武高輝, 喬菁, 姜龍濤

哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150001

摘要

關(guān)鍵詞： 尺寸穩(wěn)定性 ; 金屬基復(fù)合材料 ; 評(píng)價(jià)方法 ; 復(fù)合材料設(shè)計(jì)

材料的尺寸變化是無時(shí)不在、無時(shí)不有的自然現(xiàn)象,是材料本身的一種經(jīng)時(shí)變化行為。材料在長期貯存或者服役環(huán)境下保持原始尺寸不變的能力稱之為材料的尺寸穩(wěn)定性。

陀螺儀、加速度計(jì)、星敏感器等設(shè)備是角度、速度、位置的傳感器,決定了導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器的定位精度,這些精密儀器的精度對(duì)零件的微變形十分敏感,有計(jì)算表明,陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏移0.1 μm,陀螺漂移將產(chǎn)生1°/h的測試誤差。不僅高精度慣性儀表,精密軸承的精度也受材料尺寸穩(wěn)定性性能直接制約。技術(shù)先進(jìn)國家普遍對(duì)材料尺寸穩(wěn)定性問題十分重視,前蘇聯(lián)經(jīng)過長期大范圍的研究,20世紀(jì)70年代初便制定了金屬材料尺寸穩(wěn)定化處理工藝國家標(biāo)準(zhǔn)。我國的研究報(bào)道十分稀少,這與工程技術(shù)發(fā)展總體水平有關(guān),與研究難度大、評(píng)價(jià)方法不健全也有關(guān)系。長期以來,研究者大多將研究側(cè)重點(diǎn)放在了材料或者復(fù)雜零件的殘余應(yīng)力的檢測與處理上,實(shí)際效果十分有限。

在研究者沒有找到材料尺寸穩(wěn)定性加速測試方法之前,美國和前蘇聯(lián)采用微屈服強(qiáng)度和微蠕變抗力評(píng)價(jià)材料尺寸穩(wěn)定性,這種方法可以評(píng)價(jià)材料在應(yīng)力短時(shí)加載和長期加載條件下材料抵抗微變形的能力,依賴于這種方法,發(fā)現(xiàn)了材料的組織不穩(wěn)定相關(guān)因素,例如通過熱處理、預(yù)拉伸變形等手段調(diào)整晶粒尺寸、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)等,前蘇聯(lián)的穩(wěn)定化處理工藝標(biāo)準(zhǔn)也是基于組織穩(wěn)定性原理而制定的。但是這些無法解釋材料在長期服役或者零件貯存過程中的尺寸微小變化,微蠕變也僅限于純金屬或者退火處理的合金試樣。

作者分析了陀螺儀多次啟停后產(chǎn)生“逐次漂移”的現(xiàn)象,認(rèn)為是每次啟停時(shí)零件經(jīng)受高低溫循環(huán)的激勵(lì)而誘發(fā)的材料變形。隨之發(fā)明了模擬溫度變化條件的固體材料尺寸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[1],評(píng)價(jià)試樣在無應(yīng)力作用、單純溫度循環(huán)過程中材料的尺寸穩(wěn)定性。這種新方法的誕生發(fā)現(xiàn)了材料相穩(wěn)定問題、材料組織穩(wěn)定問題以及相穩(wěn)定各向異性等問題。以往研究者更多關(guān)注的是殘余應(yīng)力對(duì)微變形的影響,但消除應(yīng)力處理并不能解決零件微變形問題。新測試方法發(fā)現(xiàn)材料在充分退火之后,在溫度循環(huán)條件下仍會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的微變形。分析認(rèn)為,主要與時(shí)效、析出等熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)因素有關(guān)。也就是說,材料的內(nèi)稟因素才是導(dǎo)致零件在貯存和服役過程中發(fā)生微變形的本質(zhì)性原因,而殘余應(yīng)力僅僅是誘發(fā)微變形的外部因素之一。

對(duì)于金屬基復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì),關(guān)鍵問題首先是基體鋁合金在非受力和受力狀態(tài)下微變形機(jī)理的分析問題;其次,鋁合金與陶瓷相復(fù)合可以提升強(qiáng)度與剛度,但是陶瓷相的加入必然引入新的界面應(yīng)力,導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性下降,研究者要揭示這一矛盾關(guān)系并提出解決這一矛盾的辦法。

1 尺寸穩(wěn)定性基本概念及其表征方法

1.1 尺寸穩(wěn)定性的概念

“尺寸穩(wěn)定性”的概念在我國的材料工程教科書中未見介紹,常常與“溫度穩(wěn)定”和“熱穩(wěn)定”相混淆。尺寸穩(wěn)定性是指在長期貯存(幾年、十幾年)或者服役(溫度循環(huán)、振動(dòng)、沖擊、輻照等)環(huán)境下,材料或零件保持其原始尺寸和形狀不變的能力。尺寸穩(wěn)定性與熱膨脹變形、熱穩(wěn)定性、彈性變形是完全不同的物理概念。熱膨脹變形是零件尺寸和形狀隨著溫度變化發(fā)生的可逆變形,用熱膨脹系數(shù)(α)與溫度變化幅度(ΔT)的乘積αΔT表征,這是材料溫度穩(wěn)定性的問題,熱膨脹變形可預(yù)測,可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制程序中加以補(bǔ)償;熱穩(wěn)定性用材料的導(dǎo)熱率(λ)與α之比(λ/α)來表征,比值越大,熱穩(wěn)定性越好,其意義在于反映材料抵抗熱載荷變化而自身尺寸不變的能力,也可以反映構(gòu)件熱慣性的大小;材料彈性變形是材料柔性問題,是指在小于彈性極限的應(yīng)力作用下發(fā)生彈性變形的性質(zhì),用柔度系數(shù)(S,即彈性模量的倒數(shù)(1/E))與應(yīng)力幅度(Δσ?的乘積S?σ表征,這是可恢復(fù)、可預(yù)測的變形,也可以在設(shè)計(jì)中補(bǔ)償。材料尺寸穩(wěn)定性要復(fù)雜得多,研究的是在短則幾天,長則幾年、十幾年的貯存或者服役后發(fā)生的不可逆微變形。通常采用試樣或者零件經(jīng)過存放(恒溫、變溫)或服役(變溫、振動(dòng)、沖擊、輻照等)環(huán)境暴露前后,在固定條件下所測得的尺寸或形位的變化來表征。早期研究中,研究者采用棒狀試樣直接放置于恒定溫度環(huán)境下連續(xù)檢測半年甚至幾年的尺寸變化,這種方法直觀但是實(shí)驗(yàn)周期太長。

1.2 尺寸穩(wěn)定性的表征方法

Хенкин等[2]將材料的尺寸穩(wěn)定性特征與服役條件相關(guān)聯(lián),分為負(fù)載作用下的尺寸穩(wěn)定性和無負(fù)載作用下的尺寸穩(wěn)定性2大類。

負(fù)載條件下材料尺寸穩(wěn)定性主要用微屈服強(qiáng)度[3,4,5,6,7,8]、應(yīng)力松弛極限及微蠕變抗力[2,3]來表征。微屈服強(qiáng)度指材料拉伸時(shí)產(chǎn)生10-6數(shù)量級(jí)不可逆變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。微屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法為加載-卸載法,隨著測試裝置精度的提高,也可以直接用慢速加載法簡單評(píng)價(jià)[8]。微屈服強(qiáng)度反映的是材料在短時(shí)負(fù)載下的微塑性變形抗力,它不能表征材料的組織不穩(wěn)定與相不穩(wěn)定對(duì)尺寸變化的影響。應(yīng)力松弛極限及微蠕變抗力(也稱之為微蠕變強(qiáng)度)是表征長期低應(yīng)力負(fù)載作用下材料微塑性變形抗力的指標(biāo)。實(shí)際操作中,需要對(duì)溫度、濕度、電壓、振動(dòng)、儀器數(shù)據(jù)漂移等因素嚴(yán)格掌控,由于實(shí)驗(yàn)載荷小、精度高、時(shí)間長帶來諸多不確定因素,特別是對(duì)于時(shí)效析出型合金會(huì)出現(xiàn)變形假象,只有對(duì)純金屬或者充分退火的合金才能獲得可靠的數(shù)據(jù)。

無負(fù)載條件下的尺寸穩(wěn)定性以往在國際上廣泛采用測試殘余應(yīng)力的方法來評(píng)價(jià)。但是,不同材料或者同種材料經(jīng)不同熱處理工藝后其微屈服強(qiáng)度,亦即抵抗應(yīng)力松弛的能力不同,因此同樣殘余應(yīng)力水平下實(shí)際微變形的特征大不相同。測試殘余應(yīng)力并不能準(zhǔn)確預(yù)測材料尤其是復(fù)雜零件的微變形規(guī)律。

近來Song等[9]提出用冷熱循環(huán)過程中彈性滯后變形(εc)來衡量材料尺寸穩(wěn)定性的方法。這一評(píng)價(jià)方法與材料的本身熱膨脹性質(zhì)有關(guān)[10],不能解釋溫度循環(huán)后的不可逆變形現(xiàn)象,而這才是工程界所關(guān)心的問題。

陀螺儀多次啟停后會(huì)產(chǎn)生“逐次漂移”,其數(shù)值較隨機(jī)漂移大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。作者分析認(rèn)為,陀螺儀每次啟停都要經(jīng)受20~70 ℃的高低溫循環(huán),很多高精度儀器儀表在貯存和服役過程中都要承受室內(nèi)外、晝夜、四季、空間陰陽面等溫度循環(huán)過程,其精度漂移很可能是這種溫度變化激勵(lì)作用誘發(fā)材料變形所導(dǎo)致的。本文作者等[1]提出了一種溫度循環(huán)條件下材料尺寸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法——冷熱循環(huán)實(shí)時(shí)檢測法,這種方法是通過拓展熱膨脹儀的功能來實(shí)現(xiàn)的。確定20 ℃為檢測溫度,控制熱膨脹儀的溫度按照一定速率和幅度循環(huán)變化,監(jiān)測試樣在冷熱循環(huán)過程中的尺寸改變,采集每次循環(huán)到20 ℃時(shí)試樣的實(shí)際尺寸,將尺寸變化對(duì)循環(huán)次數(shù)作圖,即可得到試樣在溫度循環(huán)條件下的尺寸穩(wěn)定性特性。圖1所示為SiC/2024Al復(fù)合材料T6態(tài)試樣經(jīng)-20 ℃到+60 ℃循環(huán)10 cyc所測得的尺寸變化。圖1a為溫度控制曲線,圖1b為每次溫度循環(huán)后在20 ℃采集的尺寸變化數(shù)據(jù)。可見,T6處理后復(fù)合材料試樣在溫度循環(huán)條件下尺寸縮小,循環(huán)10 cyc后尺寸縮小的絕對(duì)值約為1×10-5,相當(dāng)于100 mm長的圓棒縮短了1 μm。

圖1   T6態(tài)SiC/2024Al復(fù)合材料在-20~60 ℃之間循環(huán)時(shí)的溫度-時(shí)間曲線和尺寸變化-循環(huán)次數(shù)曲線

Fig.1   Temperature-time curve (a) and dimensional change-cycling times curve (b) of SiC/2024Al composites (T6) during cycling between -20 ℃ and 60 ℃ (dL—change in length, L0—original length)

冷熱循環(huán)實(shí)時(shí)測試法,是一種能夠模擬材料服役條件的加速實(shí)驗(yàn)方法,測試數(shù)據(jù)反映出材料組織變化、沉淀析出、相變以及應(yīng)力松弛等內(nèi)稟變形機(jī)制的綜合耦合作用結(jié)果。該方法的實(shí)驗(yàn)周期僅為2~3 d。利用該測試方法首次發(fā)現(xiàn)了微蠕變、應(yīng)力松弛等測試方法無法發(fā)現(xiàn)的諸如時(shí)效析出不同析出相引起尺寸變化的相穩(wěn)定等問題。

2 鋁合金的尺寸穩(wěn)定性研究進(jìn)展

Brown和Lukens[7]系統(tǒng)研究了材料晶粒尺寸、熱處理后的位錯(cuò)密度、二次變形(影響晶粒尺寸和位錯(cuò)密度)等對(duì)微形變的影響,得出了著名的關(guān)系式:

${?}_{}=\frac{\mathit{c\rho }{?}^3{\left(?-{?}_{\mathrm{o}}\right)}^2}{?{?}_{\mathrm{o}}}$(1)

式中,ε為應(yīng)變;c為常數(shù),約等于0.5;ρ為可動(dòng)位錯(cuò)源的密度;d為晶粒尺寸;σ為外部施加的應(yīng)力;σo為第一個(gè)位錯(cuò)開動(dòng)所需的應(yīng)力;G為切變模量。式(1)所表征的是以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主要理論依據(jù)的尺寸穩(wěn)定性問題,是一種組織穩(wěn)定問題。可以看出,通過減小可動(dòng)位錯(cuò)源密度,增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力,減小可動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)距離,以及減小晶粒尺寸,有助于改善微變形特性。

組織穩(wěn)定問題可以通過熱處理的工藝方法給予改善,尺寸穩(wěn)定化熱處理工藝的主要目的就是解決組織穩(wěn)定問題。

作者分析了2024Al合金時(shí)效過程中的尺寸變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：將材料加工成熱膨脹試樣,進(jìn)行固溶處理之后立即放入膨脹儀中在時(shí)效溫度下保持,觀察時(shí)效過程中的尺寸變化。圖2[11]是一組軋制板材不同方向上的尺寸變化測試結(jié)果。采用冷熱循環(huán)尺寸穩(wěn)定性測試方法,發(fā)現(xiàn)了軋制鋁合金尺寸穩(wěn)定性各向異性的嚴(yán)重性。沿不同軋向的尺寸變化與織構(gòu)演化有關(guān),這是組織穩(wěn)定的問題;另一方面,發(fā)現(xiàn)Al2CuMg相的析出,加重了軋向的尺寸縮小,這屬于相穩(wěn)定范疇。

圖2   2024Al合金板材不同方向190 ℃時(shí)效時(shí)尺寸變化曲線[11]

Fig.2   Dimensional changes of 2024Al plate in different directions during holding at 190 ℃[11]

相穩(wěn)定性是與析出相析出過程相關(guān)的。析出相與原基體Al的比容不同,相析出時(shí)促使晶格常數(shù)變化從而發(fā)生宏觀尺寸微小變化。表1給出了2024Al合金中幾種常見析出相的比容。這組數(shù)據(jù)不能定量給出析出相析出之后材料尺寸變化,但是可以預(yù)見其規(guī)律會(huì)是很復(fù)雜的。析出相Al2Cu、Al2CuMg本身比容小,有引起試樣尺寸縮小的趨勢,但同時(shí)Al中溶質(zhì)濃度的變化也會(huì)引起體積膨脹,有引起試樣尺寸增加的趨勢,所以,鋁合金的相穩(wěn)定性與合金成分的微小變化、合金的預(yù)處理等因素有關(guān)。即便是同樣的2024Al合金,因預(yù)處理?xiàng)l件不同或者成分的偏差均會(huì)導(dǎo)致析出相種類、數(shù)量和析出順序不同,因此會(huì)引起材料宏觀的尺寸增大,或者減小。

通常經(jīng)過時(shí)效處理、深冷處理之后析出相析出較充分,可以減小服役過程中因進(jìn)一步析出導(dǎo)致的尺寸變化,但是,材料中合金元素的擴(kuò)散、聚集、析出這一熱力學(xué)過程始終存在,析出相比容變化帶來的尺寸不穩(wěn)定問題依然不能徹底解決,穩(wěn)定與否的判定取決于零件的精度等級(jí)要求。

材料相穩(wěn)定性問題的發(fā)現(xiàn)解釋了工程界的幾項(xiàng)疑問：(1) 采用微蠕變難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)合金的尺寸穩(wěn)定性問題。微蠕變是在某一溫度長期加載條件下測量試樣長度變化的方法。在長時(shí)間測量過程中,在拉伸(或者壓縮)載荷下試樣有時(shí)不僅不會(huì)伸長(縮短),反而縮短(伸長),這種長度變化與應(yīng)力方向相反的現(xiàn)象便是第二相析出造成的,這種情況下無法正確評(píng)價(jià)材料的尺寸穩(wěn)定性。所以,微蠕變、應(yīng)力松弛的測試方法只適合純金屬試樣或者充分退火的合金試樣的尺寸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。(2) 采用殘余應(yīng)力的方法不能準(zhǔn)確預(yù)測材料長期尺寸穩(wěn)定性問題。時(shí)效析出帶來的尺寸變化可能與殘余應(yīng)力方向并不完全一致,這必然帶來很大的測試誤差。

3 復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原理

鋁合金的尺寸穩(wěn)定性可以通過冷熱循環(huán)處理的技術(shù)手段加以提高,但作用有限,因?yàn)闊崽幚碇饕鉀Q了組織穩(wěn)定問題,而相穩(wěn)定問題解決得不充分。工程上還期望高彈性模量、低膨脹系數(shù)等綜合性能指標(biāo)。提升這些綜合指標(biāo)的唯一技術(shù)途徑便是材料的復(fù)合技術(shù)。為保證材料的各向同性,顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是最佳的選擇。但是鋁合金中大量陶瓷顆粒的加入將帶來位錯(cuò)結(jié)構(gòu)、時(shí)效析出條件以及界面應(yīng)力的變化,引起新的組織穩(wěn)定、相穩(wěn)定和應(yīng)力穩(wěn)定問題。必須探討合理的設(shè)計(jì)方法。

3.1 尺寸穩(wěn)定設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

陀螺儀、加速度計(jì)等高精度傳感器的精度與精度穩(wěn)定性取決于零件的尺寸穩(wěn)定性,而不同的服役環(huán)境對(duì)尺寸穩(wěn)定性的要求有所不同：

(1) 貯存條件下尺寸穩(wěn)定性。在恒溫(有些環(huán)境是變溫)、無載荷環(huán)境下尺寸穩(wěn)定,這反映的主要是材料的自發(fā)變形的內(nèi)稟特性(與合金元素?zé)嵴駝?dòng)相關(guān)的時(shí)效、析出、擴(kuò)散以及應(yīng)力松弛等)。

(2) 沖擊振動(dòng)環(huán)境下尺寸穩(wěn)定。這種環(huán)境下要求零件彈性變形小,諧振頻率高,高載荷下不發(fā)生不可逆變形、振動(dòng)小等,為此對(duì)材料的要求是高比模量、高微屈服強(qiáng)度、高阻尼。

(3) 溫度沖擊環(huán)境下尺寸穩(wěn)定。要求裝置關(guān)鍵零件間的膨脹系數(shù)相匹配(減小零件間的錯(cuò)配應(yīng)力、裝配間隙變化),同時(shí)熱導(dǎo)率要高(減小熱慣性,縮短啟動(dòng)時(shí)間)。

材料的尺寸穩(wěn)定性主要與材料的組織狀態(tài)不穩(wěn)定(點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)、線缺陷運(yùn)動(dòng)、面缺陷運(yùn)動(dòng)、體缺陷運(yùn)動(dòng))、相不穩(wěn)定(亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變、沉淀、析出)和殘余內(nèi)應(yīng)力松弛有關(guān),這些因素往往存在耦合效應(yīng)。材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是從提高材料抵抗微小變形的能力和減小自身自發(fā)變形的趨勢2個(gè)方面入手解決。

3.2 復(fù)合材料組織穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問題

相對(duì)于鋁合金而言,陶瓷增強(qiáng)體是穩(wěn)定的,復(fù)合材料組織穩(wěn)定性取決于基體鋁合金的穩(wěn)定性。

由式(1)可知,材料微應(yīng)變與位錯(cuò)開動(dòng)阻力有關(guān)。有文獻(xiàn)報(bào)道,對(duì)于微米量級(jí)的增強(qiáng)體,隨著增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的增加和顆粒尺寸的減小,基體中的位錯(cuò)密度提高[13,14,15,16,17],同時(shí)復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度提高[15,16,17],這有利于材料尺寸穩(wěn)定性的增加。

以往認(rèn)為,退火消除殘余應(yīng)力是尺寸穩(wěn)定性的有效手段,為驗(yàn)證這一觀點(diǎn),王秀芳[18]將與圖1同一批次的SiC/2024Al復(fù)合材料充分退火處理去除應(yīng)力,然后在恒溫條件下保持100 h,沒有發(fā)現(xiàn)尺寸變化,如圖3[18]所示。但是將試樣放入溫度循環(huán)的環(huán)境下,便發(fā)生了1×10-5量級(jí)的變形(尺寸減小,如圖1所示),這一變形數(shù)值在慣性儀表零件中是不允許的。

圖3   退火態(tài)SiC/2024Al復(fù)合材料在160 ℃保溫過程中的尺寸變化[18]

Fig.3   Dimensional changes of annealed SiC/2024Al composite during holding at 160 ℃[18]
(a) temperature-time curve
(b) strain-time curve

微觀組織分析表明,退火處理后基體合金中的位錯(cuò)組織為長線狀,開動(dòng)阻力小,為調(diào)整這種組織可以經(jīng)過固溶時(shí)效加冷熱循環(huán)穩(wěn)定化熱處理,使之變成胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu),這種胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)組織狀態(tài)下,微屈服強(qiáng)度可以提高30%以上[17]。理論和實(shí)驗(yàn)均表明,退火只能保證材料在恒溫環(huán)境下的穩(wěn)定性,而不能保證在溫度變化情況下的穩(wěn)定性,所以退火工藝不適用于精密儀表零件。

3.3 復(fù)合材料相穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問題

為研究復(fù)合材料相穩(wěn)定問題,分別用時(shí)效型2024Al合金和1199純Al制備了體積分?jǐn)?shù)為45%的SiC/Al復(fù)合材料,將2種試樣按照2024Al合金工藝規(guī)范進(jìn)行固溶處理,然后立即放入熱膨脹儀中時(shí)效,觀察時(shí)效過程中的尺寸變化。圖4[18]是2種復(fù)合材料時(shí)效過程中的尺寸變化的一組數(shù)據(jù)。可見,隨著時(shí)效時(shí)間的延長,2種試樣的尺寸均逐漸增加,SiC/1199Al試樣累計(jì)尺寸變化量為1.50×10-4,而SiC/2024Al復(fù)合材料累計(jì)尺寸變化量達(dá)到3.67×10-4。由于1199Al無時(shí)效析出,其尺寸增加主要?dú)w因于淬火壓應(yīng)力的釋放,而SiC/2024Al與SiC/1199Al試樣尺寸變化的差值則主要來源于時(shí)效析出。

圖4   淬火后SiC/2024Al和SiC/1199Al在160℃保溫過程中的尺寸變化[18]

Fig.4   Dimensional changes of quenched SiC/2024Al and SiC/1199Al during holding at 160 ℃[18]
(a) temperature-time curve
(b) strain-time curves

值得注意的是,圖4[18]所示復(fù)合材料時(shí)效過程中的尺寸變化與圖2[11]所示的2024Al合金的時(shí)效尺寸變化趨勢有所不同。這說明45%的SiC顆粒加入之后,由于Cu向界面富集,改變了基體合金的時(shí)效析出相的種類和數(shù)量。透射電鏡分析表明,SiC/2024Al復(fù)合材料基體中析出相主要為Al2CuMg和Al2Cu。

目前的金屬基復(fù)合材料大多采用現(xiàn)成牌號(hào)的鋁合金作為基體,牌號(hào)鋁合金的成分是根據(jù)時(shí)效強(qiáng)化需要而設(shè)計(jì)的,但是在復(fù)合材料的情況下,基體中加入45%的增強(qiáng)體,引入了大量界面,界面一方面成為基體中溶質(zhì)原子的陷阱,吸收空位和溶質(zhì)原子,抑制時(shí)效析出[19,20];另一方面通過發(fā)生界面反應(yīng),消耗溶質(zhì)元素弱化時(shí)效析出[21,22,23],2種現(xiàn)象本質(zhì)上都是改變了增強(qiáng)體附近的基體合金成分,使時(shí)效析出發(fā)生變化。這預(yù)示著,金屬基復(fù)合材料需要根據(jù)性能目標(biāo)要求設(shè)計(jì)專用的基體合金成分。

3.4 復(fù)合材料的微觀應(yīng)力穩(wěn)定問題

鋁合金中加入的陶瓷增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性會(huì)起到2種截然相反的作用。一方面,高模量、低膨脹系數(shù)的陶瓷顆粒附近將產(chǎn)生巨大的殘余應(yīng)力,并且基體承受的是拉應(yīng)力,這將引發(fā)復(fù)合材料的尺寸不穩(wěn)定性。但另一方面,增強(qiáng)體的存在可以阻礙基體中的位錯(cuò)滑移,增加材料的尺寸穩(wěn)定性。由此可見,復(fù)合材料的界面應(yīng)力問題使得復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)變得較為復(fù)雜,如何控制和平衡影響尺寸穩(wěn)定性的有利因素和不利因素是一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作。

對(duì)SiC/2024Al復(fù)合材料而言,Al和SiC之間的熱膨脹系數(shù)相差約7倍,顆粒尺寸對(duì)殘余應(yīng)力的影響十分顯著。取立方體有尖角的SiC顆粒模型對(duì)SiC/2024Al復(fù)合材料在160~-70 ℃循環(huán)3 cyc回到20 ℃時(shí)SiC顆粒附近的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖5所示。可見,顆粒承受壓應(yīng)力,基體承受拉應(yīng)力。

圖5   SiC/2024Al中的界面應(yīng)力分布

Fig.5   Stress distributions at the particle/matrix interface in SiC/2024Al composites
(a) reinforced with 32 μm particles
(b) reinforced with 8 μm particles
(c) reinforced with 4 μm particles

與應(yīng)力值相比,界面應(yīng)力的分布更為重要。在相同體積分?jǐn)?shù)下,增強(qiáng)體顆粒的尺寸減小意味著顆粒間距隨之相應(yīng)減小,單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)目呈三次方的關(guān)系增加,應(yīng)力分布更加均勻,而且,應(yīng)力影響區(qū)也相應(yīng)大大減小,應(yīng)力分布更加分散。界面應(yīng)力集中的減弱無疑對(duì)尺寸穩(wěn)定性是有利的。

這種界面應(yīng)力狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料宏觀屈服強(qiáng)度的影響不大,因?yàn)榇笞冃芜^程中微觀應(yīng)力歸一化到主應(yīng)力的方向上與主應(yīng)力相疊加發(fā)生宏觀變形。但是對(duì)微屈服強(qiáng)度影響卻是巨大的,微屈服強(qiáng)度是在試樣微變形初始階段的載荷值,存在拉應(yīng)力的基體在很小的外加載荷觸發(fā)下便會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放而顯示出微屈服,復(fù)合材料顆粒尺寸較大時(shí),微屈服強(qiáng)度可能低于基體鋁合金,甚至出現(xiàn)“負(fù)應(yīng)變現(xiàn)象”[24]。在接近服役環(huán)境的冷熱循環(huán)條件下復(fù)合材料顯示出尺寸不穩(wěn)定,也與基體存在微觀拉應(yīng)力有關(guān)。

在增強(qiáng)體種類確定的前提下,復(fù)合材料微觀應(yīng)力穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問題可以從復(fù)合材料增強(qiáng)體的形狀、尺寸、分布亦即從微觀構(gòu)型設(shè)計(jì)上入手解決。

3.5 復(fù)合材料的熱膨脹設(shè)計(jì)問題

任何的機(jī)械結(jié)構(gòu)都由不同形狀、不同材質(zhì)的零件組合而成,配合零件間的熱膨脹系數(shù)不同則會(huì)引起溫度變化過程中產(chǎn)生熱錯(cuò)配應(yīng)力,改變裝配間隙。不難估算,用膨脹系數(shù)為13×10-6 K-1的螺釘壓緊2片2 mm厚的鋁合金板,溫度升高50 ℃時(shí)鋁合金將發(fā)生大約2 μm的應(yīng)變,這足以使零件發(fā)生導(dǎo)致精度失效的微變形。因此,希望不同試件之間的膨脹系數(shù)相匹配,以避免產(chǎn)生宏觀熱應(yīng)力。

復(fù)合材料的熱物理性能設(shè)計(jì)較為成熟,有幾種理論模型可以借鑒來進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

(1) 混合定律(ROM)[25]：

${?}_{\mathrm{c}}={?}_{\mathrm{m}}?{?}_{\mathrm{m}}+{?}_{\mathrm{p}}?{?}_{\mathrm{p}}$(2)

式中,αc、αm、αp分別為復(fù)合材料、基體及增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù);Vm、Vp分別為基體和增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)。

(2) Turner模型[25,26,27]：

${?}_{\mathrm{c}}=\frac{{?}_{\mathrm{m}}{?}_{\mathrm{m}}{?}_{\mathrm{m}}+{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{p}}}{{?}_{\mathrm{m}}{?}_{\mathrm{m}}+{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{p}}}$(3)

式中,Km、Kp分別為基體和增強(qiáng)相的體積模量。

(3) Kerner模型[25,26,27]：

${?}_{\mathrm{c}}={?}_{\mathrm{m}}{?}_{\mathrm{m}}+{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{p}}+{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{m}}({?}_{\mathrm{p}}-{?}_{\mathrm{m}})\times$

$\frac{{?}_{\mathrm{p}}-{?}_{\mathrm{m}}}{{?}_{\mathrm{m}}{?}_{\mathrm{m}}+{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{p}}+(3{?}_{\mathrm{p}}{?}_{\mathrm{m}}/(4{?}_{\mathrm{m}}\left)\right)}$(4)

式中,Gm為基體的剪切模量。

考慮αp=αm/5且Al基體的體積模量和剪切模量分別為70和25 GPa,得到增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的相關(guān)關(guān)系,如圖6[28]所示。可以看到,通過調(diào)整增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù),可以將復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)控制在理想范圍內(nèi)。不同儀表結(jié)構(gòu)對(duì)膨脹系數(shù)的要求是不同的,對(duì)于陀螺儀等精密儀表,膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮鑲嵌軸承的配合問題。軸承鋼的熱膨脹系數(shù)約為12.5×10-6 K-1,由此可得,SiC/2024Al復(fù)合材料中SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)需約42%~45%。

圖6   由3種模型計(jì)算得到的SiC/2024Al復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)[28]

Fig.6   Thermal expansion coefficients of SiC/2024Al composites obtained by three theoretical models (αcom, αm, αp—the coefficients of thermal expansion of SiC/2024Al composites, matrix and reinforcement, respectively; Km, Kp— bulk modulus of the composites and reinforcement, respectively)[28]

4 復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及應(yīng)用

基于上述尺寸穩(wěn)定性原理,可以歸納出高尺寸穩(wěn)定性復(fù)合材料的設(shè)計(jì)基本原則。復(fù)合材料微觀構(gòu)型主要取決于顆粒形狀、尺寸和體積分?jǐn)?shù)。現(xiàn)行的復(fù)合材料強(qiáng)度理論中大多包含體積分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸參數(shù),但是注意到,這2者是存在耦合效應(yīng)的,目前的文獻(xiàn)對(duì)此考慮的不多。

相同體積分?jǐn)?shù)下(例如45%),不同的顆粒尺寸將引起表面積、平均間隙、單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)目發(fā)生較大變化。本文采用彌散度(dispersion factor,DF)的概念來綜合反映增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸這2個(gè)外部可控要素的耦合作用。

假設(shè)增強(qiáng)體顆粒為圓形,半徑為r,且在基體中均勻分布,彌散度包含4種維度的含義[15]：DF0—單位體積內(nèi)的增強(qiáng)體數(shù)目,反映了零維彌散度,計(jì)算式為 $?{?}_0=\raisebox{1ex}{$27$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$80\mathrm{\pi }{?}^3$}\right.$;DF1—單位體積內(nèi)的增強(qiáng)體平均間隙,反映了一維彌散度,計(jì)算式為 $?{?}_1=\left(\raisebox{1ex}{$2\sqrt[3]{\mathrm{\pi }{?}^3}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.-2\right)?$;DF2—單位體積內(nèi)的增強(qiáng)體總表面積,反映了二維彌散度,計(jì)算式為 $?{?}_2=\raisebox{1ex}{$27$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$20?$}\right.$;DF3—單位體積內(nèi)的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù),反映了三維彌散度。

計(jì)算得出,復(fù)合材料中10和0.15 μm 2種顆粒增強(qiáng)體在體積分?jǐn)?shù)45%條件下的彌散度如表2[15]所示。顯而易見,同樣在45%體積分?jǐn)?shù)下,0.15 μm顆粒的表面積比10 μm的增加了65.9倍,單位體積的粒子數(shù)量增加了2.97×105倍。這種表面效應(yīng)和體積效應(yīng)給復(fù)合材料的微觀組織帶來了顯著的影響：

(1) 組織穩(wěn)定性。細(xì)小顆粒的膨脹量絕對(duì)值很小,在100 ℃溫差下其數(shù)值與鋁合金的1~2個(gè)原子間距相當(dāng),這樣小的熱錯(cuò)配量難以引發(fā)位錯(cuò),而引起的是界面的彈性變形,從而使復(fù)合材料基體中線狀位錯(cuò)稀少;高度彌散的顆粒增強(qiáng)體起到結(jié)晶異質(zhì)形核的作用,同時(shí)又阻止晶粒長大。基體中見不到大角晶界,取而代之的為細(xì)小的納米級(jí)亞晶組織;此外,納米顆粒表面由于具有不完整性及高的活性,從而使得界面結(jié)合良好。這些將有利于材料組織穩(wěn)定性提高,是獲得高微屈服抗力的必要條件。

(2) 相穩(wěn)定性。由于顆粒表面積巨大,界面吸附大量的淬火空位和溶質(zhì)原子,析出變得困難;顆粒的間距小限制了析出相的長大,甚至改變基體中缺陷形態(tài),形成微孿晶。這使材料獲得了很高的相穩(wěn)定性。

(3) 應(yīng)力穩(wěn)定性。在相同體積分?jǐn)?shù)下,增強(qiáng)體顆粒尺寸減小后顆粒間隙隨之減小,應(yīng)力分布更加均勻,應(yīng)力的影響區(qū)域也大大減小,應(yīng)力分布更加彌散,如圖6[28]所示。這種狀態(tài)對(duì)提高尺寸穩(wěn)定性是有利的。

圖7[29]是一組代表性的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的透射電鏡組織照片。圖7a[29]為微米級(jí)顆粒強(qiáng)化時(shí)的情況,基體中可見大量的線狀位錯(cuò)組織;圖7b[29]所示的亞微米150 nm Al2O3和圖7c[29]所示的150 nm SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料基體組織中見不到常規(guī)的線狀位錯(cuò),而是出現(xiàn)微孿晶的缺陷形式。這種組織結(jié)構(gòu)將帶來十分優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性特性。

圖7   不同顆粒尺寸下鋁基復(fù)合材料基體組織形態(tài)[29]

Fig.7   Matrix morphologies of aluminum matrix composites reinforced with different particle sizes[29]
(a) 10 μm SiC/2024Al (b) 150 nm Al2O3/6061Al (c, d) 150 nm SiC/2024Al

顆粒尺寸減小、比表面積增加無疑提高了復(fù)合材料制備的難度,必須要采用新的技術(shù)方法給予解決。基于上述微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,并結(jié)合精密儀表對(duì)材料熱膨脹、熱導(dǎo)率、低密度、精密加工的要求,作者設(shè)計(jì)了儀表級(jí)、光學(xué)級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料,采用自排氣壓力浸滲專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的批量制備。儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性相關(guān)特性示于表3[30]和圖8。表3[30]和圖8中給出了儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料(穩(wěn)定化處理態(tài))、2024鋁合金(穩(wěn)定化處理態(tài))和俄羅斯RJY50 Be (退火態(tài))的性能比較。通常處理工藝下2024鋁合金的尺寸穩(wěn)定性較SiC/2024Al復(fù)合材料低1個(gè)數(shù)量級(jí)左右,但經(jīng)特殊穩(wěn)定化工藝處理后,冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)條件下尺寸穩(wěn)定性可優(yōu)于退火態(tài)RJY50 Be。SiC/2024Al復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度較RJY50 Be提高1倍多,冷熱循環(huán)條件下的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于RJY50 Be材。國際上慣性器件材料最初一度使用鋁合金,陀螺精度不高,20世紀(jì)70年代起出現(xiàn)了Be陀螺,較鋁合金陀螺的精度提高經(jīng)近1個(gè)數(shù)量級(jí),極大地推動(dòng)了慣性技術(shù)的發(fā)展。Be材用于高精度慣性儀表提高精度的作用原理首先是彈性模量高,可獲得較高的固有頻率,使得儀表結(jié)構(gòu)不容易與運(yùn)載器的振動(dòng)相諧振;其次是膨脹系數(shù)接近軸承、禁錮螺釘,在溫度變化過程中引起附加熱應(yīng)力小,裝配間隙和裝配應(yīng)力的變化小,從而保證陀螺儀精度在逐次啟動(dòng)條件下保持穩(wěn)定。儀表級(jí)復(fù)合材料的彈性模量高于鋁合金一倍,同樣結(jié)構(gòu)形式下,一階振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率將提高1.4倍,低于Be材但是滿足使用要求。振動(dòng)模態(tài)是高精度儀表設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),要求在2000 Hz以下的頻率內(nèi)不允許有諧振。以慣導(dǎo)平臺(tái)臺(tái)體為對(duì)象,分別對(duì)2024Al和儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料臺(tái)體進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)。臺(tái)體在0~4100 Hz頻率范圍內(nèi)的集總傳遞函數(shù)測試結(jié)果示于圖9[31]。在慣性平臺(tái)0~2000 Hz工作頻率范圍內(nèi)2024Al臺(tái)體出現(xiàn)諧振峰,而SiC/2024Al復(fù)合材料臺(tái)體集總傳遞函數(shù)光滑,且諧振峰較少、振幅較低,說明采用儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料能夠有效避免臺(tái)體自身模態(tài)被激起,進(jìn)而有效改善慣性儀表工作環(huán)境。儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料用于高精度的儀表零件的優(yōu)勢在于：一是微屈服強(qiáng)度高,有較高的抵抗外界應(yīng)力而不發(fā)生微屈服的能力;其次,冷熱循環(huán)條件下尺寸穩(wěn)定。另外,金屬基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可以精確調(diào)整到與軸承鋼一致 (本文介紹的儀表級(jí)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與軸承鋼的匹配度為96%以上,高于Be材的86%和2024Al合金的69%),這樣在溫度變化的使用環(huán)境下,儀表的精度穩(wěn)定性將優(yōu)于Be陀螺。

表3不同材料的尺寸穩(wěn)定性比較[30]

圖8   冷熱循環(huán)條件下儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料尺寸穩(wěn)定性對(duì)比

Fig.8   Comparisons of dimensional stability of instrument-grade SiC/2024Al composites and traditional materials during thermal-cold cycling

圖9   ZL107鋁合金和SiC/2024Al復(fù)合材料臺(tái)體集總傳遞函數(shù)[31]

Fig.9   Lumped transfer functions of ZL107 aluminum alloy (a) and SiC/2024Al composites (b) (f—frequency)[31]

5 SiC/2024Al復(fù)合材料的應(yīng)用及其效果

在20世紀(jì)50年代,美國和前蘇聯(lián)等國在慣性儀表的結(jié)構(gòu)零件中主要使用鋁合金,20世紀(jì)60年代開始采用Be材,1985年出現(xiàn)儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料用于導(dǎo)彈慣性測量元件的報(bào)導(dǎo),目前在高精度陀螺儀等慣性器件上仍然以使用Be材為主。

圖10為儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料應(yīng)用于高精度液浮陀螺儀的零件照片,這種液浮陀螺樣機(jī)的精度測試表明,“最高精度已經(jīng)優(yōu)于國外Be陀螺的精度水平”。這一結(jié)果從實(shí)踐上驗(yàn)證了SiC/2024Al復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原理與方法的正確性,證明了采用儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料在慣性儀表上提高精度的可行性和有效性。

圖10   儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料陀螺儀零件

Fig.10   Instrument grade SiC/2024Al composites gyroscope parts

圖11為光學(xué)級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料制造的高分辨率光學(xué)相機(jī)零件照片,替代了因瓦合金。因瓦合金屬于超低膨脹精密合金,其極低的膨脹系數(shù)(約為1.5×10-6 K-1)是一大特色,但是,過低的熱膨脹系數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、禁錮螺釘(12×10-6~13×10-6 K-1)并不匹配,在溫度變化過程中容易引起錯(cuò)配應(yīng)力,改變裝配間隙和裝配應(yīng)力。另外,該材料的比剛度低,僅為17.1 GPa·cm3/g,遠(yuǎn)低于光學(xué)級(jí)復(fù)合材料(51.0 GPa·cm3/g),這對(duì)沖擊振動(dòng)下的精度保持是不利的。采用光學(xué)級(jí)SiC/2024Al之后,直接減重18.9 kg,成像精度提高20%,顯示出復(fù)合材料穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的有效性。

圖11   SiC/2024Al復(fù)合材料光學(xué)相機(jī)零件

Fig.11   SiC/2024Al composites optical camera parts

圖12為儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料替代鈦合金用于電推系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的零件照片。SiC/2024Al復(fù)合材料與鈦合金相比,密度低35%,彈性模量高36%,導(dǎo)熱系數(shù)高22倍,在空間結(jié)構(gòu)上顯示出優(yōu)異的使用性能。在本機(jī)械裝置中較鈦合金構(gòu)件減重35%,輸出力矩提升53%,諧振頻率增加十幾倍,消除了與衛(wèi)星諧振的可能性。

圖12   儀表級(jí)SiC/2024Al復(fù)合材料空間推進(jìn)器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件

Fig.12   Instrument-grade SiC/2024Al composites steering parts for spacecraft propulsion

6 結(jié)論

材料尺寸穩(wěn)定性是有別于溫度穩(wěn)定、熱穩(wěn)定的物理現(xiàn)象,廣泛存在于精密儀器、精密軸承等零件中,影響著設(shè)備的精度及其可靠性。

冷熱循環(huán)實(shí)時(shí)檢測法評(píng)價(jià)材料在無應(yīng)力載荷下的尺寸穩(wěn)定性快捷可靠,采用該方法發(fā)現(xiàn)了鋁合金相穩(wěn)定現(xiàn)象,為復(fù)合材料穩(wěn)定化設(shè)計(jì)和材料穩(wěn)定化熱處理工藝提供了指導(dǎo);本研究基于相穩(wěn)定、組織穩(wěn)定、微觀應(yīng)力穩(wěn)定以及膨脹系數(shù)匹配等基本原理的研究,研制成功儀表級(jí)、光學(xué)級(jí)SiC/Al復(fù)合材料,在實(shí)際應(yīng)用中顯示出顯著的精度提升效果。

材料尺寸穩(wěn)定性是材料的一項(xiàng)內(nèi)稟特性,影響因素十分復(fù)雜,而長期以來的基礎(chǔ)研究十分薄弱,基本原理并不清晰,材料尺寸穩(wěn)定性研究在諸多的結(jié)構(gòu)材料上屬于空白,在微觀缺陷作用機(jī)制、組織演化、析出效應(yīng)、合金成分精細(xì)化設(shè)計(jì)等方面的研究勢在必行。

來源--金屬學(xué)報(bào)