弹头形状对TC4-Al_(3)Ti叠层复合板侵彻性能影响的数值分析

TC4-Al_(3)Ti叠层复合材料由于其低密度、高强度的特点被广泛应用于装甲防护材料。为深入研究TC4-Al_(3)Ti叠层复合板的抗侵彻性能,结合弹道冲击试验和有限元数值模拟技术,采用一级轻气炮试验台对TC4-Al_(3)Ti叠层复合板进行弹道冲击试验,并利用LS-DYNA软件建立了接近弹道冲击试验工况的有限元模型,通过对比分析模拟仿真及试验获得的弹体剩余速度和靶板破坏形态,验证了该有限元模型的有效性。在此基础上,重点开展了弹头形状对靶板抗侵彻性能的影响研究。结果表明:在所研究速度范围内,TC4-Al_(3)Ti叠层复合板抗平头弹的侵彻能力最强,其次是半球形头弹,而对球形弹的抵抗能力最弱。

真空烧结制备Ti-Al_3Ti叠层复合材料的组织和性能

采用真空热压烧结制备了Ti-Al_3Ti叠层复合材料,利用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等研究了其在不同烧结温度和烧结时间下的显微组织及性能。结果表明:665℃烧结制备的Ti-Al_3Ti叠层复合材料组织致密,反应产物仅为Al_3Ti,其界面中存在隧道裂纹和剥层裂纹;710℃烧结制备的Ti-Al_3Ti叠层复合材料中出现了大量孔洞,且孔洞随烧结时间增加难以消除,其界面反应产物初生相为Al_3Ti,随后依次生成Al_2Ti、AlTi、AlTi_3;665℃烧结制备的Ti-Al_3Ti叠层复合材料的压缩力学性能高于710℃烧结制备的,其原因是710℃烧结制备的Ti-Al_3Ti叠层复合材料呈伪软化效应。

硬质相形状对Ti-Al_(3)Ti仿生复合材料断裂行为影响的数值模拟研究

Al_(3)Ti具有低密度、高硬度等特点,然而,由于其具有较高的脆性,导致较小的变形下便会发生破碎。为了提高Al_(3)Ti的应用范围,受生物结构的启发,根据贝壳珍珠层、海螺壳和鱼鳞的几何结构,建立了Ti-Al_(3)Ti仿生有限元计算模型,研究了硬质相形状和加载速度对材料断裂的影响,从断裂行为、裂纹扩展过程和吸能效果等角度分析仿生复合材料的抗断裂机理。定义了形状系数,并对结构进行优化设计。结果表明,在准静态条件下,硬质相形状对仿珍珠层试样的断裂行为有显著影响。长方形硬质相能更好地抑制裂纹向载荷端扩展,从而提高试样的承载能力。形状系数在5.0左右的试样表现出最优的抗断裂能力和吸能效果。在动态冲击条件下,软质相抑制裂纹扩展的能力增强,使长方形试样的抗断裂能力和吸能效果得到进一步提高。

热压复合制备Ti-Al_3Ti层状复合材料组织结构研究

采用热压复合工艺在不同工艺参数下制备了Ti-Al3Ti层状复合材料,利用SEM和EDS对材料的组织结构进行了观察,研究了热压复合工艺参数对Ti/Al扩散反应及反应层微观组织结构的影响规律.结果表明,在不同工艺参数下,Ti/Al叠层热压复合反应的初生相均为Al3Ti.600℃时Ti/Al叠层只发生少许反应,在界面处生成一薄层Al3Ti,650和700℃时,Al层完全反应,各层界面处结合状态良好,层间结合紧密.650℃时Al3Ti为唯一生成相,但700℃时,由于反应动力学的影响Al3Ti/Ti层之间有TiAl层生成,Ti-Al系金属间化合物的生成顺序为Al3Ti→TiAl.反应过程中液相的存在能够使Ti、Al持续紧密接触,加快反应速度,促进反应顺利进行.

Ti-Al_3Ti层状复合材料的研究现状与发展

概述了Ti-Al3Ti层状复合材料的国内外研究现状,着重论述了压力加工复合材料的制备技术,同时归纳了Ti-Al3Ti层状复合材料的微观组织及力学性能方面的研究,发现材料微观组织结构可控并具有高的强度和断裂韧性。此外还从材料制备、成形、设计及模拟的角度对这种新型层状复合材料的研究方向提出了进一步的想法。

放电等离子烧结制备TC4/Ti_(n+1)AlC_n-TiAl叠层结构复合材料的组织和性能

以TC4钛合金箔(Ti-6Al-4V)作为强韧层,TiC-Ti-Al混合粉末作为复合层,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备TC4/Ti_(n+1)AlC_n-TiAl叠层结构复合材料(n=1或2)。研究了TC4/TiAl基叠层复合材料组成、结构和力学性能。结果表明:叠层之间结合良好,随着强韧层数量和Ti_(n+1)AlC_n含量的增加,界面层厚度减小,裂纹在扩展过程中Y型分叉角增大,应力集中因子减小,材料的力学性能显著提升。当强韧层数为9层时,材料的抗弯强度和断裂韧性在Arrester受力方向上达到最大值,分别为(1419.28±70.96)MPa和(62.17±3.11)MPa·m^(1/2)。

Ti/Al3Ti层状复合材料层间断裂性能研究

金属间化合物基层状复合材料Ti/Al_3Ti是采用Ti-6Al-4V箔和Al箔按照一定顺序叠加后,在真空环境下热压烧结成由韧性金属Ti和金属间化合物Al_3Ti组成的叠层结构。利用ENF(End-Notch-Flexure)和MMF(Mixed-Mode-Flexure)测试方法,对Ti/Al_3Ti层状复合材料的Ⅱ型及Ⅰ+Ⅱ型层间断裂能、层间断裂行为以及能量释放率等方面进行了研究。结果表明,Ti/Al_3Ti层间断裂时,裂纹在复合材料界面处发生起裂,而在传播过程中发生偏转,最终导致Al_3Ti层开裂。由此可见,在实验过程中裂纹的表现形式是在Ti/Al_3Ti界面及Al_3Ti层中共同扩展;Ⅰ+Ⅱ型层间起裂能量释放率G_(Ⅰ+Ⅱ)为46 J/m^2,Ⅱ型层间起裂能量释放率G_Ⅱ为1453 J/m^2,表明Ⅱ型层间断裂比Ⅰ+Ⅱ型层间断裂更困难。

特种加工技术在某新型微叠层复合材料中的应用

目前航空航天领域采用的微叠层复合材料主要集中在Fe、Ni、Ti和Al的合金或金属间化合物上。这类金属的金属间化合物具有熔点高、密度低、热导率好及抗高温性能好等优点,可被用作航空飞行器或航空发动机的高温结构材料。但是这类金属间化合物具有其本征脆性,导致其室温下的断裂韧性很差,因而应用受到限制。为解决这一问题,采用特种加工技术制备出具备微叠层结构的金属/金属间化合物复合材料是理想的手段之一。

Ba_(0.85)Ca_(0.15)Zr_(0.1)Ti_(0.9)O_3/CoFe_2O_4叠层复合陶瓷的制备与磁电耦合效应研究

以CoFe2O4压磁体、掺CuO和CeO2助烧剂的压电体Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3为基本叠层材料,采用界面固相熔融渗透法制备了掺助烧剂Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3-CoFe2O4叠层复合陶瓷。叠层复合陶瓷的压电压磁相叠层界面结合良好。随着压磁相与压电相厚度比比率的增加,叠层复合陶瓷的饱和磁致伸缩系数–λ从67×10-6增加到134×10-6、压电系数d33从340 pC/N逐渐减小到205 pC/N;磁电耦合系数先增大后减小,在厚度比为2、外磁场为100 mT时得到最大值3200 mV/(cm.mT)。

大尺寸TiAl/Ti_3Al微叠层超薄板制备和力学性能

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备大尺寸超薄TiAl/Ti_3Al微叠层复合材料。利用XRD和SEM对材料的微观结构与相组成进行分析;对热等静压处理前后的试样进行拉伸实验研究;同时,采用真空热处理的方法研究微叠层在不同温度下的结构演变和微叠层材料层状结构的退化机理。结果表明:微叠层具有明显的层状结构,由α_2-Ti_3Al和γ-TiAl相组成;经热等静压处理后的试样具有较高的抗拉强度和较好的伸长率,断裂方式由脆性断裂转变为具有一定韧性的解理断裂和脆性断裂的混合断裂方式;扩散温度和Al元素的浓度分布直接决定了微叠层的相结构与形貌的变化。

SiC纤维增强Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料制备及界面行为研究

以SiC纤维、Ti箔、Ti_2AlNb箔为原材料,采用箔-纤维-箔方法,通过真空热压技术制备了SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料相组成和微观组织进行了分析。结果表明,当真空热制造参数为920℃/40 MPa/30 min时,SiC纤维与韧性金属Ti实现良好冶金结合,界面反应产物主要为TiC,界面反应层厚度为0.8μm,C涂层厚度为1.3μm;韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层通过Ti,Al,Nb 3种元素相互扩散方式形成固相扩散连接,界面平直,复合材料呈现出理想叠层结构。制备态的SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料主要由α-Ti,β-Ti,SiC,TiC,O相和B2相构成。在Ti与Ti_2AlNb固相扩散连接过程中,由于Al原子的扩散速率大于Nb原子,且Al是α稳定元素,Nb是β稳定元素,从而导致在Ti/Ti_2AlNb界面区域依次形成α+β双相组织和富B2相。在真空热压实验中,韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层固相扩散连接过程依次为:物理接触/α+β双相区形成/富B2相区形成/富B2相区增厚。

B_(4)C增强Al/Ti叠层复合材料的制备和性能

Al/Ti叠层复合材料具有密度低、比强度高、比刚度和抗冲击性高等优异性能,但是金属间化合物(Al3Ti)的脆性限制了其实际应用。通过引入纤维、陶瓷颗粒可以降低Al_(3)Ti的脆性,提高Al/Ti叠层复合材料的强度和韧性。本研究提出了一种碳化硼(B_(4)C)增强Al/Ti叠层复合材料的可行方法,以真空热压法制备出0.2mm厚B_(4)C薄片增强的Al/Ti叠层复合材料,并对该材料的界面形貌和扩散层成分进行了分析。通过控制Al的液相反应时间,探究了扩散层厚度对材料冲击韧性和抗弯强度的影响。结果表明:该材料通过B_(4)C薄片增强,形成了良好的硬度梯度分布,B_(4)C薄片不仅可以直接承载吸能,还诱导裂纹偏转,使Al/Ti叠层复合材料基体的强韧性均获得提升。在710℃保温60min的样品其冲击韧性为89 J/cm^(2),抗弯强度为756 MPa,相较扩散层Al_(3)Ti厚度与之接近的Al/Ti叠层复合材料基体分别提高51%和38%。在710℃保温30 min的样品性能最优,冲击韧性为109 J/cm^(2),抗弯强度为1167 MPa。

钛合金层和Ti_2AlC协同增强TiAl基叠层复合材料的耦合机制

以TC4钛合金板材(Ti-6Al-4V)作为强韧层,Ti C-Ti-Al混合粉末作为复合层,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备TC4/Ti_(n+1)Al C_n-TiAl叠层结构复合材料(n=1或2)。研究了TC4/Ti Al基叠层复合材料组成、结构和力学性能。研究表明,碳化物的原位形成细化了复合材料层中Ti Al晶粒,抑制了界面反应,阻碍了裂纹扩展,对提高材料的断裂韧性有利。但随着碳化物含量的增加会导致材料的抗弯强度下降。当Ti_2Al C理论生成量为30wt%时,TC4/Ti^(n+1)Al Cn-Ti Al叠层复合材料的断裂韧度在垂直叠层结构受力方向(arrester orientation)上达到55.07 MPa·m^(1/2)。当Ti_2Al C理论生成量为10wt%时,TC4/Ti_(n+1)Al C_n-Ti Al叠层复合材料的抗弯强度在垂直叠层结构受力方向上达到1222.12 MPa。

Ti_2Ni/TiNi微叠层复合材料的制备及表征

将Ti箔和Ni箔交替排列,在900℃条件下,通过热压烧结法来制备Ti_2Ni/TiNi微叠层复合材料。研究了保温时间对复合材料的微观组织及相组成的影响。采用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射(XRD)及差示扫描量热分析(DSC)对不同保温时间下制备的复合材料的微观组织、相组成、相结构及相变温度进行分析。结果表明:随着保温时间的增加,Ti和Ni逐渐消耗,在其界面上形成Ti_2Ni、TiNi、Ni_3Ti3种金属间化合物。当Ni消耗完毕,Ti原子向Ni_3Ti层扩散,使之完全转变成TiNi。当Ti完全消耗,仅有交替排列的Ti_2Ni和TiNi两相存在,且在TiNi层上分布着颗粒状和条状的Ti_2Ni相。保温8h后制备的Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料的相变温度A_s、A_f、M_s、M_f及相变迟滞温度ΔT分别为75.9,99.2,63.6,45.7和32.5℃。

大尺寸TiAl/Ti_3Al微叠层薄板制备与热稳定性研究

采用大功率电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备了厚度为0.1-10 mm大尺寸薄板TiAl/Ti3Al叠层状复合材料。利用XRD和SEM对材料的组成相和微观结构进行了分析。实验结果表明:材料由α2-Ti3Al和γ-TiAl相组成,具有明显的层状结构,TiAl晶粒平均尺寸为1-2μm。通过真空热处理的方法考察了微叠层材料的在不同温度下保温3 h后的结构演变,并研究了微叠层材料层状结构的退化机理。