涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展

高性能飞行器对涡轮发动机性能需求不断提升,对涡轮转子的耐温性和轻质化提出了苛刻要求。而目前高温合金涡轮转子性能逼近材料极限,难以满足未来涡轮发动机大幅减重提温的需求,先进陶瓷基复合材料(CMCs)涡轮转子成为必然趋势。介绍了涡轮转子用CMCs复合材料的设计、制备、加工、检测,以及各国在CMCs涡轮转子研制方面的进展,研究表明CMCs涡轮转子在液体火箭发动机、先进航空发动机领域具有巨大优势和应用潜力。当前连续纤维增强CMCs复合材料涡轮转子的耐温性能、抗热冲击性能已初步得到验证,而材料强度和韧性不足是制约CMCs在航空发动机涡轮转子上应用的主要因素,发展高强度、高韧性涡轮转子用CMCs材料成为当前研究热点和未来必然趋势。

对于陶瓷基纤维复合材料的研究分析

陶瓷基复合纤维材料指的是在陶瓷基体内引入第二相材料,使陶瓷基复合材料增强、增韧的多相材料。陶瓷基复 合材料是上世纪八十年代发展的新型陶瓷材料。陶瓷基复合材料的耐高温性以及耐磨损性都比较强,同时还有较强的耐化学 腐蚀以及硬度。陶瓷基复合材料在很多领域中得到了广泛的应用,已经成为理想的高温结构材料。为了使陶瓷基纤维复合材 料的应用性能更加突出,对陶瓷基纤维复合材料的制备以及性能进行研究,以期能够为增强陶瓷基纤维复合材料的各项应用 性能提供参考。

碳化硅陶瓷基复合材料基体和涂层改性研究进展

随着航空航天器性能的提高,其热端部件如航空发动机、高超音速飞行器的头锥及翼前缘等服役环境愈加苛刻。为了满足更苛刻的服役环境,需要对碳化硅陶瓷基复合材料(SiC matrix ceramic composites,CMC-Si C)进行基体或涂层改性以发展更长寿命、更耐高温和结构功能一体化的陶瓷基复合材料。介绍了航空航天器热端部件用CMC-SiC复合材料基体和涂层改性的研究进展、成果、现状及存在的问题,指出了今后需要着重解决改性CMC-SiC复合材料的工程化应用问题、发展具有更高使用温度的改性材料体系以及发展在发动机环境中应用的环境屏障涂层体系。

3D针刺C/SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能

以三维针刺碳毡作为预制体,通过化学气相渗透(CVI)工艺,制备了密度约为1.50～1.60g/cm3的半成品C/SiC复合材料板材,然后采用专用磨具在半成品复合材料板上按照指定的取样方式切割出螺杆与头部毛坯,并分别对螺杆和头部攻丝,将两者装配在一起形成半成品螺栓,对半成品螺栓CVI致密化并在其表面制备SiC抗氧化涂层,制备出低成本的3D针刺C/SiC复合材料螺栓。提出了C/SiC复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的夹具,对所制备螺栓的力学性能进行了测试表征,并利用扫描电子显微镜(SEM),对C/SiC复合材料螺栓的拉伸断口形貌进行了观测。结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,室温下螺栓的抗拉强度和剪切强度分别为151.7 MPa和85.6MPa。

碳/碳复合材料的激光烧蚀行为与机制

碳/碳(C/C)复合材料作为性能优良的耐烧蚀材料得到了广泛的应用,其作为抗激光烧蚀材料的潜力待被发掘。本文制备了不同密度的C/C复合材料,在无氧环境下以CO激光器为光源,探究了高能激光与C/C复合材料之间的作用机制,系统地分析了材料的特性和激光参数不同对烧蚀表现的影响。采用三维轮廓仪对线烧蚀率进行表征。结果表明,随着烧蚀时间或激光功率的变化,C/C复合材料的烧蚀表现均为非线性变化。C/C复合材料的本征特性决定了其热量载荷。密度越高的C/C复合材料,其热量载荷越高,烧蚀性能越好。热量载荷与激光热流密度之间的关系则决定了材料的烧蚀表现,当激光的热流密度大于材料的热流载荷时,烧蚀速率会呈阶跃式攀升。

一种快速接钻杆方法在大功率电液钻机的应用

针对大功率电液钻机钻杆取放和钻杆拧卸(统称接钻杆)耗时长、效率低的问题,提出了一种快速接钻杆方法。为了实现快速下钻接钻杆,采用一种机械臂闭环联动和动力头同步上扣方法:接收到下钻接钻杆指令后,机械大臂、机械横梁和动力头同时动作,当钻杆在移动过程中与动力头和主夹持器干涉(碰撞),机械横梁停止动作,动力头继续后退,远离主夹持器,当干涉解除,机械横梁继续移动直至到位后,机械大臂和机械小臂联动,将钻杆自上而下快速放入中部上卸区域,当正转压力达到预设值10 MPa,钻杆丝扣啮合结束。考虑提钻接钻杆为连续循环动作,采用差值位移同步法:通过计算机械抓手径向缩回和机械横梁轴向位移差值,有效解决动力头与钻杆丝扣松开过程中,机械臂抓放钻杆时间过长、干涉等问题。当机械抓手径向升高300 mm时,与机械横梁轴向位移差值越大越安全,在动力头松开前扣完成后,机械臂复位,控制结束。工业性试验结果表明,该快速接钻杆方法的下钻接钻杆、提钻接钻杆用时分别较常规方法节省179,41 s,整体下钻接钻杆、提钻接钻杆成功率分别较常规方法提高22.3%,19.1%。

磷酸三苯酯/纤维素阻燃PC/ABS的研究

在共聚物(PC/ABS)合金基体中加入不同比例、不同含量的磷酸三苯酯/微晶纤维素(TPP/MCC)复配阻燃体系,通过熔融共混挤出得到具有阻燃特性的PC/ABS合金。通过极限氧指数测试(LOI)、锥形量热仪测试、垂直燃烧测试等考察了合金材料的阻燃特性。考察了TPP/MCC复配阻燃体系用量对PC/ABS合金力学性能的影响。研究结果表明:在PC/ABS合金中加入10份TPP/MCC复配阻燃体系且TPP/MCC质量比为3/1时,得到了极限氧指数达28.0%,垂直燃烧等级为V-0级且力学性能优良的PC/ABS阻燃合金。TPP/MCC的阻燃机理为气相与凝聚相协同阻燃。

2D-C/SiC高速深磨磨削特性及去除机制

采用树脂结合剂金刚石砂轮,通过对2D-C/SiC复合材料高速深磨磨削加工,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观察。提出了2D-C/SiC摩擦层(表面)的磨削力理论公式,讨论了磨削加工用量对磨削力和磨削力比的影响。实验结果表明,2D-C/SiC复合材料的高速深磨材料去除机制与其自身的微观结构相关,既不同于塑性材料,也不同于普通脆性材料,而是以脆性断裂去除为主。

平纹编织C/SiC单钉铆接单元的制备与拉伸行为

耐高温高强韧性连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)是空天飞行器用热结构件的首选材料之一。C/SiC热结构件的结构复杂,其连接技术是推动该材料应用的关键。采用化学气相渗透工艺制备2D C/SiC单钉铆接单元,研究其微结构和拉伸行为,分析相应的失效机制。结果表明:2D C/SiC单钉铆接单元的显微结构具有多孔、非均匀粘接和非均匀钉孔间隙特征。铆接剪切强度平均值为157.77 MPa,超过2D C/SiC面内剪切强度。搭接界面脱粘、钉孔相互挤压和铆钉内纤维剪断是2D C/SiC单钉铆接单元的主要失效机制。孔周损伤呈现3种典型形貌,分别为孔周形貌完好、基体压溃和钉孔界面脱粘。