NACA0012翼型等离子体冰形调控试验

冰形调控是指采用等离子体激励将有限功率集中使用,将危险的展向连续冰调控成更为安全的间断冰,改善飞机容冰飞行能力,在保证飞行器气动性能及飞行安全的前提下,拓宽飞机容冰飞行安全边界的技术。为验证等离子体冰形调控的可行性,在冰风洞中开展等离子体防除冰试验,结果表明纳秒脉冲等离子体冰形调控激励器能够将翼型前缘连续冰调控为间断冰,形成类波浪形前缘,初步验证了等离子体冰形调控的能力。为探究冰形调控技术对翼型气动性能的改善效果,在30m/s的来流速度下,在NACA0012翼型上间断布置3D打印典型冰形(明冰、霜冰、混合冰),并在风洞中测试其气动性能,对比分析不同的有冰与无冰区域比例、冰条宽度L对翼型气动性能的影响。结果表明:明冰冰形下,有冰∶无冰=1∶1(L=2cm)时气动性能改善效果最佳,与全冰状态相比最大升力系数提高34.8%,迎角10°时阻力系数降低86.0%。霜冰和混合冰冰形下,分别在有冰∶无冰=3∶2(L=6cm)、有冰∶无冰=3∶2(L=4cm)的调控方案下气动性能改善效果最好,最大升力系数分别提高了19.7%、30.6%,阻力系数明显降低。

航空发动机叶片TiN/Ti涂层基体冲蚀响应数值模拟

目的研究Ti N/Ti涂层结构变化对TC4钛合金基体冲击塑性应变的影响。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立球形Al2O3颗粒冲击覆有Ti N/Ti涂层TC4基体的二维轴对称模型,分析涂层硬质层厚度、硬质层层数对基体在冲击过程中的等效塑性应变的影响规律。结果对于无涂层的基体,其冲击塑性应变仅发生在冲击的加载阶段,冲击塑性应变分为加载及卸载两个阶段,加载阶段基体的塑性应变由球形颗粒的冲击产生,卸载阶段基体的塑性应变由涂层硬质层的回弹产生。对于单层结构涂层,当硬质层厚度低于12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变较大且呈振荡变化;当硬质层厚度超过12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变减小。对于多层结构涂层,当硬质层的厚度不变,增加涂层硬质层层数使得基体的塑性应变减小。结论有限元可以模拟分析Ti N/Ti涂层结构对TC4钛合金冲蚀性能影响规律,优化Ti N/Ti抗冲蚀涂层的结构设计参数,对抗冲蚀涂层的结构设计及其进一步研究具有指导意义。

激光冲击强化对LY2铝合金残余应力、显微组织及疲劳性能的影响

通过试验研究了激光冲击强化(LSP)对LY2铝合金表面残余应力、硬度分布、显微组织及疲劳寿命的影响。结果表明:LSP后LY2铝合金表面的残余压应力和硬度显著提高,晶粒尺寸明显变小且更均匀,疲劳裂纹扩展更加缓慢,疲劳寿命显著提高。

钛合金表面CrAlTiN单层涂层冲蚀损伤机理研究

目的主要开展钛合金表面制备Cr Al Ti N单层涂层后的撞击实验,探究不同条件下钛合金表面的冲蚀损伤规律,揭示钛合金表面的冲蚀损伤机理。方法采用多弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备Cr Al Ti N单层涂层,并利用空气炮发射速度为300m/s的单个钢珠,在不同角度(30°、45°、60°、90°)下对涂层进行撞击损伤模拟。采用扫描电镜对撞击形貌进行观察,结合撞击表面的元素分析结果,探究钢珠撞击涂层表面的冲蚀损伤机理。结果 90°攻角下,涂层的破损主要由撞击产生的裂纹和涂层表面"液滴"的剥落共同作用引起。45°、30°攻角与60°攻角的撞击相似,损伤主要由两部分组成:一部分是垂直作用产生的裂纹和撞击导致的液滴剥落引起的涂层损伤;另一部分是切向作用引起的摩擦磨损和摩擦过程中产生的温度效应导致的钢珠熔覆。能谱图点44处主要含有Fe2O3、Ti N两种物质,说明该点的涂层已经破坏,并且在切削磨损的同时,钢珠撞击的损伤还伴随着氧化磨损。结论在300m/s的速度下,冲蚀损伤最严重部位为钢珠与涂层接触部位。冲蚀过程中会因温度效应使钢珠熔覆在涂层表面,涂层表面越粗糙,则熔覆物越多。涂层的损伤主要源于垂直分量导致裂纹的萌生和切向的犁削作用。

TC4钛合金表面TiAlN/Ti涂层的抗冲蚀性能研究

目的通过明晰TC4钛合金表面不同结构的TiAlN/Ti涂层的冲蚀机制,为提高TC4钛合金的抗冲蚀性能、制备具有良好冲蚀性能的涂层奠定基础。方法采用磁过滤真空阴极弧(FCVA)与金属蒸汽真空弧(MEVVA)技术,按照一定方式在TC4钛合金表面制备相同厚度不同层数的TiAlN/Ti涂层,采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜、纳米压痕仪,对TiAlN/Ti涂层的微观结构和力学性能进行表征和分析。采用冲蚀试验平台,通过参数的调整来模拟沙尘环境,开展TC4钛合金和TiAlN/Ti涂层的冲蚀试验,计算获得冲蚀率。采用Proto-LXRD应力仪测试分析冲蚀前后TiAlN/Ti涂层的残余应力,利用SEM对涂层的冲蚀形貌进行表征和分析,并探讨涂层冲蚀损伤机理。结果相比于TC4基体试样,层数为4、8、12层的TiAlN/Ti涂层试件冲蚀后的质量损失分别降低了86.9%、91.3%和94.0%,残余压应力分别增加了34、135、203 MPa。对比冲蚀区表面形貌,当涂层的层数为4层时,冲蚀区涂层脱落明显;当涂层层数为8层时,冲蚀区涂层局部有脱落;当涂层层数为12层时,冲蚀区涂层脱落不明显,对基体的防护较好。结论 MEVVA离子源注入技术显著提高了涂层的致密度和涂层与基体间的结合力。TiAlN/Ti涂层能显著改善试样的表面性能。相同涂层厚度下TiAlN/Ti涂层的层数越多,H~3/E~2值越大,抗冲蚀性能越优异。

基于流体模型的波干涉电子密度诊断方法与应用

提出了一种新的基于流体模型的波干涉电子密度(ne)诊断方法,在高/低气压条件下分别开展了闭式石英腔体内的氩气感应耦合等离子体放电实验,利用该方法得到了其不同功率下轴向ne空间分布规律,在气压为1.33 Pa、功率为600 W时,ne峰值在轴向中心,而气压为133.32 Pa、600 W时,ne峰值偏离轴向中心向线圈侧转移,ne为10-17/m^3数量级且按梯度分布。将该方法分别与单纯流体模型下的数值模拟和朗缪尔探针诊断结果对比,发现该方法克服了流体模型的误差,保留了微波干涉诊断法的高准确性特点,弥补了微波干涉法的空间分辨率不足的缺点。

硬质颗粒重复冲击TiN/Ti涂层损伤分析

航空发动机压气机叶片表面制备硬质涂层可显著提高其抗砂尘冲蚀性能,但砂粒高角度冲击对涂层损伤严重,易出现脆性裂纹。采用受控动能型重复冲击设备模拟硬质颗粒对涂层的高角度冲击,研究调制比、层数结构对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响,并根据涂层损伤特征、冲击力学响应以及应力分布分析涂层的破坏机理。结果表明,TiN/Ti涂层出现剥落和圆周裂纹;硬质层内部、硬质层与结合层/过渡层界面存在高的应力梯度,而冲击坑点边缘硬质层上表层受到拉应力且由于材料堆起,在重复冲击下将导致涂层的疲劳剥落和圆周疲劳裂纹。调制比、层数显著影响涂层冲击响应过程,其中不同调制比的2层涂层,调制比为3:1的抗冲击性能较好;调制比为9:1的不同层数涂层,4层结构的抗冲击性能较好。

TC4钛合金表面冲蚀损伤机理的砂尘粒径依赖效应

在自主搭建气流喷射式冲蚀试验平台上,采用不同粒径的石英砂,对TC4钛合金进行冲蚀试验;利用电子天平、扫描电子显微镜和X-射线应力仪对试件表面冲蚀质量损失率、冲蚀区微观形貌及应力进行检测与分析。结果表明,TC4钛合金表面的冲蚀损伤机理显著依赖于砂尘粒径,并在400μm处发生机理转变。砂尘粒径小于400μm时,TC4钛合金表面冲蚀质量损失率小于0.4 mg/g,其表面损伤形式以犁削、切削、铲削以及点坑等塑性损伤为主;砂尘粒径大于400μm时,TC4钛合金表面在高应变率条件下发生表观韧脆转变,质量损失率突增至0.8 mg/g以上,损伤形式以解理破坏、脆性剥落为主。基于解理断裂的双判据模型,解释了砂尘粒径高于400μm时TC4钛合金表面发生的脆性剥落现象。