论文部分内容阅读
涡轮增压器是提高发动机功率的一种装置。涡轮转子作为涡轮增压器的关键部件，其材料性能直接影响涡轮在高温高速下的使用寿命，发展陶瓷涡轮增压器是目前增压技术的革命。氮化硅（Si3N4）陶瓷是常用的高温高强结构陶瓷之一，但作为陶瓷材料，其本质脆性限制了Si3N4陶瓷的发展。BNNT（氮化硼纳米管）具有良好的化学稳定性、优异的力学性能和导热性能、较低的热膨胀性能和优良的抗氧化性能，尤其是BNNT特殊的管状形貌，在与Si3N4陶瓷材料复合时，可明显提高Si3N4陶瓷材料裂纹扩展阻力。本文在纤维增韧陶瓷材料的理论基础上，构建了BNNT/Si3N4复合材料裂纹扩展阻力的数学模型，分析了BNNT对Si3N4陶瓷裂纹扩展阻力的影响，并利用三点弯曲强度及单边切口梁（SENB）法测定了BNNT/Si3N4复合材料的弯曲强度和断裂韧性。结果表明： BNNT对Si3N4陶瓷有明显的升值阻力曲线行为。添加5%BNNT的Si3N4陶瓷的弯曲强度和断裂韧性值相比Si3N4陶瓷分别提高了约10%和29%，说明BNNT对Si3N4陶瓷的裂纹扩展有明显的阻力作用。为进一步探讨BNNT增强Si3N4陶瓷的裂纹扩展阻力机理，本论文利用ABAUQS有限元模拟了BNNT/Si3N4复合材料中裂纹偏转，钉扎，分叉，桥联尖端的应力分布情况。结果表明： BNNT可以吸收Si3N4陶瓷裂纹尖端的应变能，降低Si3N4陶瓷裂纹尖端应力，有效地阻止了应力集中。当裂纹扩展到BNNT附近时，裂纹尖端会形成强的应力屏蔽区，增加了裂纹扩展的阻力。裂纹钉扎、桥联对增加裂纹扩展阻力的作用高于裂纹偏转和分叉。观察BNNT/Si3N4复合材料的SEM图片也可以看出BNNT对Si3N4陶瓷可以起到明显的桥联和钉扎作用。本论文建立了涡轮在高速旋转下的受力分析模型，通过计算得到涡轮最大受力部位为涡轮叶片根部，这与实际破坏情况相符合。在研究BNNT增强Si3N4陶瓷的裂纹扩展阻力基础上，利用Dugdale-Barenblatt理论对裂纹尖端受力进行计算与分析，建立了Si3N4陶瓷涡轮和BNNT/Si3N4陶瓷涡轮的裂纹扩展阻力数学模型。计算结果表明：Si3N4陶瓷涡轮叶片在80000r/min就会发生断裂失效，而BNNT/Si3N4陶瓷涡轮叶片在转速为100000r/min时仍具有较高剩余强度，说明在抗裂纹扩展上，BNNT/Si3N4陶瓷涡轮要比Si3N4陶瓷涡轮有明显优势。运用三维造型软件Solidworks建立涡轮的三维模型，利用有限元软件ABAQUS分析了Si3N4陶瓷和BNNT/Si3N4陶瓷涡轮在高温高速下的应力分布情况，并在此基础上计算了其裂纹扩展阻力。结果表明：BNNT/Si3N4陶瓷涡轮转子比Si3N4陶瓷涡轮转子有明显的抗裂纹扩展能力，经理论计算的裂纹扩展阻力与实际动载模拟分析的裂纹扩展阻力最大误差约6.3%，验证了计算结果的准确性；在高温下，涡轮的裂纹扩展阻力变小，涡轮抵抗裂纹扩展的能力较差，由于加入BNNT增强体，BNNT/Si3N4陶瓷涡轮在高温下的抗裂纹扩展能力明显增强。