工艺动态
热障涂层的有孔薄膜热障涂层(TBCs)是涂覆在表面防止高温的低导热性材料层,它可保护涡轮发动机部件免受高温损坏.在涡轮发动机中,增加了工作温度就增加了燃料效率,减少了散热.发动机关键部件通常在额定熔化温度以上运转,这些零件由于热疲劳或氧化作用而损坏成为主要问题,除非采用降低表面温度的方法.TBCs的作用是:用低导热性材料薄膜喷涂敏感部件,有效地与高温隔离.新的热障涂层方法是对热障涂层的部件沉积薄膜.采用控制底材运动,以另一种形式真空沉积有孔层和表层,形成新的多层薄膜结构.用3Ω和Mirage技术直接测试这些多层薄膜结构的热性能.用3Ω技术,由于AC电流流经电子蒸发电阻,且频率为ω,因此把热量传送到涂层上.电阻电压成为频率的函数,产生导热性.在Mirage技术中,采用脉冲激光在薄膜上很快产生振荡温度.通过这些温度变量,使平行于表面的第2个测试激光偏转,然后使振幅和相移的数据相拟合,去解三维扩散方程,以求出导热扩散率.一般分别在正交和平行于基材的方向用3Ω和Mirage技术测量热常数.用这些方法测量可评估热扩散率的减少,少到正常范围完全沉积的薄膜热扩散率的90%.相同结构的热模拟也预测了总导热性的明显降低.在特殊情况下比标准常规技术沉积的薄膜导热性增加了18%.微EDM中超声对表面粗糙度的影响采用把微EDM与超声振动结合起来的有效的微加工工艺可提高小型零件的表面粗糙度.应用超声的目的是通过加速排出焊极和工件间小空隙中的碎屑以提高表面质量.实验表明加工工件的表面粗糙度得到了改进.复合材料机身结构美国俄亥俄州的空军研究实验室材料和制造管理局及Wright-Patterson空军基地,完成了一项复合材料机架制造项目,前中机身验证件的零件数减少了75%.另外,加工工序生产时间减少75%,工装减少50%,紧固件减少90%.预计每架飞机造价节省高达120万美元.整体结构由真空树脂转移成形(RTM)制造,不需热压罐固化,也无需加低温胶垫片.局部加热和压力能在适当位置固化接头.低温工装材料简化了装配工序,降低了工装成本.作为复合材料低成本初始计划,其目的是把先进的复合材料机架结构成本减少到目前的1/10.复合材料前中机身是隔框和龙骨结构的组合,表明粘合剂比紧固件更有效.这种结构只需要1874个零件及12180个紧固件.硬质合金切割刀具的新型高性能PVD涂层在金属切割刀具中出现了以Ti-Al-N-C-B为基础的先进PVD涂层.单层PVD TiN,TiAlN,TiB2和各种TiAlN多层涂层沉积于WC-6% Co硬质合金垫片.涂层可采用阴极电弧工艺,或是采用高电离磁控溅射工艺进行喷涂.冷却液有无对铣削球墨灰口铸铁及车削Inconel 718和过共晶Al-Si合金涂层刀具也有影响.TiAlN多层涂层刀具在干铣时显示出最好性能;TiAlN单层涂层刀具在湿铣时性能较好.观测结果与预计中的涂层内残余应力、加工时的应力和涂层与基材结合强度的类型相一致.在车削Inconel 718中, 特别是在高速加工时,TiAlN多层涂层性能优于TiAlN单层涂层和TiN/TiCN/TiAlN多层涂层.车削铝合金时,PVD TiB2性能比PVD TiAlN和PVD TiN优越,这和它们相应的硬度有关.高穿透性、低成本的双面电弧焊一种称作双面电弧焊(DSAW)的焊接工艺大大地提高了电弧穿透性.这项工作由肯塔州的肯塔基大学机器人与制造系统中心(CRMS)的学者完成.激光和电子束焊接都能提供较好的穿透性,但成本比电弧焊高得多.电弧焊通过能在气体环境中产生电弧的电流工作,电弧热(温度达30?000?K)将金属加热到熔点.改进电弧焊的关键问题是如何增强电弧集中度及电弧能量密度.把电源与工件分隔开,另外在第一支焊枪的对面增加第二支焊枪,迫使电源通过工件,使电弧能量高度集中,因此穿透率显著提高.普通的电弧焊在单焊道中不能穿透较厚的工件,往往需要多个焊道和额外加工的焊接接头接口.DSAW较好的穿透性提供较快的焊接速度,而不降低焊接质量,因此提高了生产率,降低了成本.超声锁定热敏成像法近年来一直采用光热辐射计及其多路型锁定热敏成像法遥控无损检测.它们是以热波的延伸和反射为基础,通过吸收调制辐射使热波从表面向检测部件传导的.由于初始热波的重叠及反射而获得的相位角度图像显示出隐藏在表面下某一深度的结构.传导到部件的弹性波纹在样件中扩展,直到转变为热能.缺陷引起局部损失增加,从而导致有选择性加热.因此,进入的弹性波纹的调幅把缺陷转换成热波传递,在表面通过锁定热敏成像法与调幅频率同步检测出信号.用锁定热敏成像法(ULT)可进行选择性缺陷检测,增加了存在于复杂无损伤结构件中缺陷检测的可能性.低温、高速喷涂形成新型涂层美国加州圣巴巴拉Inovati公司研制出动能金属化(KEM)工艺,它是把低温金属纳米颗粒高速地喷涂到金属基材上.此工艺中金属微粒,例如铝、钛或铜,与氦或氮在粉末流体化装置中混和,之后高速喷涂到金属基材上.当碰击基材时,颗粒充分变形,增加表面面积约4倍,使活性金属与基材金相连接.严格的平衡压力、速度和温度使颗粒避免加热到被熔化、氧化或发生其他反应的程度.因为微粒保持固态,它们能形成金属混合物,可能不像液体那样可混溶.高温时,微粒在凝固过程中长大,因此原来小截面的优点也可忽略不计.当纳米颗粒保持有利的机械特性时,KEM能使之凝固.KEM是一种直接喷涂工艺,因此涂层只喷涂到需要的地方.超高温陶瓷材料提高飞机的耐热保护性能美国NASA正进行飞行试验,预计能够在未来飞机的设计方面有重要的技术革新.飞行试验中将测试高温陶瓷材料保护宇航飞机的能力.超高温陶瓷材料使未来宇航飞机具有锋利的进气边,而不是目前飞机设计中常用的钝头形式叶片.有钝头形式进气边的飞机当飞行速度比声速快时,在飞机的前面产生压缩空气区.在这个范围内吸收了大量的热,同时宇航飞机的热量重返地球的大气中,使飞机避免过热.但是钝头形式进气边的飞机效率不高,在飞行时机件会有严重的打滑或摩擦,因此需要昂贵的大型推进系统.NASA的陶瓷材料也可明显降低助推器的成本.改型的MK 12A重返飞行器基本上是一个空气动力机头整流罩--带有4个锋利的进气边.航空航天合金提高生产率Pennsylvania公司研制了广泛用于航空航天和许多其他工业领域的高级15Cr-5Ni不锈钢.Carpenter技术公司研制出了比过去更容易加工的Project 7000 15 Cr-5Ni不锈钢,为减少飞机结构件的零件加工周期和成本提供了机会,这些零件包括杆端轴承、起落架构件和发动机零件,例如托架.Project 7000是真空熔化和化学配平的,以便在溶液退火以及时效硬化状态下具有最佳可加工性.Carpenter公司认为,金属加工厂根据材料的热处理状况,采用Project 7000不锈钢,可增加零件产量145%.当它自己在Reading的R & D螺钉加工设备上加工合金时,可加工性提高了3.5～10倍.除了更方便加工外,Project 7000合金可进行冷加工或约1?111?K温度锻造,并在该温度下保持1?h.(盛蔼伦供稿)喷丸技术在活塞6A发动机上的应用喷丸强化工艺利用高速运动的弹丸流冲击金属表面,产生塑性应变层,由此导致该层的显微组织发生有利的变化并使表层引入残余压应力场,表层的显微组织和残余压应力场是提高金属零件的疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力的两个强化因素,其结果使零件的可靠性和耐久性提高.在对活塞6A发动机进行提高功率定型长期试车时,分解检查时发现中机匣气缸安装面、滑油池安装面有裂纹.为排除中机匣裂纹故障,气缸安装面除在结构上增加卸荷槽外,还增加喷丸强化,滑油池安装面也增加喷丸强化.经过喷丸强化的中机匣经600?h长试考验效果良好.后又经数千台发动机使用证明效果良好,中机匣裂纹故障被排除.对游星齿轮、增压器传动齿轮等齿型面进行喷丸,还可排除齿面剥落故障.喷丸提高了轮齿的接触疲劳强度,故可提高其承载能力.因为喷丸去掉残余拉应力代以压应力,疲劳破坏从不在受压应力的部位开始,金属疲劳之前,外加的拉伸负荷必须克服残余的压应力,喷丸的残余压应力可以抵消工作负荷的作用.此外喷丸产生的压应力层还能阻止表层内的裂纹扩展,减少齿面剥落和点蚀.活塞6A发动机原先采用的工艺是对副连杆、桨轴(游星齿轮架部分)外表面进行抛光,对摇臂外表面按样品打磨.抛光和打磨是为了提高零件的表面粗糙度,来间接提高表面的抗疲劳性.由于喷丸加工表面呈压应力状态,无方向性,对改善零件的疲劳性极为有利,因此喷丸比抛光更经济、可靠,提高疲劳强度的幅度更大.活塞6A发动机通过采用喷丸技术在排除中机匣裂纹故障,提高齿轮、连杆等零件疲劳强度,减轻工人劳动强度等方面取得了显著成效,从而提高了发动机的可靠性,延长了使用寿命.(唐武杰)(栏目责编思齐)
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2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
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