【摘 要】
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连续SiC纤维增强Ti基复合材料是新一代理想的高温结构材料,其比模量、比强度高,耐腐蚀和疲劳等性能突出,在航空发动机领域有着广阔的应用前景。Ti2AlNb合金是一种能在600℃~750℃范围内使用的O相合金,以Ti2AlNb合金为基体的SiCf/Ti2AlNb复合材料,有望成为航空发动机的传动轴、整体叶环、风扇叶片等结构件的候选材料。本论文采用磁控溅射先驱丝法并结合热等静压工艺制备了SiCf/Ti
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连续SiC纤维增强Ti基复合材料是新一代理想的高温结构材料,其比模量、比强度高,耐腐蚀和疲劳等性能突出,在航空发动机领域有着广阔的应用前景。Ti2AlNb合金是一种能在600℃~750℃范围内使用的O相合金,以Ti2AlNb合金为基体的SiCf/Ti2AlNb复合材料,有望成为航空发动机的传动轴、整体叶环、风扇叶片等结构件的候选材料。本论文采用磁控溅射先驱丝法并结合热等静压工艺制备了SiCf/Ti2AlNb复合材料,对其界面反应及热稳定性,室、高温拉伸性能,室、高温疲劳性能及其损伤机制进行了综合研究。主要研究结论如下:(1)SiCf/Ti2AlNb复合材料在热等静压成型过程中,元素的互扩散在界面处形成了Ti C反应层。在650℃、700℃、750℃和800℃分别进行25h、100h、200h、300h热暴露处理后,Ti C反应层的厚度随着热暴露温度和时间的增加而增加,且由于元素扩散在界面层形成了Ti Si2、Nb Si2相。SiCf/Ti2AlNb复合材料的界面长大激活能为24.27k J/mol,表明在700℃及以下温度中界面能够保持持久的稳定性。(2)SiCf/Ti2AlNb复合材料的室温、高温的拉伸性能优异,纤维发挥了良好的强化作用。室温拉伸时,基体优先产生裂纹,随着载荷的增加,基体中的裂纹长度和裂纹数量增加。随后,纤维和基体断裂形成断裂面,复合材料内部的损伤逐渐加剧,多个断面交汇导致复合材料瞬间断裂。室温拉伸断裂机制为:C涂层/反应层界面开裂、纤维一次断裂和纤维二次断裂、基体多次断裂、纤维拔出、纤维桥连。SiCf/Ti2AlNb复合材料的高温拉伸断口形貌特征及断裂机制与室温时具有较大的区别,高温拉伸断裂机制为:反应层多次断裂、纤维多次断裂、纤维拔出、W芯“拔出”、纤维/基体界面脱粘、基体断裂。(3)SiCf/Ti2AlNb复合材料的室温和高温疲劳寿命随着循环加载应力的增加而下降。复合材料的疲劳裂纹萌生位置主要包括包套表面裂纹萌生、纤维裂纹萌生、基体裂纹萌生、纤维和基体界面裂纹萌生。室温下,在循环加载应力σmax≥1300MPa时,复合材料的疲劳失效由纤维断裂主导;在中等循环应力(1000~1200MPa)时,复合材料的失效由纤维断裂、基体断裂共同主导;在σmax≤900MPa时复合材料的疲劳失效由纤维桥连机制主导。高温下,复合材料的疲劳失效机制主要是纤维累积损伤断裂。
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