武高辉
, 乔菁, 姜龙涛
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 150001
WU Gaohui, QIAO Jing, JIANG Longtao
中图分类号: TB333
文章编号: 0412-1961(2019)01-0033-12
通讯作者:
收稿日期: 2018-10-24
网络出版日期: 2019-01-11
版权声明: 2019 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
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作者简介:
作者简介 武高辉,男,1955年生,教授,博士
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摘要
尺寸稳定性是指材料在长期贮存或者服役环境下保持原始尺寸不变的能力。陀螺仪、星敏感器、光学观瞄设备等角度、速度、位置传感器的关键零部件对材料的微变形十分敏感,材料的尺寸不稳定性问题已经成为制约装备精度的“卡脖子”问题。国外自20世纪70年代从金属的热处理、预拉伸变形等组织调控方法入手做了较深入的研究,我国关于材料尺寸稳定性的研究十分薄弱,主要集中于残余应力的影响上,工程效果不明显。本文介绍作者及其团队长期从事材料尺寸稳定性研究的体会与成果,包括长期贮存(无应力)条件下尺寸稳定性的表征新方法,基于该方法发现了铝合金相稳定、组织稳定及其各向异性的基本规律;总结了铝基复合材料尺寸稳定性设计的基本原理和基于增强体弥散度的设计思路;高尺寸稳定性的光学级、仪表级SiC/2024Al复合材料的微观构型特征及其在实际工程中应用的效果。理论和实践表明,仪表精度及其精度稳定性取决于材料的尺寸稳定性,而材料的稳定性首要因素是其内禀变形特性,而残余应力是次要的。本工作也表明,尺寸稳定性原理的应用对于精密轴承一类高精度零件的技术提升也将有启发性。
关键词：
Abstract
Dimensional stability refers to the materials' ability to maintain their original size during long-term storage or under service conditions. The key components of the angle, velocity and position sensors, such as the gyroscopes, star sensors and optical observation devices, are extreme sensitive to the micro-deformation of the materials, and the dimensional instability of the present materials has become to be the bottleneck problem that restricts the accuracy of the equipment. Deep research has been carried out abroad from the aspect of the microstructure modification by heat-treatment and pretension deformation treatment of metals since 1970s. However, the domestic research on the dimensional stability is rather weak, which was mainly focused on the effect of the residual stress, and the corresponding engineering application effect is not pronounced. In the present work, the research experience and main results of the authors and coworkers on dimensional stability for decades have been introduced, including novel characterization method of dimensional stability during long-term storage (without stress), and the basic evolution process of the phase-stability, microstructure-stability and the anisotropy behavior of the Al alloys, which was revealed by the novel characterization method. Furthermore, the basic design principles of high dimensional stability and the design ideas based on the dispersivity of reinforcements of the Al matrix composites have been introduced. Moreover, the microstructure characters and the application effect in practical engineering of the high dimensional stability optical-grade and instrument-grade SiC/2024Al composites have been described. Based on the theoretical analysis and the practice effects, it indicates that the accuracy and accuracy stability of the instruments is mainly depended on dimensional stability of the used materials, and the dimensional stability of the materials was mainly affected by its intrinsic deformation characteristics, while the effect of the residual stress was subordinate. The present work also indicates that the application of the dimensional stability principle is also instructive to the technology upgrading of the high precision components, such as precision bearings.
Keywords：
材料的尺寸变化是无时不在、无时不有的自然现象,是材料本身的一种经时变化行为。材料在长期贮存或者服役环境下保持原始尺寸不变的能力称之为材料的尺寸稳定性。
陀螺仪、加速度计、星敏感器等设备是角度、速度、位置的传感器,决定了导弹、卫星等飞行器的定位精度,这些精密仪器的精度对零件的微变形十分敏感,有计算表明,陀螺电机转子的质心偏移0.1 μm,陀螺漂移将产生1°/h的测试误差。不仅高精度惯性仪表,精密轴承的精度也受材料尺寸稳定性性能直接制约。技术先进国家普遍对材料尺寸稳定性问题十分重视,前苏联经过长期大范围的研究,20世纪70年代初便制定了金属材料尺寸稳定化处理工艺国家标准。我国的研究报道十分稀少,这与工程技术发展总体水平有关,与研究难度大、评价方法不健全也有关系。长期以来,研究者大多将研究侧重点放在了材料或者复杂零件的残余应力的检测与处理上,实际效果十分有限。
在研究者没有找到材料尺寸稳定性加速测试方法之前,美国和前苏联采用微屈服强度和微蠕变抗力评价材料尺寸稳定性,这种方法可以评价材料在应力短时加载和长期加载条件下材料抵抗微变形的能力,依赖于这种方法,发现了材料的组织不稳定相关因素,例如通过热处理、预拉伸变形等手段调整晶粒尺寸、位错结构等,前苏联的稳定化处理工艺标准也是基于组织稳定性原理而制定的。但是这些无法解释材料在长期服役或者零件贮存过程中的尺寸微小变化,微蠕变也仅限于纯金属或者退火处理的合金试样。
作者分析了陀螺仪多次启停后产生“逐次漂移”的现象,认为是每次启停时零件经受高低温循环的激励而诱发的材料变形。随之发明了模拟温度变化条件的固体材料尺寸稳定性评价方法[1],评价试样在无应力作用、单纯温度循环过程中材料的尺寸稳定性。这种新方法的诞生发现了材料相稳定问题、材料组织稳定问题以及相稳定各向异性等问题。以往研究者更多关注的是残余应力对微变形的影响,但消除应力处理并不能解决零件微变形问题。新测试方法发现材料在充分退火之后,在温度循环条件下仍会发生严重的微变形。分析认为,主要与时效、析出等热力学驱动因素有关。也就是说,材料的内禀因素才是导致零件在贮存和服役过程中发生微变形的本质性原因,而残余应力仅仅是诱发微变形的外部因素之一。
对于金属基复合材料尺寸稳定性设计,关键问题首先是基体铝合金在非受力和受力状态下微变形机理的分析问题;其次,铝合金与陶瓷相复合可以提升强度与刚度,但是陶瓷相的加入必然引入新的界面应力,导致尺寸稳定性下降,研究者要揭示这一矛盾关系并提出解决这一矛盾的办法。
“尺寸稳定性”的概念在我国的材料工程教科书中未见介绍,常常与“温度稳定”和“热稳定”相混淆。尺寸稳定性是指在长期贮存(几年、十几年)或者服役(温度循环、振动、冲击、辐照等)环境下,材料或零件保持其原始尺寸和形状不变的能力。尺寸稳定性与热膨胀变形、热稳定性、弹性变形是完全不同的物理概念。热膨胀变形是零件尺寸和形状随着温度变化发生的可逆变形,用热膨胀系数(α)与温度变化幅度(ΔT)的乘积αΔT表征,这是材料温度稳定性的问题,热膨胀变形可预测,可以在结构设计和控制程序中加以补偿;热稳定性用材料的导热率(λ)与α之比(λ/α)来表征,比值越大,热稳定性越好,其意义在于反映材料抵抗热载荷变化而自身尺寸不变的能力,也可以反映构件热惯性的大小;材料弹性变形是材料柔性问题,是指在小于弹性极限的应力作用下发生弹性变形的性质,用柔度系数(S,即弹性模量的倒数(1/E))与应力幅度(Δσ的乘积S∆σ表征,这是可恢复、可预测的变形,也可以在设计中补偿。材料尺寸稳定性要复杂得多,研究的是在短则几天,长则几年、十几年的贮存或者服役后发生的不可逆微变形。通常采用试样或者零件经过存放(恒温、变温)或服役(变温、振动、冲击、辐照等)环境暴露前后,在固定条件下所测得的尺寸或形位的变化来表征。早期研究中,研究者采用棒状试样直接放置于恒定温度环境下连续检测半年甚至几年的尺寸变化,这种方法直观但是实验周期太长。
Хенкин等[2]将材料的尺寸稳定性特征与服役条件相关联,分为负载作用下的尺寸稳定性和无负载作用下的尺寸稳定性2大类。
负载条件下材料尺寸稳定性主要用微屈服强度[3,4,5,6,7,8]、应力松弛极限及微蠕变抗力[2,3]来表征。微屈服强度指材料拉伸时产生10-6数量级不可逆变形时所对应的应力。微屈服强度的标准测试方法为加载-卸载法,随着测试装置精度的提高,也可以直接用慢速加载法简单评价[8]。微屈服强度反映的是材料在短时负载下的微塑性变形抗力,它不能表征材料的组织不稳定与相不稳定对尺寸变化的影响。应力松弛极限及微蠕变抗力(也称之为微蠕变强度)是表征长期低应力负载作用下材料微塑性变形抗力的指标。实际操作中,需要对温度、湿度、电压、振动、仪器数据漂移等因素严格掌控,由于实验载荷小、精度高、时间长带来诸多不确定因素,特别是对于时效析出型合金会出现变形假象,只有对纯金属或者充分退火的合金才能获得可靠的数据。
无负载条件下的尺寸稳定性以往在国际上广泛采用测试残余应力的方法来评价。但是,不同材料或者同种材料经不同热处理工艺后其微屈服强度,亦即抵抗应力松弛的能力不同,因此同样残余应力水平下实际微变形的特征大不相同。测试残余应力并不能准确预测材料尤其是复杂零件的微变形规律。
近来Song等[9]提出用冷热循环过程中弹性滞后变形(εc)来衡量材料尺寸稳定性的方法。这一评价方法与材料的本身热膨胀性质有关[10],不能解释温度循环后的不可逆变形现象,而这才是工程界所关心的问题。
陀螺仪多次启停后会产生“逐次漂移”,其数值较随机漂移大1~2个数量级。作者分析认为,陀螺仪每次启停都要经受20~70 ℃的高低温循环,很多高精度仪器仪表在贮存和服役过程中都要承受室内外、昼夜、四季、空间阴阳面等温度循环过程,其精度漂移很可能是这种温度变化激励作用诱发材料变形所导致的。本文作者等[1]提出了一种温度循环条件下材料尺寸稳定性评价方法——冷热循环实时检测法,这种方法是通过拓展热膨胀仪的功能来实现的。确定20 ℃为检测温度,控制热膨胀仪的温度按照一定速率和幅度循环变化,监测试样在冷热循环过程中的尺寸改变,采集每次循环到20 ℃时试样的实际尺寸,将尺寸变化对循环次数作图,即可得到试样在温度循环条件下的尺寸稳定性特性。图1所示为SiC/2024Al复合材料T6态试样经-20 ℃到+60 ℃循环10 cyc所测得的尺寸变化。图1a为温度控制曲线,图1b为每次温度循环后在20 ℃采集的尺寸变化数据。可见,T6处理后复合材料试样在温度循环条件下尺寸缩小,循环10 cyc后尺寸缩小的绝对值约为1×10-5,相当于100 mm长的圆棒缩短了1 μm。
图1 T6态SiC/2024Al复合材料在-20~60 ℃之间循环时的温度-时间曲线和尺寸变化-循环次数曲线
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)
冷热循环实时测试法,是一种能够模拟材料服役条件的加速实验方法,测试数据反映出材料组织变化、沉淀析出、相变以及应力松弛等内禀变形机制的综合耦合作用结果。该方法的实验周期仅为2~3 d。利用该测试方法首次发现了微蠕变、应力松弛等测试方法无法发现的诸如时效析出不同析出相引起尺寸变化的相稳定等问题。
Brown和Lukens[7]系统研究了材料晶粒尺寸、热处理后的位错密度、二次变形(影响晶粒尺寸和位错密度)等对微形变的影响,得出了著名的关系式:
式中,ε为应变;c为常数,约等于0.5;ρ为可动位错源的密度;d为晶粒尺寸;σ为外部施加的应力;σo为第一个位错开动所需的应力;G为切变模量。式(1)所表征的是以位错运动为主要理论依据的尺寸稳定性问题,是一种组织稳定问题。可以看出,通过减小可动位错源密度,增加位错的运动阻力,减小可动位错的运动距离,以及减小晶粒尺寸,有助于改善微变形特性。
组织稳定问题可以通过热处理的工艺方法给予改善,尺寸稳定化热处理工艺的主要目的就是解决组织稳定问题。
作者分析了2024Al合金时效过程中的尺寸变化。实验设计为：将材料加工成热膨胀试样,进行固溶处理之后立即放入膨胀仪中在时效温度下保持,观察时效过程中的尺寸变化。图2[11]是一组轧制板材不同方向上的尺寸变化测试结果。采用冷热循环尺寸稳定性测试方法,发现了轧制铝合金尺寸稳定性各向异性的严重性。沿不同轧向的尺寸变化与织构演化有关,这是组织稳定的问题;另一方面,发现Al2CuMg相的析出,加重了轧向的尺寸缩小,这属于相稳定范畴。
图2 2024Al合金板材不同方向190 ℃时效时尺寸变化曲线[
Fig.2 Dimensional changes of 2024Al plate in different directions during holding at 190 ℃[
相稳定性是与析出相析出过程相关的。析出相与原基体Al的比容不同,相析出时促使晶格常数变化从而发生宏观尺寸微小变化。表1给出了2024Al合金中几种常见析出相的比容。这组数据不能定量给出析出相析出之后材料尺寸变化,但是可以预见其规律会是很复杂的。析出相Al2Cu、Al2CuMg本身比容小,有引起试样尺寸缩小的趋势,但同时Al中溶质浓度的变化也会引起体积膨胀,有引起试样尺寸增加的趋势,所以,铝合金的相稳定性与合金成分的微小变化、合金的预处理等因素有关。即便是同样的2024Al合金,因预处理条件不同或者成分的偏差均会导致析出相种类、数量和析出顺序不同,因此会引起材料宏观的尺寸增大,或者减小。
表1 2024Al合金中常见析出相的比容
Table 1 The specific volume of precipitated phases in 2024Al alloy
| Al alloy or precipitated phase | Density gcm-3 | Specific volume cm3g-1 |
|---|---|---|
| 2024Al | 2.780 | 0.360 |
| Al | 2.698 | 0.371 |
| Al2CuMg | 3.552 | 0.282 |
| Al2Cu | 4.347 | 0.230 |
| Mg2Si | 1.940 | 0.515 |
通常经过时效处理、深冷处理之后析出相析出较充分,可以减小服役过程中因进一步析出导致的尺寸变化,但是,材料中合金元素的扩散、聚集、析出这一热力学过程始终存在,析出相比容变化带来的尺寸不稳定问题依然不能彻底解决,稳定与否的判定取决于零件的精度等级要求。
材料相稳定性问题的发现解释了工程界的几项疑问：(1) 采用微蠕变难以准确评价合金的尺寸稳定性问题。微蠕变是在某一温度长期加载条件下测量试样长度变化的方法。在长时间测量过程中,在拉伸(或者压缩)载荷下试样有时不仅不会伸长(缩短),反而缩短(伸长),这种长度变化与应力方向相反的现象便是第二相析出造成的,这种情况下无法正确评价材料的尺寸稳定性。所以,微蠕变、应力松弛的测试方法只适合纯金属试样或者充分退火的合金试样的尺寸稳定性评价。(2) 采用残余应力的方法不能准确预测材料长期尺寸稳定性问题。时效析出带来的尺寸变化可能与残余应力方向并不完全一致,这必然带来很大的测试误差。
铝合金的尺寸稳定性可以通过冷热循环处理的技术手段加以提高,但作用有限,因为热处理主要解决了组织稳定问题,而相稳定问题解决得不充分。工程上还期望高弹性模量、低膨胀系数等综合性能指标。提升这些综合指标的唯一技术途径便是材料的复合技术。为保证材料的各向同性,颗粒增强复合材料是最佳的选择。但是铝合金中大量陶瓷颗粒的加入将带来位错结构、时效析出条件以及界面应力的变化,引起新的组织稳定、相稳定和应力稳定问题。必须探讨合理的设计方法。
陀螺仪、加速度计等高精度传感器的精度与精度稳定性取决于零件的尺寸稳定性,而不同的服役环境对尺寸稳定性的要求有所不同：
(1) 贮存条件下尺寸稳定性。在恒温(有些环境是变温)、无载荷环境下尺寸稳定,这反映的主要是材料的自发变形的内禀特性(与合金元素热振动相关的时效、析出、扩散以及应力松弛等)。
(2) 冲击振动环境下尺寸稳定。这种环境下要求零件弹性变形小,谐振频率高,高载荷下不发生不可逆变形、振动小等,为此对材料的要求是高比模量、高微屈服强度、高阻尼。
(3) 温度冲击环境下尺寸稳定。要求装置关键零件间的膨胀系数相匹配(减小零件间的错配应力、装配间隙变化),同时热导率要高(减小热惯性,缩短启动时间)。
材料的尺寸稳定性主要与材料的组织状态不稳定(点缺陷运动、线缺陷运动、面缺陷运动、体缺陷运动)、相不稳定(亚稳相转变、沉淀、析出)和残余内应力松弛有关,这些因素往往存在耦合效应。材料尺寸稳定性设计是从提高材料抵抗微小变形的能力和减小自身自发变形的趋势2个方面入手解决。
相对于铝合金而言,陶瓷增强体是稳定的,复合材料组织稳定性取决于基体铝合金的稳定性。
由式(1)可知,材料微应变与位错开动阻力有关。有文献报道,对于微米量级的增强体,随着增强体体积分数的增加和颗粒尺寸的减小,基体中的位错密度提高[13,14,15,16,17],同时复合材料的微屈服强度提高[15,16,17],这有利于材料尺寸稳定性的增加。
以往认为,退火消除残余应力是尺寸稳定性的有效手段,为验证这一观点,王秀芳[18]将与图1同一批次的SiC/2024Al复合材料充分退火处理去除应力,然后在恒温条件下保持100 h,没有发现尺寸变化,如图3[18]所示。但是将试样放入温度循环的环境下,便发生了1×10-5量级的变形(尺寸减小,如图1所示),这一变形数值在惯性仪表零件中是不允许的。
图3 退火态SiC/2024Al复合材料在160 ℃保温过程中的尺寸变化[
Fig.3 Dimensional changes of annealed SiC/2024Al composite during holding at 160 ℃[
(a) temperature-time curve
(b) strain-time curve
微观组织分析表明,退火处理后基体合金中的位错组织为长线状,开动阻力小,为调整这种组织可以经过固溶时效加冷热循环稳定化热处理,使之变成胞状位错结构,这种胞状位错结构组织状态下,微屈服强度可以提高30%以上[17]。理论和实验均表明,退火只能保证材料在恒温环境下的稳定性,而不能保证在温度变化情况下的稳定性,所以退火工艺不适用于精密仪表零件。
为研究复合材料相稳定问题,分别用时效型2024Al合金和1199纯Al制备了体积分数为45%的SiC/Al复合材料,将2种试样按照2024Al合金工艺规范进行固溶处理,然后立即放入热膨胀仪中时效,观察时效过程中的尺寸变化。图4[18]是2种复合材料时效过程中的尺寸变化的一组数据。可见,随着时效时间的延长,2种试样的尺寸均逐渐增加,SiC/1199Al试样累计尺寸变化量为1.50×10-4,而SiC/2024Al复合材料累计尺寸变化量达到3.67×10-4。由于1199Al无时效析出,其尺寸增加主要归因于淬火压应力的释放,而SiC/2024Al与SiC/1199Al试样尺寸变化的差值则主要来源于时效析出。
图4 淬火后SiC/2024Al和SiC/1199Al在160℃保温过程中的尺寸变化[
Fig.4 Dimensional changes of quenched SiC/2024Al and SiC/1199Al during holding at 160 ℃[
(a) temperature-time curve
(b) strain-time curves
值得注意的是,图4[18]所示复合材料时效过程中的尺寸变化与图2[11]所示的2024Al合金的时效尺寸变化趋势有所不同。这说明45%的SiC颗粒加入之后,由于Cu向界面富集,改变了基体合金的时效析出相的种类和数量。透射电镜分析表明,SiC/2024Al复合材料基体中析出相主要为Al2CuMg和Al2Cu。
目前的金属基复合材料大多采用现成牌号的铝合金作为基体,牌号铝合金的成分是根据时效强化需要而设计的,但是在复合材料的情况下,基体中加入45%的增强体,引入了大量界面,界面一方面成为基体中溶质原子的陷阱,吸收空位和溶质原子,抑制时效析出[19,20];另一方面通过发生界面反应,消耗溶质元素弱化时效析出[21,22,23],2种现象本质上都是改变了增强体附近的基体合金成分,使时效析出发生变化。这预示着,金属基复合材料需要根据性能目标要求设计专用的基体合金成分。
铝合金中加入的陶瓷增强体对复合材料的尺寸稳定性会起到2种截然相反的作用。一方面,高模量、低膨胀系数的陶瓷颗粒附近将产生巨大的残余应力,并且基体承受的是拉应力,这将引发复合材料的尺寸不稳定性。但另一方面,增强体的存在可以阻碍基体中的位错滑移,增加材料的尺寸稳定性。由此可见,复合材料的界面应力问题使得复合材料尺寸稳定性设计变得较为复杂,如何控制和平衡影响尺寸稳定性的有利因素和不利因素是一项关键性的工作。
对SiC/2024Al复合材料而言,Al和SiC之间的热膨胀系数相差约7倍,颗粒尺寸对残余应力的影响十分显著。取立方体有尖角的SiC颗粒模型对SiC/2024Al复合材料在160~-70 ℃循环3 cyc回到20 ℃时SiC颗粒附近的应力状态进行模拟,结果如图5所示。可见,颗粒承受压应力,基体承受拉应力。
图5 SiC/2024Al中的界面应力分布
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
与应力值相比,界面应力的分布更为重要。在相同体积分数下,增强体颗粒的尺寸减小意味着颗粒间距随之相应减小,单位体积内的颗粒数目呈三次方的关系增加,应力分布更加均匀,而且,应力影响区也相应大大减小,应力分布更加分散。界面应力集中的减弱无疑对尺寸稳定性是有利的。
这种界面应力状态对复合材料宏观屈服强度的影响不大,因为大变形过程中微观应力归一化到主应力的方向上与主应力相叠加发生宏观变形。但是对微屈服强度影响却是巨大的,微屈服强度是在试样微变形初始阶段的载荷值,存在拉应力的基体在很小的外加载荷触发下便会发生应力释放而显示出微屈服,复合材料颗粒尺寸较大时,微屈服强度可能低于基体铝合金,甚至出现“负应变现象”[24]。在接近服役环境的冷热循环条件下复合材料显示出尺寸不稳定,也与基体存在微观拉应力有关。
在增强体种类确定的前提下,复合材料微观应力稳定性设计问题可以从复合材料增强体的形状、尺寸、分布亦即从微观构型设计上入手解决。
任何的机械结构都由不同形状、不同材质的零件组合而成,配合零件间的热膨胀系数不同则会引起温度变化过程中产生热错配应力,改变装配间隙。不难估算,用膨胀系数为13×10-6 K-1的螺钉压紧2片2 mm厚的铝合金板,温度升高50 ℃时铝合金将发生大约2 μm的应变,这足以使零件发生导致精度失效的微变形。因此,希望不同试件之间的膨胀系数相匹配,以避免产生宏观热应力。
复合材料的热物理性能设计较为成熟,有几种理论模型可以借鉴来进行初步设计。
(1) 混合定律(ROM)[25]：
式中,αc、αm、αp分别为复合材料、基体及增强相的热膨胀系数;Vm、Vp分别为基体和增强相的体积分数。
式中,Km、Kp分别为基体和增强相的体积模量。
式中,Gm为基体的剪切模量。
考虑αp=αm/5且Al基体的体积模量和剪切模量分别为70和25 GPa,得到增强体体积分数与复合材料热膨胀系数的相关关系,如图6[28]所示。可以看到,通过调整增强相的体积分数,可以将复合材料的热膨胀系数控制在理想范围内。不同仪表结构对膨胀系数的要求是不同的,对于陀螺仪等精密仪表,膨胀系数设计主要考虑镶嵌轴承的配合问题。轴承钢的热膨胀系数约为12.5×10-6 K-1,由此可得,SiC/2024Al复合材料中SiC颗粒的体积分数需约42%~45%。
图6 由3种模型计算得到的SiC/2024Al复合材料的热膨胀系数[
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)[
基于上述尺寸稳定性原理,可以归纳出高尺寸稳定性复合材料的设计基本原则。复合材料微观构型主要取决于颗粒形状、尺寸和体积分数。现行的复合材料强度理论中大多包含体积分数和颗粒尺寸参数,但是注意到,这2者是存在耦合效应的,目前的文献对此考虑的不多。
相同体积分数下(例如45%),不同的颗粒尺寸将引起表面积、平均间隙、单位体积内的颗粒数目发生较大变化。本文采用弥散度(dispersion factor,DF)的概念来综合反映增强相的体积分数和颗粒尺寸这2个外部可控要素的耦合作用。
假设增强体颗粒为圆形,半径为r,且在基体中均匀分布,弥散度包含4种维度的含义[15]：DF0—单位体积内的增强体数目,反映了零维弥散度,计算式为
计算得出,复合材料中10和0.15 μm 2种颗粒增强体在体积分数45%条件下的弥散度如表2[15]所示。显而易见,同样在45%体积分数下,0.15 μm颗粒的表面积比10 μm的增加了65.9倍,单位体积的粒子数量增加了2.97×105倍。这种表面效应和体积效应给复合材料的微观组织带来了显著的影响：
(1) 组织稳定性。细小颗粒的膨胀量绝对值很小,在100 ℃温差下其数值与铝合金的1~2个原子间距相当,这样小的热错配量难以引发位错,而引起的是界面的弹性变形,从而使复合材料基体中线状位错稀少;高度弥散的颗粒增强体起到结晶异质形核的作用,同时又阻止晶粒长大。基体中见不到大角晶界,取而代之的为细小的纳米级亚晶组织;此外,纳米颗粒表面由于具有不完整性及高的活性,从而使得界面结合良好。这些将有利于材料组织稳定性提高,是获得高微屈服抗力的必要条件。
(2) 相稳定性。由于颗粒表面积巨大,界面吸附大量的淬火空位和溶质原子,析出变得困难;颗粒的间距小限制了析出相的长大,甚至改变基体中缺陷形态,形成微孪晶。这使材料获得了很高的相稳定性。
(3) 应力稳定性。在相同体积分数下,增强体颗粒尺寸减小后颗粒间隙随之减小,应力分布更加均匀,应力的影响区域也大大减小,应力分布更加弥散,如图6[28]所示。这种状态对提高尺寸稳定性是有利的。
表2 45%SiC/2024Al复合材料中增强体的弥散度计算举例[
Table 2 A calculation example of the dispersivity of reinforcement of 45%SiC/2024Al composites[
| Particle size μm | Dispersion parameter | |||
|---|---|---|---|---|
| DF0 | DF1 / m | DF2 / m2 | DF3 | |
| 10 | 8.59×1014 | 5.18×10-7 | 2.7×105 | 0.45 |
| 0.15 | 2.55×1020 | 7.68×10-9 | 1.8×107 | 0.45 |
图7[29]是一组代表性的颗粒增强铝基复合材料的透射电镜组织照片。图7a[29]为微米级颗粒强化时的情况,基体中可见大量的线状位错组织;图7b[29]所示的亚微米150 nm Al2O3和图7c[29]所示的150 nm SiC颗粒增强的复合材料基体组织中见不到常规的线状位错,而是出现微孪晶的缺陷形式。这种组织结构将带来十分优异的尺寸稳定性特性。
图7 不同颗粒尺寸下铝基复合材料基体组织形态[
Fig.7 Matrix morphologies of aluminum matrix composites reinforced with different particle sizes[
(a) 10 μm SiC/2024Al (b) 150 nm Al2O3/6061Al (c, d) 150 nm SiC/2024Al
颗粒尺寸减小、比表面积增加无疑提高了复合材料制备的难度,必须要采用新的技术方法给予解决。基于上述微观结构设计原理,并结合精密仪表对材料热膨胀、热导率、低密度、精密加工的要求,作者设计了仪表级、光学级SiC/2024Al复合材料,采用自排气压力浸渗专利技术实现了稳定的批量制备。仪表级SiC/2024Al复合材料的尺寸稳定性相关特性示于表3[30]和图8。表3[30]和图8中给出了仪表级SiC/2024Al复合材料(稳定化处理态)、2024铝合金(稳定化处理态)和俄罗斯RJY50 Be (退火态)的性能比较。通常处理工艺下2024铝合金的尺寸稳定性较SiC/2024Al复合材料低1个数量级左右,但经特殊稳定化工艺处理后,冷热循环实验条件下尺寸稳定性可优于退火态RJY50 Be。SiC/2024Al复合材料微屈服强度较RJY50 Be提高1倍多,冷热循环条件下的尺寸稳定性优于RJY50 Be材。国际上惯性器件材料最初一度使用铝合金,陀螺精度不高,20世纪70年代起出现了Be陀螺,较铝合金陀螺的精度提高经近1个数量级,极大地推动了惯性技术的发展。Be材用于高精度惯性仪表提高精度的作用原理首先是弹性模量高,可获得较高的固有频率,使得仪表结构不容易与运载器的振动相谐振;其次是膨胀系数接近轴承、禁锢螺钉,在温度变化过程中引起附加热应力小,装配间隙和装配应力的变化小,从而保证陀螺仪精度在逐次启动条件下保持稳定。仪表级复合材料的弹性模量高于铝合金一倍,同样结构形式下,一阶振动模态的谐振频率将提高1.4倍,低于Be材但是满足使用要求。振动模态是高精度仪表设计的重要指标,要求在2000 Hz以下的频率内不允许有谐振。以惯导平台台体为对象,分别对2024Al和仪表级SiC/2024Al复合材料台体进行了模态实验。台体在0~4100 Hz频率范围内的集总传递函数测试结果示于图9[31]。在惯性平台0~2000 Hz工作频率范围内2024Al台体出现谐振峰,而SiC/2024Al复合材料台体集总传递函数光滑,且谐振峰较少、振幅较低,说明采用仪表级SiC/2024Al复合材料能够有效避免台体自身模态被激起,进而有效改善惯性仪表工作环境。仪表级SiC/2024Al复合材料用于高精度的仪表零件的优势在于：一是微屈服强度高,有较高的抵抗外界应力而不发生微屈服的能力;其次,冷热循环条件下尺寸稳定。另外,金属基复合材料的热膨胀系数可以精确调整到与轴承钢一致 (本文介绍的仪表级复合材料热膨胀系数与轴承钢的匹配度为96%以上,高于Be材的86%和2024Al合金的69%),这样在温度变化的使用环境下,仪表的精度稳定性将优于Be陀螺。
Table 3 Comparisons of dimensional stability of different materials[
| Materal | Density gcm-3 | Thermal expansion coefficient 10-6 K-1 | Thermal conductivity Wm-1K-1 | Elastic modulus GPa | Yield strength MPa | Micro yield strength MPa | Thermal cycle stability 10-5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Instrument level SiC/2024Al | 2.90 | 11~13 | 130~150 | 145~150 | >420 | >220 | 0.8~1.0 |
| Optical grade SiC/2024Al | 2.97 | 9~11 | >130 | >160 | - | 277 | 0.5~1.0 |
| RJY50 Be | 1.85 | 11.8 | >150 | 309 | 240 | ~100 | >7 |
| 2024Al | 1.85 | 23 | 150 | 71 | 345 | <120 | 2~6 |
| GCr15 | 7.81 | 13.3 | 36.7 | 212 | 1700 |
图8 冷热循环条件下仪表级SiC/2024Al复合材料与传统材料尺寸稳定性对比
Fig.8 Comparisons of dimensional stability of instrument-grade SiC/2024Al composites and traditional materials during thermal-cold cycling
图9 ZL107铝合金和SiC/2024Al复合材料台体集总传递函数[
Fig.9 Lumped transfer functions of ZL107 aluminum alloy (a) and SiC/2024Al composites (b) (f—frequency)[
在20世纪50年代,美国和前苏联等国在惯性仪表的结构零件中主要使用铝合金,20世纪60年代开始采用Be材,1985年出现仪表级SiC/2024Al复合材料用于导弹惯性测量元件的报导,目前在高精度陀螺仪等惯性器件上仍然以使用Be材为主。
图10为仪表级SiC/2024Al复合材料应用于高精度液浮陀螺仪的零件照片,这种液浮陀螺样机的精度测试表明,“最高精度已经优于国外Be陀螺的精度水平”。这一结果从实践上验证了SiC/2024Al复合材料尺寸稳定性设计原理与方法的正确性,证明了采用仪表级SiC/2024Al复合材料在惯性仪表上提高精度的可行性和有效性。
图10 仪表级SiC/2024Al复合材料陀螺仪零件
Fig.10 Instrument grade SiC/2024Al composites gyroscope parts
图11为光学级SiC/2024Al复合材料制造的高分辨率光学相机零件照片,替代了因瓦合金。因瓦合金属于超低膨胀精密合金,其极低的膨胀系数(约为1.5×10-6 K-1)是一大特色,但是,过低的热膨胀系数与转动轴承、禁锢螺钉(12×10-6~13×10-6 K-1)并不匹配,在温度变化过程中容易引起错配应力,改变装配间隙和装配应力。另外,该材料的比刚度低,仅为17.1 GPa·cm3/g,远低于光学级复合材料(51.0 GPa·cm3/g),这对冲击振动下的精度保持是不利的。采用光学级SiC/2024Al之后,直接减重18.9 kg,成像精度提高20%,显示出复合材料稳定性设计的有效性。
图12为仪表级SiC/2024Al复合材料替代钛合金用于电推系统转向机构的零件照片。SiC/2024Al复合材料与钛合金相比,密度低35%,弹性模量高36%,导热系数高22倍,在空间结构上显示出优异的使用性能。在本机械装置中较钛合金构件减重35%,输出力矩提升53%,谐振频率增加十几倍,消除了与卫星谐振的可能性。
图12 仪表级SiC/2024Al复合材料空间推进器转向机构零件
Fig.12 Instrument-grade SiC/2024Al composites steering parts for spacecraft propulsion
材料尺寸稳定性是有别于温度稳定、热稳定的物理现象,广泛存在于精密仪器、精密轴承等零件中,影响着设备的精度及其可靠性。
冷热循环实时检测法评价材料在无应力载荷下的尺寸稳定性快捷可靠,采用该方法发现了铝合金相稳定现象,为复合材料稳定化设计和材料稳定化热处理工艺提供了指导;本研究基于相稳定、组织稳定、微观应力稳定以及膨胀系数匹配等基本原理的研究,研制成功仪表级、光学级SiC/Al复合材料,在实际应用中显示出显著的精度提升效果。
材料尺寸稳定性是材料的一项内禀特性,影响因素十分复杂,而长期以来的基础研究十分薄弱,基本原理并不清晰,材料尺寸稳定性研究在诸多的结构材料上属于空白,在微观缺陷作用机制、组织演化、析出效应、合金成分精细化设计等方面的研究势在必行。
The authors have declared that no competing interests exist.
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