基于有限元模拟的SiCf/TC17复合材料HIP致密化和热残余应力研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xie_e
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
连续SiC纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料在高温环境下具有很高的比刚度、比强度以及良好的抗疲劳和抗蠕变性能,是适用于800℃以下使用的轻质高温材料,因此在航空航天领域得到了广泛的应用。基体涂覆纤维法是一种制备SiCf/Ti复合材料预制体的重要方法,首先是通过物理气相沉积法在SiC纤维表面沉积一层钛合金制备出先驱丝,然后将先驱丝堆垛排布或缠绕制备出SiCf/Ti复合材料预制体,最后通过热等静压(HIP)致密化成型。SiCf/Ti复合材料预制体的致密化过程主要是钛合金基体发生塑性流动、蠕变以及扩散等综合作用的结果,而致密化是否完全将严重影响SiCf/Ti复合材料的性能。当SiCf/Ti复合材料预制体完全致密化后,SiCf/Ti复合材料从制备温度降至室温时,由于钛合金基体与SiC纤维之间的膨胀系数差异较大,SiCf/Ti复合材料内部将产生热残余应力,而热残余应力对SiCf/Ti复合材料的力学性能有着非常重要影响。本文利用Abaqus有限元分析软件,根据先驱丝的长度远大于其直径及先驱丝排布的周期性和对称性的特点,选取了先驱丝四方排布和先驱丝六方排布代表性单元,并建立了SiCf/TC17复合材料预制体HIP的平面应变有限元模型,分别探讨了先驱丝排布方式、SiC纤维体积分数Vf、HIP升温速率和HIP升压速率对SiCf/TC17复合材料预制体致密化过程的影响。结果表明,SiCf/TC17复合材料预制体在HIP中的致密化过程呈现三个阶段的特征:第Ⅰ阶段为缓慢致密化阶段;第Ⅱ阶段为加速致密化阶段;第Ⅲ阶段为减速致密化阶段。在第Ⅰ阶段,先驱丝六方排布的相对密度D一直远大于先驱丝四方排布的D;在第Ⅱ阶段,先驱丝四方排布的平均相对密度增加率R明显大于先驱丝六方排布的R,以至于第Ⅲ阶段先驱丝六方排布的D和先驱丝四方排布的D趋于相同。因此,从SiCf/TC17复合材料预制体最终达到全致密的角度考虑,两种先驱丝排布的效果是基本相同的。增大Vf可使SiCf/TC17复合材料预制体在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段的D略有降低。提高HIP升温速率可较显著缩短SiCf/TC17复合材料预制体完全致密化的时间。增大HIP升压速率可适当增加SiCf/TC17复合材料预制体在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段的D。此外,本文还利用Abaqus有限元分析软件,根据SiC纤维的长度远大于其它方向以及纤维排布的周期性和对称性的特点,选取了纤维四方排布和纤维六方排布代表性单元,并建立了SiCf/TC17复合材料热残余应力的平面应变有限元模型,重点分析了纤维排布方式、SiC纤维体积分数Vf、界面反应层(Ti C)厚度对热残余应力的影响。结果表明,两种纤维排布方式下的界面最大径向热残余压应力差距不大,但纤维六方排布时基体中的最大环向热残余拉应力(483.086MPa)要小于纤维四方排布时基体中的最大环向热残余拉应力(597.716MPa),且纤维六方排布时的热残余应力分布比较均匀,因此纤维六方排布优于纤维四方排布。随着Vf的增加,SiCf/TC17复合材料中的最大径向热残余压应力和最大环向热残余压应力明显减小,而最大环向热残余拉应力明显增大。此外,当Vf小于35%,径向和环向热残余应力在i/m界面(界面反应层与TC17钛合金基体之间的界面)、f/i界面(SiC纤维与TC17钛合金基体之间的界面)处均能保持比较均匀的分布;当Vf大于或等于35%,随着Vf的增加,径向和环向热残余应力在i/m界面、f/i界面处都分布越来越不均,径向热残余应力在i/m界面、f/i界面处的θ=0°和θ=60°都达到最小值,环向热残余应力在i/m界面、f/i界面处的θ=0°和θ=60°都达到最大值。随着界面反应层厚度的增加,SiCf/TC17复合材料中的最大径向热残余压应力和最大环向热残余压应力略有增加,而最大环向热残余拉应力略有减小。除了i/m界面处的径向热残余压应力,热残余应力在i/m界面、f/i界面处都随界面反应厚度的增加而略有增加。
其他文献
室内场景布局估计指基于室内场景图像估计场景的整体空间结构,是室内导航、虚拟现实、增强现实等应用的关键技术之一。传统方法大多通过人工设计特征检测器来提取灭点、消失线,以此构造布局结构,算法通用性不强。目前的基于深度学习的布局估计方法通过深度神经网络提取图像的高级语义特征,直接预测室内布局结构。虽然深度学习方法在精度、鲁棒性上都有较大提升,但定位被严重遮挡的布局边界仍存在巨大挑战,而且现有的网络结构复
学位
本文以高压加热器常用的TP439不锈钢作为研究对象,研究了TP439不锈钢在不同高温水蒸气条件下的氧化行为以及高温水蒸气与应力耦合作用下的氧化和失效行为。通过改变氧化温度、应力加载方式、速率和大小等因素探明水蒸气与应力作用下的氧化动力学规律。通过场发射电子扫描显微镜观察试样在高温水蒸气中氧化后的显微结构。利用能谱仪及X射线衍射仪分析膜层的表面成分及相结构。采用SEM、3D显微镜、XPS及EDS分析
学位
FCC结构高熵合金由于强度低和耐磨性差在结构材料上的应用受到限制,利用金属间化合物强化设计的多相HEAs可获得优异的综合性能,但含金属间化合物的多相HEAs设计的复杂性和多样性使其具有巨大的挑战。本文在CoCuFeMnNi体系高熵合金上添加不同的元素(Nb、V和Cr)促进金属间化合物的形成,通过电弧熔炼制备了 CoCuFeMnNbxNi 和 CoCrxCuFeMnNiV 高熵合金(x=0,0.25
学位
社会生产中金属基材料的应用环境越来越严苛,近年来耐蚀耐磨的铁基非晶合金受到广泛关注,但受限于其较差的成形能力,只能通过表面涂层的方式进行应用。随着复合材料的发展,添加增强相制备铁基非晶基复合涂层,成为突破铁基非晶合金应用限制的可行方法,对复合涂层的结合机理及性能的研究也成为了急需解决的问题。本课题选择具有代表性的Fe Cr Co Mo CBY铁基非晶体系和典型的WC增强相制备铁基非晶复合涂层,从非
学位
近年来,随着结构材料日益趋于轻量化,各应用领域对轻质合金的需求愈加强烈。但是,受限于传统合金的设计理念,目前的轻质合金都存在一些不足,如铝合金断裂韧性差;钛合金变形抗力和耐磨性差,不易切削,价格昂贵;镁合金对应力集中很敏感,而且在潮湿大气中的耐蚀性较差,这些问题都限制着目前轻质合金的发展与应用。高熵合金(HEA)凭借其优越的力学性能以及功能特性,成为当今材料领域的一大研究热点。然而,大多数高熵合金
学位
随着科技的不断发展,产生了大量的余热,例如:家庭供暖、汽车尾气和工业过程,而热电材料在废热回收和太阳能热利用方面的应用很有前景。热电材料可以分为无机热电材料和有机热电材料,有机热电材料由于成本低、重量轻、机械柔性和大面积低温溶液可加工性等优点逐渐受到了科研人员的重点关注。本文在引达省并二噻吩的基础上设计合成了三种带有离子型侧链官能团的P型有机小分子热电材料。首先选择三氯化铁(FeCl3)溶液作为掺
学位
镁锂合金作为世界上最轻的金属结构材料,凭借其巨大的轻量化优势、比强度高、疲劳强度高等优点,被广泛应用于航空、航天、交通等众多领域。本文提出将超塑性气胀成形工艺应用于镁锂合金加工中,首先通过热拉伸实验探索LZ91合金板材的热变形行为和超塑性变形机理;在此基础上,通过超塑性气胀成形工艺来成形0.5 mm厚LZ91合金自由胀形件和1.0 mm厚LA81合金筒形件,探究胀形件的成形性能和胀形机制,并对模具
学位
三维编织Cf/Al复合材料以其较高的比刚度、比强度,较低的密度在航空领域具有广阔的应用前景,三维编织技术使编织预制体具有良好的可设计性,为航空飞行器复杂零部件的整体成型创造了条件。航空发动机中经常会遇到由于装配需求或冲击磨损造成的缺口部件,以及结构复杂、形状奇特的异型件,为保证三维编织Cf/Al复合材料在航空发动机上安全使用,研究三维编织Cf/Al复合材料缺口部件的疲劳性能和异型件的力学性能是很有
学位
随着增材制造技术的快速发展,近来选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)Ti-6Al-4V合金引起了大量的关注,已经在航空航天和生物工程等领域广泛应用。但SLM成形过程特有的快热快冷的特性,容易导致成型零件产生极大的温度梯度,引起热应力,从而影响成型零件质量。因此,探究Ti-6Al-4V合金SLM成形过程,探讨熔池特性与成形晶粒之间的关系,对Ti-6Al-4V合金粉末
学位
环境污染和能源短缺问题严重制约人类社会经济的发展。半导体光催化的高级氧化还原技术是解决这两大难题的一种途径。光催化技术可以降解污染物、产H2、产H2O2、还原CO2等。同时光催化技术具有原料来源丰富、无毒无害等优点,引起了研究人员的研究兴趣。为了提高光催化活性,研究人员提出了各种改进策略,构筑异质结是其中之一。最近几年研究人员提出的具有交错能带结构的梯型(S型)异质结不仅能够有效分离光生载流子,还
学位