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1、第1 9卷第2期19 98年6月航天返回与遥 感S PACECRAFTR E C OVE R Y&REMOTES E N S I N G碳化硅铝基复合材料的应用与加工邢绍美马建平(北京空I可机电研究所,北京100 07 6)摘要文中就 近 年 来国内外 对碳化硅铝基复合材料的研究、应用 和加工进行综述,并就碳化硅铝基复合材料 在中国航天仅 器产品上的应用、测试状况进行了分析。主要内容 包括:碳化硅 铝基复合材 料的制 备、材料 性能的对 比分析、力学试验 内容和结 果、热平 衡试 验分析。并详细地 介绍了这种材 料的机械加工和热处 理方法。此外还结合国外对碳化硅铭基复合材料的研究应 用现 状,
2、提出了这种材料 在 中国航空航天高科技领域应用发展 前景的看法。关键词碳 化 硅铝基复合材 料航天仅器聚 晶金钢石切削 加工热处理 工艺1引言随着航天科 学 技术的应用与发展,降低航天飞行器结构 的质量、提高航天飞行 器有效载荷能 力的要求越来越迫切。选用比刚度、比强度 和热 稳定性综合性能 指 标较好的材料 用于航天飞行器结构的设计是解决问题的途径之一。铝 基复合材料以其相对较好的综合性能 越来越 受到人们的关 注。铝 基复合材料是近些年来科技 发展较快的国家竞 相研制的 新型金属 基 复合材料。美 国在6 0年代便开始了碳化硅 晶须(S i公/A l)和颗粒(s i蛛/A l)复合材料的研
3、究。目前美国、俄罗斯和日本在碳 化硅 铝基复合材料的研制应用方面,处于较为 领先 的地 位。尤其是美国、俄罗斯在国防军事领域中广泛地应 用碳化 硅铝基复合材料,取 得 了显著的成果;美 国航天 局 用碳化 硅铝基复 合材料制造涡轮 发 动机,据报道已进入地 面试车阶段。美 国海 军飞行 动力试验 室已经 研制成 碳化硅 铝基复合材料的薄板,应用 于新型舰载战斗机上。俄罗斯航 空、航天部门应 用碳 化硅铝 基复合 材料制 造大型军用运输 机 的俯架和机舱 的防火 隔热 板。日本宇航 机构把碳 化硅铝基复合材料 应用于卫 星 的惯导平台和支承构件上。19 85年由哈尔滨工业大 学牵 头组 织,引进
4、日本的碳 化硅晶 须(S i蛛/AI)和颗粒(S i蛛/AI)复合 材料制 备技术,采用压铸 法开 始对 碳化硅铝基复合材料 的制作和应 用进行研究。沈阳金 属研究所采用粉末冶 金法、航 空材料 研 究院采用铸锭冶金 法相继 开 展对碳化硅铝基复合材料的制 备和应用课题的研究,并且 取 得 了很 好的成果。这些为发 展我 国航 空航天新材料的研 究和 应用 开拓 了新 的领域。2碳化硅铝基复合材料的试验性应用碳化 硅铝基 复合材 料应用于航天飞行器,特别是对于工作 周期 较 长的遥感 卫星来说很有意义。在具体的试验中,模拟 工作 周期较长的遥感卫星仪 器,按其特定 的外 层空 间工作环 境要求
5、,材料要 能经受 较大 的加 速冲击、要有较强的抗辐照性能、要 有较好 的导 热性和较 低的热膨收 稿日期:1997一12一()3航天返回与遥感19 98年6月胀 系数,在真空 环境下材料本身尽可能少地出现可凝性挥发物体的放气现象,并且 要求零件具有较好的尺寸稳 定性。零件毛坯的制做采用碳 化 硅(S i叽/A l)铸锭 冶 金法;拟 定 含量不 同的碳化硅(S i叽/Al)配比进行熔模精密铸造,对本体试样进行金相对比分析和 机械性能物理性 能的测试。在零件的设计中,把碳化硅(s i叽/A I含量2 0%)铝基复合材料 和一般常用的航天仪器结构材料做了几项性能对比,见表1所示。表l碳化硅铝基复
6、合材 料与一般材料的性能 比较谕谕进奥奥抗拉强度度弹性模量量导热 系数数密度度热膨胀系数数氏氏氏/MPa a aE/GPa a a入/(c al/emS)/(g/em3)axl()一/T T T C4 4 492()113 3 30.)2 12004.51 1 18.94 1()()(),02 430 09.12)2()00 0 0 0 0 0 0 0 0.02740()9.18 30 0S S S i蛛/AI I I33 1 1 199.9 9 90.4162()2.7 6 6 616,4200 0 0 0 0 0 0 0 0.4421500 0 0 0 0 0 0 0 0,4 522 00
7、().47 83 0()L L L Y12 2 238()72 2 2().29202.8 8 822.7100Z Z Z LI()4 4 42 60 0 07()0.3710()2.6 6 623.82000 0 0 0 0 0 0 0 0392 0024.7300().4 130()0 0 0 0 0 0 0 0 0.424()0表 中的数据说明,一定 配比的碳化硅铝 基复合材 料其 综 合性能是具有 优势的。与增强 铝合金(变 形 铝、铸造铝)相比较:材料的密度比较接近,强度是铸造铝合金(ZL IO4)的约1.3倍,却 略低 于变形铝(L Y1 2C Z),弹性模量却比增 强铝合金(变
8、形铝、铸造 铝)要高0.4倍,而热 膨胀 系数(2 0)只是 增强 铝合金(变形 铝、铸造铝)的O,6倍。与钦合金(Tc4)相比较,虽 然强度、弹性模量、热膨 胀 系数不如钦合 金(Tc4)的 同项指标,但是材料 的密 度 却只有钦合金(Tc4)的0.5倍,而导 热 系数(在相同温度 环境条件下)要高于钦合金(Tc4)一个 数量级。根据这些性能参数,选用碳 化硅铝 基复合材料(S i蛛/A l含量2 0%)按航 天产 品的 使用技术要求,设计制 作了某零件并随型号产 品进行了各阶段 的 力学试验 和热平衡试 验。厂厂一厂产厂广尸厂/尸尸了尸尸产洲22 2 2/尸尸尸尸尸尸产尹,l l l)l
9、l l匕一乖一 _ _ _一一 址_ _ _J J J J J J J J J J J图l某零件简图某零件随部件进行 了 低频正弦 扫描振动试验、随机 振动试验和冲击试验,模拟 了运载的 发射力学 环境要求,检验了碳化硅 铝 基复合材料(S i叽/AI含量2 0%)的抗 震动、抗冲击能 力。试验表明采用碳化 硅 铝基 复合材料(S i叽/A l含量2 0%)制作的结构零件经 受 了考验,未 发 生破坏,达到 了设计的要求。表2为某零件力学试验的部分数据(测点 加速 度响应数据)。第1 9卷第2期航天返回与遥感表2某零件力学试验参数激激振频率率测点加速度 响应峰值值频频率/H:量级/g g g测
10、 点点发生频率/Hz z z加速度峰值/g g g1 1 15 一 30 0 03.3 3 3a x x x15,4 4 418.1 1 12 2 2 2 2 2 2 2 24.7 7 75.2 3 3 3钩钩钩钩钩15.4 4 419.5 5 5街街街街街15.4 4 48,40 0 02 2 2 2 2 2 2 2 24.7 7 713.1 1 1部件的结构件 主要是由铝合金 和 钦合 金 材料 构成 的。若要 在外层空 间 温差变 化比较大的环境 中工作,就 需 要有 温控条件的工作环境。而材 料 自身有比较 好的热容和 导热性能,对 星上温控是十分有利的。碳 化 硅(S i叽/AI含量
11、2 0%)铝基 复合 材料 在模拟 空 间外热 流 环境 的热平衡试验中,通过试验安排的高、低温工况进行 了测试。试验记录 曲线数据 表 明,碳 化硅(S i叽/A l含量20%)铝基复合材料具有良好的导热性能,而且 优于铝合金材料,更优于钦合金材料。碳化硅(S i叽/A I含 量2 0%)铝基复合材料良好的导 热性能,能提高 星上 温控通过结构件的热传递效果,从而也能 为降低星 上主 动 温控的功耗有所贡献。经过分阶段的各种试验和检 测,碳化 硅(S i蛛/A l含量2 0%)铝 基复合材料 能在 一定 的使用要求范 围被选用制造航天仪器 的结构零件,部分 地 替代钦合金 材料的 使用是可
12、行 的。碳化硅(S i叽/A I含量2 0%)铝基复合材料替代钦 合 金材 料制 造 的零件,达到 了预 期 的设计要求。3碳化 硅铝基复合材料的可加工性能碳化硅(s i蛛/A l含 量2 0%)铝基复合材料中的S IC颗粒硬 度约 为Hv2700。并且s ic颗粒的含量越高,材料 就 会更硬 而 且变脆,机加工的难 度 则会增 大。用 一般传统 的机械加工方法很容易使铝合金 基体局部 熔 化,生成积屑瘤,并 使刀具磨 损变钝,造 成粗糙度 下降,相 应 的形位公差也就很难保证。传统机械加工用 的硬质合金刀具硬度一般在HV1 7 0 0左 右,虽然比S IC颗粒硬度低 了许多,还是可以用于 碳
13、 化硅(S i蛛/A l含量2 0%)铝基复合材料 的粗加工,但要完成对碳化硅(S i蛛/AI含量2 0%)铝基复合材料进行精加工 的切 削就比较困难。零 件的坯件,是采用 碳化 硅(s i叽/A l含量2 0%)铝基复合材 料熔模精铸制 造的。坯件表 面比较粗糙,碳化硅 硬质 点分布不太均匀,切削 时会 引起 振动影响加 工中对尺寸的有效控制,并且摩擦热对刀具的损坏影响也比较大。因此,粗加 工选 用 了耐磨性优良、耐热性比较好、硬 度和韧性比较好 的超 细颗粒 硬质合金刀具(牌号 为YM0 53),精加工选用 了天然单 晶金钢石(简称SPD)刀具和人造 多晶 金钢石(简称P C D)刀具,取
14、得了比较好的效果。天然金钢石是 一种各向异性 的单 晶体,硬 度非常高(HV1 0O00),耐磨性极好,做刀具刃口极 为锋利,可 长 时间地 切削较硬的物质而保持刀口尺寸的稳定性,并且还 具有摩擦系数比较小(0.1 0一 0.40)的特点。但是天然金钢 石刀具也有 一些缺陷,材料的韧性差、抗弯强 度也比较低(0.2 0一 0.5 0GPa),只有硬质合金 的1/4左右。因此,切 削 时这种刀具 不能承 受较 大 的振动,对工 艺 系统的刚 度要求也比较高,同时要求机床的主轴 径 向 圆跳动和端面 圆跳 动及轴向窜动应 镇0.02 0,否则就 会因航天返回与 遥感19 9 8年6月此而使刀具受到
15、损坏。P CD是 在高压高 温下将金钢石微分聚合而成的多晶体材料,它 消除了单晶金钢石的各向异性。虽 然PCD复合刀具在 硬度上(H v65 0O一8000)稍逊于SP D刀具,但抗弯强度却比SP D高6 一1 4倍左右,而且其价格也只有SPD的几十至几百分之一。所以,碳化 硅铝基复合材料的精加工选用PC D复合刀具技术指标和 经济指标都是比较 理 想的。在碳化硅铝 基复合材料零件的具体机械加工工艺 中,安排了粗、精加工 两个阶段,中间进行工艺热处 理,零件的外圆、内孔、台阶各加 工 面的加工处理都达到 了设计的尺寸要求和形位要求。所用刀具:粗加工选用密度 为 1 3.9 一1 4.29/c耐
16、、硬度为HV170 0、抗弯 强度 为1.6GPa、牌号为YMO5 3的硬质合金刀具。刀具几何参数采用 负前角,后角不宜 过大,以免影 响刀具强度。但也不 宜过 小,过小会 在切 削时带来较大的摩擦而引起温升过快和过大的切削力造成毁刀,并且容易擦伤被 加工零件的表 面,一般前角y。=一5一一10 0,后 角a。二8”一10 0,切削速度V=6 0一 g or/min,切削 深度t二1一2m m;精加工选用PCD复合刀具 进行,切削速度V二10 0 一 3O0r/min,切削深度t=0.1 0一 0.30mm。碳 化硅 铝基复合材料零件的稳定性处理。这是用于外层空 间工作周期较长 的航天仪 器中
17、的结构零件,除 了对其几何尺寸加工要求准 确外,对机体组织进行调整、消除加工过程带来的应 力也至关重 要。为了防 止 由于 残余应 力的作用造成零件变形 而致 使仪器工作状态 的失稳甚至 失效,在零件粗加工后、半精 加工前需进行尺寸稳定性处理;而碳化 硅铝 基复合材料结构零件中存在 的 残余应 力可以通过热处理来消除,热 处理过 程分为两 步进 行(见图 2),第一步:进行淬火热 处理 达到强化 的 目的,第二步:主要是尺寸稳定性处理。温度/4 80一5303一4h2 00一300()()一8 0,C)水5一7h油时间l h图2热处理曲线4结束语综上所述碳化硅 铝基复合材料 拥有诸多较理想的机
18、械性能和物 理性能,并且也具备 了成功的制造工 艺技术和 加工刀具,这就为进一步拓宽碳化硅铝 基复合材料的应 用范 围创造了有利条件。发达国家在广泛地研制应用各种类型的碳化硅 铝基复合材料并且取 得 了成功的 同时,也引导 了针对 碳 化硅铝基复合材料加工工具的研制和开发。据有关资料报 道,美国和日本相继研制 出 了金钢石涂层 的丝 锥、钻头、绞刀、铣刀和可转 位刀片等刀具 产 品。我 国也相 继研制出CVD金钢石涂 层的 多种刀具,尤其是合肥工业大学 采用 化学 气相沉积CVD技术,在硬质合金WC一公,机体上附着金钢石薄膜(DF)制 造的丝 锥、钻 头、绞刀、铣刀和带断 屑槽 可转位刀片等刃
19、形复杂刀具,为 碳化硅铝基复合材料的 应用 创造 了条件。第1 9卷第2期航天返回与遥感49即将到来的2 1世纪 是科技飞速 发展的时代。高科技密集的航空、航天工业将伴随着材料工 程 的发展,会 不断地 为航空、航天 飞行器 和遥感仪 器结构的新材料 应用提出要求。碳化硅铝基复合材 料是本世纪末研制开 发的新材料,可以预见在 未来的 2 1世纪中将广 泛地 应 用于航空、航天领域。参考文献23456姚忠凯,耿林.5泥晶 须增强铝基复合材料研究进展,哈尔滨工业大学,1989.8.RohatgiP.J(UR N ALOFME T A L,199 1(4):1()孟少农.机械加工工业 手册.北京:机
20、械工业出版社,19 92.程家宁,王殿斌.铝基 复合材料的精密铸造.北京:航空材料研 究院,199 3.8.李顺林,复合材料的进展,北京:航空工业 出版社,1994.卫星用颗 粒增强金属 基复合材料精铸件的制备工艺.哈尔滨工业大学 材料工程学院,199 5.9THE AP PL IC AT ION ANDP RO CES SOFS IC/A ICOMPOS ITEMAT E R IALSXingSha omeiMaJianping(BeiiingInstituteofSpa eeMa ehine&E le etrieity,Beiiing100076)A bstr a etTllisa rti
21、eles umsuptheap plie ationandproe essofSIC/A Ieompositema-te rialsinre eentye a r s.Itanalyse stheap plie ationandrestr es ultsofSiC/Ale ompositemate-rialsusedononenationalsPa eeequipment,w hiehmainlyin eludesthePr ePa r ationofSIC/AIe omPo sitematerials,theeon trastanalysis,te srre s ultsofmeehanie
22、 alte standthea nalysisofthe rmalequilibriumte sr.Iralsoinrrodu e e srlleme ehal iie alproee s sand heat一tr e atedmethodoftheSIC/A Ie ompositematerials.Ontheana1ysisofapPlie ationstatusof fo r eigne o untrie s,thispaperpointsoutrlledevelopmenttendeneyofSIC/Ale ompos主temare rialsinrloea er o spae efieldofo ureou ntry.Keywo rdsSIC/A Ie ompositemate rialsSpa e einstrumentSynneusisdiamondCut tingHe at一tr e atedProe e s s