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聚晶金刚石刀具低温冷却铣削sic/sic复合材料磨损试验研究

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机械制造与自动化 2024年第3期53卷 32-36页

作者：王凯徐亮王新永裴天河魏金花钟扬闫卫东王松金恩泽李军平赵国龙年智文航天材料及工艺研究所先进功能复合材料技术重点实验室北京100076 南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

采用超硬聚晶金刚石(PCD)刀具对sic/sic陶瓷基复合材料进行干式和低温液氮冷却铣削试验研究,获得PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的前刀面和后刀面磨损形貌;分析PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的主要磨损形式,测得PCD刀... 详细信息

采用超硬聚晶金刚石(PCD)刀具对sic/sic陶瓷基复合材料进行干式和低温液氮冷却铣削试验研究,获得PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的前刀面和后刀面磨损形貌;分析PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的主要磨损形式,测得PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的刀具使用寿命。研究表明:在干式铣削条件下,PCD刀具前刀面的主要磨损形式为刀尖磨钝和崩刃;而在低温液氮冷却铣削条件下,PCD刀具前刀面的主要磨损形式为刀尖磨钝和微剥落;与干式铣削条件相比,PCD刀具在低温液氮冷却铣削条件下寿命提高约71.4%。

关键词： sic/sic复合材料干式铣削低温液氮冷却铣削 PCD刀具磨损形貌磨损形式

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核用钽/铌内衬sic/sic复合材料管件的拉伸与耐压性能

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2022年第6期32卷 1961-1968页

作者：黎畅王洪磊杨雅萍顾全超闫星亨周新贵国防科技大学空天科学学院先进陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

研究金属内衬的sic/sic复合材料管件的抗拉强度和爆炸特性等力学性能。采用铌或钽为内衬层,通过缠绕及不同的PIP工艺制备一系列sic/sic复合材料管件。在室温与1200℃下测量不同管件的抗拉强度,通过测量最大耐水压强度表征管件的爆炸特性... 详细信息

研究金属内衬的sic/sic复合材料管件的抗拉强度和爆炸特性等力学性能。采用铌或钽为内衬层,通过缠绕及不同的PIP工艺制备一系列sic/sic复合材料管件。在室温与1200℃下测量不同管件的抗拉强度,通过测量最大耐水压强度表征管件的爆炸特性,并利用扫描电镜观察断口显微形貌。结果发现,室温下金属内衬sic/sic复合材料管件的最大抗拉强度可达150.7 MPa;随着PIP周期从1增加到4,管件的爆炸性能增加,4个PIP周期的管件最大耐水压强度可达34.7 MPa。与单层结构的金属管件相比,由sic/sic复合材料层与金属内衬结合的管件具有更好的拉伸与耐压性能。PIP周期与热解炭涂层等不同工艺是提升金属内衬sic/sic复合材料管件力学性能的重要因素。然而,在1200℃时管件的抗拉强度保留率仅为18.5%。

关键词： sic/sic复合材料钽/铌内衬抗拉强度爆炸特性

航空发动机用sic/sic复合材料典型元件设计及性能评价研究进展

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材料导报 2023年第14期37卷 8-15页

作者：刘虎束小文洪智亮杨金华郭洪宝孙世杰焦健中国航发北京航空材料研究院先进复合材料科技重点实验室北京100095 陆军装备部航空军事代表局驻北京地区航空军事代表室北京100101 中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200241

sic/sic复合材料具有轻质、耐高温、高强度等优点,已在国外航空发动机热端部件上大量应用并取得积极效果。作为航空发动机关键材料“积木式”评价技术中的重要组成部分,元件级评价是连接材料级测试和部件级考核的桥梁纽带,对促进材料在... 详细信息

sic/sic复合材料具有轻质、耐高温、高强度等优点,已在国外航空发动机热端部件上大量应用并取得积极效果。作为航空发动机关键材料“积木式”评价技术中的重要组成部分,元件级评价是连接材料级测试和部件级考核的桥梁纽带,对促进材料在部件上的应用至关重要。本文梳理了航空发动机热端部件中几种典型的sic/sic复合材料元件,包括开孔、“C”形、“T”形、筒形及翼形元件等,综述了针对不同类型元件所开展的评价试验及测试方法,包括力学性能测试、服役环境性能评价等,阐述了结构特征、材料性质等因素对元件损伤行为和失效机制的影响,最后提出我国在完善航空发动机用sic/sic复合材料元件研究方面的建议。

关键词： sic/sic复合材料典型元件 “积木式”验证航空发动机

激光类型对sic/sic复合材料孔加工的影响

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航空材料学报 2023年第1期43卷 80-86页

作者：杨金华黄望全冯晓星刘虎艾莹珺周怡然焦健中国航发北京航空材料研究院先进复合材料科技重点实验室北京100095 中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200241

sic/sic复合材料具有硬度高、脆性大等特点,属于典型的难加工材料,制备冷却孔主要采用激光加工的方法。毫秒激光与纳秒激光主要是利用光热作用迅速加热目标材料,使之熔融、气化,并借助高速气流来移除材料,由于纳秒激光的脉冲持续时间短... 详细信息

sic/sic复合材料具有硬度高、脆性大等特点,属于典型的难加工材料,制备冷却孔主要采用激光加工的方法。毫秒激光与纳秒激光主要是利用光热作用迅速加热目标材料,使之熔融、气化,并借助高速气流来移除材料,由于纳秒激光的脉冲持续时间短、能量密度高,因此更容易实现材料的气化,并且引起的热效应较少。本工作分别采用毫秒激光与纳秒激光对sic/sic复合材料进行制孔,结果表明,对于直径0.6 mm、倾斜角度为25°的冷却孔,纳秒激光加工时长是毫秒激光的8.7倍;两种激光加工的孔均存在一定的锥度,其中纳秒激光加工的孔锥角为2.12°,毫秒激光加工的孔锥角为1.49°。毫秒激光加工的孔内部、孔出口端与入口端均存在残留物,并且孔周边存在明显的重熔-氧化区与热影响区;而纳秒激光加工的孔内部无明显残留物,激光入口端出现变色现象,出口端无变色现象,无明显重熔-氧化区与热影响区。元素分析结果表明,两种激光加工过程中均能够引起材料的氧化。

关键词： sic/sic复合材料激光加工陶瓷基复合材料纳秒激光毫秒激光

前驱体浸渍裂解过程中sic/sic复合材料微观工艺应力模拟研究

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宇航材料工艺 2023年第1期53卷 29-37页

作者：宋有贺张方舟陈海坤霍彩霞李爱军上海大学材料研究所/材料科学与工程学院上海200444 上海大学绍兴研究院上海200444 航天材料及工艺研究所北京100076

前驱体浸渍裂解工艺(PIP)是sic/sic复合材料的一种近净成形制备方法,但前驱体裂解过程中产生的应力阻碍了该工艺的产业化应用。本文构建了一种化学-力学耦合模型来研究前驱体裂解过程中应力的产生和演化机理。首先以反应动力学模型描述... 详细信息

前驱体浸渍裂解工艺(PIP)是sic/sic复合材料的一种近净成形制备方法,但前驱体裂解过程中产生的应力阻碍了该工艺的产业化应用。本文构建了一种化学-力学耦合模型来研究前驱体裂解过程中应力的产生和演化机理。首先以反应动力学模型描述了前驱体的裂解过程;其次基于三相球模型建立了一个解析模型计算基体的均匀化力学性质;最后结合上述模型构建了有限元模型,在微观尺度模拟计算了代表性体积单胞(RVC)内的工艺应力演变。结果表明:基体在贫基体的界面处承受显著的环向拉伸应力;对于由纯前驱体组成的基体,基体内的工艺应力主要是由裂解过程引起的化学收缩导致的,受温度引起的热膨胀影响较小;随着PIP循环次数的增加,化学收缩和热膨胀的角色发生互换。

关键词： sic/sic复合材料 PIP工艺工艺应力有限元模拟

飞秒激光加工sic/sic复合材料厚板的孔型特征研究

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激光技术 2022年第6期46卷 736-741页

作者：刘壮方菊李元成张晓兵南京航空航天大学机电学院南京210016 中国航空制造技术研究院北京100024

为了探究飞秒激光加工sic/sic复合材料厚板的孔型特征,采用光束同心圆填充扫描方式对厚度为4mm的sic/sic复合材料进行制孔实验,分析了飞秒激光加工参数对入口直径、孔深、锥度等孔型特征的影响规律和影响机理。结果表明,脉冲能量、重复... 详细信息

为了探究飞秒激光加工sic/sic复合材料厚板的孔型特征,采用光束同心圆填充扫描方式对厚度为4mm的sic/sic复合材料进行制孔实验,分析了飞秒激光加工参数对入口直径、孔深、锥度等孔型特征的影响规律和影响机理。结果表明,脉冲能量、重复频率、线重合度以及扫描速率对小孔入口直径影响较小,但对孔深和锥度影响较大;上述实验参数与光束扫描面积内的能量密度密切相关,小孔锥度随能量密度增大而减小,小孔深度则反之;当采用最大脉冲能量130μJ、最大重复频率100kHz、最小扫描速率100mm/s、最大线重合度77%以及最小进给量0.1mm时,小孔锥度达到最小值12.38°;上层材料对光束的遮挡以及排屑困难导致深孔加工锥度不易控制。该研究可以为今后sic/sic超快激光制孔应用提供参考。

关键词：激光技术孔型特征飞秒激光 sic/sic复合材料

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sic/sic复合材料切割方法对比研究

中国陶瓷 2023年第6期59卷 57-67页

作者：焦健杨金华侯金涛刘虎艾莹珺周怡然中国航发北京航空材料研究院先进复合材料科技重点实验室北京100095 中国航发北京航空材料研究院航空材料检测研究中心北京100095

分别采用纳秒激光、毫秒激光、磨料水射流、线切割及金刚石线锯等方法对熔融渗硅工艺制备的sic/sic复合材料进行切割,比较了不同方法的切割效率、表面粗糙度、加工锥度及切割面的形貌特征。研究结果表明,毫秒激光加工效率最高,可达121.2... 详细信息

分别采用纳秒激光、毫秒激光、磨料水射流、线切割及金刚石线锯等方法对熔融渗硅工艺制备的sic/sic复合材料进行切割,比较了不同方法的切割效率、表面粗糙度、加工锥度及切割面的形貌特征。研究结果表明,毫秒激光加工效率最高,可达121.2 mm/min;纳秒激光切割时激光入口处与出口处存在明显不同的形貌;磨料水射流加工切割锥角最大,为10.6°;线切割表面存在12μm左右的热影响区;金刚石线锯切割的表面粗糙度最小,Ra为0.32μm。

关键词： sic/sic复合材料激光加工磨料水射流线切割金刚石线锯

sic/sic复合材料疲劳与蠕变性能研究进展

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科技导报 2023年第9期41卷 27-35页

作者：赵春玲杨金华李维陈芝来张鑫袁世峰李璞焦健北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191 中国航发湖南动力机械研究所株洲412002 中国航发北京航空材料研究院先进复合材料科技重点实验室北京100095

随着航空航天领域对长时抗氧化及可重复使用高温材料提出日益迫切的需求,sic/sic复合材料正成为当前的研究热点。总结了近年来sic/sic复合材料疲劳及蠕变性能方面的研究进展,综合分析了温度、载荷、频率及燃气环境对疲劳性能的影响,以... 详细信息

随着航空航天领域对长时抗氧化及可重复使用高温材料提出日益迫切的需求,sic/sic复合材料正成为当前的研究热点。总结了近年来sic/sic复合材料疲劳及蠕变性能方面的研究进展,综合分析了温度、载荷、频率及燃气环境对疲劳性能的影响,以及纤维类型、温度与载荷、频率和基体类型等对蠕变性能的影响。

关键词： sic/sic复合材料陶瓷基复合材料疲劳蠕变

sic/sic复合材料微孔激光-化学复合加工技术研究

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SiC/SiC复合材料微孔激光-化学复合加工技术研究

作者：张云龙青岛理工大学

学位级别：硕士

航空发动机被誉为飞机的心脏,其加工制造是当前我国的“卡脖子”技术之一,制约着我国航空航天产业的发展,其中,提高发动机推重比是航空发动机的重要发展趋势,然而推重比的提高对发动机涡轮叶片的耐高温性能提出了更高要求。为了提高叶... 详细信息

航空发动机被誉为飞机的心脏,其加工制造是当前我国的“卡脖子”技术之一,制约着我国航空航天产业的发展,其中,提高发动机推重比是航空发动机的重要发展趋势,然而推重比的提高对发动机涡轮叶片的耐高温性能提出了更高要求。为了提高叶片的耐高温性能,一方面是发展高耐热性能材料,另一方面是寻找合适的冷却技术。因此,国内外学者提出将航空发动机涡轮叶片制造材料换成新型耐高温碳化硅陶瓷基复合材料,并同时使用气膜冷却技术,可使发动机结构重量、工作温度和推力大幅度提高。但目前传统的机械加工和经典的特种加工技术均无法满足气膜孔高精密、低损伤的加工要求,所以航空发动机叶片高质量气膜孔的加工是目前极具挑战性的工业难题,是航空发动机制造的关键。本文以sic/sic复合材料为研究对象,提出激光-化学复合加工方法,在sic/sic复合材料上进行气膜孔加工。该方法中射流不直接冲击激光加工区域,而是与激光加工区域有一定的距离,从而在sic/sic复合材料表面形成一层流动的“凸轮形”化学液膜,化学液的持续冷却作用可以减小工件的热影响,同时化学液的冲击作用能够促进残渣及碎屑的排出,减少孔壁和孔口缺陷层的堆积,避免了静水加工过程中局部爆沸和激光入射厚液层后产生的能量损失,配置具有选择性腐蚀作用的化学液,只与缺陷层发生反应,与基体不反应,最终实现高质量微孔加工。首先,对sic/sic复合材料进行了简单介绍,分析了sic/sic复合材料加工技术的研究现状与发展趋势;通过工艺参数、打孔方式和加工环境三个方面对激光加工微孔技术研究现状进行了总结概述;并对液体激光加工微孔技术的研究现状了进行了总结和分析。其次,对激光-化学复合加工机理进行了研究总结,分析发现化学液流速越大对材料冲击、冷却效果越好,但能量损失也越大;当偏移距离大于12mm时化学液膜进入不稳定流动区域,加工效果开始变差;对搭建的复合加工装置的化学液循环部分、水冷循环部分和加工平台进行了介绍,其中,水冷循环系统使化学液温度稳定控制在20-25℃。再次,针对纳秒和皮秒加工方式、加工质量、加工效率和作用机理的差异,分别研究它们加工sic/sic复合材料微孔的规律以及不同工艺参数对微孔加工的影响机理及形成原因。对比分析发现纳秒和皮秒激光加工都存在缺陷层,但皮秒激光加工缺陷层以氧化层为主,重铸层极少,而纳秒激光加工不仅存在严重的氧化层还存在较为严重的重铸熔融层;它们加工效率也存在差异,皮秒激光加工效率为平均8min/孔,而纳秒激光加工单孔仅需要10s;研究发现皮秒加工过程中进给次数过多和进给距离过大时,材料不能被彻底去除,反之,材料会被过度烧蚀出现局部损伤现象;随着激光功率的增加,微孔内部反冲气压会增大,当微孔内部反冲气压高于微孔出口材料破坏临界值时,出口处材料产生破坏,微孔被打通;随着重复频率的增加微孔入口直径减小,出口直径增大,缺陷层厚度逐渐增大;在纳秒激光加工过程中采用同心圆线扫描路径时相比直线扫描和“之”字型扫描的微孔质量好,圆度可达96.9%,锥度最小为3.8-4.9°;光斑重叠率和同心圆线重叠率对微孔深度有很大影响,对微孔入口直径几乎没有影响。最后,针对sic/sic复合材料的成分、化学性质及反应机理,筛选并调配出混合溶液浓度配比为2mol/的HF和3mol/L的HNO;考虑到激光加工效率和设备成本,采用纳秒激光进行复合加工;对激光-化学复合加工过程中化学液流速、化学液射流角度以及化学液射流位置三个关键影响因素进行了研究,发现流速为14m/s、角度为45°、偏移距离为12mm时,化学液膜最稳定,微孔质量最好;分析了激光-化学复合加工过程的产物和主要化学反应,在激光加工过程中会产生Si、sic和SiO组成的缺陷层,而通过化学反应可以将这些反应物去除掉生成HSiF、CO等;EDS能谱分析证实了在激光加工过程中产生的白色碎屑物质为二氧化硅,通过复合加工前后元素比例的对比,发现化学液对sic/sic复合材料具有高度的选择性,只和激光加工后的缺陷层发生反应与基体不发生反应,通过该方法最终可以加工无重铸层、无热影响区、无微裂纹的高质量微孔。

关键词：激光化学 sic/sic复合材料复合加工微孔质量