姿控发动机涂层热性能试验技术与寿命预测方法研究

发布时间：2022-07-01 10:19

　　航天科技水平体现国家战略意志、关系国家安全,其作用已远超科技领域本身,对政治、经济、军事乃至人类生活与发展都展现出广泛深远影响。姿控发动机是为导弹武器和航天器提供动力的核心推进装置,在航天领域用途广、要求高。抗氧化涂层是姿控发动机关键热端部件,其性能优劣直接影响姿控发动机性能和可靠性。热性能试验技术与寿命预测方法可为抗氧化涂层工艺制造及结构材料体系设计提供重要科学依据,对航天技术发展具有重要的科学价值。针对抗氧化涂层热性能分析中加热机制迥异和温场特性时变而难以准确分析其传热过程的问题,实现不同加热机制中涂层增长/挥发的传热机理研究是需要解决的重要科学问题;针对抗氧化涂层热性能分析中存在缺少理论依据而不可避免造成氧化动力学分析盲目性的问题,构建不同阶段氧化动力学分析方法是需要解决的又一重要科学问题;针对无法在线宽温域恒温加热和有氧/真空快速热震而导致抗氧化涂层热性能不能准确试验的应用难题,研制热性能试验系统是本文亟待解决的关键技术问题;针对传统寿命预测方法存在中断试验及简化因素过多而不能准确预测寿命的问题,建立一种可行可靠的寿命预测方法是亟待解决的重要科学问题。针对以上问题,开展了本文的... 

【文章页数】：158 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究目的和意义
    1.2 热性能分析方法研究概述
        1.2.1 热重法
        1.2.2 热重氧化分析方法
    1.3 热性能试验技术研究现状
    1.4 涂层寿命预测方法研究现状
    1.5 本领域存在的科学问题及关键技术
    1.6 本文的主要研究内容
第2章 抗氧化涂层热性能分析理论研究
    2.1 引言
    2.2 热传导分析基础理论
        2.2.1 传热学基本理论
        2.2.2 导热微分方程边界条件
    2.3 涂层加热物理模型的建立
        2.3.1 电阻加热物理模型
        2.3.2 感应加热物理模型
        2.3.3 辐射加热物理模型
    2.4 涂层三维热传导分析模型的建立
        2.4.1 电阻加热三维热传导模型
        2.4.2 感应加热三维热传导模型
        2.4.3 辐射加热三维热传导模型
    2.5 硅化物涂层增长/挥发传热过程仿真试验
        2.5.1 材料参数的确定
        2.5.2 涂层氧化前后厚度的依赖关系
        2.5.3 电阻加热条件下的传热过程仿真试验
        2.5.4 感应加热条件下的传热过程仿真试验
        2.5.5 辐射加热条件下的传热过程仿真试验
        2.5.6 不同加热方式的对比分析
    2.6 基于不同加热机制的涂层热性能测量方法
        2.6.1 恒温条件下的热重法测量方法
        2.6.2 空气热震条件下的热重法测量方法
        2.6.3 真空热震条件下的热重法测量方法
    2.7 恒温条件下抗氧化涂层热重数据处理方法
        2.7.1 基于比例系数法的热重数据处理方法
        2.7.2 基于莱以特准则与加权递推平均滤波的热重数据处理方法
    2.8 基于热重法的恒温氧化动力学分析方法
        2.8.1 氧化阶段的动力学模型
        2.8.2 扩散阶段的动力学模型
        2.8.3 脱落阶段的动力学模型
    2.9 本章小结
第3章 用于地面模拟姿控发动机涂层服役环境的热性能试验系统的研制
    3.1 引言
    3.2 系统设计
        3.2.1 试样规格
        3.2.2 技术指标
        3.2.3 总体设计
    3.3 恒温试验装置的研制
        3.3.1 1700~2300℃高温加热炉的设计
        3.3.2 100~1800℃中温加热炉的设计
        3.3.3 室温~120℃常温加热炉的设计
        3.3.4 -180℃~室温低温加热/制冷炉的设计
        3.3.5 试样实时称重系统的设计
        3.3.6 控制系统的设计
    3.4 有氧/真空热震试验装置的研制
        3.4.1 加热系统的设计
        3.4.2 抽真空系统的设计
        3.4.3 控制系统的设计
    3.5 通用辅助装置的设计
        3.5.1 空气干燥系统
        3.5.2 冷却水系统
    3.6 基于模糊控制的目标温度值控温方法
        3.6.1 模糊控制器的设计
        3.6.2 温控方法实验验证
    3.7 本章小结
第4章 抗氧化涂层失效机理与寿命预测方法研究
    4.1 引言
    4.2 硅化物涂层的微观组织结构分析
    4.3 硅化物涂层失效机理
        4.3.1 硅化物涂层结构及失效表征
        4.3.2 恒温试验条件下的硅化物涂层失效机理及分析
        4.3.3 空气热震试验条件下的硅化物涂层失效机理及分析
        4.3.4 真空热震试验条件下的硅化物涂层失效机理及分析
    4.4 基于可靠性寿命特征量的有氧热震寿命预测方法
        4.4.1 寿命特征量基础理论
        4.4.2 基于热循环参量的有氧热震寿命预测模型
        4.4.3 不同冷热循环试验温度条件下的有氧热震寿命试验研究
        4.4.4 抗氧化涂层厚度氧化增长趋势下的表面热应力分析
        4.4.5 关键参数估计及模型验证
    4.5 本章小结
第5章 试验研究及不确定度分析
    5.1 引言
    5.2 恒温试验及结果分析
        5.2.1 -180℃~室温温区的恒温试验
        5.2.2 室温~120℃温区的恒温试验
        5.2.3 100~1800℃温区的恒温试验
        5.2.4 1700~2300℃温区的恒温试验
        5.2.5 恒温试验规律分析
    5.3 热震试验及结果分析
        5.3.1 空气热震试验及结果分析
        5.3.2 真空热震试验及结果分析
        5.3.3 热震试验规律分析
    5.4 不确定度分析
        5.4.1 质量测量的不确定度
        5.4.2 有氧/真空热震试验装置温度测量的不确定度
        5.4.3 恒温试验装置温度测量的不确定度
    5.5 本章小结
结论
参考文献
附录
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊PID控制的大尺寸KDP晶体生长装置恒温控制[J]. 赵峥,王永青,杨强,翟英汉.  机械制造与自动化. 2018(05)
[2]热重分析仪的计量检定和校准[J]. 苏衡,王海峰,李佳,刘百军,张庆合.  理化检验(物理分册). 2018(10)
[3]双组元推力室热防护涂层工艺技术研究[J]. 王堃,王国强.  火箭推进. 2018(02)
[4]一种智能助力车力矩感测系统设计与实现[J]. 张夏栋,李云飞,贾俊铖,吴超华.  现代电子技术. 2016(20)
[5]持久蠕变试验用高温加热炉的改造[J]. 吴安民,张志华,邱鹏,钟汉萍,张燕明.  工程与试验. 2016(03)
[6]铌铪合金推力室身部表面高温防护涂层的工艺技术研究[J]. 潘兆义,蔡刚,宋国新.  火箭推进. 2016(04)
[7]浅谈电子天平称重的测量不确定度[J]. 谢洪波.  工业计量. 2016(04)
[8]200NCf/SiC复合材料推力器研制[J]. 葛明和,姚世强,安鹏.  火箭推进. 2016(03)
[9]铌钨合金抗高温氧化硅化物涂层的性能[J]. 田进鹏,周小军,赵刚,王立斐,王蓉,张丽.  材料保护. 2016(05)
[10]基于ANSYS的感应炉硅提纯数值模拟[J]. 胡慧.  自动化与仪器仪表. 2016(03)

博士论文
[1]钛合金表面低氧压熔结涂层制备及涂层氧化寿命预测[D]. 周伟.吉林大学 2008

硕士论文
[1]热防护涂层服役过程数值模拟研究[D]. 赵鹏.大连理工大学 2017
[2]1Cr11Ni2W2MoV马氏体热强钢热浸镀Al-Si-Re抗高温氧化腐蚀性能研究[D]. 李翀.哈尔滨工程大学 2004



本文编号：3654058