,利用显微硬度仪与电化学工作站对冲击强化与热处理前后的表面进行表面硬度和耐腐蚀性能的表征,利用激光共聚焦显微镜、扫描电镜(SEM)对冲击强化与热处理前后的表面与截面的形貌和微观组织进行表征。结果显示,经过一次和两次冲击强化的试样,表面硬度分别达到425.4 HV和456.5 HV,相比原始试样提高12.3%和20.5%,对一次、两次冲击强化试样进行热处理后,表面硬度进一步提高,分别达到465.1 HV和483.2 HV。耐腐蚀性能方面,激光冲击强化后TC4试样的自腐蚀电位发生了正移,腐蚀电流密度下降。一次和两次冲击强化后,试样的腐蚀速率相比原始试样分别降低36.2%和4%,耐腐蚀性能提升。热处理之后,TC4试样自腐蚀电位向负移动,腐蚀电流密度上升,腐蚀速率提高,耐腐蚀性能下降。

碳纤维增强热固性复合材料-钛合金激光连接接头性能分析

碳纤维增强热固性复合材料(CFRTS)和TC4钛合金具有较高的比强度和比刚性,轻量化效果十分明显,在航空航天、新能源汽车制造中应用广泛。为实现CFRTS与TC4钛合金的高强度连接,引入“激光清洗+树脂填充”的界面复合调控工艺。在CFRTS和TC4钛合金激光焊接之前,首先,采用脉冲光纤激光器对CFRTS表面进行激光清洗处理,去除表层的环氧树脂,使CFRTS中的碳纤维裸露出来;其次,利用脉冲光纤激光器对钛合金表面进行微织构处理,提升焊接时熔融树脂与TC4钛合金的接触面积并形成“咬合”结构;最后,在清洗后的CFRTS和钛合金接触面之间添加合适厚度的聚酰胺(PA)树脂,进行激光辅助焊接。研究了激光清洗工艺对接头连接强度的影响,对比分析了不同激光清洗工艺参数下CFRTS的表面形貌、PA树脂填充情况、接头断口形貌,结果表明,激光清洗CFRTS可以显著增强CFRTS-TC4钛合金接头的强度,最大拉伸强度可达23.77 MPa。

激光加工薄壁腔体微孔的背伤及防护

针对采用激光加工涡轮叶片等薄壁腔体微孔时存在背伤的问题,采用填充材料阻隔法切断激光能量传输路径的方式进行背伤防护。研究了激光能量密度、激光束扫描速度以及离焦量等加工参数对背伤的影响规律。通过品质关键因素(CTQ)验证实验优选6种可行的背伤防护材料:聚氨酯(PUR)、流动聚丙烯酰胺(PAM)、石蜡、石墨、二氧化硅(SiO_(2))、碳化钨(WC)。选择PUR、PAM和石蜡三种防护材料填充7075铝合金薄壁腔体,进行微孔激光加工背伤防护实验研究。研究表明,填充防护材料的激光加工背伤坑深度相比未填充防护材料时有了大幅降低,流动PAM的背伤防护效果比PUR和石蜡的更好。当PAM的流速达到3.0 m/s时,所有0.5~3 mm间距的型腔在加工50 s以内都没有出现背伤。该研究成果可为后续进行激光打孔状态实时监测并及时关停激光的背伤防护方法提供依据,为实现涡轮叶片等薄壁腔体微孔的无背伤加工提供基础。

热障涂层水助激光扫描加工试验

为了提升涡轮发动机的整体性能和可靠性,需要在带热障涂层(TBC)的单晶高温合金涡轮叶片上制备大量气膜冷却孔,激光加工是实现“先涂层后打孔”的优势加工手段。采用水助激光扫描加工方法,通过正交试验和单因素试验研究了各因素对TBC损伤程度和TBC材料去除率的影响关系,试验结果表明对涂层剥落损伤的影响程度由大到小依次为光斑重叠率、激光重复频率、激光器电流和水泵电压,当光斑重叠率为98%、激光重复频率为50kHz、激光器电流为38A、水泵电压为14V时,可以避免TBC水助激光加工出现剥落损伤;对TBC材料去除率的影响程度由大到小依次为激光器电流、激光重复频率、水泵电压和光斑重叠率,当优选激光器电流为38A、激光重复频率为15kHz、水泵电压为14V、光斑重叠率为80%时,TBC材料去除效率最高。分析了TBC水助激光加工涂层剥落损伤的形成原因是热应力和等离子体力学冲击共同作用的结果,同时水助激光加工产生的气泡空蚀会导致加工区域周边涂层颜色变白,影响范围约为59.5μm,空蚀去除厚度约2.7μm。以上研究为带热障涂层单晶高温合金涡轮叶片气膜孔水助激光高效低损伤加工提供了技术支撑。