武高輝, 喬菁, 姜龍濤

哈爾濱工業大學材料科學與工程學院 哈爾濱 150001

摘要

關鍵詞： 尺寸穩定性 ; 金屬基復合材料 ; 評價方法 ; 復合材料設計

材料的尺寸變化是無時不在、無時不有的自然現象,是材料本身的一種經時變化行為。材料在長期貯存或者服役環境下保持原始尺寸不變的能力稱之為材料的尺寸穩定性。

陀螺儀、加速度計、星敏感器等設備是角度、速度、位置的傳感器,決定了導彈、衛星等飛行器的定位精度,這些精密儀器的精度對零件的微變形十分敏感,有計算表明,陀螺電機轉子的質心偏移0.1 μm,陀螺漂移將產生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定性性能直接制約。技術先進國家普遍對材料尺寸穩定性問題十分重視,前蘇聯經過長期大范圍的研究,20世紀70年代初便制定了金屬材料尺寸穩定化處理工藝國家標準。我國的研究報道十分稀少,這與工程技術發展總體水平有關,與研究難度大、評價方法不健全也有關系。長期以來,研究者大多將研究側重點放在了材料或者復雜零件的殘余應力的檢測與處理上,實際效果十分有限。

在研究者沒有找到材料尺寸穩定性加速測試方法之前,美國和前蘇聯采用微屈服強度和微蠕變抗力評價材料尺寸穩定性,這種方法可以評價材料在應力短時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,發現了材料的組織不穩定相關因素,例如通過熱處理、預拉伸變形等手段調整晶粒尺寸、位錯結構等,前蘇聯的穩定化處理工藝標準也是基于組織穩定性原理而制定的。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生“逐次漂移”的現象,認為是每次啟停時零件經受高低溫循環的激勵而誘發的材料變形。隨之發明了模擬溫度變化條件的固體材料尺寸穩定性評價方法[1],評價試樣在無應力作用、單純溫度循環過程中材料的尺寸穩定性。這種新方法的誕生發現了材料相穩定問題、材料組織穩定問題以及相穩定各向異性等問題。以往研究者更多關注的是殘余應力對微變形的影響,但消除應力處理并不能解決零件微變形問題。新測試方法發現材料在充分退火之后,在溫度循環條件下仍會發生嚴重的微變形。分析認為,主要與時效、析出等熱力學驅動因素有關。也就是說,材料的內稟因素才是導致零件在貯存和服役過程中發生微變形的本質性原因,而殘余應力僅僅是誘發微變形的外部因素之一。

對于金屬基復合材料尺寸穩定性設計,關鍵問題首先是基體鋁合金在非受力和受力狀態下微變形機理的分析問題;其次,鋁合金與陶瓷相復合可以提升強度與剛度,但是陶瓷相的加入必然引入新的界面應力,導致尺寸穩定性下降,研究者要揭示這一矛盾關系并提出解決這一矛盾的辦法。

1 尺寸穩定性基本概念及其表征方法

1.1 尺寸穩定性的概念

“尺寸穩定性”的概念在我國的材料工程教科書中未見介紹,常常與“溫度穩定”和“熱穩定”相混淆。尺寸穩定性是指在長期貯存(幾年、十幾年)或者服役(溫度循環、振動、沖擊、輻照等)環境下,材料或零件保持其原始尺寸和形狀不變的能力。尺寸穩定性與熱膨脹變形、熱穩定性、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生的可逆變形,用熱膨脹系數(α)與溫度變化幅度(ΔT)的乘積αΔT表征,這是材料溫度穩定性的問題,熱膨脹變形可預測,可以在結構設計和控制程序中加以補償;熱穩定性用材料的導熱率(λ)與α之比(λ/α)來表征,比值越大,熱穩定性越好,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力作用下發生彈性變形的性質,用柔度系數(S,即彈性模量的倒數(1/E))與應力幅度(Δσ?的乘積S?σ表征,這是可恢復、可預測的變形,也可以在設計中補償。材料尺寸穩定性要復雜得多,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生的不可逆微變形。通常采用試樣或者零件經過存放(恒溫、變溫)或服役(變溫、振動、沖擊、輻照等)環境暴露前后,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境下連續檢測半年甚至幾年的尺寸變化,這種方法直觀但是實驗周期太長。

1.2 尺寸穩定性的表征方法

Хенкин等[2]將材料的尺寸穩定性特征與服役條件相關聯,分為負載作用下的尺寸穩定性和無負載作用下的尺寸穩定性2大類。

負載條件下材料尺寸穩定性主要用微屈服強度[3,4,5,6,7,8]、應力松弛極限及微蠕變抗力[2,3]來表征。微屈服強度指材料拉伸時產生10-6數量級不可逆變形時所對應的應力。微屈服強度的標準測試方法為加載-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價[8]。微屈服強度反映的是材料在短時負載下的微塑性變形抗力,它不能表征材料的組織不穩定與相不穩定對尺寸變化的影響。應力松弛極限及微蠕變抗力(也稱之為微蠕變強度)是表征長期低應力負載作用下材料微塑性變形抗力的指標。實際操作中,需要對溫度、濕度、電壓、振動、儀器數據漂移等因素嚴格掌控,由于實驗載荷小、精度高、時間長帶來諸多不確定因素,特別是對于時效析出型合金會出現變形假象,只有對純金屬或者充分退火的合金才能獲得可靠的數據。

無負載條件下的尺寸穩定性以往在國際上廣泛采用測試殘余應力的方法來評價。但是,不同材料或者同種材料經不同熱處理工藝后其微屈服強度,亦即抵抗應力松弛的能力不同,因此同樣殘余應力水平下實際微變形的特征大不相同。測試殘余應力并不能準確預測材料尤其是復雜零件的微變形規律。

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

陀螺儀多次啟停后會產生“逐次漂移”,其數值較隨機漂移大1~2個數量級。作者分析認為,陀螺儀每次啟停都要經受20~70 ℃的高低溫循環,很多高精度儀器儀表在貯存和服役過程中都要承受室內外、晝夜、四季、空間陰陽面等溫度循環過程,其精度漂移很可能是這種溫度變化激勵作用誘發材料變形所導致的。本文作者等[1]提出了一種溫度循環條件下材料尺寸穩定性評價方法——冷熱循環實時檢測法,這種方法是通過拓展熱膨脹儀的功能來實現的。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變化,監測試樣在冷熱循環過程中的尺寸改變,采集每次循環到20 ℃時試樣的實際尺寸,將尺寸變化對循環次數作圖,即可得到試樣在溫度循環條件下的尺寸穩定性特性。圖1所示為SiC/2024Al復合材料T6態試樣經-20 ℃到+60 ℃循環10 cyc所測得的尺寸變化。圖1a為溫度控制曲線,圖1b為每次溫度循環后在20 ℃采集的尺寸變化數據。可見,T6處理后復合材料試樣在溫度循環條件下尺寸縮小,循環10 cyc后尺寸縮小的絕對值約為1×10-5,相當于100 mm長的圓棒縮短了1 μm。

圖1   T6態SiC/2024Al復合材料在-20~60 ℃之間循環時的溫度-時間曲線和尺寸變化-循環次數曲線

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)

冷熱循環實時測試法,是一種能夠模擬材料服役條件的加速實驗方法,測試數據反映出材料組織變化、沉淀析出、相變以及應力松弛等內稟變形機制的綜合耦合作用結果。該方法的實驗周期僅為2~3 d。利用該測試方法首次發現了微蠕變、應力松弛等測試方法無法發現的諸如時效析出不同析出相引起尺寸變化的相穩定等問題。

2 鋁合金的尺寸穩定性研究進展

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

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

式中,ε為應變;c為常數,約等于0.5;ρ為可動位錯源的密度;d為晶粒尺寸;σ為外部施加的應力;σo為第一個位錯開動所需的應力;G為切變模量。式(1)所表征的是以位錯運動為主要理論依據的尺寸穩定性問題,是一種組織穩定問題。可以看出,通過減小可動位錯源密度,增加位錯的運動阻力,減小可動位錯的運動距離,以及減小晶粒尺寸,有助于改善微變形特性。

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

作者分析了2024Al合金時效過程中的尺寸變化。實驗設計為：將材料加工成熱膨脹試樣,進行固溶處理之后立即放入膨脹儀中在時效溫度下保持,觀察時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果。采用冷熱循環尺寸穩定性測試方法,發現了軋制鋁合金尺寸穩定性各向異性的嚴重性。沿不同軋向的尺寸變化與織構演化有關,這是組織穩定的問題;另一方面,發現Al2CuMg相的析出,加重了軋向的尺寸縮小,這屬于相穩定范疇。

圖2   2024Al合金板材不同方向190 ℃時效時尺寸變化曲線[11]

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

相穩定性是與析出相析出過程相關的。析出相與原基體Al的比容不同,相析出時促使晶格常數變化從而發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。這組數據不能定量給出析出相析出之后材料尺寸變化,但是可以預見其規律會是很復雜的。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Al中溶質濃度的變化也會引起體積膨脹,有引起試樣尺寸增加的趨勢,所以,鋁合金的相穩定性與合金成分的微小變化、合金的預處理等因素有關。即便是同樣的2024Al合金,因預處理條件不同或者成分的偏差均會導致析出相種類、數量和析出順序不同,因此會引起材料宏觀的尺寸增大,或者減小。

通常經過時效處理、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一步析出導致的尺寸變化,但是,材料中合金元素的擴散、聚集、析出這一熱力學過程始終存在,析出相比容變化帶來的尺寸不穩定問題依然不能徹底解決,穩定與否的判定取決于零件的精度等級要求。

材料相穩定性問題的發現解釋了工程界的幾項疑問：(1) 采用微蠕變難以準確評價合金的尺寸穩定性問題。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。在長時間測量過程中,在拉伸(或者壓縮)載荷下試樣有時不僅不會伸長(縮短),反而縮短(伸長),這種長度變化與應力方向相反的現象便是第二相析出造成的,這種情況下無法正確評價材料的尺寸穩定性。所以,微蠕變、應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定性評價。(2) 采用殘余應力的方法不能準確預測材料長期尺寸穩定性問題。時效析出帶來的尺寸變化可能與殘余應力方向并不完全一致,這必然帶來很大的測試誤差。

3 復合材料尺寸穩定性設計原理

鋁合金的尺寸穩定性可以通過冷熱循環處理的技術手段加以提高,但作用有限,因為熱處理主要解決了組織穩定問題,而相穩定問題解決得不充分。工程上還期望高彈性模量、低膨脹系數等綜合性能指標。提升這些綜合指標的唯一技術途徑便是材料的復合技術。為保證材料的各向同性,顆粒增強復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結構、時效析出條件以及界面應力的變化,引起新的組織穩定、相穩定和應力穩定問題。必須探討合理的設計方法。

3.1 尺寸穩定設計目標分析

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

(1) 貯存條件下尺寸穩定性。在恒溫(有些環境是變溫)、無載荷環境下尺寸穩定,這反映的主要是材料的自發變形的內稟特性(與合金元素熱振動相關的時效、析出、擴散以及應力松弛等)。

(2) 沖擊振動環境下尺寸穩定。這種環境下要求零件彈性變形小,諧振頻率高,高載荷下不發生不可逆變形、振動小等,為此對材料的要求是高比模量、高微屈服強度、高阻尼。

(3) 溫度沖擊環境下尺寸穩定。要求裝置關鍵零件間的膨脹系數相匹配(減小零件間的錯配應力、裝配間隙變化),同時熱導率要高(減小熱慣性,縮短啟動時間)。

材料的尺寸穩定性主要與材料的組織狀態不穩定(點缺陷運動、線缺陷運動、面缺陷運動、體缺陷運動)、相不穩定(亞穩相轉變、沉淀、析出)和殘余內應力松弛有關,這些因素往往存在耦合效應。材料尺寸穩定性設計是從提高材料抵抗微小變形的能力和減小自身自發變形的趨勢2個方面入手解決。

3.2 復合材料組織穩定性設計問題

相對于鋁合金而言,陶瓷增強體是穩定的,復合材料組織穩定性取決于基體鋁合金的穩定性。

由式(1)可知,材料微應變與位錯開動阻力有關。有文獻報道,對于微米量級的增強體,隨著增強體體積分數的增加和顆粒尺寸的減小,基體中的位錯密度提高[13,14,15,16,17],同時復合材料的微屈服強度提高[15,16,17],這有利于材料尺寸穩定性的增加。

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

圖3   退火態SiC/2024Al復合材料在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組織為長線狀,開動阻力小,為調整這種組織可以經過固溶時效加冷熱循環穩定化熱處理,使之變成胞狀位錯結構,這種胞狀位錯結構組織狀態下,微屈服強度可以提高30%以上[17]。理論和實驗均表明,退火只能保證材料在恒溫環境下的穩定性,而不能保證在溫度變化情況下的穩定性,所以退火工藝不適用于精密儀表零件。

3.3 復合材料相穩定性設計問題

為研究復合材料相穩定問題,分別用時效型2024Al合金和1199純Al制備了體積分數為45%的SiC/Al復合材料,將2種試樣按照2024Al合金工藝規范進行固溶處理,然后立即放入熱膨脹儀中時效,觀察時效過程中的尺寸變化。圖4[18]是2種復合材料時效過程中的尺寸變化的一組數據?？梢?隨著時效時間的延長,2種試樣的尺寸均逐漸增加,SiC/1199Al試樣累計尺寸變化量為1.50×10-4,而SiC/2024Al復合材料累計尺寸變化量達到3.67×10-4。由于1199Al無時效析出,其尺寸增加主要歸因于淬火壓應力的釋放,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]所示復合材料時效過程中的尺寸變化與圖2[11]所示的2024Al合金的時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效析出相的種類和數量。透射電鏡分析表明,SiC/2024Al復合材料基體中析出相主要為Al2CuMg和Al2Cu。

目前的金屬基復合材料大多采用現成牌號的鋁合金作為基體,牌號鋁合金的成分是根據時效強化需要而設計的,但是在復合材料的情況下,基體中加入45%的增強體,引入了大量界面,界面一方面成為基體中溶質原子的陷阱,吸收空位和溶質原子,抑制時效析出[19,20];另一方面通過發生界面反應,消耗溶質元素弱化時效析出[21,22,23],2種現象本質上都是改變了增強體附近的基體合金成分,使時效析出發生變化。這預示著,金屬基復合材料需要根據性能目標要求設計專用的基體合金成分。

3.4 復合材料的微觀應力穩定問題

鋁合金中加入的陶瓷增強體對復合材料的尺寸穩定性會起到2種截然相反的作用。一方面,高模量、低膨脹系數的陶瓷顆粒附近將產生巨大的殘余應力,并且基體承受的是拉應力,這將引發復合材料的尺寸不穩定性。但另一方面,增強體的存在可以阻礙基體中的位錯滑移,增加材料的尺寸穩定性。由此可見,復合材料的界面應力問題使得復合材料尺寸穩定性設計變得較為復雜,如何控制和平衡影響尺寸穩定性的有利因素和不利因素是一項關鍵性的工作。

對SiC/2024Al復合材料而言,Al和SiC之間的熱膨脹系數相差約7倍,顆粒尺寸對殘余應力的影響十分顯著。取立方體有尖角的SiC顆粒模型對SiC/2024Al復合材料在160~-70 ℃循環3 cyc回到20 ℃時SiC顆粒附近的應力狀態進行模擬,結果如圖5所示。可見,顆粒承受壓應力,基體承受拉應力。

圖5   SiC/2024Al中的界面應力分布

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

與應力值相比,界面應力的分布更為重要。在相同體積分數下,增強體顆粒的尺寸減小意味著顆粒間距隨之相應減小,單位體積內的顆粒數目呈三次方的關系增加,應力分布更加均勻,而且,應力影響區也相應大大減小,應力分布更加分散。界面應力集中的減弱無疑對尺寸穩定性是有利的。

這種界面應力狀態對復合材料宏觀屈服強度的影響不大,因為大變形過程中微觀應力歸一化到主應力的方向上與主應力相疊加發生宏觀變形。但是對微屈服強度影響卻是巨大的,微屈服強度是在試樣微變形初始階段的載荷值,存在拉應力的基體在很小的外加載荷觸發下便會發生應力釋放而顯示出微屈服,復合材料顆粒尺寸較大時,微屈服強度可能低于基體鋁合金,甚至出現“負應變現象”[24]。在接近服役環境的冷熱循環條件下復合材料顯示出尺寸不穩定,也與基體存在微觀拉應力有關。

在增強體種類確定的前提下,復合材料微觀應力穩定性設計問題可以從復合材料增強體的形狀、尺寸、分布亦即從微觀構型設計上入手解決。

3.5 復合材料的熱膨脹設計問題

任何的機械結構都由不同形狀、不同材質的零件組合而成,配合零件間的熱膨脹系數不同則會引起溫度變化過程中產生熱錯配應力,改變裝配間隙。不難估算,用膨脹系數為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 ℃時鋁合金將發生大約2 μm的應變,這足以使零件發生導致精度失效的微變形。因此,希望不同試件之間的膨脹系數相匹配,以避免產生宏觀熱應力。

復合材料的熱物理性能設計較為成熟,有幾種理論模型可以借鑒來進行初步設計。

(1) 混合定律(ROM)[25]：

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

式中,αc、αm、αp分別為復合材料、基體及增強相的熱膨脹系數;Vm、Vp分別為基體和增強相的體積分數。

(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,得到增強體體積分數與復合材料熱膨脹系數的相關關系,如圖6[28]所示?？梢钥吹?通過調整增強相的體積分數,可以將復合材料的熱膨脹系數控制在理想范圍內。不同儀表結構對膨脹系數的要求是不同的,對于陀螺儀等精密儀表,膨脹系數設計主要考慮鑲嵌軸承的配合問題。軸承鋼的熱膨脹系數約為12.5×10-6 K-1,由此可得,SiC/2024Al復合材料中SiC顆粒的體積分數需約42%~45%。

圖6   由3種模型計算得到的SiC/2024Al復合材料的熱膨脹系數[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 復合材料尺寸穩定性設計及應用

基于上述尺寸穩定性原理,可以歸納出高尺寸穩定性復合材料的設計基本原則。復合材料微觀構型主要取決于顆粒形狀、尺寸和體積分數?，F行的復合材料強度理論中大多包含體積分數和顆粒尺寸參數,但是注意到,這2者是存在耦合效應的,目前的文獻對此考慮的不多。

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

假設增強體顆粒為圓形,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—單位體積內的增強體數目,反映了零維彌散度,計算式為 $?{?}_0=\raisebox{1ex}{$27$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$80\mathrm{\pi }{?}^3$}\right.$;DF1—單位體積內的增強體平均間隙,反映了一維彌散度,計算式為 $?{?}_1=\left(\raisebox{1ex}{$2\sqrt[3]{\mathrm{\pi }{?}^3}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.-2\right)?$;DF2—單位體積內的增強體總表面積,反映了二維彌散度,計算式為 $?{?}_2=\raisebox{1ex}{$27$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$20?$}\right.$;DF3—單位體積內的增強體體積分數,反映了三維彌散度。

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

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

(2) 相穩定性。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,形成微孿晶。這使材料獲得了很高的相穩定性。

(3) 應力穩定性。在相同體積分數下,增強體顆粒尺寸減小后顆粒間隙隨之減小,應力分布更加均勻,應力的影響區域也大大減小,應力分布更加彌散,如圖6[28]所示。這種狀態對提高尺寸穩定性是有利的。

圖7[29]是一組代表性的顆粒增強鋁基復合材料的透射電鏡組織照片。圖7a[29]為微米級顆粒強化時的情況,基體中可見大量的線狀位錯組織;圖7b[29]所示的亞微米150 nm Al2O3和圖7c[29]所示的150 nm SiC顆粒增強的復合材料基體組織中見不到常規的線狀位錯,而是出現微孿晶的缺陷形式。這種組織結構將帶來十分優異的尺寸穩定性特性。

圖7   不同顆粒尺寸下鋁基復合材料基體組織形態[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合材料制備的難度,必須要采用新的技術方法給予解決。基于上述微觀結構設計原理,并結合精密儀表對材料熱膨脹、熱導率、低密度、精密加工的要求,作者設計了儀表級、光學級SiC/2024Al復合材料,采用自排氣壓力浸滲專利技術實現了穩定的批量制備。儀表級SiC/2024Al復合材料的尺寸穩定性相關特性示于表3[30]和圖8。表3[30]和圖8中給出了儀表級SiC/2024Al復合材料(穩定化處理態)、2024鋁合金(穩定化處理態)和俄羅斯RJY50 Be (退火態)的性能比較。通常處理工藝下2024鋁合金的尺寸穩定性較SiC/2024Al復合材料低1個數量級左右,但經特殊穩定化工藝處理后,冷熱循環實驗條件下尺寸穩定性可優于退火態RJY50 Be。SiC/2024Al復合材料微屈服強度較RJY50 Be提高1倍多,冷熱循環條件下的尺寸穩定性優于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70年代起出現了Be陀螺,較鋁合金陀螺的精度提高經近1個數量級,極大地推動了慣性技術的發展。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,使得儀表結構不容易與運載器的振動相諧振;其次是膨脹系數接近軸承、禁錮螺釘,在溫度變化過程中引起附加熱應力小,裝配間隙和裝配應力的變化小,從而保證陀螺儀精度在逐次啟動條件下保持穩定。儀表級復合材料的彈性模量高于鋁合金一倍,同樣結構形式下,一階振動模態的諧振頻率將提高1.4倍,低于Be材但是滿足使用要求。振動模態是高精度儀表設計的重要指標,要求在2000 Hz以下的頻率內不允許有諧振。以慣導平臺臺體為對象,分別對2024Al和儀表級SiC/2024Al復合材料臺體進行了模態實驗。臺體在0~4100 Hz頻率范圍內的集總傳遞函數測試結果示于圖9[31]。在慣性平臺0~2000 Hz工作頻率范圍內2024Al臺體出現諧振峰,而SiC/2024Al復合材料臺體集總傳遞函數光滑,且諧振峰較少、振幅較低,說明采用儀表級SiC/2024Al復合材料能夠有效避免臺體自身模態被激起,進而有效改善慣性儀表工作環境。儀表級SiC/2024Al復合材料用于高精度的儀表零件的優勢在于：一是微屈服強度高,有較高的抵抗外界應力而不發生微屈服的能力;其次,冷熱循環條件下尺寸穩定。另外,金屬基復合材料的熱膨脹系數可以精確調整到與軸承鋼一致 (本文介紹的儀表級復合材料熱膨脹系數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境下,儀表的精度穩定性將優于Be陀螺。

表3不同材料的尺寸穩定性比較[30]

圖8   冷熱循環條件下儀表級SiC/2024Al復合材料與傳統材料尺寸穩定性對比

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復合材料臺體集總傳遞函數[31]

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

5 SiC/2024Al復合材料的應用及其效果

在20世紀50年代,美國和前蘇聯等國在慣性儀表的結構零件中主要使用鋁合金,20世紀60年代開始采用Be材,1985年出現儀表級SiC/2024Al復合材料用于導彈慣性測量元件的報導,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SiC/2024Al復合材料應用于高精度液浮陀螺儀的零件照片,這種液浮陀螺樣機的精度測試表明,“最高精度已經優于國外Be陀螺的精度水平”。這一結果從實踐上驗證了SiC/2024Al復合材料尺寸穩定性設計原理與方法的正確性,證明了采用儀表級SiC/2024Al復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SiC/2024Al復合材料陀螺儀零件

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

圖11為光學級SiC/2024Al復合材料制造的高分辨率光學相機零件照片,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(約為1.5×10-6 K-1)是一大特色,但是,過低的熱膨脹系數與轉動軸承、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配應力,改變裝配間隙和裝配應力。另外,該材料的比剛度低,僅為17.1 GPa·cm3/g,遠低于光學級復合材料(51.0 GPa·cm3/g),這對沖擊振動下的精度保持是不利的。采用光學級SiC/2024Al之后,直接減重18.9 kg,成像精度提高20%,顯示出復合材料穩定性設計的有效性。

圖11   SiC/2024Al復合材料光學相機零件

Fig.11   SiC/2024Al composites optical camera parts

圖12為儀表級SiC/2024Al復合材料替代鈦合金用于電推系統轉向機構的零件照片。SiC/2024Al復合材料與鈦合金相比,密度低35%,彈性模量高36%,導熱系數高22倍,在空間結構上顯示出優異的使用性能。在本機械裝置中較鈦合金構件減重35%,輸出力矩提升53%,諧振頻率增加十幾倍,消除了與衛星諧振的可能性。

圖12   儀表級SiC/2024Al復合材料空間推進器轉向機構零件

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

6 結論

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

冷熱循環實時檢測法評價材料在無應力載荷下的尺寸穩定性快捷可靠,采用該方法發現了鋁合金相穩定現象,為復合材料穩定化設計和材料穩定化熱處理工藝提供了指導;本研究基于相穩定、組織穩定、微觀應力穩定以及膨脹系數匹配等基本原理的研究,研制成功儀表級、光學級SiC/Al復合材料,在實際應用中顯示出顯著的精度提升效果。

材料尺寸穩定性是材料的一項內稟特性,影響因素十分復雜,而長期以來的基礎研究十分薄弱,基本原理并不清晰,材料尺寸穩定性研究在諸多的結構材料上屬于空白,在微觀缺陷作用機制、組織演化、析出效應、合金成分精細化設計等方面的研究勢在必行。

來源--金屬學報