偏轴载荷下连续SiC纤维增强钛基复合材料的拉伸行为研究

连续SiC纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料是未来高性能动力装置的关键材料之一。针对SiCf/Ti复合材料中纤维与试样轴向载荷常存在一定偏轴角度的问题,通过室温拉伸、有限元模拟和断口表征研究了偏轴角度对SiCf/TC17复合材料力学性能和失效机理的影响。根据SiCf/TC17复合材料力学性能、断口形貌和应力分布可以定义一个临界偏轴角度,其数值约为1°。结果表明,随偏轴角度的增加,复合材料试样的抗拉强度下降,且当偏轴角度超过临界值时,抗拉强度下降速率增加。复合材料的失效机制与偏轴角度相关,当偏轴角度小于临界值时,试样断口由数个平坦的断面组成,纤维拔出和界面开裂程度都较低,纤维断面基本垂直于轴线,为典型的正应力断裂形貌;当偏轴角度大于临界值时,断口的起伏程度增加,纤维拔出和界面开裂现象都更加明显,部分纤维开始出现剪切断裂,表明拉剪耦合在断裂中起到重要作用。因此,对于SiCf/TC17复合材料轴向试样而言,应将纤维与试样整体的偏轴角度控制在临界值内,以获得有效的性能测试数据。

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiCf/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明:纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1960~1987 MPa;纤维偏轴角度再增大时(>2°),材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1870 MPa降至1797 MPa。纤维偏轴角度较小时(≤2°),平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时(>2°),部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiCf/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时(≤2°),裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时(>2°),“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。

连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展

连续SiC纤维增强钛基(SiC_(f)/Ti)复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温等特点,在航空航天领域具有重要的应用前景。本文总结了SiC_(f)/Ti复合材料的应用、制备、性能调控和检测技术,并提出了SiC_(f)/Ti复合材料未来需要突破的瓶颈问题。SiC_(f)/Ti复合材料单向性能优异,在环类转动件(叶环、涡轮盘等)、杆件(涡轮轴、连杆、紧固件等)以及板类构件(飞机蒙皮等)具有明显应用优势。常用的SiC_(f)/Ti复合材料的制备方法有箔压法和基体涂层法,箔压法适合制备板类结构件,基体涂层法适用于缠绕形式的结构件,如环、盘以及杆等。SiC_(f)/Ti复合材料的性能主要取决于SiC纤维、钛合金基体以及纤维/基体界面。SiC纤维微观结构和性能对制备工艺具有较强的敏感性,通过反应器结构和沉积条件调控获得性能稳定的SiC纤维是研究重点之一。钛合金基体可通过物理气相沉积的方法涂敷到纤维表面,制备出钛合金先驱丝,这是后续制备出高质量构件的关键。界面微观结构、热稳定性、力学性能与纤维表面的涂层密切相关,因此涂层种类和结构调控是SiC_(f)/Ti复合材料的界面性能调控的重要手段。SiC_(f)/Ti复合材料的应用促进了无损检测技术的发展,由此研究者开展了超声检测、X射线检测和声发射等在复合材料检测上的基础研究。为了实现SiC_(f)/Ti复合材料的广泛应用,未来还需要在复合材料结构设计、低成本制造、失效分析与寿命预测等方面开展进一步的研究工作。

SiC_(f)/TC17复合材料制备方法对界面反应层 生长动力学的影响

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_(f)/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能,是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiC_(f)/Ti复合材料可采用箔压法(FFF)和基体涂层法(MCF)进行制备,为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响,采用FFF和MCF分别制备SiCf/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiC_(f)/TC17复合材料在高温下(800~900℃)进行热暴露处理,通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析,获得界面反应层在高温下的生长速率,并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明:相同温度下MCF法制备的SiC_(f)/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料,前者的反应速率因子k0为4.942×10^(−3) m/s^(1/2),反应激活能Q为276.3 kJ/mol,后者的界面反应速率因子k0为8.149×10^(−3) m/s^(1/2),反应激活能Q为291.7 kJ/mol。这是由于MCF法制备的钛合金基体具有更微小的相组织,具有较小的反应激活能,在高温下具有更高的元素扩散速率。

SiCf/TC17复合材料单轴拉伸性能的数值模拟分析

使用ABAQUS有限元软件结合内聚力模型(CZM)建立了SiCf/TC17复合材料模型,研究了热残余应力场在复合材料的分布规律以及热残余应力对复合材料纵横向拉伸的影响。分析了纵向拉伸过程中基体屈服对复合材料的影响以及热残余应力对复合材料性能的影响。分析了复合材料横向拉伸的失效机制,以及等效应力在基体中的再分配,发现界面径向压应力能够减缓界面的脱粘。

SiCf/Ti60复合材料预制体热等静压致密化过程数值模拟

采用有限元方法对SiCf/Ti60复合材料预制体的热等静压致密化过程进行了模拟研究,研究分析了预制体中先驱丝排布方式、SiC纤维的体积分数和热等静压工艺参数对复合材料预制体致密化行为的影响。结果表明,SiCf/Ti60复合材料预制体在热等静压致密化过程中呈现出4个阶段特征;先驱丝堆垛排布方式对预制体的致密化行为有一定的影响,但在致密化的最后阶段,四方和六方排布方式下的致密度趋于相同;增大SiC纤维的体积分数可使热等静压前期的致密度略有增加,但使热等静压后期的致密度略有减小;增大升温速率可较显著缩短预制体完全致密化的时间,而提高升压速率仅少量增加预制体的致密度。

SiC纤维增强Ti17合金复合材料轴向残余应力的拉曼光谱和X射线衍射法对比研究

准确测量和分析SiC纤维增强Ti合金复合材料(SiC_f/Ti)中残余应力状态对优化复合材料的成型工艺和理解其失效模式具有重要意义,但其残余应力的实验测量和分析仍是一个挑战.石墨C涂层作为SiC纤维与Ti17基体合金之间必需的扩散障涂层,承载了由纤维与基体之间热不匹配引入的残余应力.本文采用显微拉曼光谱法对比测量纤维表面C涂层在复合材料中和去掉基体无应力态下G峰的峰位,通过石墨C涂层应力态下峰位移动计算出SiCf/C/Ti17复合材料中SiC纤维受到～705.0 MPa的残余压应力.采用X射线衍射方法测量了不同方向上该复合材料中基体钛合金的晶面间距以获取其空间应变,根据三轴应力模型分析了复合材料中基体钛合金沿轴向方向的残余应力为～701.3 MPa的张应力,并通过线性弹性理论转化为SiC纤维的残余压应力为～759.4 MPa.两种测试方法都确定了SiC纤维在成型过程中受到残余压应力,且获得的应力值较为接近,都可以用于对SiC_f/Ti复合材料的残余应力测量.

SiCf/TC17复合材料界面剪切强度测试与有限元分析

界面强度对钛基复合材料的性能有重要影响。采用纤维顶出实验(push-outtest)对连续SiC纤维增强TC17复合材料的界面剪切强度进行了测试,采用SEM观察了样品的形貌。以纤维/基体完全分离后的摩擦力为出发点,采用有限元方法确定了复合材料成型过程中残余应力的产生温度,并计算了残余应力的分布,比较了顶出实验样品制备前后残余应力的变化情况及样品厚度、体积分数对残余应力分布的影响;采用内聚力模型(CZM)分析了界面的化学结合强度。结果表明:SiCf/TC17复合材料高温成型后的冷却过程中开始产生残余应力的温度为775℃;顶出实验样品制备后界面处生成了残余剪切应力,其大小和分布与样品的体积分数和厚度相关,界面处的残余剪切应力造成了界面剪切强度的测试结果与界面化学结合强度的差异;室温下SiCf/TC17复合材料的界面化学结合强度约为450MPa。

PVD态TC17钛合金压缩实验方法及流动应力-应变曲线测定

由于PVD态钛合金难于获得常规压缩试样所需的尺寸,因而无法直接采用传统压缩实验方法来获得PVD态钛合金流动应力-应变曲线。为解决此难题,设计了一种针对PVD态TC17钛合金的特殊压缩试样。利用该特殊压缩试样,提出了PVD态TC17钛合金流动应力-应变曲线的测定方法,并利用该方法在热模拟试验机上对特殊压缩试样进行等温恒应变速率压缩实验,测出PVD态TC17钛合金在应变速率为0.001 s^(-1),变形温度为650、750和850℃时的流动应力-应变曲线。该特殊压缩实验方法和流动应力-应变曲线测定方法可推广到其它薄膜材料。

连续SiC纤维增强钛基复合材料研制

钛基复合材料由于在中高温环境下具有很高的比强度、比模量以及良好的抗疲劳和抗蠕变特性,受到研究者的广泛关注。回顾了国内外该材料的发展历程,详细介绍了连续SiC纤维增强钛基复合材料的研制过程,包括SiC纤维制备、涂层制备、复合材料成型及构件制备等工艺过程。概述了研究团队近年来在连续SiC纤维增强钛基复合材料研究领域开展的工作及取得的进展,包括成功研制了高性能连续SiC纤维并实现小批量试制,设计了适用于不同增强基体合金的界面涂层,研究表明研制的C涂层可使复合材料经1100℃处理后界面涂层保存较好;实现了20~50μm性能优异的钛合金、铝合金、高温镍合金先驱丝的沉积;完成了Ф600mm×160mm尺寸的复合材料环形件及Ф50mm×300mm转动轴部件的试制。最后对该材料未来的发展趋势进行了展望。

SiC纤维增强TiAl基复合材料残余应力的调控

武器装备的轻量化设计以及更苛刻的高温服役要求,对材料提出了更高的要求。连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能,成为了备受关注的轻质高温结构材料。但受局限于SiCf/TiAl复合材料的工艺特点,在成型过程中不可避免的会引入热残余应力而引起材料内部缺陷,对材料的力学性能带来不利影响。研究表明,SiCf/TiAl基体中具有较高的残余张应力,是SiCf/TiAl复合材料基体缺陷产生的主要原因。当SiC纤维体积分数(V_(f))为40.54%时,TiAl基体中最大残余张应力为1083.7 MPa(高于TiAl室温断裂强度)。为了调控SiCf/TiAl复合材料内部残余应力,采用有限元分析法计算了不同位置引入不同厚度的钛合金涂层,获得涂层的位置、厚度以及钛合金种类对SiCf/TiAl复合材料热残余应力的影响,从而获得SiCf/TiAl复合材料的残余应力的优化方案。对于SiC纤维V_(f)为40.54%的SiCf/TiAl复合材料而言,采用引入5μm(内)/1μm(外)涂层时,相比原始SiCf/TiAl复合材料,TiAl基体中最大残余张应力可降低约10%(低于TiAl室温断裂强度),从而在一定程度上降低复合材料中基体开裂等缺陷产生的风险。

PVD溅射电流对SiC纤维表面Ti_3Al涂层组织结构的影响

采用磁控溅射物理气相沉积(PVD)法在SiC纤维表面进行Ti3Al涂层的制备,研究了该过程中PVD溅射电流对Ti3Al涂层组织结构的影响规律。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对Ti3Al涂层的沉积率、组成物相、晶粒大小、组织结构和表面形貌等进行了观察与分析。研究结果表明,磁控溅射PVD法制得的Ti3Al涂层组成物相与靶材一致,但涂层生长择优取向发生了变化。随着溅射电流的增大,Ti3Al涂层沉积率提高,平均晶粒尺寸增大。此外,涂层的微观形貌为柱状晶组织,但随着溅射电流的增加,涂层表面因粒子溅射辐照温度的升高而升温,同时晶粒边界出现迁移,涂层生长由V型柱状晶生长向等轴柱状晶生长转变,最后形成致密组织。涂层粗糙度的变化与涂层晶粒尺寸和微观结构有关,因此Ti3Al涂层表面粗糙度随着溅射电流增加呈现出先增大后减小的规律。

溅射偏压对TC17合金涂层生长的影响研究

SiC纤维增强钛基复合材料（SiCf/Ti）具有优良的力学性能,是航空领域重要的高温结构材料;高质量的先驱丝（带金属涂层的SiC纤维）是研制复合材料的关键,而这主要受溅射工艺的影响。本文采用磁控溅射法沉积TC17合金涂层,研究了沉积过程中溅射偏压对涂层生长情况的影响规律,通过X射线衍射（XRD）、俄歇电子（AES）、扫描电镜（SEM）、表面轮廓仪和纳米压痕仪分别对涂层的晶体结构、成分、微观形貌、应力、弹性模量及硬度进行了分析。结果表明溅射偏压对合金涂层应力影响显著,随着负偏压的增大,涂层应力由张应力向压应力转变;由于压应力有利于涂层与纤维的结合,因此在高偏压下涂层与纤维的结合情况较好且生长致密;而偏压对涂层组成物相和弹性模量的影响较小;涂层硬度随负偏压的增大总体呈现增大的趋势。

预变形对锆合金拉伸性能的影响

分析了不同预变形量时退火态Zr-4合金的显微组织,研究了预变形量对退火态Zr-4合金室温和350℃下拉伸性能的作用规律,并通过扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对不同预变形量试样的显微形貌、位错组态及其分布情况进行了分析。拉伸试验结果表明:随着预变形量的增加退火态Zr-4合金在室温和高温下的屈服强度和抗拉强度均显著提高,断面收缩率和延伸率有一定的降低。对不同预变形量试样的显微形貌及位错分布情况的分析表明,Zr-4合金随着预变形量的逐步增加,晶粒会逐渐发生扭转与拉长;第二相析出物(SPPs)有在晶界上聚集的趋势,且随着预变形量的增加分布越来越不均匀;在晶粒内产生高密度位错,且位错之间相互缠结。高密度位错在晶界和第二相的阻碍作用下容易发生塞积,这种高密度位错塞积引起粗大晶粒的破碎或产生亚晶,从而提高Zr-4合金的拉伸强度;晶粒的细化和第二相的偏聚还会使Zr-4合金保持良好的塑性。适当的预变形加工在不损害退火态锆合金塑性的前提下,可以有效的提高其抗拉强度和屈服强度。

放电等离子烧结热压时间对SiC_f/TC17板材致密化的影响

采用放电等离子烧结(SPS)对连续SiCf增强TC17复合材料板材预制体进行热压制备,研究了不同热压时间对SiCf/TC17复合材料致密化程度的影响。结果表明,SiCf/TC17复合材料的相对密度随热压时间延长而提高,在50 MPa、900℃下保温15min基本实现了致密化,相对密度达到99.4%。此外,基于对放电等离子烧结参数曲线和具有代表性的微观组织特征的分析,可将SiCf/TC17复合材料板材预制体的致密化过程分为先驱丝表面净化与活化、快速致密化和蠕变致密化3个阶段,并对致密化过程中先驱丝钛合金涂层的塑性变形及致密化机理进行了初步分析。