高强韧抗疲劳TiB2/7050Al复合材料组织与性能研究

原位自生铝基复合材料具备轻质、高模量和高强度,是实现装备结构轻量化的关键材料之一。塑性加工变形量是决定铝基复合材料组织和性能的重要因素。本文以三种典型截面规格型材为载体,研究了挤压变形量对热挤压制备TiB₂/7050Al复合材料组织结构与力学性能的影响规律与作用机制。采用扫描电子显微镜与背散射电子衍射技术,分析了复合材料内颗粒分布与三维晶粒结构,及其与挤压变形量的演化规律,讨论了复合材料不同组织结构下的室温拉伸性能与抗疲劳性能。结果表明：TiB₂/7050Al复合材料型材同时具备高弹性模量（78~84 GPa）、高强塑积（6 588 MPa·%）与高疲劳极限（289 MPa）,将在航空航天等领域具有广泛的应用前景。     

热压罐/VARTM组合成型新工艺设计

热压罐/VARTM组合成型新工艺是树脂基复合材料成型工艺的一个新发展,特别适用于平面、立体织物增强高粘度树脂基复合材料的液体注射成型,可以应用于航空、航天等先进复合材料制造领域.     

TiB2颗粒诱导AlSi5电弧增材微观组织演变及性能研究

铝合金的电弧增材制造过程中因持续热积累而引起组织分布不均匀和溶质偏析,导致其性能各向异性。针对这一问题,设计了TiB₂纳米颗粒添加铝合金的钨极氩弧(Tungsten inert gas,TIG)增材制造工艺。在电弧增材制造过程中,通过表面预涂层的方式将纳米TiB₂颗粒添加到试样中,对比研究了纳米TiB₂颗粒不同质量分数对AlSi5合金微观组织的影响。结果表明,随着TiB₂质量分数的增加,AlSi5合金的微观组织不均匀性得到明显改善,1.5%TiB₂的添加使AlSi5合金的晶粒尺寸从226μm减小到85.6μm,且引起(110)和(112)基面上的织构明显减弱,最大取向密度呈下降的趋势;与无颗粒添加的AlSi5增材试样相比,颗粒添加后的沉积层硬度与弹性模量均得到显著提高,硬度值从879MPa增加到1253MPa,弹性模量从81.9GPa增加到88.3GPa。     

碳纤维增强热塑性复合材料盒形件热冲压成型研究

碳纤维增强热塑性复合材料型材传统成型工艺存在操作复杂、成型效率低、成本高、不适合大批量生产等问题,限制其在航空航天领域的大规模应用。为改善成型工艺,提出一种采用模具直接加热纤维增强复合材料板的热冲压成型方法,通过板料拉伸试验和盒形件热拉深成型试验,研究纤维铺向工艺参数以及分析成型过程中试件纤维变形,得出极限拉深深度及成型极限剪切角。针对纤维编织复合材料盒形件热冲压成型,建议采用坯料纤维经纬方向与模具直边平行的放置方式。     

SiCf/TC17复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiC_f/Ti复合材料可采用箔压法(FFF)和基体涂层法(MCF)进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用FFF和MCF分别制备SiC_f/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiC_f/TC17复合材料在高温下(800～900℃)进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下MCF法制备的SiC_f/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料，前者的反应速率因子k₀为4.942×10^-3 m/s^1/2，反应激活能Q为276.3 kJ/mol，后者的界面反应速率因子k₀为8.149×10^-3 ...     

SiCp/A356复合材料的细观损伤及混联失效模型

采用SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘本体取样,对SiC颗粒增强铝基复合材料在室温和高温条件下的细观损伤断裂机制进行研究。在试样断口上,通过扫描电镜观察到裂纹的萌生和扩展,SiC颗粒和裂纹扩展面的改变对裂纹生长的阻滞作用和以SiC颗粒为中心的辐射状疲劳条纹。提出一种颗粒增强复合材料的细观损伤混联模型,用于解释材料细观裂纹的萌生和扩展。     

SiC颗粒增强铝基复合材料的热变形本构方程及其优化

通过热压缩试验研究了SiC颗粒增强铝基复合材料在应变速率为0.001～1s-1,变形温度为713～773K时的热成形性能,并在试验数据分析的基础上,引入Zener-Hollomon参数建立了用于描述复合材料高温变形行为的本构关系模型,通过分析比较和对本构方程的进一步优化,提高了颗粒增强型铝基复合材料本构方程的拟合精度,使得计算值更接近于试验值.     

石墨烯增强铝基纳米复合材料研究进展

石墨烯以其优异力学、物理性能以及独特二维结构成为铝基复合材料的理想纳米增强相.金属基纳米复合材料制备技术快速发展,促进了石墨烯增强铝基纳米复合材料在结构和功能材料领域中的广泛研究.石墨烯在铝基体中的分散以及石墨烯/铝的界面控制问题具有重要科学研究和工程应用价值.重点介绍石墨烯增强铝基纳米复合材料最新研究进展,主要包括石墨烯增强铝基纳米复合材料的分散和冶金成型技术及其结构表征和力学性能研究.实验表明石墨烯能够显著提高铝基体力学性能,但作者认为通过优化工艺参数、改善微观结构和控制结合界面能够进一步优化材料性能.此外,为实现工程应用,还需加强石墨烯增强铝基复合材料的腐蚀性能和热、电性等物理性能研究,并突破材料的低成本、大规模制备技术.本文还基于石墨烯独特二维结构和表面状态,对石墨烯的增强增韧机制进行了深入讨论.     

国外碳化硅增强铝基复合材料的发展和近况

本文简要介绍复合材料的发展,重点介绍国外碳化硅增强铝基复合材料的发展及近况,其中包括超声波振动在MMC中的应用,挤压铸造法、粉末冶金法、扩散连接法应用研究的近况,用热变形方法改善SiC/Al力学性能以及利用超塑性制造MMC和SiC/Al超塑性研究、用超塑成形工艺制造航空零件的新进展,展望了SiC_P/Al发展前景。     

航天先进树脂基复合材料制造技术及其应用

主要介绍了我国航天工业领域先进树脂基复合材料的原材料(增强材料和基体树脂)、成型工艺技术(热压罐工艺、RTM工艺、缠绕成型工艺、自动铺放技术)和复合材料制品的加工装配工艺技术和应用等方面的最新进展,并讨论了我国航天先进树脂基复合材料制造技术的发展趋势。     

TiC-TiB2复合相钛基稀土激光熔覆层组织与性能

采用通快同轴送粉4002光纤激光器,在TC4表面熔覆制备了不同含量Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC+Y₂O₃钛基复合耐磨涂层。采用XRD、SEM、EDS、EPMA测试研究了涂层微观组织,利用显微硬度计、摩擦磨损实验机和白光轮廓仪分析评价了涂层的显微硬度和摩擦学性能。结果表明,涂层生成相不随Y₂O₃含量变化而改变,主要包括Ti₂Ni、TiC、TiB₂以及α-Ti;未添加Y₂O₃涂层,生成相尺寸粗大,方向性明显;随着Y₂O₃的加入,涂层组织逐步细化,生成相方向性减弱;当Y₂O₃为3wt%时,涂层析出相以颗粒和短棒状相为主,合成了大量TiC-TiB₂依附生长复合相,经二维点阵错配度计算,TiB₂（0001）与TiC （111）错配度δ为0.912%,TiC与TiB₂形成了共格界面,可有效增加涂层组织分布均匀性;Y₂O₃含量为0wt%、1wt%和3wt%时,涂层显微硬度逐渐减小,磨损体积先增大后减小,摩擦系数逐渐降低;在TiC-TiB₂复合相的作用下,3wt% Y₂O₃涂层的耐磨、减摩性最优,涂层磨损机理为磨粒磨损。     

钛基稀土激光熔覆层组织细化机制及性能

采用通快TruDisk 4002光纤激光器在TC4合金表面分别制备了0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC钛基耐磨复合涂层。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、显微硬度计和摩擦磨损试验机等分析了涂层组织、显微硬度和摩擦学性能。结果表明，两种涂层表面均无裂纹孔隙等缺陷，且生成相一致，主要包括TiC、TiB₂、Ti₂Ni、WC和α-Ti；0wt% Y₂O₃涂层组织存在明显偏析，析出相尺寸粗大且方向性明显；3wt% Y₂O₃涂层组织呈均匀弥散状态分布，细化特征明显；经Bramfitt二维点阵错配度计算，（100）_Y2O3和（100）_Ti2Ni、（111）_Y2O3和（110）_TiC、（110）_Y2O3和（1010）_TiB2间的错配度分别为5.75%、6.72%和10.10%，Y₂O₃作为异质形核核心对Ti₂Ni、TiC和TiB₂的细化能力依次为Ti₂Ni > TiC > TiB₂；0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃涂层显微硬度分别为600~630 HV_0.5和470~480 HV_0.5，较基材分别提高了约62%和26%；3wt% Y₂O₃涂层耐磨减摩性最优，其磨损体积和摩擦系数较0wt% Y₂O₃涂层分别下降了约47.8%和5.0%，磨损机制主要为磨粒磨损。     

Investigation on surface roughness,residual stress and fatigue property of milling in-situ TiB2/7050Al metal matrix composites

For higher efficiency and precision manufacturing, more and more attentions are focused on the surface roughness and residual stress of machined parts to obtain a good fatigue life. At present, the in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites are widely researched due to its attractive properties such as low density, good wear resistance and improved strength. It is of great significance to investigate the machined surface roughness, residual stress and fatigue life for higher efficiency and precision manufacturing of this new kind material. In this study, the surface roughness including two-dimensional and three-dimensional roughness, residual stress and fatigue life of milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites were analyzed. It was found from comparative investigation that the three-dimensional surface roughness would be more appropriate to represent the machined surface profile of milling particle reinforced metal matrix composites. The cutting temperature played a great role on the residual stress. However, the effect of increasing cutting force could slow down the transformation from compressive stress to tensile stress under 270 °C. An exponential relationship between three-dimensional roughness and fatigue life was established and the main fracture mechanism was brittle fracture with observation of obvious shellfish veins, river pattern veins and wave shaped veins in fracture surface.     

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%。     

碳/碳多孔防热复合材料压缩性能研究

常见高性能热防护材料的力学性能较为薄弱,这成为了飞行器热防护系统发展的瓶颈。因此,如何设计热防护材料,使其具有良好隔热效果同时兼具足够的承载能力,成为当前的研究热点。本文针对碳/碳多孔防热复合材料进行了单轴压缩实验,获得了其压缩应力—应变曲线,研究了其压缩变形特征及相应的失效模式,并通过SEM观测变形前后的材料细观结构,分析了材料内部的细观变形机制,也为进一步建立表征材料内部细观结构特征的有限元模型和进行数值模拟研究奠定了实验基础。实验结果表明:材料内部纤维主要沿面内随机分布,呈现出明显的分层现象。受其结构的影响,该材料面内方向力学性能比厚度方向优越。     

Analytical model of cutting force in axial ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB2/7050Al PRMMCs

Ultrasonic vibration-assisted milling has been widely applied in machining the difficult-to-cut materials owing to the remarkable improvements in reducing the cutting force. However, analytical models to reveal the mechanism and predict the cutting force of ultrasonic vibration-assisted milling metal matrix composites are still needed to be developed. In this paper, an analytical model of cutting force was established for ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites. During modeling, change of motion of the cutting tool, contact of tool-chip-workpiece and acceleration of the chip caused by ultrasonic vibration was considered based on equivalent oblique cutting model. Meanwhile, material properties, tool geometry, cutting parameters and vibration parameters were taken into consideration. Furthermore, the developed analytical force model was validated with and without ultrasonic vibration milling experiments on in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites. The predicted cutting forces show to be consistent well with the measured cutting forces. Besides, the relative error of instantaneous maximum forces between the predicted and measured data is from 0.4% to 15.1%. The analytical model is significant for cutting force prediction not only in ultrasonic-vibration assisted milling but also in conventional milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites, which was proved with general applicability.     

TiBw/TA15复合材料板材超塑变形行为研究

研究了TiB_w/TA15复合材料板材在900~960℃、5×10^-4~10^-2s^-1条件下的超塑变形行为。结果表明,TiB_w/TA15复合材料流变应力随拉伸温度的升高和应变速率的减小而降低,在940℃、5×10^-3s^-1变形条件下获得的最大超塑性伸长率为439%。利用Zener-Hollomn参数和Arrhenius方程所建立的峰值应力本构方程为ε·=3.55×10⁸[sinh(2.0×10^-2σ)]^1.99×exp(-6.381×10⁵/RT),其变形激活能Q=638.1kJ/mol。复合材料超塑性变形组织与拉伸温度和应变速率密切相关。高温低应变速率有利于基体α相的动态再结晶以及晶须与基体处孔洞的愈合,低温高应变速率下,孔洞更易萌生于增强相与基体结合界面的端部。动态再结晶对复合材料超塑性的发挥起着关键作用。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

A novel unified model predicting flow stress and grain size evolutions during hot working of non-uniform as-cast 42CrMo billets

The cast preformed forming process(CPFP) is increasingly considered and applied in the metal forming industries due to its short process, low cost, and environmental friendliness, especially in the aerospace field. However, how to establish a unified model of a non-uniform as-cast billet depicting the flow stress and microstructure evolution behaviors during hot working is the key to microstructure prediction and parameter optimization of the CPFP. In this work, hot compression tests are performed using a non-uniform as-cast 42 CrMo billet at 1123–1423 K and 0.01–1sà1. The effect laws of the non-uniform state of the as-cast billet with different initial grain sizes on the flow stress and microstructure are revealed deeply. Based on experimental results, a unified model of flow stress and grain size evolutions is developed by the internal variable modeling method. Verified results show that the model can well describe the responses of the flow stress and microstructure to deformation conditions and initial grain sizes. To further evaluate its reliability, the unified model is applied to FE simulation of the cast preformed ring rolling process.The predictions of the rolling force and grain size indicate that it could well describe the flow stress and microstructure evolutions during the process.