纤维增强金属基复合材料及其在航空发动机上的应用.pdf

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1、!i；茎耋兰耋璺量墨盒翌型兰三兰苎兰垄茎当圭篁窖盟：及其在移华声扣孝。j。?j j(中国燃气疆轮研究院成都-6 I D 5 0 0)，i。一j摘要回顾了纤维复合材料，尤其是金属基复合材料的发展及应用情况，对金属基复合材料应用中涉及的一些问题进行了讨论。鉴于西方发达国家航空新材料研究以及在航空发动机上应用取得的巨大成功，和我国金属基复合材料的研制、应用落后的现状，呼吁在未来航空发动机发展规划中要加大对金属基复合材料及其应用的研究，重视建立适合金属基复合材料结构强度和寿命预测分析系统。关键词纤维复台材料金属基复合材料发动机强度F i b r e r d n f o r c e dM e t a l

2、M a t r 奴C o m p o s i t e sa r I dA p p H 阻t i o no n 筒r c r a f i tE n g i n eO I N G H u a J n N C H e 一血(C h i n aG a sT u r b i n eE s t a b l i s h m e n t，C h e r l 耐u6 1 0 5 0 0)A b 曲r a c tF i b I；ec o m p o s i t e s，e s p e c i a l bL h ed e v e l o p I n e n t 锄d8 p p l l c a o no fn l e

3、 t a l 瑚t r i xc o m p。s i t e s，h a v eb e e nr e v i e w e di n 出。p a p e r D i s c u s s i o nc 衄t e I so np m b k m sa b o u tr n e t a lm a 晡xc o 1 p o s i f e 印p l i c a t i 蚰s w e s t e md e v e I o p e dc d u r I e sl nt I ei n v e s L i 髀t i o no fn e wa e 砌 1 a u t i c a ln l a t e a l sa

4、n da p p l i c a t i 叩h a v em a d e 廿e m e I】d o L l sa c h i e v e m e n t s，w h i l ea l i n a1 sl a gb e h j n di nt l l e龇丘e l d I ti sa p p e a l e d 山a cs t r e“g t ls h o u l db em a d et 0i n v e s t i g a l em e t a l 啪击x0 0 n l p o s i t e s 8 p p l i c a t i o n I ti sa l s 0h”p o r t a

5、r I tt 0e s t a b l i s hap r e d i c a t i o na m l y s i ss y s 似n0 fs 呻c t u r es t r c“g 山a 1 1 dU f e0 fm e t a ln l a t r i xc o m p 0 5 i b e si nt 1 ed e v e l 叩m e n to fa i l c r a f te r l 西n c K e y 删sf m r ec o n l p o s i t e s，r n e t a lm a t 血c o r“p o s i t e s，e n 舀n es 仕e n g 七1

6、11 纤维增强复合材料为了实现并不断提高航空发动机性能和结构效率，需要成功地应用先进材料。就结构材料而言，要求材料具有高的比强度、比刚度和使用温度。但是，从已经取得很好发展的常规材料的发展趋势来看，即使把设计技术和目前的常规材料发展到高度完善和或熟，也很难进一步获得重大的收益。可以说，先进航空发动机对材料的要求已经接近常规材料的极收藕日期2 f H)一1 2 一】8限。而进一步大幅度提高发动机的能力将愈加依赖采用先进的材料和新颖的设计方案的综台。目前，各国航空发动机生产商正在研制的或应用的先进材料主要包括：高温增强聚台物基复合材料、钛铝和镍铝金属化合物、金属基复台材料以及陶瓷基复合材料 1“。

7、顾名思义复合材料是由两种或多种性质不同的常量固体组分构成的材料。由多组分构成的材料很多。仅当材料各组分具有明显不同的物理性质，万方数据万方数据万方数据燃气涡轮试验与研究2 0()1 年第1 4 卷第1 期鼓筒式无盘结构，由钛基复合材料制成，与传统结构相比，可以减轻重量7 0 之多。典型的压气机转于如图1 所示。於佘贰悖境特恂移体叶毹f 环固1典型的压气机转子结构未来的发动机无疑将比目前的发动机轻，部件将在更高的温度下工作。为达到这些目的必须依靠先进的材料。新材料是实现I H 唧计划的关键。由于大量采用复合材料、非金属材料，发动机正在由目前的金属材料变成非金属发动机。主要的材料有：耐温更高的超级

8、台金和隔热涂层、金属间化合物(钛一铝和镍一铝)、树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复台材料和碳一碳复台材料以及非结构材料(轴承润滑剂)。专家预测，在2020年以前飞机发动机结构材料中金属基和陶瓷基复合材料所占比重将达到5 0 _ 2 “。普惠公司所进行的研究表明，转子占发动机总重量的24左右。而且转子直接影响其支承结构设计，因此对发动机总重量有进一步的影响。所谓板、盘、轴等。盘是转子的主要部件，除了要承受自身的惯性载荷外，它还要支承叶片和封严等部件。如果能踱少这些部件的重量，就能大大地降低轮盘高的比强度、比刚度。金属基复合材料，典型的有陶机的最佳候选。因为这些材料不仅轻，而且在较高工作温度

9、下仍然能保持其强度。从现有的文献看L45_j，金属基复合材料目前在发动机上应用主要处于试验研究阶段，还未广泛进入具体型号应用，尤其是转子部件。原因是金属基复合材料的制备工艺复杂、成本昂贵，界面稳定性难于控制，性能波动大，稳定性相对较低，以及缺乏应用经验。尽管如此，由于与金属州比，金属基复台材料具有的独特性能，被认为是未来高性能航空发动机的必选材料。国外曾经对金属基复合材料进行r很多试验和应月j 研究。1 9 7 6 年以来，P w 公司将珊纤维铝复合材料的风扇叶片装在()0 原型上进行过台架运转，证明这种材料适应性好、很有发展潜力。GE公司用SCs一6，n一64复合材料制造低压涡轮轴(体积含量

10、35)，并进行了试验。据称，如果F“0的低压涡轮轴用该种材料制造，发动机可功地研制了宽弦复合材料空心风扇叶片。在未来的发动机中，金属基复合材料所占的比将达到发动机结构材料的1“。新材料是实现I啊r计划的关键。对于新材料，特别是复合材料，必须采用全新的结构设计才能充分发挥其作用。骨架式结构是一种采用先进的材料(主要是金属基复合材料)、具有高比强度和比刚度的主传力路线结构，它能大幅度提高结构效率。骨架式结构除了因采用先进材料使结构重量减轻外，还可以通过减小振动和变形来提高发动机的性能。用金属基复合材料制造的风扇外涵机匣、发动机主轴和一些承力静止结构已经进行了试验。美国等发达国家还争先研究将金属基复

11、合材料应用于转子部件。金属基复合材料增强的压气机转子已经完成了部件试验。主要的新结构有：空心风扇和压气机叶片、整体叶盘、整体叶环、无盘转子、骨架承力结构设计等。有关压气机的新结构设计的减重效果如图2 所示。肚朋纠2 压气机甜f 垴构f 触业教米万方数据万方数据纤维增强金属基复合材料及其在航空发动机上的应用纤维增强金属基复合材料及其在航空发动机上的应用作者：卿华，江和甫作者单位：中国燃气涡轮研究院刊名：燃气涡轮试验与研究英文刊名：RANQI WOLUN SHIYAN YU YANJIU年，卷(期)：2001，14(1)被引用次数：3次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.Jeal R H M

12、eeting the High Temperature Challenge-The Non-Metallic Aeroengine 19882.推比15-20的航空发动机技术的发展途径和对策航空情报研究报告HY90015 19903.Rolls-Royce The Impact and Requirement of New Material on Aeroengine 19894.洪杰.吴炜 复合材料在航空发动机中的应用会议论文 20005.综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划文集 19926.Metclfe A G Current Status of Titanium-Boron C

13、omposites for Gas Turbine7.MMC Life System Development(Phase I)-a NASA/Pratt/Whitney Life Prediction Cooperative Program19968.齐红宇.温卫东 纤维增强复合材料的疲劳模型研究会议论文 20009.我国航空复合材料技术发展展望 1997(04)10.张国定.赵昌正 金属基复合材料 1996 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 耿永红.郭迎春.张吉明.刘方方.管伟明.张昆华.GENG Yonghong.GUO Yingchun.ZHANG Jiming.LIUF

14、angfang.GUAN Weiming.ZHANG Kunhua 大塑性变形金属基纳米纤维复合材料制备工艺与研究现状-材料导报2007,21(8)复合材料通常是具有很多优良性能的复合体,而纳米材料因其特殊的结构和尺寸效应而具有常规材料无法比拟的优异性能.纳米纤维复合材料的出现结合了复合材料和纳米材料的特殊性能.目前,相关的研究重点是把常规复合材料纳米化,使其成为具有更优异性能的复合材料.介绍了国内外纳米纤维复合材料的3种制备工艺和目前的研究现状,并结合现有实验手段和对材料的使用性能要求提出了一种新型的制备方法.2.会议论文 张天宜.王中光 Al单晶/SiC纤维复合材料界面剪切强度和声发射监测

15、 1997 单晶纤维模型复合材料，使纤维从基单晶中拔出，观测了界面的剪切强度。采用声发射监听，观测了界面的脱粘乃至脱粘的扩大，直到完全脱粘的全过程。结果表明：界面整体滑动时伴随着滑动的受阻情况，当受阻解脱后界面才能稳定的滑动。3.学位论文 黄明华 非连续增强铝基复合材料的蠕变与回蠕变行为 2004 非连续增强金属基复合材料具有高比强度、高弹性模量和优异的高温性能，制备工艺简单，成本较低，在航空航天和汽车工业领域有广阔的应用前景。实际工程应用中，非连续增强铝基复合材料常服役于高温、变载荷工作环境，载荷的不断变化造成复合材料的蠕变性能随之发生变化，直接影响到复合材料零部件的尺寸稳定性和寿命，因而研

16、究复合材料高温恒载荷和变载荷蠕变行为更具有实际意义。目前，已有的数值模型无法准确预测短纤维增强金属基复合材料的变载荷瞬时蠕变行为，颗粒增强金属基复合材料变载荷蠕变行为的研究未见报道。原位生成的增强相尺寸处于亚微米量级，当材料的微观结构进入亚微米的介观结构时，由于界面效应和尺寸效应，原位超细颗粒增强金属基复合材料可能表现出超过常规复合材料的性能。本论文详细研究了非连续增强铝基复合材料的高温恒载荷和变载荷蠕变性能，分析了不同增强体对复合材料蠕变性能的影响机制，探讨了复合材料的回蠕变与再蠕变特性规律。研究发现原位超细颗粒增强复合材料的高温蠕变性能优异于常规外加颗粒和短纤维增强复合材料。在大量的实验基

17、础上，建立了短纤维增强复合材料的回蠕变本构方程。该方程不仅能够用于评估短纤维和晶须增强金属基复合材料在变载荷条件下的蠕变性能，也可用来设计新的具有更强蠕变抗力的复合材料体系。实验结果和回蠕变本构方程的预测相符合，表明该方程对于开发新的金属基复合材料体系具有重要的理论指导意义。在300-400下测试了15vol.Al2O3/ZL109短纤维增强复合材料和10wt.TiB2/ZL109原位超细颗粒增强复合材料的恒载荷蠕变性能。结果表明，与ZL109铝合金的蠕变速率保持持续增大不同，Al2O3/ZL109和TiB2/ZL109复合材料表现出初始蠕变、稳态蠕变、蠕变破坏三个明显阶段。15vol.Al2

18、O3/ZL109短纤维复合材料的名义应力指数为5.7，10wt.TiB2/ZL109原位复合材料则表现出高的名义应力指数(11.7-12.5)和高的名义蠕变激活能(265kJ/mol)，远大于纯Al和ZL109铝合金的值。Al2O3/ZL109短纤维复合材料的真实应力指数为5，TiB2/ZL109原位复合材料的真实应力指数为8。两种复合材料的高温恒载荷蠕变行为都受到基体点阵扩散的控制。TiB2/ZL109原位复合材料在蠕变中具有稳定的亚结构，应用亚结构稳定模型合理地解释了TiB2/ZL109原位复合材料的稳态蠕变行为。研究发现，TiB2/ZL109原位复合材料蠕变存在门槛应力的起因是基体合金中

19、原位生成的TiB2超细颗粒。对15vol.Al2O3/ZL109短纤维复合材料和10wt.TiB2/ZL109原位复合材料的蠕变断裂过程进行了研究。Al2O3/ZL109短纤维复合材料和TiB2/ZL109原位复合材料的蠕变断裂特征为延性断裂。基于Al2O3/ZL109短纤维复合材料和TiB2/ZL109原位颗粒增强复合材料的蠕变断裂过程，提出了非连续增强金属基复合材料的蠕变断裂机理。位错的运动控制着Al2O3/ZL109短纤维复合材料和TiB2/ZL109原位颗粒复合材料的蠕变变形和断裂行为。短纤维复合材料通过纤维阻碍位错运动和位错滑移至纤维端部收缩消失来增强基体合金，颗粒复合材料通过位错被

20、增强相所钉扎和位错穿越增强相形成位错环来增强基体合金。350下对ZL109铝合金、15vol.Al2O3/ZL109短纤维复合材料和10wt.TiB2/ZL109原位复合材料进行了变载荷蠕变实验。研究发现，外加载荷变化后，ZL109铝合金在松弛应力下继续往正方向上蠕变，TiB2/ZL109原位复合材料在松弛应力下不发生蠕变，而Al2O3/ZL109复合材料降载后在松弛应力下发生了负方向上的回蠕变行为。Al2O3/ZL109短纤维复合材料降载后的蠕变曲线可以分为两个部分，瞬时的弹性变形阶段以及随后的应变收缩阶段(即回蠕变阶段)，瞬时变形阶段的应变大致等于复合材料的弹性变形。Al2O3/ZL109

21、短纤维复合材料回蠕变阶段的蠕变速率随松弛时间的延长而减小，在主蠕变的不同阶段降载后，回蠕变应变随着主蠕变时间的推移增大，同时增大的幅度越来越小。回蠕变后再加载，再蠕变过程中的最小蠕变速率不受加载前回蠕变的影响。应用基体合金局部区域的蠕变本构方程和应力松弛方程，定性地解释了Al2O3/ZL109短纤维复合材料的回蠕变行为，以及回蠕变速率随松弛时间减小的现象。基于基体合金蠕变引起的纤维与基体的应力松弛规律，建立了短纤维复合材料的回蠕变本构方程应用此方程成功地模拟了Al2O3/ZL109短纤维复合材料的回蠕变行为。本文建立了能用于预测Al2O3/ZL109短纤维复合材料蠕变行为的有限元分析理想单元模

22、型，通过有限元分析获得Al2O3/ZL109短纤维增强复合材料在高温恒载荷和变载荷条件下蠕变过程的应力场分布和应变变化情况，对Al2O3/ZL109复合材料最小蠕变速率的预测值与实验值吻合较好。有限元分析表明，Al2O3/ZL109复合材料的蠕变变形主要受到纤维的蠕变抗力和纤维/基体界面间应力传递的控制。增大纤维的长径比有利于应力在两相间传递，从而提高短纤维增强复合材料的蠕变强度。本文还探讨了不同增强体对复合材料蠕变性能的影响机制，研究发现增强体的形状与尺寸决定复合材料的蠕变性能。体积分数一定时，增强体尺寸越小，复合材料的蠕变强度越高。研究表明，原位合成超细颗粒增强复合材料具有比常规复合材料更

23、好的高温蠕变性能。增强体的形状则决定了复合材料的变载荷蠕变行为。短纤维增强复合材料发生回蠕变的原因是短纤维的弹性恢复作用；颗粒增强复合材料由于门槛应力的存在以及缺少短纤维的弹性恢复作用，在低的松弛应力下没有发生蠕变变形。未增强的合金材料发生滞弹性变形是由于位错环的螺位错部分快速收缩或长大引起的。4.期刊论文 高庆.康国政.Gao Qing.Kang Guozheng 短纤维复合材料应力传递的修正剪滞理论-固体力学学报2000,21(3)对短纤维增强金属基复合材料应力传递的传统剪滞理论进行了修正和改进.修正理论中包含了一些在传统剪滞理论中没有很好考虑的因素,包括纤维端部的正应力传递和界面的结合状

24、态.推导得到了描述短纤维复合材料应力传递机制的一些公式.通过与有限元分析得到的应力传递结果比较发现,修正理论对应力传递的描述准确性明显优于传统的剪滞理论.修正是合理而必须的.5.期刊论文 于思荣.何镇明.任露泉.Yu Sirong.He Zhenming.Ren Luquan ZA22/Al2O3短纤维复合材料高温拉伸行为的理论分析-复合材料学报1998,15(3)采用日本产AG-10TA型电子万能试验机对挤压铸造ZA22/Al2O3短纤维复合材料的高温抗拉强度进行了测定,并用Friend修正的混合律模型对该试验结果进行了理论分析,结果表明ZA22/Al2O3短纤维复合材料及其基体的强度均随温

25、度升高而下降,但ZA22合金基体的强度下降幅度更大.任一纤维体积分数的复合材料,均存在一临界转变温度Tcrit;超过该温度,复合材料强度大于基体强度.纤维体积分数越大,所需临界转变温度越低.在本试验中,Vf为15%和20%的复合材料的Tcrit分别为123和87.任一温度下,复合材料均存在一临界纤维体积分数,超过该纤维体积分数,复合材料强度高于基体强度.温度越高,临界纤维体积分数越低.对ZA22/Al2O3短纤维复合材料来说,Friend模型中的经验参数C*的取值随温度升高而降低.6.期刊论文 康国政.高庆.KANG Guo-zheng.GAO Qing 短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分

26、布及其变形特征-复合材料学报2000,17(2)基体行为是影响随机分布短纤维增强金属基复合材料力学性能的一个重要因素.本文作者将在短纤维复合材料单纤维三维模型的基础上,借助于弹塑性有限元分析方法,研究在加载过程中,不同纤维位向和界面结合状态下基体中的应力分布情况及基体的变形特征.研究表明,该类复合材料中基体的应力分布情况和变形特征将受到纤维位向改变和界面结合强弱的显著影响.7.期刊论文 康国政.高庆.KANG Guozheng.Gao Qing 短纤维金属基复合材料应力传递的有限元分析-应用力学学报2001,18(1)基于短纤维增强金属基复合材料的单纤维轴对称和三维细观力学模型，利用弹塑性有限

27、元分析方法对该复合材料中基体与纤维间的应力传递进行研究。研究中主要讨论了基体、纤维和界面的力学性能以及纤维位向的变化对应力传递和应力分布的影响。研究表明，复合材料微结构参数的变化将显著影响基体与纤维间的应力传递和复合材料中的应力分布，复合材料设计过程中必须考虑合理的微结构特征。8.学位论文 唐国政 短纤维增强金属基复合材料力学行为的细观力学研究 19979.期刊论文 于思荣.何镇明.YU Si-rong.HE Zhen-ming 纤维增强金属基复合材料残余应力及其在拉伸时的行为-吉林工业大学自然科学学报2000,30(1)根据弹性力学理论建立了纤维增强金属基复合材料中纤维周围基体中的残余热应力

28、模型.探讨了在单向拉伸时该残余热应力对材料性能的影响,为分析复合材料的力学行为提供理论指导.10.期刊论文 胡跃辉.胡鸿豪.周小明.陈光华 用弯曲模型推导二组元复合材料杨氏模量新公式-陶瓷学报2002,23(4)用弯曲模型推导了适用于悬丝耦合弯曲共振法检测金属第二组元的杨氏模量的理论公式,通过实验数据计算,结果表明在两组元h2/h11时与文献2的计算结果几乎接近,为用悬丝耦合弯曲共振法检测各种减振材料、陶瓷材料杨氏模量提供了理论公式;同时用改进后的弯曲模型推导出了适用于纤维复合材料横向杨氏模量的预测公式.引证文献(3条)引证文献(3条)1.穆欣 纳米AlO碱性化学复合镀镍的研究学位论文硕士 20062.姜云鹏.岳珠峰.王心美.王亚芳 金属基复合材料的蠕变力学研究进展期刊论文-燃气涡轮试验与研究 2003(2)3.王为.李克锋 Ni-P基纳米化学复合镀研究现状期刊论文-电镀与涂饰 2003(5)本文链接：http:/