钛合金螺栓连接复合材料海洋环境效应分析

为了研究钛合金螺接复合材料件的热带海洋环境腐蚀/老化效应,设计并制备钛合金螺栓连接复合材料模拟件,依托永兴岛大气试验站,开展钛合金螺栓连接复合材料模拟件海洋大气户外暴露试验,收集了2年的环境腐蚀/老化数据,主要包括宏微观形貌、成分变化及力学性能等。研究结果表明:①钛合金螺栓连接复合材料模拟件在户外暴露6个月后,螺栓和螺母表面涂层均发生明显腐蚀;暴露2年后,螺栓表面离子镀铝层脱落导致其严重变色,螺母表面MoS2涂层发生明显腐蚀,复合材料层合板表面出现明显老化,局部出现纤维剥落;②在力学性能方面,经自然环境暴露2年后,连接件承载能力无明显变化,断裂方式均为螺栓钉头弯曲破坏,连接件韧性出现明显下降,断裂时最大位移较初始状态相比下降约16%。

循环盐雾环境中碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中铝合金的腐蚀行为

采用循环盐雾加速腐蚀试验,通过腐蚀速率测试、腐蚀形貌观察和电化学方法研究了碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中6082铝合金的腐蚀行为。结果表明:与碳纤维复合材料连接后,6082铝合金的腐蚀速率是未连接试样的13倍,铝合金与裸露的碳纤维接触处的腐蚀最严重。随着腐蚀时间的延长,铝合金的腐蚀电位逐渐下降,腐蚀电流密度增大,耐蚀性减弱,铝合金表面的腐蚀产物逐渐形成致密和疏松的双层结构。

复合材料与高温合金螺栓连接的热适配技术

为了改善高温环境下螺栓连接力学性能,避免热膨胀不匹配所导致的预紧力松弛,研究了高温合金螺栓连接的热适配技术.首先,推导了热适配螺栓的外形参数,指出高温合金热适配螺栓与复合材料的接触面应满足旋转对称的指数轮廓.然后,考虑到螺栓拧紧力矩试验通常在常温下进行,通过比较常、高温条件下的强度性能,推导出高温条件下螺栓预紧力矩的合理取值.最后,开展了普通螺栓与高温合金热适配螺栓典型连接单元的静力试验和振动试验.试验结果表明,热适配连接单元在高温下未发生预紧力矩松弛,而普通螺栓预紧力矩则明显下降,从而验证了所提热适配技术的有效性.

复合材料壁板与钛合金接头连接强度试验与分析

复合材料发展快速且已经广泛应用,但是由于整体制造困难等因素,结构件之间需要有大量的机械连接,因此提高连接区安全性和经济性是一个重要的课题。以复合材料壁板与钛合金接头连接结构为研究对象,开展了连接强度试验研究,测得了结构件的极限拉伸载荷与应力应变数据,得到结构件载荷传递路径以及危险螺栓位置,并与仿真结果进行了对比分析,获得了一些有意义的结果。

Ag-Cu-Ti钎料连接C/C复合材料与钛合金的界面显微组织分析

以Ag-Cu-Ti合金为钎料钎焊连接C/C复合材料与钛合金(TC4),通过SEM对钎焊连接接头的微观组织和形貌进行分析,用EDS和XRD分析接头中的元素分布和物相组成.实验结果表明,中间钎料层与TC4合金之间的界面,形成了良好的界面扩散层,厚度为5～7μm,与TC4钛合金连接侧的钎料相组成主要为CuTi2,CuTi和Cu3Ti2;钎料层与C/C复合材料形成的扩散层厚度为1～3μm,与C/C复合材料连接侧的钎料相组成主要为CuTi2和CuTi.C/C复合材料与TC4合金之间形成了冶金结合.

复合材料-钛合金混合结构多钉连接钉载分布及有限元计算

连接部位通常是复合材料结构强度的薄弱环节,复合材料的多钉连接由于存在钉载分配不均匀性而降低了其连接的强度,因此确定钉载分布规律及其影响因素对提高多钉连接的传载效率具有重要意义。以复合材料-钛合金混合结构为研究对象,分析凸头、沉头两种紧固件连接下复合材料板间共固化、胶接和分离三种装配形式的钉载分配特性以及不同装配形式对钉传载荷的影响;利用应变电测法测量连接区钉孔的应力分布;采用ABAQUS软件建立三维有限元实体模型,对钉群的钉载分配行为进行仿真分析及试验验证。结果表明:除沉头铆钉复合材料板共固化连接件的钉载分配呈加载端至支反端逐渐递减的阶梯状外,其他各形式连接件的钉载分配皆呈两边高、中间低的浴盆状,仅各排钉载所占比例有所区别;复合材料板分离件各排钉载差距最大,胶接件次之,共固化件差距最小。

复合材料-铝合金碾铆与螺栓连接强度对比分析

通过碾铆连接和螺栓连接对复合材料-铝合金进行了连接实验,对两种连接方式的接头进行了静拉伸测试,对比分析了有无垫片和是否粘接两种因素对接头连接强度和能量吸收的影响。结果表明:添加垫圈后,两种接头的峰值载荷趋于一致,但螺栓连接接头的失效位移高于碾铆连接接头,且其能量吸收值比碾铆连接接头高16.29%,有更强的缓冲吸震能力;引入粘接对两种接头的抗拉伸强度影响不大,螺栓连接失效的峰值载荷略高于碾铆连接,两种接头的失效位移和能量吸收基本相同。

Cu-Ti-C反应复合-扩散连接C_f/SiC复合材料和TC4钛合金接头的组织结构

用Cu粉、Ti粉、石墨粉组成的混合粉末连接Cf／SiC陶瓷基复合材料和TC4钛合金，采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析。结果表明：在Cu-（15-30）Ti（ω％）粉末中加入适量石墨粉作钎料，经900～950℃、5-30rain真空钎焊，获得了完整的原位合成TiC增强的复合接头。通过在连接层中原位合成一定体积分数TiC可以明显降低接头热应力。钎料石墨颗粒中的C元素和液相连接层中Ti元素发生相互扩散，形成了残余石墨颗粒周围的TiC反应层和分布在连接层中的TiC颗粒。反应速率主要受C元素由石墨颗粒向液相连接层的扩散速率所控制。

复合材料-钛合金多钉连接结构疲劳试验研究

为验证疲劳加载下复合材料-钛合金多钉连接的安全性,对其疲劳失效行为及剩余强度进行了试验研究。在试验过程中考虑了不同钉径、不同钉孔配合的影响,并综合应用应变位移跟踪、声发射及C扫描等方法对试验中以及试验后试验件的力学反应和破坏行为进行了检测分析。试验结果表明:在规定的载荷下,试验件经过6万次循环没有破坏发生,连接件安全可靠。不同钉径和钉孔配合方式对于连接的疲劳性能和钉载分配影响较小。钉径越大,连接件剩余强度越大,而钉孔配合方式对连接的剩余静强度影响较小。

C_f/SiC复合材料与钛合金(Ti-Zr-Cu-Ni)+W复合-扩散连接

采用(Ti-Zr-Cu-Ni)+W复合钎料作为连接层,在连接温度930℃,保温时间5min的工艺参数下真空钎焊Cf/SiC复合材料与钛合金.利用SEM,EDS和XRD分析接头微观组织结构,利用剪切试验测试接头力学性能.结果表明,钎焊时复合钎料中的钛、锆与Cf/SiC复合材料反应,在Cf/SiC复合材料与连接层界面生成Ti3SiC2,Ti5Si3和少量TiC(ZrC)化合物的混合反应层,连接层的铜、镍与钛合金中的钛发生相互扩散,在连接层与钛合金界面形成Ti-Cu化合物过渡层.对钎焊接头进行900℃,保温60 min扩散处理后,连接层组织达到均一化,母材TC4合金侧过渡层增厚.扩散处理后接头强度为99 MPa,较钎焊接头强度65 MPa提高了52%.

TC16钛合金螺栓及其连接30CrMnSiA钢板孔的疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制装置进行疲劳试验,研究了TC16钛合金螺栓连接30CrMnSiA高强度钢板结构的疲劳破坏行为,并通过扫描电镜(SEM)和有限元分析法分析了钢板和钛合金紧固件的失效机理。结果表明:30CrMnSiA高强度钢板件用TC16钛合金紧固件连接时在外加拉-拉疲劳载荷下,其疲劳破坏属于微动疲劳,寿命较带自由孔30CrMnSiA钢板件的常规疲劳寿命下降约60%,脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板结构在拉-拉疲劳载荷下,钛合金螺栓由于弯曲疲劳作用发生弯曲疲劳断裂,而非微动疲劳破坏。TC16钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理有利于改善30CrMnSiA高强度钢连接板的微动疲劳性能。然而,钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理由于韧性降低的缘故,却导致其常规弯曲疲劳抗力明显下降。

先进复合材料结构飞机机械连接技术现状及发展分析

先进复合材料是航天航空发展的重要材料,结合复合材料飞机机械连接技术为中心,客观剖析当前发展现状与不足,总结行之有效的解决对策,为其未来发展明确方向。

某型飞机复合材料壁板穿孔的结构修理研究

针对某型飞机复合材料壁板出现穿孔损伤的问题,为恢复该类壁板的强度,采用螺接外补强板法,计算出补强板和垫板的尺寸、螺栓的数目以及螺栓的排布形式,建立壁板穿孔修理的三维模型。利用有限元软件模拟分析飞机飞行时壁板的受力情况,得到修复后壁板的位移、应变以及螺栓所受应力的情况。研究表明,采用螺接外补强板法对复合材料壁板穿孔进行修理,可以很好的恢复壁板穿孔处的强度,可为同类飞机构件的修理提供工程参考。

基于铜中间层的钛合金与不锈钢的真空扩散焊研究

采用纯Cu箔为中间层在真空钼丝烧结炉中进行TC4和304的扩散连接,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对接头组织和成分进行表征,并测试结合区的显微硬度。结果表明,Cu作为中间层有效抑制了Ti与Fe、Cr的互扩散,不同焊接温度下均形成3个新相层。A层主要为富集Ti、Cu形成的混合Fe基固溶体;B层主要为TiCu金属间化合物、β-Ti(Fe)及Fe-Cu共析混合物;C层主要是β-Ti为基的混合固溶体和少量Ti-Cu化合物。过渡层生成Cu Ti2、Cu3Ti2,主要分布在B、C层。焊接温度为1 050℃、保温为60 min时,焊接缺陷较少,具有良好的焊接质量。结合区厚度适中,组织分布较均匀,显微硬度在A/B界面附近达到峰值,为667.2HV。

碳纤维增强复合材料与钛合金激光连接仿真

为了研究不同工艺参数对TC4钛合金与连续编织碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料(CFPEEK)的激光焊接接头的影响规律,并对焊接工艺窗口进行预测,使用ABAQUS软件建立基于热传导的有限元仿真模型,计算TC4钛合金/CFPEEK激光焊接接头的温度场分布。针对CFPEEK中连续编织碳纤维的实际铺层情况,在建模时对复合材料进行分层处理,将碳纤维层视为正交性质的材料。在此基础上探究了激光功率、焊接速度、光斑尺寸对焊缝熔化深度及宽度的影响规律,计算结果与实际试验结果吻合度较高,激光功率、焊接速度、光斑尺寸等工艺参数均对接头结合处的温度有较大影响。经过多组参数的计算,得到了TC4钛合金/连续编织CFPEEK激光连接的预测工艺窗口。结果表明,所建立的有限元模型能够有效模拟连续编织CFPEEK与TC4钛合金激光连接的温度场分布,对实际试验有一定指导意义,可降低试验成本。

碳纤维增强热固性复合材料-钛合金激光连接接头性能分析

碳纤维增强热固性复合材料(CFRTS)和TC4钛合金具有较高的比强度和比刚性,轻量化效果十分明显,在航空航天、新能源汽车制造中应用广泛。为实现CFRTS与TC4钛合金的高强度连接,引入“激光清洗+树脂填充”的界面复合调控工艺。在CFRTS和TC4钛合金激光焊接之前,首先,采用脉冲光纤激光器对CFRTS表面进行激光清洗处理,去除表层的环氧树脂,使CFRTS中的碳纤维裸露出来;其次,利用脉冲光纤激光器对钛合金表面进行微织构处理,提升焊接时熔融树脂与TC4钛合金的接触面积并形成“咬合”结构;最后,在清洗后的CFRTS和钛合金接触面之间添加合适厚度的聚酰胺(PA)树脂,进行激光辅助焊接。研究了激光清洗工艺对接头连接强度的影响,对比分析了不同激光清洗工艺参数下CFRTS的表面形貌、PA树脂填充情况、接头断口形貌,结果表明,激光清洗CFRTS可以显著增强CFRTS-TC4钛合金接头的强度,最大拉伸强度可达23.77 MPa。

低间隙Ti–6Al–4V抗剪螺栓预紧过程及连接结构力学性能的有限元仿真

螺栓连接广泛应用于机械工业,针对低间隙Ti–6Al–4V ELI六角头螺栓的预紧过程以及预紧力对连接结构中服役性能的影响规律,基于ABAQUS有限元仿真软件,建立了考虑螺纹细节的单搭接螺栓连接结构的三维有限元仿真模型。建立Ti–Ti、Ti–Al螺栓连接模型,模拟了螺栓连接结构预紧和拉伸两个分析过程。通过拉伸试验和有限元仿真对比,验证了Ti–6Al–4V ELI材料参数。通过有限元仿真得到了螺栓预紧力加载曲线、螺栓连接结构承载力变化曲线以及在预紧和拉伸过程中螺栓连接结构的应力分布状态,研究了螺栓预紧力对螺栓连接结构力学性能的影响。

Ti/TiAl_(3)叠层复合材料TIG焊接头组织与性能研究

采用钨极氩弧焊(TIG)对Ti-6Al-4V/TiAl_(3)叠层复合材料进行平板对接焊,研究了不同焊接参数对接头组织和力学性能的影响。经热轧处理的Ti-6Al-4V/TiAl_(3)叠层复合材料,可通过TIG焊实现可靠连接,避免接头脆化现象发生。板材底部的金属间化合物在焊接过程中受热辐射影响发生熔化,液态TiAl_(3)和Ti反应生成Ti_(3)Al、TiAl等,使金属间化合物周围产生Ti原子贫化区,加速了Ti原子的扩散迁移,导致接头侧面形貌分为2部分:上部为熔化再凝固的焊缝区,底部为由热辐射引起扩散连接。整体接头无明显缺陷,焊缝区为α相和针状马氏体组成的网状组织,焊接接头的抗拉强度为343 MPa,约为母材的90%,断口呈韧脆混合型断裂。