题目：接触热阻测试技术及其影响因素研究

航空航天工业的发展对发动机提出了愈来愈高的要求。推重比的提高必然导致发动机热结构材料的温度的提高，各热结构材料部件的温度场就变得复杂，而热结构材料的温度场直接决定于热结构材料之间的接触热阻。发动机热结构材料部件之间的接触热阻正逐渐引起人们的关注。发动机主要热结构材料部件都是新型材料，叶片是由单晶合金制造，涡轮盘是通过粉末冶金制成，这些材料的物理特性参数都较缺乏，热结构材料部件的接触热阻不能科学计算，因此导致了航空发动机的粗放型设计。接触热阻的研究对航空发动机的制造起着至关重要的作用，接触热阻的准确计算是科学设计航空发动机的必要条件。接触热阻的研究包括理论研究和实验研究，国外对理论模型进行了系统的研究，并提出了一系列的经验-半经验关系式。本研究研制了接触热阻测试系统，包括加热系统、冷却系统、加载承载系统、测控系统和隔热系统五个部分。采用稳态法研究了TC4和30CrMnSi两种航空发动机热结构材料部件常用材料间，接触应力从0到150MPa，界面平均温度从50到300℃，接触热阻的变化规律及影响因素。通过使用1Cr18Ni9Ti作为加热块，使得界面平均温度提高到300℃左右。冷却装置改进了当前设备采用冷却管的方式，使得冷却效率提高。在采用隔热的同时，还在试样周围设置了补偿加热器，大大减小了由热流损失导致的误差。通过采用已知热导系数的材料-铜进行调试，发现该设备轴向一维导热状态良好，能够满足实验所需的条件。由于实验过程中该设备操作复杂，对设备进行了改进，使得程序简化。该设备能够进行圆柱状试样及方形试样的研究，能够实现均匀加载和连续控温。温度传感器采用试样钻孔的方式置入其中。热电偶采集到的数据通过信号接收软件在计算机上显示，使得稳态的判断更为直观。航空发动机热结构材料部件表面加工状态均为直平行条纹，因此本课题试样端面的加工采用刨和磨的方式。热结构材料部件的接触可能产生不同的刀纹接触方式，刀纹的垂直与平行方向也会对接触热导有影响。接触热阻的影响因素很多，界面间的接触应力、界面平均温度、材料表面形貌、加工刀纹方向、接触填料的种类、材料的热导系数、弹性模量、硬度、加载历史和热流方向等都可能影响接触热阻。本课题主要研究了荷载、界面平均温度、热流方向、粗糙度和刀纹方向对接触热导的影响。接触热导随着界面接触应力的增加而增加，但是同种条件下的加载过程和卸载过程表明，卸载过程中接触热导往往大于加载过程的接触热导。在不同的粗糙度、热流方向和刀纹接触方向的情况下，荷载对接触热阻的影响也不同。将同种加工工艺条件下的试片在金相显微镜和扫面电镜下观察,可清楚地发现加载过程中，试样端面的粗糙度峰在荷载下发生了稍微的塑性变形，峰点将变得平缓，接触热导也会随之变大。在加载过程中，粗糙度较大的接触面，其接触热导却比粗糙度较小的接触面大，这可能是由于平行刀纹相接触，在荷载的作用下齿和较好的结果。而对于粗糙度较小的接触面相接触的情况，在卸载过程中，接触热导远远大于粗糙度较大的平面相接触的情况。刀纹接触方向对接触热导的影响在表面粗糙度为Ra6.4时表现得尤为明显。刀纹垂直相接触时接触热导随加载卸载的变化，在较高和较低的接触应力时，相同荷载下，加载和卸载过程所对应的接触热导值较为接近。而在10-100MPa之间时，加载和卸载所对应的接触热导差别较大，而且，加载时的接触热导远远大于卸载时的接触热导。实验发现，接触热导随界面温度的增加有稍微的降低。实验设备用于瞬态实验时，误差较大。