高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用

针对SiCp/Al材料塑性低、容易产生裂纹的缺陷,研究了高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用。采用室温拉伸方法预制裂纹,在扫描电子显微镜(SEM)下标定裂纹后,对试样进行脉冲电流(电流密度为31.25A/mm~2)处理,对比分析脉冲电流处理前后裂纹形貌,测试电流处理对含裂纹试样力学性能的影响。结果显示,脉冲电流处理后,试样表面尺寸较小的裂纹直接被焊合,尺寸较大的裂纹宽度减小并且尖端出现了熔化现象;对比试样脉冲电流处理前后的延伸率发现,脉冲电流处理可以使试样预变形后的延伸率提高38%。采用电-热-力耦合的数值分析方法求得通电后SiCp/Al板材裂纹附近的电流场、温度场和应力场,并进行了脉冲电流处理对裂纹修复的机理分析,为脉冲电流修复技术的应用奠定理论基础。     

适合航空航天用SiCp/Al复合材料的性能

采用粉末冶金法制备了Φ300 mm的15%(体积分数)SiCp/A l复合材料坯锭,研究了热挤压、锻造后的材料力学性能以及断裂特点。结果表明,该材料的弹性模量在97 GPa、拉伸强度保持在550 MPa的水平下,延伸率仍高达7%左右,旋转弯曲疲劳强度在250~290 MPa范围内,断裂韧性为25 MPa.m1/2,冲击韧性为62.5 kJ/m2。与棒材挤压态相比,T4态复合材料拉伸强度和屈服强度分别提高66.7%和100%,但塑性保持在同一水平。断口观察表明,挤压态复合材料以基体韧性断裂为主要形式,而T4态复合材料除了基体韧性断裂外,还存在SiC颗粒断裂现象。挤压棒材锻造后有利于提高材料的横向强度。     

PIP工艺制备SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的性能

以不同界面层厚度的SiC纤维为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备SiC_f(PyC)/SiC复合材料,并在复合材料基体中引入SiC晶须,对其性能进行研究。结果表明:热解碳(PyC)界面层厚度约为230 nm时,SiC纤维拔出明显,SiC_f/SiC复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa、446.9 MPa和11.4 MPa?m^1/2;在SiC_f/SiC复合材料基体中引入SiC晶须后,晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。     

超声磨料对TC4钛合金电火花加工表面质量的影响

为改善TC4钛合金电火花加工表面质量,减少表面微裂纹、重熔层等表面缺陷,提出了基于电极振动的超声磨料电火花复合加工方法。在煤油工作液中混入12g/L的SiC磨料粉,进行了有无超声磨料作用的窄脉冲(脉宽小于1μs)电火花加工的表面粗糙度对比实验研究。实验结果表明:SiC磨料的超声振动作用使零件表面粗糙度Ra由0.5μm降到0.2μm左右;重熔层厚度、表面裂纹的扫描电子显微镜(SEM)照片显示,超声磨料作用使重熔层厚度减薄20～30μm,表面微裂纹得到有效控制;机理分析认为工作液高频振动及磨料对工件的冲击作用,是改善TC4钛合金电火花加工表面质量的主要原因。研究表明磨料的超声振动作用可显著改善TC4钛合金电火花加工的表面质量。     

快速凝固/粉末冶金Al-20Si-7.5Ni-3Cu-1Mg-0.25Fe合金的显微组织与力学性能

采用快速凝固/粉末冶金工艺制备Al-20Si-7.5Ni-3Cu-1Mg-0.25Fe合金挤压棒材,通过OM,SEM,TEM,XRD和拉伸试验等手段研究挤压态和T6态合金的显微组织及力学性能。结果表明:挤压态和T6态合金的主要组成相均为α(Al),β(Si),Al3Ni,Al3Ni2,Al7Cu4Ni和Al4Cu2Mg8Si7。挤压态合金中块状Si相平均尺寸约为2.4μm,且带有明显尖角;T6热处理后,块状Si相发生粗化和球化现象,粗化后其平均尺寸约为3.2μm。T6态合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为490MPa和415MPa,硬度达到91.3HRB。挤压态和T6态合金的拉伸断口平整,均属脆性断裂,且断口出现由Si相破裂后形成的小平面。     

进给速度对MI工艺制备SiCf/SiC复合材料加工损伤的影响

采用超声辅助磨削对MI工艺制备的SiC_f/SiC复合材料表面进行磨削加工，研究了进给速度对复合材料性能的影响。结果表明：采用超声辅助磨削加工SiC_f/SiC复合材料表面时，加工区域出现纤维脱粘、断裂、破碎及基体裂纹和脱落现象，且纤维与基体界面会有裂纹产生。当进给速度提高时，复合材料表面损伤加重，导致其比例极限强度和最大载荷降低。进给速度由400 mm/min提高至1 000 mm/min时，SiC_f/SiC复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别降低4.7%和20.6%。     

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.     

SiC晶须增韧SiC mini复合材料的制备与性能分析

采用CVI工艺制备了SiC晶须增韧SiC(SiCW/SiC)mini复合材料,研究了其微观结构和力学性能.实验结果表明:SiC晶须的体积分数达到45%～50%,SiCW/SiC mini复合材料的维氏显微硬度平均值为19.04GPa,断裂韧度平均值达到6.51MPa·m1/2.微观结构观察证实SiC晶须的引入在mini复合材料中产生了晶须桥联、晶须拔出、晶须断裂和裂纹偏转等增韧机制,为后续SiCW/SiC复合材料的制备奠定了基础.     

无压浸渗SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备了不同SiC颗粒体积分数以及不同SiC颗粒粒度的Al基复合材料.以硬质合金(80%WC 20%Co)为对摩试样进行了干摩擦试验,研究了颗粒体积分数(15%,25%,35%,45%,55%)、颗粒粒度(110μm,63μm,45μm)以及载荷(196N,392N)对SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能的影响.采用SEM和EDS分析了铝合金基体、复合材料的磨损表面及磨损机理.研究结果表明,颗粒体积分数在15%～35%之间时,复合材料的耐磨性明显优于铝合金基体.载荷为196N时,铝合金的磨损率是15%,25%,35%SiCp(110μm)/Al复合材料的2.16,2.76,2.07倍.SiCp/Al复合材料的磨损率随着颗粒粒度的增加、载荷的减小而降低.SiC颗粒的体积分数对铝基复合材料的磨损率和磨损机制有显著影响:SiC颗粒体积分数存在一个最佳值(25%),此时复合材料的磨损率最小,耐磨性能最好.当体积分数小于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而下降,磨损机制以磨粒磨损为主,而当体积分数大于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而上升,磨损机制以表层剥落磨损为主,同时伴有磨粒磨损.     

Al-TiO2-C系原位合成铝基复合材料高温拉伸性能及断裂机理

讨论了Al-TiO2-C反应系原位反应合成铝基复合材料的常温和高温拉伸性能及其断裂机理.当C/TiO2摩尔比为0时,增强相由α-Al2O3和Al3Ti组成,随C/TiO2摩尔比的增加,Al3Ti逐渐减少,在C/TiO2摩尔比为1时,Al3Ti基本消失.室温抗拉强度和延伸率随C/TiO2摩尔比的增加而同步提高,分别由250.4 MPa和4.0%上升到350.8 MPa和6.0%.SEM观察发现有的Al3Ti自身解理开裂,并在四周形成较大韧窝,拉伸时裂纹核可在Al3Ti棒中和基体中α-Al2O3的聚集处形成,并分别在棒的解理面和基体中扩展引起断裂.高温时,热错配应力促使裂纹核先于基体在Al3Ti棒与基体的界面萌生扩展,Al3Ti从基体中脱离,断口出现洞坑,C/TiO2摩尔比为1的复合材料在727K时,拉伸强度降为93.3MPa,延伸率升为11.0%.     

单向SiC/SiC复合材料拉伸行为模拟研究

理解单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的损伤破坏机制对掌握SiC/SiC复合材料的力学行为有着至关重要的意义。本文构建了一个单向SiC/SiC复合材料微观二维有限元模型,基于强度判定模拟纤维随机断裂过程;基于内聚力模型模拟界面脱粘现象;特别针对基体裂纹现象,通过均匀质方法和断裂能释放率建立了基体的连续介质损伤模型。结果显示,模型成功模拟了单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的微观破坏机制和宏观力学行为。基体裂纹、纤维断裂、界面脱粘这3种微观破坏机制之间共同作用、相互影响,最终造成了材料整体的失效。本文中获得的结果将有助于进一步理解单向SiC/SiC复合材料拉伸行为,有利于材料性能的提高。     

C/SiC复合材料在典型模拟环境下高温拉伸性能研究

以先驱体浸渍裂解（PIP）工艺制备的C/SiC复合材料为对象，研究了C/SiC复合材料在典型模拟环境下的高温拉伸性能，首次获得了约3 000 s时间不同变状态条件下材料的高温拉伸性能数据，探讨了不同条件下C/SiC复合材料高温承载行为及其变化规律。研究结果表明，C/SiC复合材料经历约3 000 s复杂阶梯热环境后拉伸强度仍保持60%左右；经历大温度梯度热震后，C/SiC复合材料的高温拉伸性能保持率反而提高，最高保持率超过80%；热震温差越大，热震后保温时间越长，对材料的高温拉伸性能保持和提高越有利。     

陶瓷基复合材料不同加工工艺的表面形貌分析研究

主要对比分析了机械加工、高压水射流加工、激光加工的3种不同加工工艺对SiCf/SiC复合材料表面形貌的影响。结果显示机械加工与高压水射流加工表面孔洞和微裂纹均较多,水切割表面呈现出纤维拔出状态;空气环境中激光加工的表面平整,出现了封孔特征,孔洞和微裂纹数量少,氮气环境中激光加工的表面形貌生长了一层SiC晶粒,可起到愈合表面孔洞和微裂纹的作用。     

聚硅氧烷封孔处理对Cf／SiC复合材料抗氧化性能的影响

以室温粘度低的液态聚硅氧烷为原料,采用真空 加压浸渍交联工艺对Cf/SiC复合材料进行了封孔处理。研究了封孔效果及封孔处理对Cf/SiC复合材料短时间抗氧化性能的影响。结果表明,聚硅氧烷能够有效封填材料中微孔,提高Cf/SiC复合材料的致密度,同时明显提高Cf/SiC复合材料的短时间抗氧化性能。经封孔处理的Cf/SiC复合材料在1500℃空气中氧化10min后,材料强度保留率由处理前的67%提高到了95%,质量保留率由处理前的91.9%提高到99.1%。聚硅氧烷在裂解过程中会消耗氧以及裂解产物SiO2在高温下的流动能愈合孔隙,从而阻碍O2向材料内部扩散是抗氧化性能得以提高的原因。     

热轧制变形对网状结构TiBw/Ti6Al4V复合材料组织与性能的影响

在成功设计并制备出具有优异综合力学性能的网状结构TiBw/Ti6Al4V(TiBw/Ti64)复合材料的基础上,研究了轧制变形对新型网状结构TiBw/Ti64复合材料组织与性能的影响规律。利用扫描电镜观察不同变形量变形后的微观组织,分析结果显示,不同轧制变形量对应不同变形组织,随着轧制变形量的增加,网状结构TiBw/Ti64复合材料中增强相破碎加剧,局部增强相含量降低,且钛合金基体为转变β组织。拉伸性能结果表明,由于基体形变及热处理强化与增强相的破碎导致的弱化效果的共同作用,随着轧制变形量的增加,网状结构TiBw/Ti64复合材料抗拉强度及伸长率均先增加后降低。抗拉强度从1090MPa提高到1330MPa,相当于提高了22%,而伸长率最大提高了97%。     

TiC 颗粒增强钛基复合材料的动态损伤本构

分析了TiC颗粒增强钛基复合材料的微损伤演化规律,建立了含损伤演化的动态本构模型。TiC颗粒增强钛基复合材料在拉伸载荷作用下,微裂纹以翼型裂纹形式扩展,基于平面翼型裂纹扩展模型,建立了二维动态损伤本构关系,并退化到一维拉伸状态,假设微裂纹成核规律满足Weibull分布,得到了一维拉伸应力状态下能够反映TiC颗粒增强钛基复合材料的损伤演化规律的宏细观相结合的动态本构关系。模型计算结果与试验结果吻合较好。     

不连续碳化硅增强铝基复合材料磨损性能的研究

本文对粉末冶金法制备的SiC晶须(SiC_w)与SiC颗粒(SiC_p)增强的2024Al、2124Al复合材料在销盘式磨料磨损试验机上进行了磨损试验,并用扫描电镜对磨损表面进行了观察。结果表明,与基体合金相比复合材料的抗磨性能显著提高,复合材料的抗磨性能主要取决于增强组元的含量与大小,30vol.％SiC_(p(20μm))/2024Al复合材料的抗磨性可达基体合金的5倍。     

铸造碳纤维增强铝基复合材料

 用铸造法制备抗拉强度达800MPa的连续碳纤维增强铝基复合材料。将国产PAN 1碳纤维经SiC+Ni复合涂层处理后,以束状分布于铸模内,用调压铸造设备在0.75MPa的空气压力和4000Pa的真空度条件下,将铝合金液浸渗入铸模纤维内而获得C/Al复合材料。讨论了碳纤维复合涂层的作用和纤维的束状分布在浸渗动力学过程中的有利影响。     

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响，在室温和800℃，1 000℃，1 200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明：800～1 200℃内，二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征，初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近，高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境；800～1 200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右；温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面，温度越高断口纤维拔出情况越严重；另一方面，温度越高SiC纤维强度越低，二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。     

热压压力对B/Al复合材料组织结构及力学性能的影响

使用表面覆有B4C涂层的硼纤维，采用大气等离子喷涂法制备连续硼纤维增强铝基复合材料预制片，结合真空热压扩散焊制备了纤维均匀分布的B／Al复合材料。探讨在接近铝基体熔点温度的条件下热压压力对复合材料力学性能与B／Al界面结合的影响，分析了B／Al界面结合状态与断口形貌及力学性能之间的关系。研究表明：热压压力对制备的B／Al复合材料的纤维体积分数、B纤维与Al基体的界面结合状态和拉伸强度有显著的影响；纤维表面的B4c涂层有效地防止了B纤维与Al基体间的界面反应，在温度6500C、压力10MPa的条件下，制备的纤维体积分数为42％的B／Al复合材料拉伸强度达到968MPa，达到了纤维理想强度的77％。