国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

2D-SiC/SiC复合材料的弹丸冲击损伤及冲击后拉伸性能

连续纤维增韧陶瓷基复合材料以其良好的高温性能而被广泛应用在航空发动机等高温部件处,但服役过程中容易受到异物碎片冲击,这受到了广泛关注。研究采用轻气炮对化学气相渗透(CVI)技术制备的2D-SiC/SiC试样进行弹丸冲击,利用高速摄像机记录冲击过程,使用光学显微镜和CT观察异物损伤(FOD)的表面和内部结构,探讨了2D-SiC/SiC复合材料的高速冲击损伤特性。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料的高速冲击损伤形式包括锥形裂纹、层间分层、纤维断裂以及基体压溃等。通过表征损伤发现,试件背部损伤和边缘处分层损伤由反射拉伸波造成,随着冲击速度提升,弹丸与拉伸波共同作用会造成试件穿透,试件边缘分层损伤减弱。对高速冲击后的试件进行准静态拉伸试验,明确了剩余力学性能与冲击速度、弹丸直径的关系,表明剩余拉伸强度是表征冲击损伤程度的有效参数。同时,采用数字图像相关(DIC)方法获得拉伸过程中的应变分布,并结合不同弹丸直径、冲击速度冲击后的剩余拉伸强度,进一步对比探究不同变量对冲击损伤的影响。研究结果表明弹丸直径是高速冲击损伤程度的主要影响因素。

2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

高温燃气环境下SiCf/SiC和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料力学性能及损伤

航空发动机中的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)因承受高温高速燃烧气体的氧化腐蚀而发生损伤甚至失效。本工作利用燃气发生装置模拟航空发动机中复杂燃气环境,将以一定比例混合后的航空煤油与液氧燃料点燃,形成高温高速燃烧气体对材料进行考核。对SiC_(f)/SiC复合材料分别进行1200℃燃气环境10 h氧化实验和1000次热冲击实验,探究环境屏障涂层(environmental barrier coating,EBC)对SiC_(f)/SiC复合材料的防护作用。对燃气环境考核后的SiC_(f)/SiC复合材料和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料进行单轴拉伸强度测试,并利用扫描电镜对其断口及截面微观形貌进行观察。结果表明:在燃气环境下氧化10 h后,SiC_(f)/SiC复合材料和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料内部没有发生明显的界面层及纤维氧化,单轴拉伸强度下降不到2%;在燃气环境下经过1000次热冲击后,在SiC_(f)/SiC复合材料内部形成多处微裂纹并发生了界面层的氧化腐蚀,单轴拉伸强度下降41.3%;EBC涂层可以有效保护SiC_(f)/SiC复合材料免受高温燃气的氧化腐蚀,SiC_(f)/SiC-EBC复合材料在经过1000次热冲击后的单轴拉伸强度下降16.6%。

Ni或Co的加入对CuCr25合金组织与性能的影响

研究了 Ni或 Co的加入对真空感应熔炼制备的 Cu Cr2 5合金的组织形貌和物理性能的影响。结果表明 :加入 Ni或 Co后可以明显改善 Cu Cr2 5合金的显微组织 ,避免出现 Cr的宏观偏析 ,大大提高了成品率 ,提高了合金的耐电压强度和硬度 ,合金的电导率有所降低。真空感应熔炼法制备的 Cu Cr2 5合金达到了常规方法制备的 Cu Cr5 0的技术要求。

纯石墨和铜-石墨的阴极斑点与截流值研究

研究了纯石墨和铜-石墨材料的阴极斑点的特性及真空电弧截流现象。发现纯石墨的阴极斑点呈现随机运动的特点,斑点的直径小于3μm,阴极斑点每次运动的距离约为阴极斑点的半径。而铜-石墨的阴极斑点的运动与Cu相息息相关,它选择性的发生在Cu相上,阴极斑点的大小取决于Cu相的大小,阴极斑点的运动距离为Cu相之间的距离。同时,铜-石墨的真空电弧截流值1.18A,远远大于纯石墨的截流值,这主要是由于两种材料不同的阴极斑点运动特性引起的。

CuCr25系列合金的耐电压强度

本文研究了元素Ni、W、Co对真空感应熔炼CuCr2 5合金的耐电压强度的影响。试验结果表明 :Ni的添加可以提高CuCr2 5合金的耐电压强度 ,但是幅度不大 ;元素W主要通过对Cr相进行选择强化 ,同时细化Cr粒子和改变其形态使合金的耐压水平提高 ;而Co也可以对Cr相选择强化 ,所以 ,同时加入W、Co时 。

真空感应熔炼CuCr25合金氧含量的影响因素

研究了坩埚材料、真空度和合金元素Al对真空感应熔炼CuCr2 5合金氧含量的影响。结果表明 :使用碱性氧化物MgO坩埚制得的CuCr2 5合金的氧含量非常高 ,达到千分之几 ,同时可以引起Cr的偏析。而使用中性氧化物Al2 O3 坩埚后可以完全避免这些问题 ,合金的组织和性能大大改善 ,氧含量降低到 70 0× 10 -6左右 ,如果在此基础上添加适量的脱氧剂Al,则可以制备出性能优异的CuCr2 5触头材料 ,其性能完全达到常规CuCr5 0触头材料的水平。

真空电弧阴极斑点的研究进展

介绍了国内外真空电弧阴极斑点的基本概念、研究方法以及电极材料的物理性质和显微组织对阴极斑点特性的影响,以便深入了解这一复杂物理现象。对于单质电极材料,其热学和电学性能决定了阴极斑点的特性,而对于由多相组成的合金电极和复合材料电极,其物理性能,尤其是显微组织对阴极斑点特性起着决定性作用。纳米材料和非晶合金的发展为真空电弧阴极斑点的研究提供了前所未有的机遇。

Ni含量对CuCr25合金组织与性能的影响

采用真空感应熔炼法获得不同Ni含量的CuCr2 5合金。通过观察其显微组织和测量其性能得如下结果 :随Ni含量的增加 ,合金的Cr相由树枝晶转变为节点状晶粒 ,并且得到明显细化 ;合金的电导率大幅度下降 ,但是Ni含量小于 0 .5 % ,电导率大于 2 0MS/m ,相当常规CuCr5 0的性能 ;Ni含量对该合金的耐电压强度影响不大。

挤压成形石墨的高温拉伸和弯曲性能

研究了挤压成形的石墨材料的高温拉伸和弯曲性能,并使用扫描电子显微镜进行了断口分析。研究结果表明:室温到2 000℃的温度范围内,材料的强度和模量均随着温度的升高而增大。同时石墨具有明显的各向异性,径向的力学性能均大于轴向性能,这与石墨微晶的取向在两个方向的取向有密切关系。不论是轴向还是径向,石墨的弯曲强度和模量大于拉伸强度和模量,表明石墨材料对应力梯度下的变形具有更大的抗力。

Cu_(64)Zr_(36)非晶合金的晶化动力学

利用单辊急冷法制备了Cu64Zr36非晶合金,使用盐浴等温退火并用DSC和XRD研究了其晶化过程、玻璃转变和晶化动力学。结果表明:Cu64Zr36非晶合金的晶化过程为:非晶→非晶+Cu10Zr7→Cu10Zr7+CuZr2。该合金的玻璃转变和晶化激活能分别为433.7kJ/mol和603kJ/mol。

2D-C_f/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

研究了2D-C_f/Si C复合材料在空气中,温度分别为700℃和900℃,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和100MPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间,使用扫描电子显微镜分析其微观组织和断口形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-C_f/Si C复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关,较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中,材料除发生应力损伤外,还会发生氧化损伤;2D-C_f/Si C复合材料的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。

物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展

概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势,详细分析了制备方法、Al含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的涂层结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大、表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。为进一步促进TiAlN涂层的应用,今后还需探索该涂层的制备方法,优化其制备工艺。多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。

C/C复合材料室温面内剪切强度分布

根据C/C复合材料室温面内剪切强度实验数据,以二参数Weibull分布为假设分布模型,采用图解法进行参数估计,探讨该复合材料的室温面内剪切强度分布规律。根据Kolmogorov非参数检验,对假设分布进行检验。结果表明,C/C复合材料室温面内剪切强度可以用二参数Weibull分布模型表征,求解的二参数Weibull分布能很好地预测该材料的室温面内剪切强度。

疏水表面及其减阻研究

本文简述了疏水表面及其减阻的基本原理,概述了国内外研究者构造疏水表面所采用的技术工艺及最新研究成果。对疏水表面用于减阻的最新研究进展进行了综述,指出现阶段疏水表面存在的不足以及用于减阻所面临的问题,提出采用气相沉积结合原位反应渗透等工艺制备疏水、耐磨、耐腐蚀、结合力好的减阻疏水表面。

W或C添加剂对优化CuCr25合金显微组织的作用

采用真空感应熔炼法制备CuCr25(W),与Cr25(C)合金,研究不同合金元素W,C对CuCr触头微观组织的影响。研究结果表明,W和C能够显著细化Cr相晶粒,W对Cr相晶粒还有球化作用,同时对Cr相进行了强化。使合金整体性能得到提高,其中耐电压强度得到显著提高。

CuCr25纳米晶化对真空电弧阴极斑点扩散的影响

采用氩气保护气氛高能球磨和真空热压技术制备了致密度大于98%的纳米晶CuCr25合金,并在真空室内进行击穿试验。采用扫描电镜对纳米晶和粗晶CuCr25合金阴极斑点蚀坑形貌进行观察。结果表明:粗晶CuCr25合金真空电弧阴极斑点扩散表现为原地重复燃烧或整体的跳跃式移动,且有选择地分布在Cr相。而纳米晶CuCr25合金由于晶粒细化(<50nm),为电子发射提供了优越条件,阴极斑点的扩散表现为次级斑点的此起彼伏的准连续移动,击穿相均匀分布在整个阴极表面。

2D-C/SiC复合材料在空气中的高温压缩强度研究

研究了二维碳纤维增强碳化硅基复合材料(2D-C/SiC)在空气介质中的高温压缩强度。材料采用1K T300碳纤维平纹布经叠层和缝合制成预制体为增强体,经等温化学气相浸渗制备而成。试样表面用化学气相沉积工艺沉积SiC涂层。测试方向为垂直于炭布叠层方向,测试温度为室温,700℃,1100℃和1300℃。使用扫描电子显微镜观察了材料的断口。结果表明:室温～700℃,2D-C/SiC的压缩强度随温度升高逐渐增大,温度高于700℃后,材料的压缩强度缓慢降低。导致2D-C/SiC的压缩强度随温度变化的主要原因为纤维和基体热膨胀系数不同引起的残余应力随温度升高逐渐变小和高温下材料的氧化损伤。

PVD TiN涂层力学性能的测试方法

至今一种试样只能测试一到两个涂层性能参数,尚未得到一种切实可行、简单有效、物理意义明确的涂层力学性能的评价方法。文中通过对传统的复合板模型进行改进,提出一种能同时测试涂层多个力学性能参数的方法。利用应变仪、光学显微镜及拉伸机的有效组合,对W6Mo5Cr4V2钢PVD(physical vapor deposition,离子镀)涂覆TiN涂层的板状拉伸试样进行试验,得到TiN涂层的弹性模量、泊松比、剪切模量和断裂强度。弹性常数与文献报道基本吻合,而断裂强度差别较大,并分析差别的可能原因。