【摘 要】
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高功率密度柴油机活塞、高速列车受电弓滑板以及电磁炮导轨、电枢等部件常经受高温热源往复冲击,发生严重烧蚀时会影响工作稳定性、大幅缩短服役寿命。金属改性C/C复合材料具备比强度高、热膨胀系数低、导热导电性能优异以及自润滑等特性,是可应用于上述零部件的主要备选材料之一,然而该类材料的高频往复烧蚀行为与机理尚不明确,基体调控方法对其性能的影响鲜有报道。本文主要针对铝合金改性C/C复合材料用于上述零部件潜在
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:51902239）； 国家级重点实验室基金（编号:6142911180306）；
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高功率密度柴油机活塞、高速列车受电弓滑板以及电磁炮导轨、电枢等部件常经受高温热源往复冲击,发生严重烧蚀时会影响工作稳定性、大幅缩短服役寿命。金属改性C/C复合材料具备比强度高、热膨胀系数低、导热导电性能优异以及自润滑等特性,是可应用于上述零部件的主要备选材料之一,然而该类材料的高频往复烧蚀行为与机理尚不明确,基体调控方法对其性能的影响鲜有报道。本文主要针对铝合金改性C/C复合材料用于上述零部件潜在的高频往复烧蚀问题,研究碳基体调控、合金基体调控对其微观组织、物理性能以及烧蚀特性的影响,从而为其应用提供理论指导。本文采用树脂浸渍碳化法和热梯度化学气相沉积法结合压力浸渗法,分别制备了树脂碳基体和热解碳基体C/C-AlSi复合材料,通过细化、变质和合金化对合金基体进行调控。测试了C/C-AlSi压缩强度、热膨胀、热导率、电导率以及抗高频往复烧蚀性能。结合金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对测试前后材料的形貌、物相进行表征和分析。研究了不同基体调控手段对其微观组织、力学性能、热物理性能、导电性能以及抗高频往复烧蚀性能的影响。研究结果表明:（1）不同碳基体在C/C-AlSi中的分布存在差异,树脂碳主要存在于碳纤维束间,分布不均;而热解碳呈包鞘状包裹独立的碳纤维,分布较为均匀;两种碳基体的复合材料压缩强度差别不大,但树脂碳C/C-AlSi表现为脆性断裂,热解碳C/C-AlSi表现为假塑性断裂;由于树脂碳C/C-AlSi界面结合过强导致其热膨胀系数低于热解碳C/C-AlSi;树脂碳基体石墨化程度较低,所以树脂碳C/C-AlSi的导热、导电性能较差;在高频往复烧蚀测试中,较差的组织均匀性和导热性能导致树脂碳C/C-AlSi基体中出现大量缺陷,致使其烧蚀率高于热解碳C/C-AlSi。（2）分别添加4wt.%的Al-Ti-C细化剂和0.3wt.%的La-Ce稀土变质剂使C/C-AlSi合金基体中Al相和Si相的形貌和尺寸得到细化,添加Cu在合金基体中形成Al2Cu强化相,材料压缩强度最高提升至278MPa;合金基体强化使得热膨胀过程中C/C对其的约束作用减弱,导致其热膨胀系数增加;由于合金组织细化以及第二相生成,相界面数量增加,电子平均自由程降低,C/C-AlSi的导热、导电性能下降;高频往复烧蚀测试结果表明,通过合金基体的细化和变质处理能够提高C/C-AlSi的抗烧蚀性能,其中添加0.3wt.%稀土后效果最为明显,使其线烧蚀率下降86%,但随着添加量增加,热导率下降明显,烧蚀率再次上升。（3）在高频往复烧蚀环境中,随单次冲击时长增加,材料表面温度急剧上升,烧蚀主导机制由热应力破坏、机械剥蚀转变为熔化、挥发和热化学烧蚀,质量烧蚀率和线烧蚀率最多由0.17mg/s和3μm/s提高至6.2mg/s和23.25μm/s;随射流温度提高,烧蚀率增加,当射流温度在1500℃以下时,表面温度较低,仅能观察到少部分合金基体软化变形和碳骨架氧化现象,质量烧蚀率和线烧蚀率分别由0.07mg/s和0.14μm/s增加至0.09mg/s和0.24μm/s,变化较小;当射流温度上升至1500℃以上时,表面温度升高,合金基体受热软化更严重,热应力导致碳骨架开裂,合金基体和碳骨架发生机械剥蚀,质量烧蚀率和线烧蚀率成倍增加;烧蚀-冲蚀耦合环境中,高温射流冲击使合金基体高温软化、碳骨架发生氧化,力学性能下降,冲蚀下合金基体和碳骨架被严重破坏,导致质量烧蚀率和线烧蚀率增加至1.92mg/s和13.04μm/s。
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