简介概要

连续SiC纤维增强钛基复合材料横向强度分析

来源期刊：稀有金属2013年第3期

论文作者：赵冰姜波高志勇侯红亮廖金华曲海涛

文章页码：372 - 377

关键词：钛基复合材料;箔-纤维-箔方法;界面脱粘强度;横向拉伸强度;

摘要：连续SiC纤维增强钛基复合材料（SiCf/Ti）具有良好的综合性能,但其横向性能低于钛合金基体,为了准确地预测SiCf/Ti复合材料的横向强度,提出一种基于界面脱粘强度的计算模型。采用SiCf/Ti复合材料十字拉伸试件来测试复合材料的纤维/基体界面脱粘强度,并分析了热处理工艺对界面脱粘强度影响规律,以及不同纤维之间界面脱粘强度的差别。复合材料横向拉伸试件采用箔-纤维-箔方法制备,每个试件的纤维层数为10层,纤维百分数为30%左右。在不同温度条件下测试复合材料的横向拉伸强度,拉伸温度分别为室温、300,400,550℃,通过对比实验结果和模型预测结果,模型预测的结果与实验结果的误差不超过5%。

稀有金属 2013,37(03),372-377

连续SiC纤维增强钛基复合材料横向强度分析

赵冰姜波高志勇侯红亮廖金华曲海涛

中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所

空军驻华北地区军事代表室

北京科技大学材料学院

摘要：

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)具有良好的综合性能,但其横向性能低于钛合金基体,为了准确地预测SiCf/Ti复合材料的横向强度,提出一种基于界面脱粘强度的计算模型。采用SiCf/Ti复合材料十字拉伸试件来测试复合材料的纤维/基体界面脱粘强度,并分析了热处理工艺对界面脱粘强度影响规律,以及不同纤维之间界面脱粘强度的差别。复合材料横向拉伸试件采用箔-纤维-箔方法制备,每个试件的纤维层数为10层,纤维百分数为30%左右。在不同温度条件下测试复合材料的横向拉伸强度,拉伸温度分别为室温、300,400,550℃,通过对比实验结果和模型预测结果,模型预测的结果与实验结果的误差不超过5%。

关键词：

钛基复合材料;箔-纤维-箔方法;界面脱粘强度;横向拉伸强度;

中图分类号： TB331

作者简介：赵冰(1975-),男,山东平原人,博士,高级工程师;研究方向:金属和金属基复合材料制备与成形 (E-mail:zhao6833@163.com);

收稿日期：2012-10-10

基金：中国航空工业集团公司航空基金(HKJB008414);

Transverse Strength Analysis of Continuous SiC Fiber Reinforced Titanium Matrix Composites

Abstract：

Continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composites(SiCf/Ti) had an excellent comprehensive performance,but the transverse performance was lower than that of the titanium alloy matrix because of the weakness of fiber/matrix interface.In order to accurately predict the transverse strength of SiCf/Ti composite,a new calculation model based on fiber/matrix interface was proposed.Cross tension specimens were used to obtain the fiber/ matrix interfacial debonding strength of SiCf/Ti composite,the influence of heat treatment and fiber type on the fiber/ matrix interfacial bonding strength were analyzed.The transverse tensile specimens were fabricated by foil-fiber-foil method,each test piece specimen comprised 10 layers fiber,the volume fraction of fiber was 30%,the tensile testings were carried out at 300,400,550 ℃.By comparing the test results and the predicted results,the model predictions with the experimental results of error did not exceed 5%.

Keyword：

titanium matrix composites;foil-fiber-foil method;interfacial debonding strength;transverse strength;

Received： 2012-10-10

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti)具有优良的综合性能, 是下一代高推重比航空发动机(>12)必选的结构材料, 采用SiC_f/Ti复合材料可以用来制造发动机的叶片、涡轮轴、整体叶环, 其中SiC_f/Ti复合材料整体叶环结构与传统的盘式结构相比较, 最高可以减重75%, 大大地提升了发动机的整机性能, 为发动机设计和制造带来全新的概念。但是, 由于纤维/基体界面结合一般要弱于基体强度, 使得复合材料的横向性能远低于沿纤维方向的纵向性能 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} 。纤维/基体界面的化学组成和微观结构对界面脱粘强度有很重要的影响 ^[9] 。针对SiC_f/Ti复合材料横向性能的研究较多 ^{[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]} , 横向性能的计算模型也较多 ^{[15,16,17,18,19]} 。 Reji John ^[20] 提出了一种模型可以计算SiC_f/Ti复合材料的横向蠕变失效寿命, 但是在该模型中没有考虑界面脱粘强度对横向蠕变性能的影响。在本文中, 提出了一种新的模型来计算SiC_f/Ti复合材料横向拉伸强度, 在模型中引入了界面脱粘强度。该模型具有计算简洁、准确的特点。

1 实验

1.1 材料与试样制备

试验中采用的纤维增强体有两种, 一种是国产的W芯SiC纤维, 直径为100 μm左右, 碳涂层厚度约为1 μm左右, 另一种是进口的C芯SCS-6纤维, 直径为140 μm, 碳涂层厚度约为3 μm。图1是SiC纤维的横截面图片。采用的基体材料是Ti6Al4V箔材, 厚度为0.1 mm, 图2是其原始组织图片, 由图可知, 箔材的原始组织主要是等轴的α和β相。

1.2 实验方法

在本文中, SiC_f/Ti6Al4V复合材料采用箔-纤维-箔方法(FFF)制备, FFF方法是一种常用的钛基复合材料制备工艺, 具有很多优点, 例如: 制造成本相对较低, 生产效率高、适合制备面板类、轴类、空心类零件, 但也存在一些不足, 例如: 纤维百分数相对较低、纤维均匀性差, 直接影响了复合材料的性能。为了克服这些不足, 提高复合材料中纤维排布的均匀性和百分数, 对FFF方法进行了改进。如图3所示, 在箔材表面蚀刻出凹槽, 然后将纤维排布在凹槽中, 再采用临时粘接剂固定, 叠层后去除粘接剂, 进行热压或者热等静压, 从而制备出复合材料的面板, 复合工艺参数为: 920 ℃/100 MPa/1 h。在热压或热等静压复合过程中, 凹槽起到固定纤维的作用, 使纤维不易游动, 复合后的纤维均匀性较好, 而蚀刻出的凹槽也降低了基体百分数, 提高了复合材料的纤维百分数, 有利于提高力学性能。

图3 箔材刻槽法工艺Fig.3 Principle of foil groove method

(a)TMC of pre-fabrication;(b)TMC of post-fabrication

界面脱粘强度(σ_t)直接影响SiC_f/Ti6Al4V复合材料横向力学性能, 是重要的界面力学性能参数, 界面脱粘强度一般采用十字拉伸试件测定, 图4是十字拉伸试件的外形尺寸。

十字拉伸试件和横向拉伸试件均在Instron试验机上进行试验。对拉伸后的十字拉伸试件和横向拉伸试件的断口分析, 观察断面特征, 分析复合材料的失效规律。

2 分析模型

由于SiC_f/Ti6Al4V复合材料的界面脱粘强度小于钛合金基体的强度, 因此, 复合材料的横向力学性能是其薄弱环节, 在进行结构设计时应充分考虑。选取如图5所示的单元体进行计算, 假设复合材料中的纤维排布是矩形排布方式, 则复合材料的横向极限拉伸强度可按下式计算:

图4 十字拉伸试件尺寸Fig.4 Dimension of cruciform specimen

$\bar{σ}_{Τ} = σ_{Τ} \frac{10 D_{f}}{δ} + σ_{m} (1 - \frac{10 D_{f}}{δ}) (1)$

其中 $\bar{σ}_{Τ}$ 为复合材料的极限拉伸强度, σ_t为界面脱粘强度, σ_m为钛合金基体的极限拉伸强度 (1020 MPa), D_f为纤维直径, δ为试件厚度。

3 结果与讨论

3.1 界面脱粘强度及十字拉伸试件断口分析

根据十字拉伸试件的测试结果, 通过下式计算界面脱粘强度:

σ_t=k_tσ_a+q₀ (2)

其中σ_t为界面承受的最大拉伸应力, σ_a为外加的拉伸应力, k_t为应力集中系数, 大约为1.2～1.3,这里取为1.3, q₀为纤维的夹持力, 因为是压应力, 一般取负值, 这里取为300 MPa。

图5 横向拉伸的单元体

Fig.5 Unit-cell model

对原始数据进行处理, 获得含SCS-6纤维和国产纤维复合材料, 经过不同时间的热处理后的界面脱粘强度, 如表1。

表1 含两种纤维的复合材料的界面脱粘强度(MPa)

Table 1Interface debonding strength of two fiber reinforced titanium matrix composite(MPa)

Hot treated time	0 h	4 h	9 h	25 h
SCS-6 fiber	68.55	34.75	75.05	100.4
Domestic fiber	169.0	156.0	114.7	153.7

由表1可知, 国产纤维增强复合材料的界面脱粘强度大于SCS-6纤维, 随着热处理时间的延长, SCS-6/Ti6Al4V的界面脱粘强度总体呈上升趋势, 而国产纤维与基体的界面脱粘强度随着热处理时间的延长而下降。国产SiC纤维增强钛基复合材料的界面脱粘强度随热处理时间的延长变化不大, 最高达到了169 MPa, 远低于钛合金基体强度。图6是含国产SiC纤维十字拉伸试件的断口, 由图可知, 经过4h热处理后的断口, 还有纤维保留在断口的表面, 强的界面结合导致在拉伸时, 沿纤维内部发生断裂, 随着热处理时间的延长, 纤维/基体界面脱粘强度下降, 发生断裂时, 断口沿纤维和基体的界面分开。在图6(b)中可以看出, 在纤维剥离的断口位置还存在界面反应层, 这说明纤维与反应层的结合强度小于界面反应层与基体材料的结合强度。

3.2 横向拉伸强度

通过十字拉伸试件测定, 国产SiC_f/Ti6Al4V的制备态复合材料的界面脱粘强度为169 MPa。假设拉伸试件厚度为1.4 mm, 纤维层数为10层, 纤维排布方式是矩形排布, 测试温度为室温、 300、 400、 550 ℃。在未考虑热残余应力前提下, 图7给出了国产SiC_f/Ti6Al4V横向极限拉伸强度的计算结果和试验结果。试验测定的横向极限拉伸强度为412, 333, 320, 273 MPa, 实验值略低于计算值, 最大的偏差不超过3.5%, 这些偏差可能是由于未考虑热残余应力所造成。这说明采用该模型可以准确地预测复合材料的横向极限拉伸强度。

3.3 横向拉伸试件的组织和断口分析

图8是横向拉伸试件的横断面微观组织, 由图可知, 纤维/基体界面和基体/基体的扩散连接界面结合良好, 在界面上没有明显的缺陷。图9是纤维/基体界面区域的微观组织, 由图可知, 界面反应层厚度约为2 μm, 界面区域附近没有显著的微观缺陷。界面区域附近的基体组织的晶粒尺寸约为10～20 μm, 与原始组织相比, 晶粒长大不明显。

图10是横向拉伸试件的断口, 在室温时, 纤维发生了断裂, 而且断裂的纤维仍然保留在断裂表面上, 这说明纤维/基体界面未完全剥离。当温度为300 ℃时, 拉伸后, 纤维未发生断裂, 纤维与其界面反应层也未发生完全剥离, 在断口上还保留一部分界面反应层。当拉伸温度为400, 550 ℃时, 纤维/基体界面发生完全剥离。由此可见, 随着温度升高, 热残余应力得到松弛, 这使得纤维/基体界面更易于剥离。