金属基复合材料的现状和展望_国家材料咨询局金属基复合.pdf

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1、金属基复合材料的现状和展望来一丁.国家材料咨询局 金属基复合材抖特设委员会报告摘要:了评述。研究了金 属基 复合材料在国防应用中的作用。衬它们的潜在的缺点也作在 评论许 多可能有的 应用时,介绍 了初级加工和二级加工 中的现有技术水平。委 员会对目前和 计划中的成本给予了较多的注意,得出这样一个结论:就 某些应用来说,日前金 属基 复合材料在成本上是有竟争能力的,并且 将 来会 变得 对 其它许多应用也 有竞争能力。在 航空器结构应用中,已有了足够的依据,可以预言,这类材料将 依靠自己独它的应 用在 与其他材料 竟 争具 的特 点经受考验,在 设 计人员开始熟悉 其性能之后,它的应)t l在与

2、共他材村克 幸中将不断增加。通过生产和飞行试验的帮助其方式和环氧基 复合材料的应 用 相似,衬 材料及其加 工 性能 的把握 性也 必然会增加。一个可能有的 应用(预期 能使性能有 重大的改进)是用作 喷气发动机的叶片,它的使用要求进行广 泛的、花钱多的发动机 试验来保证 其适应性,其试验方法和为发动机 其他改进所要求做的一样。也必须验证杭 外部物体 破坏的能 力。这是受政府支持的研制项目之一。一、意图与目标本报告中所论述 的研究工作的 总的意图,在于确定金属基复合材料特别是在国防应用中所起的作用。为完成此项工作,国家材料咨询局指派金属基复合材料特设委员会,对金属基复合材料现状从冶金、工程、经

3、济和使用观点做了详细的分析。鉴于该主题的复杂性和多学科的特点(即它包含材料科学、工程性能加工方法、结构设计方案、组装方 法、质量控制、无损试验技术及经济学),委员会由上述各学科的专家组成。要求每个委员会成员写 出专题文章,经过委员会讨论改订之后,这些文章就被列入本报告各章。既然没有一个成员能通晓该命题的所有方面,那就不可 能期望任何一个成员赞同本报告中的所有的阐述。但是文章的摘要和结论是经过全部委员会成员共同评议和审定的。要求委员会对金属基复合材料的前景作出评价,并在产量扩大时测定其价格会 否有明显的降低,以便使此种材料成 为设计人员的可行的选择方案。委员会考查了金属基 复合材料的技术“状况”

4、,在预测价格前景方面也做了较多的工作。受到委员会 注意 的专题有:1.金属基复合材料技术现状;2.与 整体一锻造材料及树脂基复合材料相比金属基复合材料的优缺点;中译自AD/A一口。57了43.金属基复合材料在国防、宇航和商业应用中的潜力,4.金属 基复合材料 的可加工性能和 数据库状态,5.中肯的价格估计,包括金属基复合材料与其他材料的某些比较;6.金 属基复合材料 的初步使用经验,7.在加速推广使用金属基复合材料中当前的障碍和要求。当前很受人关注的材料存放问题,出现在该委员会成立之后,因而没有受到委员会的任何重视。在复合材料已充分应用的新结构(如图1中发动机切 面中所示 的那样)中,完全表现

5、出了 它们在 重量 和成本上的 优点。美国空军为判断复合材料对整个发动机 系统所产生的冲击而进行的研究清楚地表明,成本和重量的明显改进 不仅限于复合材料零件,而且还表现在使用复合材料零件而获得高特性,有 可能消除传统用 的金属件和减少发动机多级叶片。但是,应当指出,在它们可以全部提交供原始设计使用之前,尚需要有复合材料零件的重要的操作经验和可靠性。目前的趋势,正象和其它新材料一样,是 通过用 复合材料零件直接取代金属件,以获得必要的可信度。这样便能保证在万 一出现意料 不到的 问题时,将有适用的备用件或替换件。用户要求有这一安全保障,使能减低成本和重 量指标,直到用户对完全交付的复合材料有必要

6、的把握性。弩华华怜产粗“_.办“尹一气2一气心一卜一一一动翅衬破一一州图1复合材料风扇叶片效果在过去 十年中,特别是在该委员 会活动期间,金属基复合材料的技术水平有了迅速的提高。起初主要考虑使用复合材料来减轻重量,而最近 的要求则是减少 系统的采购和操作成本,这一要求的重要意义已超过 了减轻重量的标准。因而,最新 的应用要求降低成本,或者至少在不增加成本的 同时能大大地减轻重量。这 些要求已在某些最新的宇航应用中得到满足,如正在投入生产的用于航宇局航天飞机上 的硼/铝结构件,以及飞机发动机的硼/铝叶片。这 些应用都在显著节省成本条件下减轻了重量,根据该委员会意见,在将金属基复合材料作为一 种富

7、有生命力的材料系统接受下来时,上述应用就是 对使用能力的必须有 的证 明。该委员会于19 7 3年开始工作,到 7 4年初任务基本完成。因而 价格估计及其它数据都与这段时间有关。一54一二、结论和建议结论1.概述a.金属基复合材料表现得很有希望,已经达到成熟程度,其标志是 它们的使用正在扩大。但是为 了认识到它们的全部潜在能力,这些复 合材料的研究理应受到较多的关注和支持。b.与整体金属相比,金属基复合材料的优点是其固有的高强度、高比强度与比模量、韧性、理想的高温性能和高温稳定性,以及某些情况之下的低成本。它们还或多或少地可以用传统的金属加工方法进行加工。金属基复合材料目前正处在不 同的研制阶

8、段,它们是硼/铝、硼/钦、石 墨/铝、石墨/镁、被/钦以及用难熔金属或氧化物纤维增强的超级合金。委员会原则上反对放松研制工作,看来要消除对上述各系统中任何一 项 的研究是没有根据的。d.硼增强铝系统的研制处在最先进的阶段,这一 系统 的性能数据足以供结构设计使用。e二正象和任何别的新材料一样,在该材料系统投入生产之前,要求研究出大修和维修(包括无损检验技术)的方法和标准。因为许多金属基复合材料与将要由它们取代的合金材料(如起落架用高强度 钢)相比,可能不太易于受腐蚀,维修费可能要少得多。修理 的特点和范围仅能通过飞行试验和常规使用暴露来确定。f.如果仅考虑寿命一周期成本,而不考虑装配费用,使用

9、金属基复合材料的经济效果将更明显。在初步设计阶段引进的这些材料可能使系统获得最大的好处。9.对用于B/A l、B/T i和Be/T i复合材料的 硼纤维成本降低的估计仅根据产量 经济效果,没有根据制造中的任何技术改进。即使就今天的价格而论,在若千有选择的情况 下,用金属基复合材料制造的构件,看来要比相当的钦铸件或钢铸件便宜。h.与通常引用新材料的顺序相反,至今,金属基复合材料的实际应用与航空器结构而不是与发 动机 更为接近。尽管它们用在发动机中的潜在的效果要大得多。1.金属基复合材料的未来似乎完全取决于国防和宇航工 业,在可以预见的将来不会有太大的商业市场,虽然体育设备的制造商正 在为本部门产

10、品用试验件做试验。2.有关航空 器结构应 用目前,正在 研究几种可能使用硼/铝复合材料的武 器系统,如B一1,V一S TOL及轻重 量的战斗机等。b.硼/铝组件在航天飞机 上 的应用已经付诸实现。至今,大多数航空器结构使用金属基复合材料与其说是 根据初步设计逐渐形成,不如说是通过替换而得到发展的。d.而就某些金属基复合材料,如B/A l和Be/T i来说,这样的推广既有困难而且危险,与制造 聚合物零件所需的设备相反,多少都有些一般 的设备可供复合材料加工 使用,但是,根据使用要求,一 些基本的设备仪表可能是必需有的。就金 属基复合材料来讲,在美国国内任何地方也没有可实用的实质性的生产经验。有关

11、发动机应 用至今,没有任何金属基复合材料被交付用于任何发动机中。用金属基复合材料来取代特别是在高一叶尖一速度风扇中的钦或钢,似乎在特性、重:aJ卜U量、甚至成本方面表现出的优点很显著。.用于 涡轮一风扇发动机的风扇叶片中的复合材料(不管是树脂基的或是金属基的)的较大的障碍和干扰之一是降低了它们抗外来物体破坏的能力。必须指出,抗外 来物 体破坏(F O D)试验方法是简单的筛选试验,对几种实验和分析方法 的研究工作正在进行,分析方法表明,有可能 围绕外来物破坏间题提供设计能力,通常要对外来物破坏特性具有把握性是困难的,要做到这 一点花费是很大的。d.对于发动机应用,已有了一些设计和加工技巧,但是

12、没有实用的生产经验。生产发动机所用的生产设备可能要比航空器结构件所使用 的设备要复杂得多,花费要大得多。e.金属基复合材料发动机构件的无损试验(NDT)或保养与维修很少有或根本 没有实用的经验。f.就质量保证来说,用新材料进行飞行试验要比螺旋试验重要得多,但是其花费也要大得多。建议1.有关金属基复合材料系统的实验室方案应当优先开始,与生产很接近的B/A l系统应当用到新的武器系统中,处在探索研 究阶段的材料系统,如 石墨/铝和超级合金/耐火材料纤维应当加速研究,因为远期的效果可 能特别大,但是对扩大的系统必须进行细心地选择。2.在任何可能情况下,应在 初步设计阶段就对金属 基复合材料的应用做出

13、考虑,因而就有必要把有关这些复合材料的情报向设计人员作广泛报道。3.和对任何新工艺一样,要对降低基本材料的生产成本、在此情况下,即降低纤维和加工成本给予持续的关注。4.当某些材料系统交付生产之 后,对质量控制、维护和修理程序做出精确规定的必要性就越来越大。5.就发动机应 用来说,要为使用新材料而进行的一系列飞行试验做出应有的保证。6.尽管尚未证实外来物损坏问 题得以解决,但某些研究人员已经作出报告:由于使用了延性铝合金和直径较大 的硼纤 维,结果使得B/AI系统的韧性有了惊人的改进。因而应当从分析和实验两方面对外来物损坏 继续进行研究。7.金属基复合材料在发动机应用中所提供的最大成果可能是涡轮

14、端头。因而有关增强的超级合金的实验室研究应当继续进行。8.需要使设 计公差标准化(如军用手册5),以利于金属基复合材料的选择和交付。三、纤维和复合材料进展情况一些复合材料已从实验室进入商品市场,另 一 些 正 为适应近期使用处于紧 张 的研究 阶段,还 有一些 属于探索研 究的课题,如果成 功,将在今后得到应用。下文评述了金属 基复合材料及其增强纤维 的现状,以阐明进 展状态、典型性能以及 研究活动的总的方向。如上 面 所指出,自委员会开始工作以来,出现了材料短缺和价格膨胀的共同的 问题,这些考虑没有反映在本报告中,但是,总的说来这样一些压力将导致激发和加速对复合材料的考虑和引进,因为它们的成

15、本和实用性将变得较为有利。增强 纤维随着在改进性能、降低分散性、增加产量 和降低成本方面进行了大量的研究工作,己经研制出相对稳定的增强纤维族。这 些纤维的典型性能在表1中说明。1.硼连续的硼 纤维的商品生产是用三氯化硼在加热的钨的基底上进行化学汽相沉积而取得的。带碳化硅涂层的硼纤维也可制得,涂层用于减少基体和纤 维之 间的反应,特别是在高温复合材料加工过程中,生产能力似乎足可满足预期的应用。硼纤维正以聚合物基的复合材料形式,供宇航结构组件使用,不断增加的产量将被用于消费品上。|叫纤维直径(密耳)表l增强纤维典型性能密度拉伸强度(磅/时a)!(室温,干磅/时弹性模量(室温,千磅了时之)商品来源5

16、 8 5 85 85 8 5 86 2 6 23 05 7一6 22 8 7 75 33 6 5 03 74 8 5 9 6 06 0 4 05 77 9 3 45 0 0 5 0 05 5 04 3 7 4 6 24 5 0 4 5 05 6 04 5 8 2 3 56 0 02 5 0 3 9 0 3 0 03 5 02 8 73 5 04 0 0 4 2 03 2 02 5 04 0 0 3 1 53 8 0 3 2 5硼矽克R碳化硅dl几,曰,曰,自,勺山,曰几JCJqUnJ.-八UC0n U1 1”不锈钢钨合金妮合金氧化铝(单晶)石墨GY7 0A型HMSHT SH MG5 0Fo r

17、tatil4TFo rtafilSTFortafil6TFibe r alloy30 0Mod mo rlModmo rZT ho rnel5 0T ho r nel75T hornel3 00:00 940。0 910.08 70.09 900970.1 230.11 90.3 000.70 00.3800.1通3阿芙柯,C材C.阿芙柯,C对C“阿芙柯,CMC.CMCCMC阿芙柯阿芙柯柑锅钢西屋西屋小泰科,A.D.:):0.0710.06 50.0 680.6 2 00.0 61006 10.0 6 50.0 6 900650.0720.0 630.0 6 000 660.06 6塞兰尼斯赫

18、尔克里斯赫尔克里斯赫尔克里斯海特科大湖大湖大湖蒙圣托惠特克/拉姆科惠特克/拉姆科联合碳化物公司联合碳化物公司联合碳化物公司先进复合材料设计指南.y ol.4.材料第三版(19 7a):D.W.Pe tr as ek.难熔金属丝的高温强度及其用于复合材料的考虑,N A S ATND一6 5 51(1,72):J.S.Hag gerty.用浮动段纤维拉丝工艺来生产纤维N A S AC R1 209 48(19 72).a复合材料公司.现在用于 金属基复合材料的标准纤维直径是5.6密耳的,它已取代了直径4密耳的。最近,具有优异横向强度、成本被低的8密耳直 径的 纤维已经用在铝基复合材料中,大直径纤维

19、减少了给定元件的纤维层数,因而减少 了元件加工量,但是,对 于薄的截面、或是对那些为满足多轴向应力要求、容许设计有较大灵活性的多 层结构的过渡点来说,直径较大则可能成为缺点,自然,将大、小两种直径纤维结合使用则可 同时体现两者的优点。2.石墨从许多具 有不 同性能的多纤维纱或纤维束可以得到小直径石 墨或碳纤维。纤维是通过一种有机原 丝的热解生产出来的。其形式、类型和性能变化如表1中所示。大量 的石墨复纤维纱和纤维束正用在树脂基复合材料中。含有石 墨纤维复合材料的体育设备的需要量使此种纤维的消耗大大地增加,金属基复合材料,主要是铝和镁,使用了有限的石 墨纤维。正在继续研究提高石 墨纤维的强度和模

20、量,但是,研制工作的推动力比较主要的是为着降低成本和提高生产率,而 不是为着提高其特殊性能。将大直径石 墨单丝用在金属基复合材料中的研究工作取得了有限的成功。对 于大直径石墨纤 维也允许使 用已经 为其 它纤维如硼 和碳化 硅研究出的复合材料加工技术。已经 研究了三种基本方法来试图制取大直径石 墨纤维单丝:方法 之一是在用于制作小直径多纤维石 墨的基础上对一种有机母体进行热解,但是要用大直径有机纤维作原 丝来代替小直径的。方法之二是在热基底上 进行化学汽相沉积,除了使用的是石 墨基底 之外,该方法与用于硼的相类似。方法之三是将树脂浸渍到小直径石 墨多纤维束中,接着将浸渍的树脂进行热解,从而形成

21、石墨纤 维单丝增强的石 墨基体。已用化学汽相沉 积法生产出直径为3.5到6密耳的连续长丝,但是为减少这一实验纤维的分散度,提高平均强度和降低成本还必须作补充研究。已经完成了一种铝基复合材料的探索性的加工。3.碳化硅市场上 可以买到的直径为4到5.6密耳的碳化硅纤维连续长 丝是用化学汽相沉积方法制得的,其性能示于表1。这种纤 维与硼相比有较好的高温性能,这是 因为其固有强度较高,并降低了与金属基材料如钦的 反应。带碳化硅涂层的硼 纤维,正投入商品生产,也是用来减少基体/纤维的反应。现在,每周能得到3一5磅碳化硅纤维的商品生产能力,似乎已满足实验所需,但是要提供涡轮叶片使用,就需要增加工 厂设备能

22、力。4.金属丝金属丝与材料的整体形式相比在模量上没有优点,但是复合材料可用高熔点金属丝材料来增强,与基体相比较,其拉伸强度较高,蠕变强度也 有改进。例如铝中的不锈钢丝或超级合金中的钨丝能显著地提高基体的蠕变性能,金属 丝通常就是用商品金属丝拉制工 艺来生产。研究工作重点集中在用 强度较大的金属生产金属 丝的办法,来制取高强度金属 丝和改进金属丝拉制工 艺。5.肉瓷纤维连续的单晶氧化铝纤维是从液相生 长 出的,其拉伸强度值与晶须的平均值相接近。从容器 中熔质生长起来的并由容器边缘限定的薄膜所生成的单晶氧化铝纤维多年来已有商品供应,并且已用在复合材料研究工作中。生长单晶陶瓷纤维的另一种方法是使用浮

23、动带的方法,即用一聚 焦的激光束来熔化陶瓷送料棒的端头,将同样陶瓷的单晶种棒细心地插入送料棒端头的熔滴中,并以一定的速率抽取单晶。既然不需要柑锅,激光可以熔融任何一种感兴趣的陶瓷,因而 可以对多 种有希望的纤维复合材进行研究。在纤维能被用 于大多数金属基复合材料之前,必须先降低加工成本。复合材料根据实验室数据,某些金属基复合材料已表 明其性 能要优于整体金属,但是,已经做了详细研究、它们的特点足 可供构件设计应用 的材料系统则为数甚少。硼/铝已经用来加工成结构用的示范性构件和气体涡轮发动机,此外国家航宇局航天飞机 的部 分结构也使 用了B/A I一58一管。1.翎铝大部分数据是由B/Al复合材

24、料获得的,已同时就航空器结构和发动机应用进行了特性设计分析、元件加工方法改进、研制性构件的生产并且做了 评价工作。加工的元件表明,减轻的重量和特性的改进都超过 了原来的整体部件。B/Al或带有碳化硅涂层的B/Al复合材料,在规定的合金、纤维含量和 尺寸范围内已能得到商品产品。板或带是复合材料的最普通的初级形式。图2是三种普通加工方法的简图。用做大多数单层复合材料的生产方法是滚轧金属箔或等离子喷涂的基体的扩散粘接。作为一种高生产率、低成本的加工方法,单层带的连续滚动粘接是有潜力 的。B/Al试样的典型性能示 于 表2。可以看出,某些性能数值有所提高是用 直径 为5.6密耳的纤维、而不 是用4密耳

25、的。8密耳硼纤维复合材料的有限数据表 明在性能上有进一步提高。既 然大直径纤维 能降低成本,并能减少元件加工费用,所以它被选来代替许多金属基复合材料中的4密耳纤维。现在5.6密耳的硼纤维使用得最为广泛。使用全复合材料结构和有选择的增强,已经用硼/铝加工出涡轮发动机风扇叶片和航空器结构部件。正如本报告下文中所指出,总的结果令人鼓舞。重量节省已达到传统结构的3 0一4 0呱,结构元件的性能或是相当或是较高。发动机叶片还证实,在减轻重量的 同时还提高了拉伸强度和刚度,但复合材料风扇叶片抗外来物破坏的性能比所要求的有所降低。在满足许多外来物破坏要求的同时,用类似鸭子一类较大的鸟进行试验,结果使叶片翼面

26、产生相当大的破坏。目前的研究表明,有希望的是,冲击强度可以提高到满足或是超过甚至是最苛刻的发动机 的要求。这 一乐观的估计主要是根据摆锤式冲击试验值的一个数量级的改进,但与抗外来物破坏性能的关系尚未得到证实。航空器结构部件在技术上 是成功的,但是,影响包括硼/铝在内的复合材料应用的下一步的利害关系,将 是 与目前钦叶片或铝结构部件相比较所能获得的采购成本(见第八章)。l石奋于,拼犷潺户00(,0 000 00侧J印碑书压针甲徽绪妞程嗽幼绪合图2三种初加工方法简图一5 9一2.硼/铁和谈化硅/铁已经研究 了钦基复合材料,它们在飞机发动 机和构架中有许多可能有的应用。钦基复合材料最适应的使用条件是

27、高温和高剪切负荷。通过 和铝基复合材料所用 的方 法相类似 的(图2)固体扩散粘接工艺,把硼、碳化硅喷涂的硼以及碳化硅纤维加工成钦的单层或多层复合材料。钦复合材料不用液相粘接,因为 在纤维/基体界面容易与之发生 反应。使用碳化硅或带有碳化硅涂层 的硼纤 维就能减少加工或长期高温暴露使用过程 中的基体/纤维界 面反应。使用非常短的扩散粘接时 间就能使反 应保持最小,已经获得 了性能 良好的复合材料。表2硼铝的典型性能“纵向压缩强度(千磅/时2)室温5 0 0F纵向压 缩强度(千磅/时“)室温纵向弹性模量横向拉伸强度(千磅/时,)室温横向压 缩强度(兆磅/时之)室温室士2)温(千磅/时横向弹性模量

28、(兆磅/时2)室温计算密度磅/时,B/A1 6 0 61,体积百分含量5 01 612 151602 150.0 96B/Ai 6 o 6 i,体积百分含量504密耳纤维1155.6密耳纤维单向纤维层125单向纤维 层15 01”6 2 31531,2211 05120B/Al20 2 4体积百分含量5 05.6密耳纤维单向纤维层0.0 94注:数据来自先进复合材 料设计指南,帕1.4,第三版,1973.a.说明的是单向性能,实际应用往往需要交叉层,以便获得足够的横向性能,同时减少沿主轴方向上的性能.b、其结果与所用试验方法很敏感.表3硼/钦 和碳化硅/钦的典型性能密度材料系统试验温度。F拉伸

29、强度(千磅/时2)弹性模量(兆磅/时2)磅l时”纵向横向纵向横 向剪切强度千磅/时”B/Ti3A I一2.SSn体积百分含量5 0单向的4密耳硼带碳化硅涂层的B/T16Al一4V体积百分含量5 04密耳单轴向B/5ieS:e/Ti6AI一4V体积百分含量5 04密耳Sie单轴向0.1 2 8室温1800.13 0室温1 90100 00.1 4 2室温12017 5100 0150注:数据取自参考文 献2、3、6、7、23、24、2 7、单 向性能表明,实际应用通常要求使用交叉层.以便保证在沿主轴 向性能降低的情况下有足够的横向性能。它 们 的典型性能如表3所示。对于一种纤维体积含量为5 0肠

30、的复合材料,己获得的室温一60一纵向拉伸强度值约为1 8万 磅/时2,纵向弹性模量值约为3 4 0 0万磅/时,。钦的横向强度就某些应用来说,可能不 必使用交叉层纤维。碳化硅/钦在空气环境中长期使用的温度上限受到基体填隙粘着的限制。早 在初期阶段,为克服这 一缺陷,使用涂层尽 量减少对 间隙的暴露所进行的研究,或使用延性的、低合金含量的基体合金,使有 可能使钦基复合材料 在12 0 0c F下作长期使用,在14 0 0下下作短期使用。这些温度大约为熔点的一半,相应的水平与结构强度是一致的。钦基复合材料不如铝基复合材料那样高度发展,外加的实验室特性数据、模拟使用实验和结构部件加工技术的改进就决定

31、了它们的使用范围。3.侣/石墨和 镁/石墨石 墨/铝复合材料系统有着明显的潜力,因为它的密度低、比模量 和比强度高。在铝 中加入高强度、高刚度、轻重量的石 墨纤维就使得原来就已是有用的工程材料在用于飞机、导弹和武器装备中更加引人注 目。铝的低成本 和计划中的石 墨纤维成本的下跌将进 一步增大该系统的潜力。由陆军材料和力学研究中心(AM MRC)赞助的最近的研究,促进了用商品石 墨纱制取石 墨/铝丝 的连续液态金属渗透工艺的发展。根 据单一 的计划和有限数据获得的研究与发展成果摘录于表4。在纤维和铝合金基体之间以及热压的金属丝之 间的接合非常之好。复合的金属丝和用这种金属丝制得的热压型材有着与混

32、合规则值相近似的纵 向拉 伸强度与弹性模量。对未增强的A1 3合金的强度和模量的改进如图3所示。石墨/铝的明显的强度保持和 比强度与铁、钦及铝合金进行的比较示于图4。通过把铝热压到石 墨/镁的箔上也制得了石 墨/铝复合材料。因而石墨/镁的使用为加工石墨/铝复合材料提供了又一种方法,并且有能力制造出其他复合材料系统,如石 墨/钦和石墨/披。钦和 被板也被成功地层压到石墨/铝中而形成两种新的复合材料系统。为 了实行对各向异性的控制和 发展压制形式,当前的工艺基 础正 向多层 和多向层 叠领域发展。表4石墨/铝复合 材料研究与发展成果用于商品石墨纱的连续液态金属渗透工艺的发展连续的石墨/铝丝和带的生

33、产石墨/铝复合材 料型材和板材的加工石墨/钦一铝复合材料层压板的加工用石墨/镁母体箔来研制石墨/铝复合材料复合材料金属丝的拉伸强度与弹性模量.型材达到了混合物规则值金属丝和型材的性能再现如。下最大限度的强度保持4 0。下的比强度高于钦合金7 8拓较高 的比强度和模量这一复合材料系统的潜在应用有导弹、飞机 和 武器装备,特别是下 列元部件的低成本生产:(a)导弹部件加 强肋、陀螺仪常平架、导航和操纵面、发动机壳体、压力容器;(b)直升飞机部件翼梁、蒙皮、轴、横梁、加强的变速箱壳体;和(c)武器装备迫击炮、火箭发射管。这一材料系统的进一步的研究与发展包括生产石 墨/铝丝、带的自动化的低成本加工方法

34、、石墨/铝丝、带的试验、石墨/铝横向拉伸强度的改进以及石 墨/铝结构的加工和 测试;其中包括用于飞机 和导弹结构的圆柱体形式,以及改进 的Gr/T i一A l和Gr/Be一Al夹层材料的研制。在探索用沥青制得 的低成本的石 墨 纤维垫的最新发展方面也作出 了重大的努力 式此种材料的拉伸强度 为2 0万磅/时,、弹性模量为 3 0 x1 0“磅/时,现价为8美元/磅),这样就为生产低成本、高强度、高刚度、轻重量的、可用这种纤维任意增强的石 墨/铝挤压件,开辟了一条新的途径。其潜在的应用还包括用于自动飞行器的低成本挤压件。(,0.、.次、t龚禅甘功功,刁,刁I J J J J;l t l 1 J

35、1.祖甘拍.叼呜八冲净口户户卢认叭:卜脚,产州l t 心、沪习咬二户弓补户心盆nU卜七廿r 尸仁r r 卜卜r 卜卜L fS月飞,j J沮j J J J J J llJJ工l 唯.I l 门门.l 明JlJJ 叮八人李丫云侧怒解图3口笼f。,幻,石墨纤 维 增强材料对铝A13的影响有厉里(以,亏谓阅吕之乞)图4比强度与温度关系石 墨/镁复合材料的加工通过在熔融的镁中拉拔碳纤维束也取得了成功。所得到的复合材料性能优异,拉伸强度接近 混合律数值,弹性模量则有所超过。纤维容积百分数为4 0%时,拉伸强度约为9 340 0磅/时2,测得的弹性模量 为2 7义10 6磅/时公,断开的纤 维束的断面在显微

36、镜下观察分析表明有优异的湿润性、渗透性和粘接性,分离的纤 维可略而不计。宽约为1邝时的扁材的G/Mg已经从熔融状态的镁中拉拔成功。这种复合材料特别受人注意,因为它强化了直升飞机的镁的变速箱壳体,从而能够减少一62一齿轮的磨损和飞机在停飞期间的代价。对于 需要很高的比刚度 的应用,如航天飞行器结构、空间天线、导弹结构、和导弹陀螺仪常平架,这种材料也是受人注意的。对此系 统陆军下 一步的工作将是获得有关材料性能 的广泛的数据基础,并探索上述的应用。在材料可能考虑被用 于飞机之前,必须弄清石墨/铝和石墨/镁的可能有的腐蚀行为。必要时,可以使用铝覆盖层作防护。4.钗/铁被增强钦复合材料正投入生产,它是

37、 通 过将粉末形式(微纤 维)或锻造形式(粗纤维)的Be和T i的组份经过挤压获得的。这两种类型材料的性能非常相似,可就一处讨论。在所生产的这些复合材料中,被的容积百分数范围为1 0一6 0肠或稍大。通 过挤压成型工 艺,已经可以获得的初步型材有:角材、管材、T型材、Z型材及帽形截面、(即品形截面,或叫兑型材)。可以使钦的外表面 不含被以避免被的损失,同时排除来自石墨 的腐蚀。表5中所列双金属挤 压材料及其性能是来 自两家厂商的现成的商品。表5铁/钦 挤压材料的性能挤压功率向Ti 6A I一4Vb中挤压进Be平均.最低最容积百分数拓极限拉伸强度:室温600OF8 0 0OF拉伸弹性模量挠曲延伸

38、率书密度磅/时3“V”形切口摆锤式冲击试验冲击强度叹一磅3813 62 44.1:28.01 10.0室温纵向9 2.04 0 0OF纵 向9 0.0600“F纵向7 3.。室温 横向25.。室温 纵向19.0600F纵向0.1 34到l州e s|叫川月05,目,尸a11J华a,翻nC1二.1111101 2 3注:另一个资料报道,容积百分含量为4 0的Be/T i复合材料的屈服强度变化范围为6 1一9 3千磅/时2.极限拉伸强度为13 8千磅/时2,延 伸率为4.2劣,模量为23。万。一种挤压的粉末复合材料的摆锤式冲击试验值为7.5叹一磅。数据来 自Br ush一Wenma n,根据33 7

39、单根试验梁测定的性能二预期的工艺方法有新改进,以使减少大大地低于平均值的数据点的数目。b.数据来 自St us:ud,R.W.,等,“被增强的金属基复合材料研究纲要,”E D R75 81,终结报告,N。一1 9一7 1-C一0 3 24,通用电机公司底特律内燃机阿里森分部19 72年8月5.超 级合金为基的复合材杆超级合金为基的复合材料主要应用于气体涡轮叶片。通过提高涡轮叶片的材料工作温度 和应力,从而减少了冷却空气的要求,这样就可能使性能有显著改 进,并在生产成本上 得到好处。从超级合金研制中获得的提高温度的能力是有限的,因而已选择了几种复合材料作为 下 一代的涡轮叶片材料进行研制。正 在

40、 加紧研究定 向固结复合材料(D SC)以提高其高温强度。国家材料咨询局委员会在有关定向固结方 面最近发 表 了一个报告NMA B一3 01,该报告扼要地叙述了这些材料的现状,并且预言,这种定向固结复合材料的温度能力的提高只少要比最好的传统的镍基和钻基超级合金高出10 0a F(4 0)。该委员会还得出结论,有关合金系统、氧化保护层、接头 和检验等的研究工作尚嫌不足。已说明其特性超出筛选数据阶段的材料系统有N i,N i3A I一N i3Nb Ni:A l一Ni3Nb,NICoCr 一TaC,NITaC一13,和CoNICrAI一Cr:C。为满足高温应用,还研究了难熔金属纤维增强的超级合金,使

41、用固态扩散粘接和液相渗一6 3一透技术来生产复合材料试样。使用 与生产钦基复合材料相 类似的工 艺和设备来生产单层带。已获得 的实验室试验数据 表明其优异的拉伸和应力一断裂强度值,钨纤维/超级合金复合材料密度规格化100 0小时后,在ZO000 F(1090)下 的 应力一断裂值是 常用 的超级合金值的4倍,是已发表 的定向固结共晶体最佳值的两倍。难 熔金 属纤维/超级合金复合材料在强度方面有可能 进一步获得好处。这 些资料意味着,难熔金 属丝/超级合金复合材料用做涡轮叶片、在2 20 0o F(12 0 0)下有相 当大的潜力,但是尚需 要更 多的实验室 和模拟使用 试验数据,以便更充分地说

42、明材料特性,并对其作出评价。为了证实用作叶片的潜力,尤其需要抗氧化和耐热疲劳数据。难熔金 属纤维/超级合金是被当作一种能提高工作温度的材料来考虑的。氧化物或陶瓷纤维增强合金是正 在研究作高温应用 的第三种复合材料。当前的研究活动在于产生当有 限 问题 得到解决后、为进 一步发展所 需要的数据。单晶一铝一氧化物超级合金表现 出了低强度值,这是由于纤维受到基体合金元素 的化学浸蚀。此外由纤维和 基体之间热膨胀的失配而产生的热感应应力,在 复合材料加工过程中将使纤 维产生断裂。陶瓷一纤 维一增强超级合金的目前研究计划在于纤维和基体的反应及热膨胀的失配 间题。在着 手 一系列研究活动之前,还需要数据来

43、说明其抗外来物破坏 的潜力。为适应研究工作需要,目前用于这种复合材料的单晶纤维正 进行商品生产。生产速度是低的,因而纤维成本高。复合材料性能 的适.宜的应用尚有待说明,因而,此种复合材料必然被考虑作远期的未来使用。小 结已经研制出一大类纤维;其性能适用于金属 基复合材料,已有的石 墨、硼、碳化硅、难熔金属丝 和氧化铝纤维在数量上已能适应使用和 当前研究活动的需要。对 相当数量的金属基复合材料进行了加工、试验,已经表明,其优异 的性能 可与单体金 属相竞争。对它们中大部分的研究工作,除验证和筛选 阶段之外,还没有达到足够的深度,对硼/铝的研究较之对其它任何金属基复合材料的研究要较为广泛,已加工出

44、发动机和飞行器结 构 试验件,并做了试验。在最近的将来,钦基和定向固 结复合材料可能达到使用阶段,在这些复合材料的应用方面似乎不存在什么技术问题。四、加工目前,已有多种方法能 用来加工大多数形式的金属基复合材料。主要研究重点在于用硼、具有碳化硅涂层的硼、以及石 墨增强的铝基系统。也考虑了用 硼、或有碳化硅涂层 的硼增强的钦基系统,对有关它们的加工情况将分别讨论,因为它们的加工过程与硼或石 墨增强的金属有着明显的区别。目前正在采用 的四种基本的主要的加工工艺是:1.高压方案(压力超过1 5 0 0磅/时,)2.低压方案(压力在 1 00一150 0磅/时2之间)3.钎焊方案(根据熔融的金属 流的

45、情况,压力在1一3D 0磅/时,之间。)4.粉末 冶金/烧结工艺(即象用于 被/钦的 一样)。翻或石墨在铝、钦或镁中的加工“当前,生产扩散粘接硼或有碳化硅涂层 的硼/铝的现有设备的总生产 能力大约为4万磅/年,它要比实际产量多得多。钦基复合材料的生产能力约为l万磅/年,等离子喷涂铝基复合材料的总的生产能力超过 了3万磅/年,对于含有石墨及硼型增强剂的铝或镁基的熔融渗一64一透工艺 正处在研究阶段。对 于石 墨/铝复合材料体系,把熔融渗透的铝/石墨 原体杆变成板材或型材的生产能力目前为几千磅/年。对 两种产品 的生产过程作了计划。航天飞机中部机身段将 使用 硼/铝管的构架,以代替深剪切腹板。在最

46、近 的三、四年里,这一应用就需要儿千磅的单层布。第二个生产应用是用双层单轴向硼/铝板来增强网球拍,作这一应用的确切 用量还不知道。发 展 中的 涡轮叶片和风扇叶片也生产了好几 百个不 同结构的部件,但是还没有一 种发展到生产状态。可以用种种办法将金属基复合材料有效地应用干真实结构。例如,可以买到多层复合材料平板,对它进行热成形,或购买单层带,按尺寸切割,放在夹具上进行钎焊、低共熔体粘接、或扩散粘接成成品件。还有“未成熟”的带*可以切割到所要求尺寸和形状、进行层叠、抽空排气以除去短效粘接剂,和进行扩散粘接。所使用的工艺方法的选择取决于成品件所要求的尺寸和形状、生产率、负荷、工厂在加工各种辅助工艺

47、设备的部件方面 的有效利用率,以及经济性。使用高压扩散粘接、继 而进行高温或低温成型、点焊或机、械固定,已成功地 加工 出 了高性能和高效率的硼/铝结构。还有用扩散焊、或是用等离子喷涂的单层带开头的结构件,通过低压、高温钎焊工艺使之 固结成结构成 品件。至今,钎焊的大多数成功的应 用是用在底 层作粘接的辅助工艺。处理钦基复合材料的方法基本上 和铝基复合材料相同,但是需要典型的高温和/或高压。对于石墨/铝复合材料体系,主要加工步骤(包括石墨纤维丝,予先已用铝作熔融渗透。)能生产出简单的平板、薄板或棒材,或通过封闭模固结能产生简单的型材或直接生产部件。目前正在继续进行的两个基本 的扩散一粘接方案是

48、(1)使用高压 和中等温度的固态粘接,(2)较低压 力下的高温液相粘接。目前正在评定多种混合增强材料和各种基体合金。石墨/铝复合材料的基本成型、钎接、粘接和焊接基本上与被/铝相同,因而,只要纤维不被破坏,就可完成石 墨增强复合材料的切割、钻孔、冲压 和其它加工工序,其加工方式和其基体材料本身的相同(即与被/铝 不一样,石 墨/铝不需要涂有金刚砂的工具。),这就说明金属基复合材料系统的加工比树脂基 系统要优越金属加工工艺、设备和装备有着一定的适用范围。例如,钻孔(或对厚度小于0.1时的材料冲孔)和 滚压成型,形成简单的曲面,也能直接应用到金属基复合材料上。在能使用复合材料板的地方,例如某些飞机结

49、构中仅需简单粘接和 切割成型的大构件,就特别能获得这种优越性。如果产品(如战斗机)要求的是曲率复杂的小构件,那么与聚合物复合材料或单体结构材料相比,金属基复合材料所能提供的优越性是很小 的。经济冲击可能超出工具成本的直接节省范围。因为今天 的飞机工厂都有很大的金属加工车间,如果将金属基复合材料投入生产使用,几乎无需增加新的设备。但是,如果选择树脂基复合材料,很多飞机部件将要求在新的设备和训练计划上给以投资。在发动机部件生产方面,要求在复合材料零件的生产原理上有较重大的变更。并且要求广泛的和价值昂贵的设备和长的研制周期。为了和当前飞机气体涡轮发动机构件如风扇叶片在成本上有竞争能力,部件的生产就不

50、得不从 昂贵的、费时间 的手工操作转向自动化。正象在第孤章中将要讨论到的,已经确定了对于叶片批生产所需要的工艺和设备,在某些情况下已经做了试验。在已经 达到生产状态时,如果不对数控机床、激光层片切割、自动层片铺叠、中“未成熟”带材纤维是用短效树脂或火焰喷涂金属固定在箔基体上。一65一以及为生产在经济上有竞争能 力 的部件的其他工艺的设计与研究注入先进 的设 想,这个时 刻就要推迟。尽管这 些工艺不是一场革命,但如果要对它们作全面研究以供实际生产使用,就要花费 时间 和金钱。最近 对F一10 0“翼梁一壳式”发动 机 出口导 向叶片所做的生产分析表明,用短周 期、高压扩散粘接的方法加 工的硼/铝