航空梯度材料制备工艺的优化设计

航空梯度材料制备工艺的优化设计3

何金徕,孙　秦

(西北工业大学航空学院,西安710072)

摘要 采用薄片叠层法制备了SUS304/ZrO 2梯度材料,对不同成分梯度层的收缩率和临界降温速率进行了工艺优化。结果表明,控制添加剂的加入量使各梯度层的线收缩率一致,用第三冲击因子估算的临界平均降温速率为1.73℃/min ,可以避免缺陷的产生。1350℃真空烧结制得的梯度材料外观平整,成分呈梯度变化,界面结合良好,层间结合强度达187.3MPa ,可以满足航空技术对梯度材料的要求。

关键词 航空梯度材料　薄片叠层法　收缩率　降温速率中图分类号:V256;TB333

Optimum Design of F abrication for Aeronautical G raded Materials

H E Jinlai ,SUN Qin

(School of Aeronautics ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an 710072)

Abstract SUS304/ZrO 2gradient materials are fabricated by laminated shim techniques.Shrinkages of graded layers with various components and the critical cooling rate are optimized.Results show that shrinkages of graded la 2yers with various components are uniform by controlling adding amount of additives.The critical cooling rate is 1.73℃/min using the third impact factor ,it can avoid detects.SUS304/ZrO 2gradient material with graded compo 2nents and better bonding at interlayers is obtained after sintered at 1350℃.Interfacial bonding strength of gradient material can reach 187.3MPa which can meet the requirements of aeronautic technology.

K ey w ords aeronautical graded materials ,laminated shim techniques ,shrinkage ,cooling rate

　3航空支撑基金资助项目(CB10003)

　何金徕:男,博士研究生,研究方向为飞行器结构及材料设计　E 2mail :hejinlai.nwpu @

航空材料的制备技术是航空3大关键技术之一[1],其中

用于飞行器、航空发动机以及涡轮盘等领域的材料要求同时具有较高的强度和承受大温差的能力[2],单一材料已不能满足实际的需要,有研究者提出使用金属/陶瓷层状复合材料[3],但在高温情况下由于热膨胀系数的不同会在界面处产生内应力,引起脱落、剥离等破坏性问题。而金属/陶瓷梯度材料[4](G radient materials )由于其成分随厚度梯度变化,没有明显界面,从而缓和了热应力,并具有隔热性、高热传导率和

强韧性等[5]

。制备金属/陶瓷梯度材料的方法很多,如气相沉积法[6]、粉末冶金法[7]、离心铸造法[8]和电沉积法[9]等。其中薄片叠层法[10]具有可以制备大面积以及异形材料的优点,但对其制备工艺的优化设计报道较少。本实验以SUS304和ZrO 2为例,采用薄片叠层法制备了梯度材料,提出采用控制各层收缩率一致来消除残余应力的方法,并优化了临界冷却速率,观察了其微观形貌,最后测试了其结合强度。

1　实验

1.1　原料

原料采用平均粒径为0.27

μm 的3%(摩尔分数)Y 2O 3稳定四方相ZrO 2粉和平均粒径为28.1

μm 的304不锈钢粉。添加剂为乙醇、三氯乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇和PVB ,以上均为分析纯。

1.2　样品制备

将不同成分(成分梯度变化分别为20%和10%(体积分数))的SUS304/ZrO 2混合粉按一定比例加入添加剂,球磨后经筛分、除气得到浆料,采用带式浆料浇注法制得80～100

μm 的薄片层,再按所需厚度和顺序叠层,在75℃、100MPa 压力下进行热合,最后在1350℃真空进行烧结,制备流程如图1

所示。

图1　梯度材料的制备流程图

Fig.1　Flow chart of fabrication for gradient m aterials

・41・材料导报:研究篇 2009年5月(下)第23卷第5期

1.3　测试与表征

采用GX71型金相显微镜观察样品的微观形貌;采用H T 224022100KN 型电脑伺服控制材料实验机测量SUS304/ZrO 2梯度材料及层状复合材料的法向结合强度。

2　结果与分析

2.1　添加剂对各层线收缩率的影响

由于304不锈钢与ZrO 2之间热膨胀系数的差异,烧结前后不同成分梯度层的收缩率不同,导致梯度材料可能出现翘曲、开裂或分层等现象,而在梯度材料的制备工艺中,浆料中添加剂的加入量对生坯层的烧结收缩率有较大的影响。本实验通过控制添加剂的加入量来调节不同成分梯度层烧结前后的线收缩率,使各层达到一致,从而避免缺陷的产生。

图2为成分梯度变化为20%(体积分数)时6种成分的浆料中添加剂与粉料的体积比和烧结后线收缩率的关系曲

线。

由图2可以看出,用ZrO 2含量为0%的浆料制得的生坯

层在烧结前后的线收缩率随着添加剂与粉料体积比的增加而增大,这主要是因为随着添加剂含量的增加,低温过程中添加剂挥发形成孔隙,高温烧结时传质填隙,气孔不断缩小,表现为线收缩率增大。其它成分的浆料制得的生坯层在烧

结前后的线收缩率随粘合剂添加量的变化规律基本一致。以ZrO 2含量为0%的最小线收缩率17.0%为基准,得到相同线收缩率下其它成分浆料的添加剂与粉料的体积比,将梯度层中ZrO 2的体积含量a 与该层添加剂与粉料体积比b 进行线性拟合,如图3所示(R 为相关系数),拟合方程如式(1)所示:

b =2.029+0.593a

(1)式(1)表明,根据梯度层中ZrO 2的体积含量可得到该层添加剂与粉料的体积比,可确定在线收缩率相同的情况下各梯度层浆料中添加剂的体积含量。

2.2　降温速率对F GM 的影响

SUS304/ZrO 2梯度材料由不同成分的梯度层组成,其各

层能承受的临界冷却速度不均一,所以SUS304/ZrO 2梯度材料耐热冲击性不同,冷却速度大时,会产生较大的残余应力,使得样品发生开裂以及分层等现象,所以样品必须缓慢冷却,临界冷却速率为梯度层中最小的速率,其各层的临界冷却速率d T /d t 可以从第三冲击因子[11](R ′s )估算得:

d T

d t

max

=R ′s

3

r m

2

=

λ

p C p

σ1-υ

a E

3

r m

2

(2)

式中:λ为导热系数,p 为密度,C p 为热容,υ为泊松比,E 为弹性模量,

α为热膨胀系数,σ为断裂强度,r m 为样品尺寸(体积)。已知ZrO 2和SUS304的参数,其各梯度层的参数由复合材料的线性混合法则[12]估算得:

K =K m x m +K c x c =K m x m +K c 1-x m

(3)

式中:K 为复合层的参数,代表导热系数、密度、热容、泊松比、弹性模量、热膨胀系数和断裂强度,K m 为SUS304的参数,x m 为SUS304的体积分数,K c 为ZrO 2的参数,x c 为ZrO 2的体积分数。将已知各参数带入式(3),得到6种不同成分梯度层的参数,然后再代入式(2),计算得到6种不同梯度层的临界冷却速率,结果如图4

所示。由图4可以看出,不同成分SUS304/ZrO 2梯度层的临界冷却速率均不同,主要由各层参数以及样品体积决定,其中20%SUS304/80%ZrO 2梯度层的平均降温速率最小,为1.73℃/min ,所以SUS304/ZrO 2梯度材料的冷却速率为1.73℃/min 。

图4　6种不同梯度层的临界冷却速率Fig.4　d T /d t of gradient m aterials layer

按照上述优化工艺,最后制得的SUS304/ZrO 2梯度材

料的宏观形貌如图5所示。由图5可以看出,由于各梯度层

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