高致密反应烧结SiC_f/SiC复合材料的微观结构与性能

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料是航空发动机热结构部件的关键材料。基于国产KD-II碳化硅纤维,利用反应熔渗工艺制备了高致密的SiC_f/SiC复合材料,研究了其微观结构、常温/高温力学性能、热物理性能和高温长时氧化稳定性。反应熔渗制备的SiC_f/SiC显气孔率仅为1.6%,室温弯曲强度为(521±89)MPa,1200℃高温弯曲强度为(576±22)MPa,呈非脆性断裂特征,具有优异的高温力学稳定性。厚度方向常温热导率高达41.7W/(m·K),1300℃热导率为18.9W/(m·K)。SiC_f/SiC复合材料经1200℃氧化1000h仍保持非脆性断裂特征,弯曲强度为(360±54)MPa,仅下降19%,仍保持非脆性断裂特征。反应烧结制备的SiC_f/SiC复合材料具备优异的耐高温抗氧化性能,有望满足航空发动机热端部件对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的应用需求。     

SiCp/Al复合材料低损伤表面切削加工研究与进展

SiC_p/Al复合材料属于典型的难加工材料,其SiC颗粒增强相的存在使得切削加工时材料已加工表面极易出现基体撕裂、微裂纹、微空穴等缺陷。为了实现SiC_p/Al复合材料的高效低损伤加工,从切屑形成机制、表面完整性和刀具磨损等方面总结SiC_p/Al复合材料切削加工性能及其影响因素,研究表明,该材料增强相颗粒去除方式和去除机理对表面形成过程影响显著;探讨了SiC_p/Al复合材料塑性域加工机理和塑脆转换临界条件获取方面的研究进展,综述了表征SiC_p/Al动态力学性能的宏微观建模方法,分析了多尺度多相耦合切削加工有限元仿真的热点和难点问题;指出了低温微切削、超声辅助微切削、激光辅助微切削等是实现SiC_p/Al复合材料协调变形和塑性域加工工艺条件的发展方向。     

高能球磨及热压合成Al_2O_3/Ti_3AlC_2复合材料显微机理分析

以Ti,Al和活性炭粉为主要原料,利用高能球磨及热压烧结工艺在1200℃合成Al2O3/Ti3AlC2复合材料,复合材料是在Ti3AlC2层状材料的制备过程中同时被合成。研究了在Ti-Al-C体系中,烧结温度对反应产物的影响,并重点分析了反应机理及材料微观结构对性能的影响。结果表明:通过高能球磨使的Ti3AlC2的烧结温度降低,在1200℃热压烧结时得到了物相比较均匀的、致密的Al2O3/Ti3AlC2复合材料;通过XRD,DSC和SEM测试,分析了Al2O3/Ti3AlC2复合材料的相组成及显微结构,发现Al2O3以颗粒形式均匀地分布在Ti3AlC2基体中,起到弥散增强的效果,并通过阻碍Ti3AlC2表面微裂纹的扩展使裂纹在断裂扩展过程中中断,起到微裂纹增韧效果,大大提高了复合材料的力学性能。     

SiCf/SiC复合材料氮化硼(BN)界面层及其复合界面层研究进展

SiC_f/SiC复合材料由SiC纤维、SiC基体和界面层组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止SiC纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC_f/SiC复合材料的性能具有非常重要的作用。本文综述了氮化硼界面层的晶体结构、复合界面层的种类,介绍了化学气相渗透法制备氮化硼(boron nitride,BN)及其复合界面层的工艺条件,总结了先驱体气体比例、载气、沉积压力及温度等工艺条件对界面层沉积速率、微观形貌结构的影响。选择合适的工艺条件,制备理想结构的BN及其复合界面层,将是SiC_f/SiC复合材料界面层研究领域的重点和难点。     

SiC纤维增强β21S复合材料及蒙皮结构制备技术研究

采用箔-纤维-箔方法制备了SiC纤维增强β21S复合材料(SiC_f/β21S),其中箔材采用冷轧+退火处理的方法获得,纤维布采用数控纤维缠绕机获得。采用有限元分析软件对纤维布与箔材的复合过程进行了计算,确定了较佳的制备工艺参数。在较佳的工艺参数条件下制备SiC_f/β21S复合材料,其中热等静压工艺参数为830℃、860℃/120MPa/2h,然后在不同温度条件下,进行0h、9h、25h、49h的真空热处理,对SiC_f/β21S复合材料的纤维/基体界面和基体微观组织进行了分析,研究了界面反应层的微观组织演变和动力学长大规律。采用箔-纤维-箔方法与热等静压成型工艺相结合的方法,在最佳工艺参数条件下制备了SiC_f/β21S复合材料蒙皮结构,并对其组织和性能进行了测试分析。     

NiCrAl/Ni3Al微叠层材料的断裂韧度测算

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料.建立了具有中心穿透裂纹有限宽NiCrAl叠层的Ⅰ型裂纹扩展模型,推导出它的断裂韧度表达式,并利用带预制裂纹的NiCrAl/Ni3Al叠层试样的四点弯曲断裂数据,估算出NiCrAl的断裂韧度,叠层后增强Ni3Al单体的断裂抗力.实验结果表明,制备态NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料试样的拉伸断口呈现出裂纹扩展和裂纹瞬断两个区域;随着温度的升高,塑性增加.     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

连续SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料力学性能研究

采用箔—纤维—箔方法制备了连续SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料(SiC_f/Ti_3Al),测定了两种SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料的力学性能,分析了热处理工艺对复合材料力学性能的影响,讨论了复合材料在不同条件下的断裂机制研究表明,国产SiC纤维(无碳涂层)增强Ti_3Al复合材料的界面结合强度高于有碳涂层纤维增强的复合材料,力学性能却低于SCS-6纤维(有碳涂层)增强的复合材料。当热处理时间延长时,SCS-6/Ti_3Al复合材料界面反应层厚度增加,复合材料的力学性能下降。     

采用Ti-Zr-Cu-Ni真空钎焊Ti_3Al/Ti_3Al和Ti_3Al/GH536接头组织及性能

采用Ti-Zr-Cu-Ni在960℃/1min、960℃/10min和960℃/60min三种规范下真空钎焊Ti3Al/Ti3Al,在960℃/5min和960℃/20min两种规范下真空钎焊Ti3Al/GH536。实验结果表明,随着保温时间的延长,Ti3Al/Ti3Al接头宽度逐渐增加,且剪切强度呈现递增趋势,递增幅度在10MPa左右,接头主要由Ti3Al,NiTi2,CuTi3等化合物相组成,其中NiTi2,CuTi3等脆性化合物的分布对接头性能影响较大;在Ti3Al/GH536接头中由于Fe-Ti,Ni-Ti等脆性化合物分布相对较多,导致出现纵向裂纹,960℃/5min规范下的平均剪切强度为86.4MPa。     

Ni3Al合金热/机械疲劳裂纹扩展速率试验及其预测研究

本论文对 Ni3Al高温合金进行了 45 0℃～ 990℃热 /机械疲劳裂纹扩展行为的试验研究与宏微观分析。分别研究了相位角、保持时间、温度、频率对 Ni3Al合金裂纹扩展行为的影响。研究发现 :温度的升高和频率的降低均会加速裂纹扩展 ;同相位热 /机械疲劳裂纹扩展速率大于反相位热 /机械疲劳裂纹扩展速率 ,而且它们两者介于最大温度和最小温度的等温疲劳裂纹扩展速率之间 ;载荷保持加速裂纹扩展。在试验结果的基础之上 ,针对 Ni3Al合金建立了一个热 /机械疲劳扩展速率线性累积模型 ,并应用该模型对两个验证试验进行了检验 ,结果表明 ,该线性累积模型预测结果与试验数据吻合得很好。     

界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能及氧化行为的影响

为研究界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能及氧化行为的影响,采用先驱体浸渍裂解工艺制备了3种不同界面层体系的SiC_f/SiC复合材料。3种界面层分别为热解碳(PyC)、PyC+BN-Ⅰ和PyC+BN-Ⅱ(其中BN-Ⅰ表示B质量分数大约2%,BN-Ⅱ表示B质量分数大约20%)。研究表明,具有PyC界面层的SiC_f/SiC复合材料常温力学性能最高,其常温弯曲强度达到380MPa,而双界面层体系中,SiC_f/SiC复合材料常温弯曲强度分别为282MPa(PyC+BN-Ⅰ)和259MPa(PyC+BN-Ⅱ)。1200℃氧化试验表明,具有PyC+BN-Ⅱ界面层的SiC_f/SiC复合材料弯曲强度保留率最高,为54%。3种不同界面层体系的SiC_f/SiC复合材料在氧化后均表现为脆性断裂。微观结构显示,界面和纤维被氧化是导致材料最终失效的原因;能谱分析表明,具有PyC+BN-Ⅰ和PyC+BN-Ⅱ界面层的SiC_f/SiC复合材料纤维内部未检测到O原子存在,证实BN有保护纤维的作用。     

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。     

盐雾环境对复合材料修复铝合金板疲劳性能的影响

采用单向碳/环氧复合材料补片真空袋压工艺单面修复含中心裂纹铝合金板,进行0-1700h盐雾梯度腐蚀试验,测试并对比分析了各腐蚀时间结点上试件修复前后的疲劳性能,从疲劳寿命、疲劳临界裂纹长度和Paris公式材料常数(C和m)的变化三个方面考察不同盐雾腐蚀深度对铝合金裂纹板修复前后的疲劳性能差异。结果表明:碳/环氧补片胶接修复铝合金板能大幅度提高疲劳寿命,且未经修复的裂纹板在腐蚀1700小时后疲劳寿命下降53.8%,而修复板仅为38.6%。修复板疲劳裂纹临界长度acr大于未修复裂纹板,且随盐雾腐蚀时间延长,裂纹板和修复板acr变化不大,可作准判据使用。由试验数据得到的不同腐蚀时间上试样的材料常数C和m随腐蚀时间延长而减小。利用Paris公式可较好拟合铝合金板疲劳寿命及Paris区内的疲劳裂纹扩展行为,但疲劳寿命预测值与实际值的差异由未经腐蚀时的5%左右增大到腐蚀1500h时的10%左右。     

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层的制备及其高温性能

针对我国某型航空发动机涡轮叶片用DZ125与DZ406高温合金,开展了稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层体系的制备工艺及涂层高温性能研究。采用电镀Pt和气相渗铝的工艺制备了PtAl金属粘结层,研究了镀Pt前处理、不同镀Pt层厚度以及渗铝温度等关键工艺参数对涂层的微观结构和抗高温氧化性能的影响规律。采用优化后的涂层工艺制备的PtAl粘结层在1150℃时的抗氧化性能优异。采用电子束物理气相沉积（EB–PVD）在PtAl粘结层表面制备了稀土氧化物改性的氧化锆（GYb–YSZ）陶瓷涂层。由GYb–YSZ和Pt Al组成的热障涂层在1050℃热循环4320次（1050℃保温时间720 h）后,涂层表面状态完好,未发现明显剥落现象,表明该热障涂层体系具备良好的热循环性能。     

不同组织类型TC6钛合金的振动疲劳特征

本文研究了TC_6钛合金片状、网篮、等轴和双态组织的振动疲劳性能。双态组织在室温及400℃下均具有优越的振动疲劳性能,其他三种组织的振动疲劳寿命大致相同。在片状、网篮及等轴组织的试样中,在α相内弥散析出了脆性相Ti_3Al,该相导致了疲劳性能的下降。研究结果还表明,四种组织试样的滑移均具有平面滑移特征。片状组织中疲劳裂纹沿滑移线形成并横穿晶界α相及α/β界面扩展,其他三种组织中疲劳裂纹既沿滑移线形核并扩展,也沿晶界形核并扩展。     

新型纤维金属混合层板结构的疲劳裂纹扩展与分层行为

为了研究一种新型混合层板的损伤容限性能,针对两种铺层混合层板结构进行了应力比R=0.1,-1下两种锯切缺口尺寸试样的疲劳裂纹扩展试验,对比分析了获得的裂纹扩展a-N曲线数据,并通过对试样进行腐蚀去层,研究了层板的各层分层形态。结果表明,在应力比R=0.1时该新型混合层板疲劳裂纹扩展性能明显优于铝合金板;预浸料两侧添加胶膜比不添加胶膜会导致较好的疲劳裂纹扩展性能;由于裂纹桥接机制作用,锯切缺口尺寸较短层板试样比较长层板试样有较好的裂纹扩展性能;层板中心层铝板较其它层铝板裂纹扩展明显滞后;内层铝板与预浸料间沿裂纹方向呈近似三角形分层。     

ZrO2对C/Al2O3陶瓷多功能复合材料性能的影响

采用基体改性的方法,向AlCl3溶胶中添加ZrO2粉,制得含ZrO2的C/Al2O3复合材料,探讨了添加ZrO2对C/Al2O3多功能复合材料性能的影响.结果表明添加少量的ZrO2,可产生基体的相变及在基体内产生微裂纹,这可改善C/Al2O3陶瓷基体间界面性能,提高材料强度,降低材料热导率.同时对ZrO2添加量进行了优化处理,最终确定ZrO2的最佳含量为1%(质量分数),使材料强度值提高39%,材料热导率降低至0.902 W/(m·K)以下.     

复合材料修复铝合金薄板的湿热特性

采用真空袋压技术将T300/CYD128复合材料补片胶接修复于含中心裂纹的铝合金1.76 mm薄板。研究了实验室模拟湿热环境对复合材料修复铝合金薄板的力学性能影响,修复用复合材料的吸湿特性,以及修复用复合材料拉伸试样及其基体树脂浇铸体的湿热性能。结果显示,浇铸体饱和吸水率为0.9%,复合材料吸湿动力学曲线则出现台阶;随湿热老化时间延长,浇铸体与复合材料拉伸性能先升后降,其性能峰值出现时间分别为500 h(73.9 MPa)和300 h(1 531 MPa);随湿热老化时间延长,铝合金裂纹板拉伸性能基本呈线性下降,断裂载荷下降速率ΔN=0.12 kN/100 h,修复板性能出现波动。     

4种典型航空钛合金材料高温裂纹扩展性能对比试验

试验测定了4种典型航空钛合金材料（即TC18、TC21、TC4 DT、Ti 6Al 4V/ELI）在两种温度（25℃和250℃）下裂纹扩展性能,在试验数据的基础上,进行裂纹扩展性能对比分析,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了高温和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,结果表明:不同温度下，不同钛合金材料裂纹扩展速率之间存在很大的差异性；与室温断口相比,高温断口表面呈现浅黄色,并伴有大量二次裂纹；钛合金的裂纹扩展性能是受温度和载荷的联合作用影响,裂纹闭合和氧化作用共同决定了其扩展历程。