航空发动机陶瓷基复合材料无损表征技术研究进展

随着陶瓷基复合材料在先进航空发动机热端部件中的推广应用,对其在工艺研发、制备加工、试验考核以及使用服役等阶段形成的缺陷/损伤进行高效准确的无损表征尤为重要。由于陶瓷基复合材料复杂的制备成型工艺及多相复合引起的高度非均质和各向异性,导致传统基于整体均质化假设的无损检测技术面临诸多挑战。本文结合陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用情况,分析了其在制备、加工及服役等阶段的典型缺陷/损伤类型及特征,重点回顾了近年来陶瓷基复合材料无损表征技术的研究进展及应用情况,总结了现有无损表征技术面临的主要挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。

陶瓷基复合材料超声振动辅助加工技术研究现状

陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、高耐磨性和耐腐蚀性等一系列优点,在航空航天、特种防护等领域具有极大的应用前景,同时陶瓷基复合材料的高精度高效率加工依靠传统机械生产方式难以实现。超声振动辅助加工技术在陶瓷基复合材料的深小孔、薄壁和复杂型面加工等领域应用日益广泛,并形成了特有的行业体系,是精密、超精密制造领域发展的重要方向。针对近年来陶瓷基复合材料的超声振动辅助加工技术的发展状况,概述了陶瓷基复合材料和超声振动系统的研究现状,系统介绍了陶瓷基复合材料加工领域超声振动辅助磨削、钻削以及旋转超声加工和微细超声加工的应用和研究现状,并对超声振动辅助加工技术的应用趋势进行了总结和展望。

陶瓷基复合材料涡轮动叶榫头元件静强度实验及缺陷影响

陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)涡轮动叶榫头是动叶装配与承受离心载荷的关键。为了研究熔渗工艺制备CMC榫头在叶片旋转径向拉伸载荷下的力学行为,验证榫头内部质量对其静拉伸强度与破坏模式的影响,设计并制备燕尾形CMC高压涡轮动叶榫头元件试件,对其进行单轴静态拉伸实验,采用X射线CT无损检测对实验前试件内部质量进行扫描,采用DIC与声发射方法对实验过程进行监测。结果表明:燕尾形CMC榫头在单轴静态拉伸下保持完好接触,其静态拉伸强度与破坏模式对其内部质量(尤其是分层缺陷)非常敏感。试件不含分层缺陷时,损伤起始于榫头颈部,并迅速扩展,损伤起始载荷与最大破坏载荷接近,断口呈横向锯齿状;试件内部含分层缺陷时,损伤起始于缺陷,分层逐渐扩展并导致试件断裂,损伤起始载荷下降99.05%,最大破坏载荷下降14.29%,断口位置与分层缺陷一致。

飞行器陶瓷基复合材料轻量化结构设计研究进展

高马赫数飞行带来的极端服役环境对新一代高速飞行器的材料、结构设计提出了更加严苛的要求,本文从“选、用、评”三方面对陶瓷基复合材料在飞行器结构设计中的应用进行综述,进而提出未来发展方向,为飞行器陶瓷基复合材料结构设计提供参考。全面综述了陶瓷基复合材料在不同应用场景下的选取准则及相应制备方法,系统介绍了陶瓷基复合材料在飞行器结构中的典型应用,分析了近服役工况下材料的评价准则及地面实验方法。为满足未来飞行器需求,提出需要结合计算机辅助优化技术和创新制备方法,提高陶瓷基复合材料的耐温和抗疲劳性能;发展高可靠、长寿命的连接技术和一体成型设计方案,充分发挥材料优势;开发多物理场耦合作用下的原位表征技术,以获得陶瓷基复合材料在实际使用中的性能演化行为,为飞行器轻量化结构设计提供可靠依据。

多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法制备陶瓷基复合材料研究进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性,现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备,是目前最具有商业化前景的技术之一。然而,传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题,导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性,相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法,通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体,以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗,进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展,并且通过与传统反应熔渗法对比,验证了多孔碳陶瓷化策略的优势,同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程,最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求,对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

He-Hutchinson模型在连续陶瓷纤维增韧陶瓷基复合材料研究中的应用

基于裂纹扩展的能量释放率准则,He-Hutchinson(H-H)模型可以预判连续陶瓷纤维增韧陶瓷基复合材料(CMCs)的基体裂纹在界面处的传播路径,对CMCs的增韧设计有着重要的指导价值,但目前尚未见H-H模型在CMCs研究领域的系统性综述文献。本文首先介绍了H-H模型的力学基础以及应用于CMCs中的必要简化过程,得出基于材料组元断裂能和弹性失配系数的裂纹偏转判据。基于目前形成的材料微观力学参数测量方法,结合CMCs脆性、微观结构复杂的特点,系统总结归纳了适用于CMCs的原位弹性模量、材料断裂能以及界面脱粘能的测量方法及优缺点。基于原位微观力学参数,重点综述与讨论了H-H模型在多孔基体CMCs和含界面相CMCs中的应用进展,最后指出了H-H模型目前存在的主要问题,并对其后续发展提出了建议。

陶瓷基复合材料界面微区力学行为的研究进展

作为热结构材料,陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题,而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于界面层与CMC宏观力学性能之间的关系,受限于表征难以深入研究界面层微区力学行为的困难。随着微纳力学测试与聚焦离子束(focused ion beam,FIB)技术的发展,近些年来对于CMC界面层结合强度以及其失效行为的表征逐渐增多。在此基础上,本文综述CMC中界面层的作用以及界面剪切强度的影响因素与调控机制,同时汇总当下通过直接或间接手段测试界面剪切强度的方法,重点总结微纳力学手段下纤维push-out/push-in以及微柱压缩等方法的适用条件以及差异,报道这些方法在界面区失效机制研究方面的进展,并指明尚存在的一些问题。其中,纤维pushout/push-in可以反映基体应力作用对界面剪切强度的影响,但测试结果可能受到外部因素的影响;而微柱压缩测试则更多地反映界面层本征特性,无法反映基体应力对界面剪切强度的影响,也无法反映纤维拔出过程。最后展望未来的研究方向:进一步拓展界面微区力学行为的表征方法,同时确定微区力学与宏观力学性能间的影响机制并建立模型,最终实现CMC的界面层优化。

单晶金刚石车刀在陶瓷基复合材料加工中的应用研究

介绍了陶瓷基复合材料(CMC)材料材料特点以及在航空发动机中的应用,以及单晶金刚石刀具优势以及在新型材料加工中的应用。通过分析航空发动机尾锥加工工艺,确定主要的加工难点,并通过增加零件工艺过程的刚性,将加工难点聚焦至车削参数的优化。基于此,设计车削正交试验,得到最佳车削参数。随后进行优化参数的切削对比试验,并验证了其优化参数的切削效果。最后总结了零件工艺过程并提出了实际零件加工过程中切削参数的调整方法。

基于陶瓷基复合材料铠甲的涡轮导叶热防护研究

为了加速推进我国高推重比航空发动机研制进程,突破已有高温合金+气膜冷却架构对涡轮叶片承温能力的限制,以及解决陶瓷基复合材料(CMC)涡轮叶片制造难度过大的问题,本文提出了一种在涡轮导向叶片前缘镶嵌CMC铠甲的热防护方案,并通过多工况下的数值仿真,研究了其与典型气膜冷却相比在流动和传热上的差异。相较于后者,在相同的冷气压比1.03下,采用该CMC铠甲结构可以使得冷气质量流量显著降低58%;同时可以利用CMC铠甲与冷气的共同作用,使前缘区的叶片基体冷却效率由0.50显著提升至0.85;通过研究CMC材料导热系数对其自身温度分布影响,探讨了避免铠甲失效的极限燃气温度,相对保守的结果为2017K。有望通过对CMC材料和铠甲结构的进一步性能优化来满足第五代先进航空发动机的需求。

陶瓷基复合材料可磨耗环境障涂层制备及性能

随着碳化硅陶瓷基复材制备的涡轮外环的逐步应用,与其匹配的可磨耗涂层技术需求迫切。本工作采用大气等离子喷涂技术,制备4层结构的BSAS(Ba_(0.75)Sr_(0.25)Al_2Si_2O_8)-聚酯基可磨耗环境障涂层(A/EBCs),探究工艺参数对可磨耗面层孔隙率的影响规律以及涂层在1300℃下的相结构和组织演变。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)对涂层相结构、微观组织及成分进行分析表征。结果表明:BSAS-聚酯基可磨耗面层的孔隙率为26.4%~36.8%,BSAS-聚酯粒子温度敏感的参量是主气(氩气)流量、辅气(氢气)流量和喷涂距离,速度敏感的参量是主气(氩气)流量;其中主气(氩气)流量同时对BSAS-聚酯的粒子温度和速度具有反向影响作用。该可磨耗面层在1300℃高温氧化300 h保持单斜相结构,组织和成分稳定,局部析出球状非晶氧化硅颗粒。采用高温高速刮削实验对涂层可磨耗性能进行评价,涂层表面发现纳米高温合金微粒黏附,叶片高度磨损比(IDR)为20%,达到可磨耗封严涂层使用要求。

空间紫外辐射侵蚀环境下SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的服役特性演变规律

在波长为200~400 nm、最低温度为-50℃、辐射度为3.0 W/m^(2)的紫外辐射环境下,对SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料分别进行0、10、30、60、120 h辐射实验,结合微观组织结构、组分与力学性能演变情况,研究了紫外辐射服役环境对SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的影响。结果表明,相比于未受紫外辐射的SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料,当紫外辐射10 h后,SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的弯曲强度和模量均有小幅度增加;当紫外辐射超过30 h后,随着辐射时间进一步增加,弯曲强度先增加后降低,而弯曲模量持续降低并且材料表层的裂纹缺陷基本呈现出尺寸和数量均增加的趋势,表明紫外辐射进一步损伤了材料内层。紫外辐射前后SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料均表现为台阶状的弯曲断裂行为。未进行紫外辐射的SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料断口以纤维断裂为主;紫外辐射10 h的试样表现出与未辐射试样类似的断裂形貌且纤维受侵蚀不明显;紫外辐射30 h后,试样断口除发现碳纤维断裂现象外,还可发现明显的碳纤维拔出和界面层脱壳现象,碳纤维受到的侵蚀作用较明显;紫外辐射120 h后,SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料内部碳纤维受到的侵蚀作用进一步加剧,界面层剥离严重,碳纤维端头呈现针状结构。

“陶瓷基复合材料及应用技术”专题序言

陶瓷基复合材料作为先进热结构材料,具有高强度、耐高温、轻质等特点,是影响航空航天重要装备核心性能的关键材料之一。面向国防科技工业需求,推动该材料研究和应用对保障重要装备跨代发展和关键材料自主可控至关重要。

陶瓷基复合材料火焰筒热疲劳性能试验

为了更准确评估陶瓷基复合材料全环火焰筒的热疲劳性能,考核陶瓷基构件与金属件之间的连接件设计能否满足使用要求,开展了燃油流量循环控制时序的火焰筒热疲劳试验。根据试验特点和要求,制定了试验所需的燃油流量控制方案、试验过程风险控制方法、数据录取方式及处理方法等。在陶瓷基复合材料全环火焰筒上开展了2个燃油流量循环控制时序、200次循环的热疲劳试验。结果表明:燃油流量控制方案、试验过程风险控制方法、数据录取方式及处理方法等能够满足火焰筒热疲劳试验的要求;在试验工况下,火焰筒壁温最高为1010℃;经过400 min的热疲劳试验,火焰筒及连接件未损坏,证明陶瓷基复合材料全环火焰筒在试验工况下的可靠性高。

陶瓷基复合材料的特点和发展前景探讨

陶瓷基复合材料是一种由陶瓷和增强体组成的复合材料,这种材料具有一系列优异的性能,比如良好的机械强度(高强度、高硬度)、良好的稳定性(抗氧化、抗腐蚀)等。因此,陶瓷基复合材料在航空航天、汽车和能源领域都得到了广泛的应用。随着科技的不断发展,陶瓷基复合材料的性能和制备工艺将得到进一步提高和完善,为各领域的发展提供更好的技术支持。

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同,但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1600~2500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点,在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性能,能够有效填补目前高温段热防护材料的空缺,因此已经成为C/C复合材料基体掺杂改性的重要选择,在航天飞行器防热领域极具应用潜力。本文针对C/C-SiC-ZrC复合材料的发展潜力和应用空间,从制备工艺、结构特征以及性能特点三个方面综述了C/C-SiC-ZrC复合材料当前的研究进展,分析了制备工艺对复合材料微结构和性能的影响规律,提出了基于工程应用C/C-SiC-ZrC防热材料的发展建议。

超高温陶瓷改性C/C复合材料抗烧蚀性能研究进展

随着航空航天事业的发展,C/C复合材料被广泛应用于该领域,但是高温抗氧化性能较差的缺点限制了它的使用范围。通过基体改性的方法将超高温陶瓷(UHTCs)引入到C/C复合材料中是提高C/C复合材料抗氧化烧蚀性能的主要方法。本文主要介绍了不同超高温陶瓷相对C/C-UHTCs复合材料烧蚀性能的影响,分析了相应的烧蚀机理和烧蚀性能不同测试方法的特点,并针对C/C-UHTCs复合材料的长效热防护、性能优化作出了展望。

基于预制孔的SiCf/SiC复合材料微小孔超声振动辅助钻削加工研究

SiCf/SiC复合材料是典型的硬脆性难加工材料。为解决SiCf/SiC复合材料微小孔(<1 mm)加工难题,提高加工精度和改善加工质量,先采用脉冲激光预制SiCf/SiC微小孔,再在不同预制孔尺寸和加工参数下开展直径0.5 mm的SiCf/SiC微小孔超声振动辅助钻削加工试验,最终确定了合适的激光预制孔尺寸及超声振动辅助钻削加工参数域。结果表明:脉冲激光预制孔时存在的较大热影响区和微裂纹等缺陷,会明显影响后续超声辅助钻削微小孔的入、出口质量,推荐的预制孔直径为0.3 mm;超声振动辅助钻削加工时,选择主轴转速为11000~15000 r/min、进给速度为2~10mm/min,可获得加工质量较好的SiCf/SiC微小孔。

Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料的准静态压缩力学行为

通过对Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料进行准静态压缩试验,对其变形及断裂机理等展开研究,为该类材料的成分设计和工程应用提供基础。试件是由Ti基非晶合金与不同孔隙率的SiC陶瓷骨架复合所得,在不同应变速率下,对试样进行室温轴向准静态压缩性能测试,并观察试件的微观组织和断面特征。结果表明:SiC体积分数为85%的复合材料的准静态抗压强度达到2343 MPa,抗压强度随SiC含量增加而增加,在准静态加载的应变率范围内,复合材料及各相的强度对应变率不敏感,断裂特征为典型的脆性断裂;裂纹主要在SiC相和两相界面处扩展,Ti基非晶相对裂纹的扩展起到阻碍作用;SiC相对Ti基非晶相的约束诱发了Ti基非晶相中多重剪切带的形成,提高了材料复合的变形能力,而Ti基非晶相对SiC相的约束导致SiC相碎化严重,增强了复合材料的承载能力。

陶瓷基复合材料多能场辅助高效低损伤铣削加工工艺

陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、各向异性和非均质性的特点,导致其在加工过程中刀具磨损严重,加工质量差,加工效率低。对经过激光烧蚀处理的试样进行铣削加工,证明了铣削粉末状烧蚀产物时几乎不产生力和热量。利用有限元仿真并进行单向超声振动辅助铣削,发现超声振动辅助铣削工艺可以在不降低加工效率的前提下实现陶瓷基复合材料低损伤切削加工。提出了激光烧蚀与超声振动辅助铣削的组合加工工艺。基于加工质量、加工效率、刀具成本等多维指标对铣削加工策略进行综合评价。激光烧蚀+超声振动辅助铣削策略可以获得质量更好的已加工表面,同时加工时间少,刀具成本低,综合来看是可以实现陶瓷基复合材料高效低损伤铣削加工的工艺方案。

拉伸载荷下陶瓷基高温复合材料损伤状态特征分析

基于声发射(AE)信号和计算机断层扫描(CT)成像技术,开展了高温复合材料的内部损伤状态分析。通过声发射技术获得复合材料损伤时的宏观应力波信号,分析得到声发射信号的频率等波形特征参数;通过计算机断层扫描得到复合材料结构内部微细观三维损伤图像,判断存在的损伤类型。结果表明,不同工艺陶瓷基高温复合材料在拉伸载荷下,内部会产生不同类型的损伤,纤维束与基体之间的脱黏开裂所对应的声发射信号特征频率为44 kHz,基体失效的特征频率为150 kHz,纤维束断裂损伤的特征频率为250 kHz。