專利名稱：金屬—陶瓷梯度功能材料熱應(yīng)力緩和設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬-陶瓷梯度功能材料的熱應(yīng)力緩和設(shè)計(jì)方法。
隨著航空航天及原子能等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，象航天飛機(jī)燃燒室內(nèi)壁及機(jī)體表面材料，它的一側(cè)暴露在2000K左右的高溫燃燒氣體下，而另一側(cè)處于液氫和液氮的冷卻中，在使用過(guò)程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料破壞，傳統(tǒng)陶瓷材料、金屬材料及兩者的復(fù)合材料均不能滿足要求。因此，從八十年代后期開(kāi)始，國(guó)際上開(kāi)始研究一種新型金屬/陶瓷復(fù)合材料-梯度功能材料，這種材料在其高溫側(cè)使用高性能陶瓷材料，在低溫則使用耐高溫合金，使其中間的組成與性能從陶瓷至金屬呈連續(xù)變化而達(dá)到使材料內(nèi)部的熱應(yīng)力緩和的目的，進(jìn)而使材料具有良好的耐熱沖擊特性和隔熱性能。
由于金屬與陶瓷的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)(如熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、彈性模量、泊松比、強(qiáng)度、潤(rùn)濕性等)相差較大，因此，在制備梯度功能材料的冷卻過(guò)程中，不同層次之間或不同組份之間會(huì)產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致梯度材料的破壞。為了緩和這種因物性參數(shù)的不同所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，必須保持金屬與陶瓷在物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)上具有良好匹配性，但更重要的是在此基礎(chǔ)上通過(guò)熱應(yīng)力模擬與材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使梯度材料具有良好的熱應(yīng)力緩和性能，耐熱沖擊特性，隔熱性能以及一定的使用壽命。由此可見(jiàn)，梯度材料的組成分布與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，它是指導(dǎo)完整梯度材料制備的關(guān)鍵。
目前，對(duì)梯度功能材料熱應(yīng)力模擬與組成分布設(shè)計(jì)的工作剛剛開(kāi)展，工作很少，國(guó)際上普遍采用熱應(yīng)力最小時(shí)的分布指數(shù)(熱應(yīng)力緩和幅度最大)，作為設(shè)計(jì)原則，即取熱應(yīng)力最小時(shí)的組成分布形狀指數(shù)P[C＝(X/d)P，C任一位置處陶瓷的體積含量;X任一梯度層的位置座標(biāo);d梯度層的總厚度;P組成分布形狀指數(shù)]作為材料制備時(shí)的組成控制參數(shù)。但是，熱應(yīng)力最小設(shè)計(jì)原則的缺陷在于沒(méi)有考慮到梯度材料內(nèi)部熱應(yīng)力分布狀況，以及熱應(yīng)力水平與發(fā)生位置的材料強(qiáng)度的關(guān)系。往往雖然熱應(yīng)力最小，但并不能制備出完整的梯度功能材料。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)敘述本發(fā)明。


圖1是MgO-Ni系梯度功能材料不同組成分布的熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。
圖2是MgO-Ni系梯度功能材料不同P值下的最大應(yīng)力位置及其對(duì)應(yīng)的FGM結(jié)構(gòu)層。
圖3是Ni3Al-TiC系梯度功能材料三個(gè)主要應(yīng)力分量與P的關(guān)系。
圖4是Ni3Al-TiC系梯度功能材料純TiC側(cè)熱應(yīng)力與P的關(guān)系。
本發(fā)明對(duì)MgO-Ni體系，選擇六種不同組成含量比的MgO-Ni復(fù)合材料，將其按一定工藝燒結(jié)制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)定其物性參數(shù)(相對(duì)密度、楊氏模量、彎曲強(qiáng)度、泊松比、熱膨脹率)見(jiàn)表1，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，對(duì)MgO-Ni系梯度材料進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算模型取實(shí)際制備的園盤狀樣品，厚度6mm，直徑30mm，組成分割15層，樣品從1000℃冷至室溫，模型的物性參數(shù)取為實(shí)測(cè)值，中間梯度層的物性參數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)值插值求得。計(jì)算時(shí)P的取值從0.6～2.8變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)梯度材料試樣σZZ、σQQ、σrr三個(gè)應(yīng)力分量，在P＝1.8附近時(shí)，呈現(xiàn)最小，可獲得有限元法計(jì)算的材料熱應(yīng)力緩和70%(如圖1)，但是從不同P值下的最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及其對(duì)應(yīng)的梯度層的位置(如圖2)關(guān)系知，盡管P＝1.8時(shí)，σZZ、σQQ取得最小，但該值為40MPa已十分接近MgO含量為40Vol%的梯度層的許可強(qiáng)度42MPa;當(dāng)P＝1.0時(shí)，最大應(yīng)力中心位于純金屬Ni層中。此應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純金屬Ni層的實(shí)測(cè)強(qiáng)度163MPa，足以承受該應(yīng)力，在綜合考慮熱應(yīng)力最小及其發(fā)生部位的許可強(qiáng)度值的基礎(chǔ)上，合理調(diào)節(jié)P值，使最大應(yīng)力σZZ、σQQ所發(fā)生的梯度層處于具有最高拉伸強(qiáng)度的純金屬層，在組份優(yōu)化之后，進(jìn)一步考慮最大熱應(yīng)力發(fā)生位置以及純陶瓷側(cè)所能承受的局部拉應(yīng)力，最后確定梯度材料的組成結(jié)構(gòu)。這是控制梯度材料在制備過(guò)程中，不發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，根據(jù)我們得到的這一準(zhǔn)則，取P＝1作為設(shè)計(jì)結(jié)果，最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及純陶瓷側(cè)受局部拉應(yīng)力等綜合性能為最佳。
本發(fā)明對(duì)Ni3Al-TiC體系，設(shè)計(jì)模型取實(shí)際制備的園盤狀試樣，厚度6mm，直徑30mm，沿厚度方向分割11層。樣品從1300℃冷卻至25℃，模型的物性參數(shù)取實(shí)測(cè)值，中間梯度層的物性參數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)值插值求得，根據(jù)對(duì)稱性取園盤斷面二分之一進(jìn)行計(jì)算，斷面劃分為1250個(gè)等單元。計(jì)算時(shí)P的取值范圍從0.2～2.6變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除P＝0.2沒(méi)有熱應(yīng)力緩和效果外，其余組成分布均有熱應(yīng)力緩和效果，圖(3)是計(jì)算的最大拉應(yīng)力值(σZZ)max(σQQ)max(σ
>)max與P值的關(guān)系，當(dāng)P＝1.1時(shí)，熱應(yīng)力最小為386MPa，熱應(yīng)力緩和幅度最大，可獲得以有限法計(jì)算的材料應(yīng)力緩和43%。圖(4)示出了純TiC陶瓷面的應(yīng)力值σZZ和σQQ隨P值的變化，隨P值的增大，純TiC陶瓷面從受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?，轉(zhuǎn)變點(diǎn)在P＝1.1和P＝1.2之間，從圖(3)可以看出P＝0.4，1.8，2.2時(shí)，熱應(yīng)力緩和程度較小，所以這種設(shè)計(jì)不是最優(yōu);P＝0.6時(shí)，雖然熱應(yīng)力緩和程度達(dá)到40%，但此時(shí)最大應(yīng)力(400MPa)發(fā)生在純陶瓷側(cè)，并超過(guò)純陶瓷強(qiáng)度，因而這種設(shè)計(jì)是不安全的;P＝0.8時(shí)，熱應(yīng)力緩和程度38%，雖然最大熱應(yīng)力發(fā)生在強(qiáng)度很高的梯度層，但純陶瓷側(cè)所受的拉應(yīng)力為240MPa，非常接近其許用應(yīng)力，因而這種設(shè)計(jì)也是不合理的;P＝1.0時(shí)，熱應(yīng)力緩和程度為35%，純陶瓷側(cè)受到的拉應(yīng)力為84MPa，幾乎相當(dāng)于純陶瓷強(qiáng)度的三分之一，因而也不是最優(yōu)設(shè)計(jì);P＝1.0和P＝1.3，P＝1.4時(shí)，顯然也不是最優(yōu)，因?yàn)榍罢弑M管熱應(yīng)力緩和程度最大，但陶瓷面受到拉應(yīng)力，而后者陶瓷面所受壓力比P＝1.2時(shí)大，綜合考慮熱應(yīng)力緩和程度和最大熱應(yīng)力所發(fā)生的位置，我們?nèi)＝1.2作為Ni3Al-TiC系的最佳設(shè)計(jì)結(jié)果，其最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及純陶瓷側(cè)受局部拉應(yīng)力等綜合性能最佳。
所以以上二個(gè)梯度材料系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)果可以得到本發(fā)明“梯度功能材料設(shè)計(jì)方法”。
任何金屬-陶瓷梯度材料復(fù)合系統(tǒng)，在熱應(yīng)力緩和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，只要遵照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以得到完整無(wú)缺陷的園板狀梯度材料。
表1不同體積比(MgO/Ni)燒結(jié)體及其物性參數(shù)MgO含量(vol%)100(A)80(B)60(C)40(D)20(E)0(F)相對(duì)密度(%)716462728393楊氏模量(GPa)104526056105146彎曲強(qiáng)度(MPa)74492942108163泊松比0.160.180.270.260.260.35熱膨脹率(×10-6) 12.8 12.9 13.5 14.3 14.5 15.權(quán)利要求
1.金屬-陶瓷梯度功能材料熱應(yīng)力緩和設(shè)計(jì)方法，包括熱應(yīng)力最小設(shè)計(jì)，其特征在于還包括a、按不同熱應(yīng)力大小分布進(jìn)行指定層強(qiáng)度設(shè)計(jì)；b、最小熱應(yīng)力及其發(fā)生位置關(guān)系的優(yōu)化設(shè)計(jì)；c、陶瓷面的壓應(yīng)力或零應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬-陶瓷梯度功能材料熱應(yīng)力緩和設(shè)計(jì)方法，其特征在于對(duì)MgO-Ni系梯度功能材料當(dāng)P＝1.8時(shí)，可獲得有限元法計(jì)算的材料熱應(yīng)力緩和70%;當(dāng)P＝1時(shí)，該材料的最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及純陶瓷側(cè)受局部熱應(yīng)力等綜合性能力最佳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬-陶瓷梯度功能材料熱應(yīng)力緩和設(shè)計(jì)方法，其特征在于對(duì)Ni3Al-TiC系梯度功能材料當(dāng)P＝1.1時(shí)，可獲得以有限元法計(jì)算的材料熱應(yīng)力緩和43%;當(dāng)P＝1.2時(shí)，該材料的最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及純陶瓷側(cè)受局部拉應(yīng)力等綜合性能最佳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種梯度功能材料設(shè)計(jì)方法。這種方法是根據(jù)材料實(shí)測(cè)物性值，采用有限元法解析梯度材料的熱應(yīng)力緩和規(guī)律，綜合考慮梯度材料的熱應(yīng)力緩和幅度和最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及該處的強(qiáng)度的關(guān)系，得到了對(duì)MgO-Ni系梯度功能材料取P＝1.0作為最佳設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)Ni
文檔編號(hào)B32B18/00GK1082990SQ93108448
公開(kāi)日1994年3月2日 申請(qǐng)日期1993年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月20日
發(fā)明者張聯(lián)盟, 唐新峰, 張清潔, 劉江, 袁潤(rùn)章 申請(qǐng)人:武漢工業(yè)大學(xué)