武高辉,乔菁,姜龙涛

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 150001

摘要

关键词：尺寸稳定性;金属基复合材料;评价方法;复合材料设计

材料的尺寸变化是无时不在、无时不有的自然现象,是材料本身的一种经时变化行为。材料在长期贮存或者服役环境下保持原始尺寸不变的能力称之为材料的尺寸稳定性。

陀螺仪、加速度计、星敏感器等设备是角度、速度、位置的传感器,决定了导弹、卫星等飞行器的定位精度,这些精密仪器的精度对零件的微变形十分敏感,有计算表明,陀螺电机转子的质心偏移0.1 μm,陀螺漂移将产生1°/h的测试误差。不仅高精度惯性仪表,精密轴承的精度也受材料尺寸稳定性性能直接制约。技术先进国家普遍对材料尺寸稳定性问题十分重视,前苏联经过长期大范围的研究,20世纪70年代初便制定了金属材料尺寸稳定化处理工艺国家标准。我国的研究报道十分稀少,这与工程技术发展总体水平有关,与研究难度大、评价方法不健全也有关系。长期以来,研究者大多将研究侧重点放在了材料或者复杂零件的残余应力的检测与处理上,实际效果十分有限。

在研究者没有找到材料尺寸稳定性加速测试方法之前,美国和前苏联采用微屈服强度和微蠕变抗力评价材料尺寸稳定性,这种方法可以评价材料在应力短时加载和长期加载条件下材料抵抗微变形的能力,依赖于这种方法,发现了材料的组织不稳定相关因素,例如通过热处理、预拉伸变形等手段调整晶粒尺寸、位错结构等,前苏联的稳定化处理工艺标准也是基于组织稳定性原理而制定的。但是这些无法解释材料在长期服役或者零件贮存过程中的尺寸微小变化,微蠕变也仅限于纯金属或者退火处理的合金试样。

作者分析了陀螺仪多次启停后产生“逐次漂移”的现象,认为是每次启停时零件经受高低温循环的激励而诱发的材料变形。随之发明了模拟温度变化条件的固体材料尺寸稳定性评价方法[1],评价试样在无应力作用、单纯温度循环过程中材料的尺寸稳定性。这种新方法的诞生发现了材料相稳定问题、材料组织稳定问题以及相稳定各向异性等问题。以往研究者更多关注的是残余应力对微变形的影响,但消除应力处理并不能解决零件微变形问题。新测试方法发现材料在充分退火之后,在温度循环条件下仍会发生严重的微变形。分析认为,主要与时效、析出等热力学驱动因素有关。也就是说,材料的内禀因素才是导致零件在贮存和服役过程中发生微变形的本质性原因,而残余应力仅仅是诱发微变形的外部因素之一。

对于金属基复合材料尺寸稳定性设计,关键问题首先是基体铝合金在非受力和受力状态下微变形机理的分析问题;其次,铝合金与陶瓷相复合可以提升强度与刚度,但是陶瓷相的加入必然引入新的界面应力,导致尺寸稳定性下降,研究者要揭示这一矛盾关系并提出解决这一矛盾的办法。

1 尺寸稳定性基本概念及其表征方法

1.1 尺寸稳定性的概念

“尺寸稳定性”的概念在我国的材料工程教科书中未见介绍,常常与“温度稳定”和“热稳定”相混淆。尺寸稳定性是指在长期贮存(几年、十几年)或者服役(温度循环、振动、冲击、辐照等)环境下,材料或零件保持其原始尺寸和形状不变的能力。尺寸稳定性与热膨胀变形、热稳定性、弹性变形是完全不同的物理概念。热膨胀变形是零件尺寸和形状随着温度变化发生的可逆变形,用热膨胀系数(α)与温度变化幅度(ΔT)的乘积αΔT表征,这是材料温度稳定性的问题,热膨胀变形可预测,可以在结构设计和控制程序中加以补偿;热稳定性用材料的导热率(λ)与α之比(λ/α)来表征,比值越大,热稳定性越好,其意义在于反映材料抵抗热载荷变化而自身尺寸不变的能力,也可以反映构件热惯性的大小;材料弹性变形是材料柔性问题,是指在小于弹性极限的应力作用下发生弹性变形的性质,用柔度系数(S,即弹性模量的倒数(1/E))与应力幅度(Δσ?的乘积S?σ表征,这是可恢复、可预测的变形,也可以在设计中补偿。材料尺寸稳定性要复杂得多,研究的是在短则几天,长则几年、十几年的贮存或者服役后发生的不可逆微变形。通常采用试样或者零件经过存放(恒温、变温)或服役(变温、振动、冲击、辐照等)环境暴露前后,在固定条件下所测得的尺寸或形位的变化来表征。早期研究中,研究者采用棒状试样直接放置于恒定温度环境下连续检测半年甚至几年的尺寸变化,这种方法直观但是实验周期太长。

1.2 尺寸稳定性的表征方法

Хенкин等[2]将材料的尺寸稳定性特征与服役条件相关联,分为负载作用下的尺寸稳定性和无负载作用下的尺寸稳定性2大类。

负载条件下材料尺寸稳定性主要用微屈服强度[3,4,5,6,7,8]、应力松弛极限及微蠕变抗力[2,3]来表征。微屈服强度指材料拉伸时产生10-6数量级不可逆变形时所对应的应力。微屈服强度的标准测试方法为加载-卸载法,随着测试装置精度的提高,也可以直接用慢速加载法简单评价[8]。微屈服强度反映的是材料在短时负载下的微塑性变形抗力,它不能表征材料的组织不稳定与相不稳定对尺寸变化的影响。应力松弛极限及微蠕变抗力(也称之为微蠕变强度)是表征长期低应力负载作用下材料微塑性变形抗力的指标。实际操作中,需要对温度、湿度、电压、振动、仪器数据漂移等因素严格掌控,由于实验载荷小、精度高、时间长带来诸多不确定因素,特别是对于时效析出型合金会出现变形假象,只有对纯金属或者充分退火的合金才能获得可靠的数据。

无负载条件下的尺寸稳定性以往在国际上广泛采用测试残余应力的方法来评价。但是,不同材料或者同种材料经不同热处理工艺后其微屈服强度,亦即抵抗应力松弛的能力不同,因此同样残余应力水平下实际微变形的特征大不相同。测试残余应力并不能准确预测材料尤其是复杂零件的微变形规律。

近来Song等[9]提出用冷热循环过程中弹性滞后变形(εc)来衡量材料尺寸稳定性的方法。这一评价方法与材料的本身热膨胀性质有关[10],不能解释温度循环后的不可逆变形现象,而这才是工程界所关心的问题。

陀螺仪多次启停后会产生“逐次漂移”,其数值较随机漂移大1~2个数量级。作者分析认为,陀螺仪每次启停都要经受20~70 ℃的高低温循环,很多高精度仪器仪表在贮存和服役过程中都要承受室内外、昼夜、四季、空间阴阳面等温度循环过程,其精度漂移很可能是这种温度变化激励作用诱发材料变形所导致的。本文作者等[1]提出了一种温度循环条件下材料尺寸稳定性评价方法——冷热循环实时检测法,这种方法是通过拓展热膨胀仪的功能来实现的。确定20 ℃为检测温度,控制热膨胀仪的温度按照一定速率和幅度循环变化,监测试样在冷热循环过程中的尺寸改变,采集每次循环到20 ℃时试样的实际尺寸,将尺寸变化对循环次数作图,即可得到试样在温度循环条件下的尺寸稳定性特性。图1所示为SiC/2024Al复合材料T6态试样经-20 ℃到+60 ℃循环10 cyc所测得的尺寸变化。图1a为温度控制曲线,图1b为每次温度循环后在20 ℃采集的尺寸变化数据。可见,T6处理后复合材料试样在温度循环条件下尺寸缩小,循环10 cyc后尺寸缩小的绝对值约为1×10-5,相当于100 mm长的圆棒缩短了1 μm。

图1T6态SiC/2024Al复合材料在-20~60 ℃之间循环时的温度-时间曲线和尺寸变化-循环次数曲线

Fig.1Temperature-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)

冷热循环实时测试法,是一种能够模拟材料服役条件的加速实验方法,测试数据反映出材料组织变化、沉淀析出、相变以及应力松弛等内禀变形机制的综合耦合作用结果。该方法的实验周期仅为2~3 d。利用该测试方法首次发现了微蠕变、应力松弛等测试方法无法发现的诸如时效析出不同析出相引起尺寸变化的相稳定等问题。

2 铝合金的尺寸稳定性研究进展

Brown和Lukens[7]系统研究了材料晶粒尺寸、热处理后的位错密度、二次变形(影响晶粒尺寸和位错密度)等对微形变的影响,得出了著名的关系式:

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

式中,ε为应变;c为常数,约等于0.5;ρ为可动位错源的密度;d为晶粒尺寸;σ为外部施加的应力;σo为第一个位错开动所需的应力;G为切变模量。式(1)所表征的是以位错运动为主要理论依据的尺寸稳定性问题,是一种组织稳定问题。可以看出,通过减小可动位错源密度,增加位错的运动阻力,减小可动位错的运动距离,以及减小晶粒尺寸,有助于改善微变形特性。

组织稳定问题可以通过热处理的工艺方法给予改善,尺寸稳定化热处理工艺的主要目的就是解决组织稳定问题。

作者分析了2024Al合金时效过程中的尺寸变化。实验设计为：将材料加工成热膨胀试样,进行固溶处理之后立即放入膨胀仪中在时效温度下保持,观察时效过程中的尺寸变化。图2[11]是一组轧制板材不同方向上的尺寸变化测试结果。采用冷热循环尺寸稳定性测试方法,发现了轧制铝合金尺寸稳定性各向异性的严重性。沿不同轧向的尺寸变化与织构演化有关,这是组织稳定的问题;另一方面,发现Al2CuMg相的析出,加重了轧向的尺寸缩小,这属于相稳定范畴。

图22024Al合金板材不同方向190 ℃时效时尺寸变化曲线[11]

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

相稳定性是与析出相析出过程相关的。析出相与原基体Al的比容不同,相析出时促使晶格常数变化从而发生宏观尺寸微小变化。表1给出了2024Al合金中几种常见析出相的比容。这组数据不能定量给出析出相析出之后材料尺寸变化,但是可以预见其规律会是很复杂的。析出相Al2Cu、Al2CuMg本身比容小,有引起试样尺寸缩小的趋势,但同时Al中溶质浓度的变化也会引起体积膨胀,有引起试样尺寸增加的趋势,所以,铝合金的相稳定性与合金成分的微小变化、合金的预处理等因素有关。即便是同样的2024Al合金,因预处理条件不同或者成分的偏差均会导致析出相种类、数量和析出顺序不同,因此会引起材料宏观的尺寸增大,或者减小。

图8冷热循环条件下仪表级SiC/2024Al复合材料与传统材料尺寸稳定性对比

Fig.8Comparisons of dimensional stability of instrument-grade SiC/2024Al composites and traditional materials during thermal-cold cycling

图9ZL107铝合金和SiC/2024Al复合材料台体集总传递函数[31]

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

5 SiC/2024Al复合材料的应用及其效果

在20世纪50年代,美国和前苏联等国在惯性仪表的结构零件中主要使用铝合金,20世纪60年代开始采用Be材,1985年出现仪表级SiC/2024Al复合材料用于导弹惯性测量元件的报导,目前在高精度陀螺仪等惯性器件上仍然以使用Be材为主。

图10为仪表级SiC/2024Al复合材料应用于高精度液浮陀螺仪的零件照片,这种液浮陀螺样机的精度测试表明,“最高精度已经优于国外Be陀螺的精度水平”。这一结果从实践上验证了SiC/2024Al复合材料尺寸稳定性设计原理与方法的正确性,证明了采用仪表级SiC/2024Al复合材料在惯性仪表上提高精度的可行性和有效性。

图10仪表级SiC/2024Al复合材料陀螺仪零件

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

图11为光学级SiC/2024Al复合材料制造的高分辨率光学相机零件照片,替代了因瓦合金。因瓦合金属于超低膨胀精密合金,其极低的膨胀系数(约为1.5×10-6K-1)是一大特色,但是,过低的热膨胀系数与转动轴承、禁锢螺钉(12×10-6~13×10-6K-1)并不匹配,在温度变化过程中容易引起错配应力,改变装配间隙和装配应力。另外,该材料的比刚度低,仅为17.1 GPa·cm3/g,远低于光学级复合材料(51.0 GPa·cm3/g),这对冲击振动下的精度保持是不利的。采用光学级SiC/2024Al之后,直接减重18.9 kg,成像精度提高20%,显示出复合材料稳定性设计的有效性。

图11SiC/2024Al复合材料光学相机零件

Fig.11SiC/2024Al composites optical camera parts

图12为仪表级SiC/2024Al复合材料替代钛合金用于电推系统转向机构的零件照片。SiC/2024Al复合材料与钛合金相比,密度低35%,弹性模量高36%,导热系数高22倍,在空间结构上显示出优异的使用性能。在本机械装置中较钛合金构件减重35%,输出力矩提升53%,谐振频率增加十几倍,消除了与卫星谐振的可能性。

图12仪表级SiC/2024Al复合材料空间推进器转向机构零件

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

6 结论

材料尺寸稳定性是有别于温度稳定、热稳定的物理现象,广泛存在于精密仪器、精密轴承等零件中,影响着设备的精度及其可靠性。

冷热循环实时检测法评价材料在无应力载荷下的尺寸稳定性快捷可靠,采用该方法发现了铝合金相稳定现象,为复合材料稳定化设计和材料稳定化热处理工艺提供了指导;本研究基于相稳定、组织稳定、微观应力稳定以及膨胀系数匹配等基本原理的研究,研制成功仪表级、光学级SiC/Al复合材料,在实际应用中显示出显著的精度提升效果。

材料尺寸稳定性是材料的一项内禀特性,影响因素十分复杂,而长期以来的基础研究十分薄弱,基本原理并不清晰,材料尺寸稳定性研究在诸多的结构材料上属于空白,在微观缺陷作用机制、组织演化、析出效应、合金成分精细化设计等方面的研究势在必行。

来源--金属学报