连续纤维增强钛基复合材料研究概况!.pdf

连续纤维增强钛基复合材料研究概况!曾立英邓炬白保良赵永庆西北有色金属研究院西安#$%$&摘要重点介绍了连续纤维增强钛基复合材料的(种复合方法)即箔材*纤维*箔材法+等离子喷射涂层法和物相沉积法,开发的强化纤维有-./纤维和0123(单晶纤维)并介绍了它们的研究进展,最后讨论了一些复合材料的性能特点和复合材料的损伤评价技术,关键词连续纤维钛基体横向蠕变损伤评价中图法分类号45 6$7&8 2(文献标识码40文章编号4$%2*$9:;2%(*%2$*%:连续纤维增强钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量的环境下使用,连续?*-./纤维增强的5.*&*7中)轴向5-可达$8 9 6 A B C弹性模量是基体的$8(倍 2=,这些均使其有望用作未来先进航空航天飞机的蒙皮+刚性件和高性能发动机部件,若用作发动机转子+风扇叶片和盘件)以取代D.基或/E基超合金)发动机可减重(%F(=,近2%年来)材料工作者对其进行了深入的研究 7):=)并取得了突破性进展,特别是随着-/-*&等-./纤维的改进与商品化)纤维增强钛基复合材料的一些研究成果开始产业化,如美国国防部和D0-A资助建立的-./纤维增强钛基复合材料的生产线)为单级直接进入轨道航天飞机提供机翼和机身的蒙皮+支撑衍梁+加强筋等构件 7=,近年来又开发了一些新的制备方法)如三极管溅射和磁控溅射技术,所研究的基体合金范围扩展为近G)G)G HI和I合金,为使一些复合材料工程化)对它们的疲劳裂纹扩展+断裂等方面也进行了深入的研究&*9=,本文阐述了一些复合材料的性能特点)介绍了近年来制备连续纤维增强钛基复合材料的方法+开发的强化纤维与基体合金研究概况)并给出复合材料损伤评价技术,J复合材料的制备技术J 8 J复合方法连续纤维增强钛基复合材料的制备分为复合和固化压实2个步骤,该材料的复合非常困难)只能用固相法合成,开发的方法以固化压实前纤维与基体的不 同 排 列 方 式 来 区 分)通 常 称 为 箔 材*纤 维*箔 材 K K K 法+等离子喷射涂层法 L/L和物相沉积法 A MN ,图$为(种方法的示意图,表$比较了(种方法的优缺点,物相沉积 A MN 法分为2类4电子束蒸发沉积 O P O N 和溅射技术三级管溅射)5-C磁控溅射L-,它们都是在固化压实之前在单根纤维上涂覆一层均匀的基体,基体以涂层形式出现)减少了加工成箔材或粉末的昂贵的加工费,该工艺的主要优点为4纤维分布均匀C每一纤维被基体包围)纤维间不接触)纤维损伤小C纤维体积分数可用涂层厚度来控制C利于近净形加工,图$(种复合方法的示意图K.Q R$-S T U VB W.SX.B Q Y B V E Z W T Y U U.X E ZS E V E .W U Y E S U J 8 _固化压实常用热等静压 a A 或真空热压 MA 来固化压实复合材料$)$#=,但最近研究表明4用锻造法代替a A或MA)复合材料的室温拉伸性能和疲劳性能与a A法制备的相当)既降低了成本又节约了加工时间 b=,A MN Ha A法制备的?*-L$2 7%c 5.*&*7的压第2 b卷第(期2%年&月稀有金属材料与工程d 0d OLO 5 0eL05 O d a 0e-0DNO D6 a DO O d a D6ME 1 R 2 b)DE 8(f g U2%!联系人4曾立英)女)(%岁)硕士)工程师)西北有色金属研究院钛合金研究所)西安#$%$&)电话4%2 b*&2($%#9)传真4%2 b*&2($%(万方数据表!种复合方法的比较#$%&!()*$+,-,(.(/0 1+2 23()*(-,0 2*+(3 2-2-复合方法4 5 67 5 8 9:;7 5=;8 8 9?优点AB C D?:D ;缺点E 9 8 D B C D?:D ;研究的合金AF F 5 G8:H B 9;B参考文献I;J;j 4 k的长大起作用l相对密度超过U h S时N扩散晶界滑移i E Am k起作用N即孤立菱形孔不断收缩N从而使材料致密R T a Vg用压实显微机械K单胞模型来模拟此过程NE Am 为压实主要机制g溅射法Q_n制备的纳米级o K WT b U p 9 K K 中Nq U rsS U U r间产生超塑性N压实所需的温度和压力比其它复合材料的低g有限元分析模型预测值与实验结果吻合得较好R T S Vgt强化纤维与基体材料t h!强化纤维强化纤维应在不低于T U U U r时仍具有较高的模量和拉伸强度N且相对于钛基体要稳定N二者的热膨胀系数差别要小g商品化的纤维见表b N最成功的是;u:5?公司制备的连续 9 4纤维 4 K g商用纤维大多数是用4 _E法制备的大直径的 9 4单纤维N它具有较好的高温强度v热稳定性和抗氧化性g 9 4纤维共有两类w一类是含直径为X X x 6碳芯的纤维N牌号为 4 K U N 4 K N 4 K H F:5 B H=;直径E 9 D 6;:;D模量W5 B H F H 8p m D保护涂层 5:;=:9 C;=5 D:9?涂层厚度 M 9=?;8 85 J=5 D:9?p x 6 9 4o K WT T U QE Y I AK 9 6DT U X&U U 9 4o K WT b U QE Y I AK 9 6DT U U4 Q 9 ZuT h X QT h X 9 4 4 K U Q;u:5?T Ue5=5 D:9?无涂层 9 4 4 K Q;u:5?T U&U U U 4 K 9=MB 5 H f F;富碳的双涂层b s 9 4 4 K H F:D;u:5?T U&b b U 9 4 9 6D =A6;=5 6T b dX&d T U 9 7 F;u4三层碳涂层XAFb!X D 7 7 M 9 ;D 7 M 9 5?c?=&T b UX&T U另一类强化剂为AFb!X单晶纤维N它的热稳定性v机械性能好l热膨胀系数更接近钛基合金N纤维与基体的热应力小N制备及热循环时基体中不易形成微裂纹g供应的此纤维无外保护涂层g其涂层工艺尚未成熟N价格昂贵N仍在探索之中R b T Vgt h t基体根据使用温度的不同N复合材料常见的基体有近P NP NP QO NO合金及 9 AF基合金g其中研究较多的为 9 K AF K _R b U VgO合金i 9 K T d K X NO b T k的冷成型性优于P QO合金N但其蠕变抗力较低N某些应用条件下横向性能达不到要求g新一代涡轮发动机使用温度较高N这就要求复合材料基体的高温性能要好N近PbTb稀有金属材料与工程b S卷万方数据合金能满足要求!如#$%$&$&!#$()和*+*,-.在#/0基复合材料中!首先研究了1 2 1%3#$&/0$(45!其基体主要由6&相组成!它与1 2 1%纤维中的富碳涂层不相容!复合材料的延性7蠕变抗力较低!横向性能不佳8&9.固化压实后的1#2 3#$,/0$&2:$45中可见大量裂纹!基体3纤维间热膨胀系数不同!热残余应力较大所致8&)9.近来还研究了含有序;相的#/0基复合材料8()9.这类材料综合性能优异!室温延性较好!拉伸和蠕变性能提高!热稳定性和疲劳性能大大提高!纤维3基体界面反应较小.基体合金范围为#$?/0$(=&?45.表-示出一些国家所研究的连续纤维复合材料及其潜在的用途.从表中可知!美7英等国连续纤维复合材料已进入工程应用研究阶段.表A一些连续纤维复合材料的用途B C D EA F G H I J H K C L C M M L K N C H K G J OG PO G QIP K D I RR I K J P G R N I SB K T UUV O材料+W X Y:#W 0项目或财政资助Z:W :#_ W _#W 0 a b c c :X应用Z X Y _ X#W 0 W c c 0#W X#_参考文献d Y Y:Y _ Y1#2 3#$5 W a Y eW 0 0 f美国综合高性能透平发动机技术*g$Z h?和高速民用运输机 g1 2?项目i英国材料战略局的科技远景规划i Y j X:_风扇叶片7压气机盘和透平盘7排气嘴和转轴等i飞机蒙皮和刚性件供麦道公司i英国g;k航天飞机的纵梁7蒙皮!美国4/1 Z !&-!&91 2 1$%3#$%$m$1+(&)3#$%$d 0 0 a$d f YZ 0 E超音速飞机蒙皮8&!&%91 2 1$%3#$&/0$()45$-r$(+德 国+*4h d r/2#X X Y Y与 以 色 列科学合作项目资助先进航空器8&9A复合材料的各向异性连续纤维增强钛基复合材料的特点有二s一是各向异性强!横向拉伸强度仅为纵向的-)t=ti二是纵向拉伸性能比基材的高得多.表示出了一些复合材料及其基体的拉伸性能.高温下复合材料经受非轴向载荷时!选材须考虑横向蠕变强度.纤维3基体界面是复合材料体系至关重要的部分!对材料的性能影响很大.它应是热化学稳定的!以避免纤维3基体发生化学反应i界面应很薄!以避免纤维改变物性.界面结合好时!纵向和横向强度中等i界面结合弱时!纵向强度较高!接近混合法则预测的数值!但横向强度较差.界面结合弱的1 2 1$%3#$($-和1 2 1$%3#$%$的横向断裂强度均只有各自基体的一半8&)9!这是因为1 2 1$%纤维碳保护涂层分离!或碳涂层与界面反应区分离.+#:W 0 Y等人研究发现通过热处理来改善横向蠕变性 能 是 行 之 有 效 的 方 法 之 一8()9.对1 2 1$%3#$&/0$&-45 t?进行超转变固溶处理时效后!材料的横向蠕变性能得到改善!结果如图&所示i而纵向拉伸强度不受影响!这是因为热处理不会对纤维涂层产生负面影响.图&中超转变固溶处理温度!u型$(&viw型$(%)v.在;相形成温度范围内进行时效.1 2 1%3#$&/0$&-45抗蠕变能力提高是材料中;相体积分数增大所致.表x一些复合材料的拉伸性能B C D Ex V G QM C R K O K G JG PH I J O K L IM R G M I R H K I OD I H y I I JB K T UUV OC J SN G R R I O M G J S K J zQC H R K 材料+W X Y:#W 0状态2 _ e#X#_纵向拉伸强度k _#X b e#_ W 0|13+Z W横向拉伸强度:W _ a Y:a Y|13+Z W纵向弹性模量k _#X b e#_ W 0!h 3 Z W参考文献d Y Y:Y _ Y#$%$1 2 1$%3#$%$加工态o )v3 qo)(-o)-)()&)(o)!-8-9#$($-1 2 1$%3#$($-加工态,)v3(%q,&(&(o (,),-(o !o&(-8-!&)91 2 1$%3#$&)t4#$&$()1 2 1$%3#$%$3#$&$(),-(-,8&,9#-(&#-期曾立英等s连续纤维增强钛基复合材料研究概况万方数据图!不同热处理条件下#$%&(!)*(!+,-的横向等温蠕变曲线./0 12 3 4!5 6 7 8 9:;6?:;6:;:A;:6 A 7 6:7 B#$%&C!)*C!+,-7=6(F5 G H I J6 K-(8;=6 K 6=I6 K A;=(8;=6 K 69:=8 8;:=8:I 7 I 8 7 6L复合材料性能评价发展损伤评价技术对研究连续纤维增强的钛基复合材料并使其实用化极其重要M这些复合材料的断裂和疲劳比常规整体材料要复杂得多M它包括N纤维断裂O纤维%基体的分离O纤维的滑动和拔出O基体裂纹M而且裂纹处桥接的完整纤维会产生大的损伤容限J裂纹尖端产生屏蔽作用M近来在钛基复合材料微断裂方面开展的工作很多.$PQ J!D 1M为确定强化纤维与基体裂纹间的相互作用J应能在一个试样内确定单个纤维的失效J并精确测定其空间位置M声发射R)S T能有效地检查材料的动态过程J这是通过每一微断裂形成的一个个)S信号来进行的M)S技术似是最有效地确定断裂和疲劳的方法之一MU:;:V等人用)S纤维探测技术有效地确定W(X/!Y 0%&($(Y RZ+/T中纤维是否断裂或保持完整J并确定基体内疲劳裂纹扩展后完整纤维的空间位置M循环疲劳时J裂纹稳态扩展J纤维不在裂纹尖端处失效J而是在疲劳裂纹扩展区失效.!D 1M#$%&(/Y)*(!/,-中可测的)S为纤维附近无基体区的环状微裂纹M临近屈服点时J损伤加剧J随后稳态发展M#$%&(/+)*(/D,-(Y X7(!(&=.!Q 1中J因损伤而产生的)S与应力成幂函数关系M用预测损伤裂纹扩展的微机械模型研究&(/D(+界面组织对#$%&(/D(+损伤的影响结果为.Q 1N振幅小于_$I-J持续时间小于/0 0 6时产生界面裂纹和基体屈服J基体裂纹起始于低%中等)S J纤维裂纹起始于高)S J组织对这种关系无影响M用平面应变有限元模型预测的应力值可说明损伤是由外层向内层转化.!1M)S技术也能有效地测定混合片层复合材料的失效.!_ 1M混 合 片 层 的&(!D)*(/0,-%#($%&($(Y%&(!D)*(/0,-复合材料中R D层#($%&($(Y J$层&(!D)*(/0,-J混合片层的a!0 J纤维的a+/T J#($纤维被韧性的&($(Y包围J此韧性层抑制界面附近残余应力产生裂纹及其扩展b与常规钛合金相比J&(!D)*(/0,-层的高温强度和环境稳定性要好得多M这种复合材料的独特组织设计使其疲劳性能大大提高.!_ 1Mc结束语连续纤维增强钛基复合材料因其高比强O高比模量O好的尺寸稳定性和高温强度是航天工业中结构件的候选材料M到目前为止J已对其复合方法O强化纤维与基体合金O损伤评价技术等方面进行了深入的研究M混合片层钛基复合材料综合性能优异J是未来复合材料的研究方向之一M下世纪的研究重点将转向工程应用研究M我国开展这方面的工作起步较晚J有待迎头赶上M参考文献d e f e g e h i e j/k:3lK=A KR曾泉浦T JX=7m =7 =R毛小南T Jk 9=3&3 n :R张廷杰To p q r s ts u q v tq u s r w q v x q y z y|w y s s r w y|R稀有金属材料与工程T.1 J/_ _ b!$R Y T N/Q P!/!k K 7lJ 3 K R邓炬T J K 7 K 7(9:R罗国珍T J!3):(9 7 KR丁文周T o p q r s ts u q v tq u s r w q v x q y z y|w y s s r w y|R稀有金属材料与工程T.1 J/_ _/b!0R$T N/0 P/QY K 7 K 7(9:R罗 国 珍T 4p q r s ts u q vtq u s r w q v xq y z y|w y s s r w y|R稀有金属材料与工程T.1 J/_ _ b!$R!T N/PD k 9 K,=*R朱 纳 新TJk 9=3&=*=R张 太 贤TJ#=m K:(9=3R蔡 学 章T o p q r s ts u q v tq u s r w q v x q y z y|w y s s r w y|R稀有金属材料与工程T.1 J/_ _ _ b!Q R/T N D$P+Y/!+稀有金属材料与工程!_卷万方数据!#$%&()*+,&+-*.%&+-*/0 1 12-345 6 787 6 9:;+?A B CD=?=ED=!#F G 0&H,I JK*-L M%N I,JK 3 O P QR P S T 5 U V 9 5 W;+!A=X B C=!F=E=!A=A 2 Y Z Y ,Y$3 87 6 9:T 5 U _;+a=A D C?E!A bL N Y I%Y&(J*G Y,c d/e*2,fL%c L&2e 389 6 7 g g87 6 9:V:7 _ S 4;+h F a#B C=F X E=F h X=X iM L 1 j&%f0 M c j 2*2 fL c j(/*-L M%N I,J K 387 6 9:T 5 U _;+h?D aCh A!Eh A=iM 0 ,M$*$,L$3kT 4 l 7 6 9 _ 6mP 3kT!?X X!X!;(3=!=h n%I,&c,o*)%M%1 1 L c Lp 34T V 8 q O P QR P SV 9 5 W _ Pr 9 S;+=A h B C#F EF=D/L c c,Ma-*J 0 s M,(3 q87 6 9:T 5 U;+D h h D B C#D E#?X#=?$%M H t)I Y 1,)-*$L&1 c Y&,-/387 6 9:u9 S;+=!h B C#F EF F=!2 0 Z M%f%&L%&(/*iM L 1 j&%f0 M c j 2*i,I I,M 2o*-,&H L tM%c c%-G3 87 6 9:T 5 U _;+ah?=B C=E=X=#n%1 1,I a*v&H M L Y)*(%0 c Y&L,M p 3v&CK I,&w L&1 Y s(a*x y%&1$+*p I Y z,M -,H 1 3 V U !T 5 U 9 _ 5 9 7 _|V 9 5 W _ P g P ;)3e Y&H Y&C o j,v&1 c L c 0 c,Y -,c%I 1*=#ChF D EhF?#=F b%w%c%&L*v f0 c%-*b%w%f%9 6 7 g 87 6 9:O W 7 g g 9 _ 9 C uU!9:S U U 5 7 6 U P _7 _|6 W 9#$6$:9;-3)Y y L&%C2 Y N L,c Y MaH y%&N,f,&cY-%c,M L%I 1%&H(M Y N,1 1x&L t&,M L&3=!C=D?E=?D=A n%&N j,1 z%M%&/*x I d,J-*i0&d,+-9 6 7 g 387 6 9:T 5 U _;+ah?C?E!F=i0&d,+-*$%H I,b G387 6 9:T 5 U _;+ah?=B C=D A E=?h X n%1 1,Ia3v&C%j Y 0 e 9 6 7 g,H 3(M Y N,H L&1Y&U 7 _(_ 6 9:_ 7 6 U P _ 7 gV U 6 7 _ U$Q O P _ 9:9 _ 5 9&(V O A B;)3K,t L&Cv&c,M&%c L Y&%I aN%H,fL N(0 Z I L 1 j,M 1*=A CF?E Xh=b%c j%&-*a&H,M 1 Y&)/*aj,%M&+2 387 6 9:T 5 U _;+=#h aC=X F E=Dh h J M%s,M2e*K M L&H I,(i*b%c j%I-n389 6V:7 _ S4;+h D aCh!?=Eh!?Ah D o j Y f%1-(*/Y Z,M c 1 Y&+G*$L&1 c Y&,-/3q P 87 6 9:T 5 U;+*=A CD#X F ED#=?h?,M.)*$%&()*.%&+-389 6 7 g g 87 6 9:V:7 _ S 4;+h aChF D F EhF?#h!K%M&,)*v Z Z Y c 1 Y&a/3K Y z,&(3 87 6 9:T 5 U V 9 5 W;+=?C#!A E#Ah#K M L 1 1,c p*K Y z,&(3 87 6 9:T 5 U V 9 5 W;+=?C#!=E#!Fh F 2 Y Z Y ,Y$*/%Z,jK-*%j%&+9 6 7 g 3O P QR P S U 6 9 T 5 UV 9 5 W;+!A#B C=!E D=h A 2 s,N wJ+*$%H I,b G345 6 787 6 9:;+?#=B CD!D ED#Fh$%&()*,M.)*.%&+-387 6 9:T 5 U _;+ah?!=B C=X X E=X A收稿日期)*t+,t+*B修回日期)*t)-t),B编辑周吉峰石应江B./0 1 2 0 34 5 6 4 7 8 2 7 9 4 9:;2 0?2 8 A 7 2 9 B.C C 4 DEA 8=2 F6 4 BG 4:2 8 0:%,&e L L&*J,&+0*K%L K%Y I L%&*%j%Y.Y&H L&bY M c j z,1 c v&1 c L c 0 c,Y MbY&,M M Y 0 1-,c%I/,1,%M N j*I L%&F=X X=#B.8 o j,s M Y N,1 1 L&Y N Y&c L&0 Y 0 1 L Z,MM,L&Y M N,Hc L c%&L 0 f%I I Y f%c M L JN Y fs Y 1 L c,1 o L t-)1 BL 1M,y L,z,HL&c j L 1s%s,M 32 s,N L%I%c c,&c L Y&L 1s I%N,HY&c j M,s M Y N,1 1 L&f,c j Y H 1 C L Z,M t Y L I t L Z,M p p p B*s I%1 f%N Y%c L&()-B%&Hs j 1 L N%I y%s Y M H,s Y 1 L tc L Y&(nJ B 3o j,M,1,%M N js M Y M,1 1L&M,L&Y M N L&L Z,M%&Hf%c M L J%I I Y 1,I,N c L Y&L 1H L 1 N 0 1 1,H 3(%M c L N 0 I%M%c c,&c L Y&Z,L&s%L Hc Yc j,L Z,M 12 L)%&HaIhD3o j,f,N j%&L N%I s M Y s,M c L,1%&HH%f%,y%I 0%c L Y&Y c j,N Y fs Y 1 L c,1%M,%I 1 Ys M,1,&c,H 3K0 D 3 4=?:N Y&c L&0 Y 0 1 L Z,M*c L c%&L 0 f f%c M L J*c M%&1 y,M 1,N M,ss M Y s,M c *H%f%,y%I 0%c L Y&)Y M M,1 s Y&H,&c C%,&e L L&*-%1 c,M*x&L&,M*o L c%&L 0 faI I Y/,1,%M N j),&c,M*bY M c j z,1 c v&1 c L c 0 c,Y M bY&,M M Y 0 1-,c%I/,t1,%M N j*I L%&F=X X=#*(3/3)j L&%*o,I C X X A#t h t#h D=X F A p%J C X X A#t h t#h D=X D*x t f%L I Cc M N d j%Y HL h=N&3N Y fM!=hMD期曾立英等C连续纤维增强钛基复合材料研究概况万方数据