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sicf/ti2alnb复合材料界面及力学性能研究

SiCf/Ti2AlNb复合材料界面及力学性能研究

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作者：韦泽麒广西大学

学位级别：硕士

连续SiC纤维增强ti基复合材料是新一代理想的高温结构材料,其比模量、比强度高,耐腐蚀和疲劳等性能突出,在航空发动机领域有着广阔的应用前景。tialnb合金是一种能在600℃～750℃范围内使用的O相合金,以tialnb合金为基体的SiC/tialnb复... 详细信息

连续SiC纤维增强ti基复合材料是新一代理想的高温结构材料,其比模量、比强度高,耐腐蚀和疲劳等性能突出,在航空发动机领域有着广阔的应用前景。tialnb合金是一种能在600℃～750℃范围内使用的O相合金,以tialnb合金为基体的SiC/tialnb复合材料,有望成为航空发动机的传动轴、整体叶环、风扇叶片等结构件的候选材料。本论文采用磁控溅射先驱丝法并结合热等静压工艺制备了SiC/tialnb复合材料,对其界面反应及热稳定性,室、高温拉伸性能,室、高温疲劳性能及其损伤机制进行了综合研究。主要研究结论如下:(1)SiC/tialnb复合材料在热等静压成型过程中,元素的互扩散在界面处形成了ti C反应层。在650℃、700℃、750℃和800℃分别进行25h、100h、200h、300h热暴露处理后,ti C反应层的厚度随着热暴露温度和时间的增加而增加,且由于元素扩散在界面层形成了ti Si、Nb Si相。SiC/tialnb复合材料的界面长大激活能为24.27k J/mol,表明在700℃及以下温度中界面能够保持持久的稳定性。(2)SiC/tialnb复合材料的室温、高温的拉伸性能优异,纤维发挥了良好的强化作用。室温拉伸时,基体优先产生裂纹,随着载荷的增加,基体中的裂纹长度和裂纹数量增加。随后,纤维和基体断裂形成断裂面,复合材料内部的损伤逐渐加剧,多个断面交汇导致复合材料瞬间断裂。室温拉伸断裂机制为:C涂层/反应层界面开裂、纤维一次断裂和纤维二次断裂、基体多次断裂、纤维拔出、纤维桥连。SiC/tialnb复合材料的高温拉伸断口形貌特征及断裂机制与室温时具有较大的区别,高温拉伸断裂机制为:反应层多次断裂、纤维多次断裂、纤维拔出、W芯“拔出”、纤维/基体界面脱粘、基体断裂。(3)SiC/tialnb复合材料的室温和高温疲劳寿命随着循环加载应力的增加而下降。复合材料的疲劳裂纹萌生位置主要包括包套表面裂纹萌生、纤维裂纹萌生、基体裂纹萌生、纤维和基体界面裂纹萌生。室温下,在循环加载应力σ≥1300MPa时,复合材料的疲劳失效由纤维断裂主导;在中等循环应力(1000～1200MPa)时,复合材料的失效由纤维断裂、基体断裂共同主导;在σ≤900MPa时复合材料的疲劳失效由纤维桥连机制主导。高温下,复合材料的疲劳失效机制主要是纤维累积损伤断裂。

关键词： sicf/ti2alnb复合材料界面拉伸疲劳断裂行为

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sicf/ti2alnb复合材料力学性能研究

SiCf/Ti2AlNb复合材料力学性能研究

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作者：郝鹏沈阳理工大学

学位级别：硕士

连续SiC纤维增强钛基复合材料沿着纤维轴向具有高比模量、高比强度,良好抗疲劳性能和耐腐蚀性能等,与传统钛合金相比,TMCs部件在航空领域应用前景广泛。tialnb合金是一种最高能在750℃长期使用的O相合金,以连续SiC纤维作为增强体,tiAlN... 详细信息

连续SiC纤维增强钛基复合材料沿着纤维轴向具有高比模量、高比强度,良好抗疲劳性能和耐腐蚀性能等,与传统钛合金相比,TMCs部件在航空领域应用前景广泛。tialnb合金是一种最高能在750℃长期使用的O相合金,以连续SiC纤维作为增强体,tialnb合金作为基体制备的复合材料有望成为在航空发动机的必选材料之一,应用到航空发动机的整体叶环、风扇叶片等结构。本论文采用磁控溅射先驱丝法和热等静压工艺制备SiC/tialnb复合材料,对SiC/tialnb复合材料的制备,纤维/基体界面元素分布,不同纤维体积分数的室、高温拉伸性能,不同试样标段直径尺寸室、高温拉伸性能,不同测试温度室、高温拉伸性能及三者对室、高温拉伸断裂机制的影响进行了综合研究。主要研究结论如下:(1)首先利用扫描电子显微镜、电子探针等仪器对SiC/tialnb复合材料的微观形貌和纤维与基体界面进行分析和表征。结果显示,SiC/tialnb复合材料热等静压后纤维呈六方均匀排布。SiC纤维与C层,C层与反应层结合紧密。SiC/tialnb复合材料中Si元素分布在SiC纤维,C层,反应层中;C元素分布在C层、SiC纤维和反应层中;ti元素分布在基体α相中;Nb元素主要集中于基体的B相中;Al元素分布富集于基体α相中。(2)SiC/tialnb复合材料的不同纤维体积分数室温、高温的拉伸性能优异,纤维发挥出其高强性能。室温拉伸时,反应层优先产生裂纹,继续增加载荷,反应层裂纹扩展进入基体,并在基体中进行一定扩展。随后,薄弱纤维断裂,断裂纤维和基体断裂形成断裂面。载荷再次增加,造成多个裂纹面交汇,随之导致复合材料断裂,形成宏观断口。室温拉伸断裂机制为:反应层断裂、C层/反应层界面脱粘、纤维一次断裂、纤维二次断裂、基体断裂、纤维桥连。SiC/tialnb复合材料的高温性能呈现一定下降,其断口形貌和断裂机制与室温存在差别,高温断裂机制包括:反应层多次断裂、纤维多次断裂、W芯“拔出”、纤维拔出、C层/反应层界面脱粘、基体断裂。(3)SiC/tialnb复合材料室、高温不同标段直径试样的抗拉性能分布均匀,室、高温性能变化幅度较小,说明试样直径尺寸对拉伸性能影响较小。SiC/tialnb复合材料室、高温不同标段直径断裂机制未发生太大变化,说明试样标段直径尺寸对断裂机制几乎不产生影响。(4)对SiC/tialnb复合材料在不同温度(室温、350℃、550℃和750℃)下进行性能测试,发现SiC/tialnb复合材料抗拉强度随温度升高而增加,但是在750℃时发生下降,弹性模量随温度升高呈逐渐下降趋势。(5)SiC/tialnb复合材料不同温度下断裂机制存在一定差异,随着温度逐渐升高,基体和包套脆性性能渐渐改变,由脆性断裂向韧性断裂转变,在室温时,基体发生脆性断裂,包套发生脆性(大部分)和韧性(局部区域)断裂;在350℃和550℃时发生基体和包套发生脆性+韧性的混合断裂模式;750℃时基体发生韧性断裂,包套也发生韧性断裂。

关键词： sicf/ti2alnb复合材料拉伸性能断裂机制界面

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