高體分SiCp /Al 復(fù)合材料螺紋性能的測試

劉炳強(qiáng)，李景林，王書新，高明輝，孫 斌，傘 兵

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100039)

1 引 言

空間光學(xué)遙感器從研制到在軌應(yīng)用需要經(jīng)受一系列復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)［1-3］。從地面試驗(yàn)室、運(yùn)輸、發(fā)射到在軌運(yùn)行，空間光學(xué)遙感器要經(jīng)歷從地球重力環(huán)境到空間微重力環(huán)境的轉(zhuǎn)變，常溫常壓環(huán)境到空間高真空和惡劣的溫度環(huán)境的轉(zhuǎn)變，以及振動環(huán)境和空間電磁輻射環(huán)境的考驗(yàn)。為能夠經(jīng)受住上述惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，穩(wěn)定、可靠地完成遙感成像任務(wù)，空間光學(xué)遙感器在滿足輕量化要求的同時，其材料也要有良好的綜合性能，尤其是必須具備良好的動靜態(tài)力學(xué)性能和溫度載荷下的尺寸穩(wěn)定性。

經(jīng)過近30 年的發(fā)展，SiCp/Al 復(fù)合材料以其密度小、比剛度高、膨脹低、導(dǎo)熱高等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4］。在國外，SiCp/Al 復(fù)合材料作為先進(jìn)飛機(jī)主承載結(jié)構(gòu)件已得到正式應(yīng)用。在我國，SiCp/Al 復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料被應(yīng)用在空間遙感器框架等支撐結(jié)構(gòu)上。由于SiCp/Al 復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著SiC增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)( 體分) 增加而增強(qiáng)，且材料的脆硬性也隨著增強(qiáng)，使得在高體分的SiCp/Al 復(fù)合材料上加工的螺紋質(zhì)量不夠理想，影響相應(yīng)構(gòu)件的聯(lián)接，從而限制了高體分SiCp/Al 復(fù)合材料的應(yīng)用。在實(shí)際工程中常采用的預(yù)置件法、焊接法和粘接法均存在各種缺陷，不能很好地解決該材料構(gòu)件的連接問題。針對此問題，本文提出了在高體分SiCp/Al 復(fù)合材料上直接加工螺紋，并加裝鋼絲螺套的方法來改善螺紋的聯(lián)接性能。在某高體分SiCp/Al 復(fù)合材料上加工了M4、M5 兩種規(guī)格螺紋，并在其加裝鋼絲螺套前后進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測試。測試結(jié)果表明，加裝鋼絲螺套后螺紋拉伸強(qiáng)度滿足要求，并已成功應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。

2 SiCp/Al 復(fù)合材料性能

與傳統(tǒng)的航天結(jié)構(gòu)材料相比，SiCp/Al 復(fù)合材料由于具有高比剛度( E/ρ) 和高熱穩(wěn)定性( λ/α)而倍受重視。由表1 可以看出，SiCp/Al 復(fù)合材料密度與傳統(tǒng)輕質(zhì)材料鋁相當(dāng)，小于鈦合金，但是彈性模量遠(yuǎn)大于鋁，略小于鈦合金，比剛度比兩者大;熱性能與鋁相當(dāng)，熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于鈦合金。

表1 常用航天結(jié)構(gòu)材料的性能Tab．1 Common structural materials in space

SiC 增強(qiáng)相顆粒的含量對SiCp/Al 復(fù)合材料的性能有很大影響。由于SiC 顆粒的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于基體材料鋁合金，隨著SiC 增強(qiáng)相在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)的增大，SiC 顆粒對基體鋁合金的熱膨脹有更好的抑制作用，所以高體分SiCp/Al 復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)會進(jìn)一步降低，從而增強(qiáng)了該復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。隨著SiC 增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的彈性模量和比剛度也會增大。如表2 所示，從不同體積分?jǐn)?shù)的高體分SiCp/Al 復(fù)合材料的性能對比可以看出，高體分SiCp/Al 復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

表2 不同SiC 體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al 材料性能Tab．2 Properties of SiCp/Al composities with different volume fractions

3 高體分SiCp/Al 復(fù)合材料構(gòu)件聯(lián)接方式

雖然高體分SiCp/Al 復(fù)合材料有許多優(yōu)良的性能，但是隨著SiC 增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加，基體材料的塑性變形能力下降，即高體分SiCp/Al 復(fù)合材料的脆硬性增強(qiáng)，因而給機(jī)械加工，尤其是常見的螺紋加工帶來很大困難，使得由該復(fù)合材料制成的構(gòu)件與各金屬構(gòu)件或其他組件的聯(lián)接非常不便。為此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，常采用預(yù)置件法、焊接法或者粘接法解決螺紋加工問題。

3.1 預(yù)置件法

圖1 放置預(yù)置件的工件Fig.1 Component with pre-imbedded parts

預(yù)置件法是指在SiCp/Al 復(fù)合材料構(gòu)件成型過程中，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件各聯(lián)接接口處預(yù)先放置加工性能好的金屬材料，成型后在金屬材料上進(jìn)行螺紋加工，從而滿足聯(lián)接要求的一種工藝方法［6-7］，如圖1 所示。高體分SiCp/Al 復(fù)合材料構(gòu)件常采用粉末冶金、攪拌熔鑄、噴射沉積、無壓浸滲等方法制備。如果聯(lián)接部位尺寸小，數(shù)量多，則制備過程中預(yù)置件的位置精度不易控制，而且在構(gòu)件制備過程中，加熱溫度要達(dá)到Al 的熔點(diǎn)之上，加熱-冷卻過程溫差大。由于預(yù)置金屬材料與復(fù)合材料組分之間的線脹系數(shù)有差別，容易導(dǎo)致預(yù)置金屬與復(fù)合材料的聯(lián)接界面出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力集中甚至裂紋，從而影響了聯(lián)接可靠性和聯(lián)接強(qiáng)度。

3.2 焊接法

采用焊接法可避免上述問題。焊接法就是在制備高體分SiCp/Al 復(fù)合材料構(gòu)件時，將要進(jìn)行聯(lián)接的部位留出孔位，構(gòu)件制備后，在該部位釬焊符合性能要求的金屬材料，然后在金屬材料上進(jìn)行機(jī)械加工。釬焊是一種比較適合聯(lián)接先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的方法，該工藝可以聯(lián)接陶瓷與陶瓷、陶瓷與金屬以及纖維強(qiáng)化的SiC 陶瓷。它的反應(yīng)溫度相對較低，可以減小熱應(yīng)力，如圖2 所示。釬焊最大的缺點(diǎn)是作為復(fù)合材料增強(qiáng)相的SiC 陶瓷顆粒增強(qiáng)體以及Al2O3氧化膜嚴(yán)重阻礙了釬料在母材表面的潤濕與鋪展，使得顆粒與基體、基體與基體、顆粒與顆粒之間的聯(lián)接難以實(shí)現(xiàn)，需要嚴(yán)格控制焊接溫度，焊后要進(jìn)行熱處理以提高接頭強(qiáng)度［8］，且無法解決溫度變化帶來的熱應(yīng)力問題。為此，工程中常采取在釬焊前處理聯(lián)接界面，精心調(diào)配焊料，焊接過程中精確控制焊接工藝參數(shù)，或者用超聲波輔助釬焊等手段來改善焊接接頭質(zhì)量［9］，工藝相對復(fù)雜。

圖2 釬焊金屬材料的工件Fig.2 Component with brazed parts

3.3 粘接法

粘接具有固化速度快、使用溫度范圍寬、抗老化性能好等特點(diǎn)，大多用于靜載荷和超低靜載荷零件［10］。常見的結(jié)構(gòu)膠因線脹系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬及復(fù)合材料，且膠層線脹系數(shù)存在非線性，故粘接部位在溫度載荷下尺寸穩(wěn)定性較差。此外，由于粘接劑放氣現(xiàn)象會影響光學(xué)鏡頭成像質(zhì)量，所以在空間應(yīng)用中，適用范圍有限。

上述方法共同存在的缺陷是: 異種材料聯(lián)接界面缺陷較多，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)有差別，使得連接部位對溫度的適應(yīng)性較差，工藝復(fù)雜，費(fèi)用較高。另外，當(dāng)所需聯(lián)接部位較多，尤其是在加工裝調(diào)過程中需要額外添加孔時，預(yù)置件法或者焊接法都無法應(yīng)對。因此，只有直接在高體分SiC/Al 復(fù)合材料上加工螺紋結(jié)構(gòu)，才能從根本上避免上述問題。

4 高體分SiCp/Al 復(fù)合材料的螺紋性能

隨著加工工藝的發(fā)展，在高體分SiCp/Al 復(fù)合材料構(gòu)件上直接加工螺紋已有先例。為檢驗(yàn)高體分SiCp/Al 復(fù)合材料螺紋聯(lián)接是否能夠滿足聯(lián)接強(qiáng)度要求，對所加工螺紋進(jìn)行了拉伸測試。螺紋規(guī)格為M4 和M5，螺桿材料為低碳鋼。因加裝鋼絲螺套是一種常用、高效的改善螺紋拉伸強(qiáng)度的便捷方法，故對加裝鋼絲螺套的螺紋也進(jìn)行了相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度測試。

4.1 加裝鋼絲螺套前

首先對未加裝鋼絲螺套的兩組M4 和兩組M5 組件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸后樣件狀態(tài)如圖3 所示，所得曲線如圖4 所示。

對M4 的螺紋孔進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，一個樣件的螺紋在4 000 ～5 000 N 被拉脫，另一個樣件的螺桿在4 000 ～5 000 N 被拉斷;對M5 的螺紋孔進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，一個樣件的螺紋在6 000 ～7 000 N 被拉脫，另一個樣件的螺桿在8 000 ～9 000 N 被拉斷。由于存在螺紋被拉脫的工況，所以不能評估螺紋的最大承力范圍。觀察實(shí)驗(yàn)前樣件螺紋，發(fā)現(xiàn)螺紋的表面光潔度差，有顆粒剝落痕跡，且螺桿旋入時較緊，可見螺紋質(zhì)量較差是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別大的主要原因。

圖3 未安裝鋼絲螺套樣件拉伸測試后狀態(tài)Fig. 3 Components without steel wire thread sleeve after tensile test

圖4 安裝鋼絲螺套前樣件拉伸曲線Fig.4 Test curves of components without steel wire thread sleeve

4.2 加裝鋼絲螺套后

鋼絲螺套是一種常用的修復(fù)損壞螺紋，加強(qiáng)聯(lián)接螺紋強(qiáng)度，改善螺紋動載強(qiáng)度的工件。它是用軋制成型的菱形截面的鋼絲繞制成的螺旋體，以其自身的彈力使外螺紋牙型緊密地貼合在構(gòu)件內(nèi)螺紋牙槽內(nèi)，而內(nèi)螺紋牙型則形成新的高強(qiáng)度的鋼制內(nèi)螺紋牙型。在螺釘擰緊過程中與其產(chǎn)生相對運(yùn)動的不再是復(fù)合材料構(gòu)件的螺牙，而是鋼絲螺套的螺牙。鋼絲螺套螺牙強(qiáng)度高，光潔度好，不會被螺釘?shù)穆菁y所損傷，而且在承受拉伸載荷時，鋼絲螺套自身彈性變形會使螺紋牙承載變得更均勻，從而有效地保護(hù)了復(fù)合材料的螺紋，提高了螺紋強(qiáng)度和使用壽命。圖5 為加裝鋼絲螺套的高體分SiCp/Al 材料構(gòu)件螺紋。

圖5 安裝鋼絲螺套后的樣件Fig.5 Component with steel wire thread sleeve

圖6 安裝鋼絲螺套的樣件拉伸后狀態(tài)Fig.6 Components with steel wire thread sleeve after tensile test

圖7 安裝鋼絲螺套后拉力與伸長量的關(guān)系曲線Fig.7 Test curves of components with steel wire thread sleeves

分別對4 組M4 螺紋和M5 螺紋進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)后樣件狀態(tài)如圖6 所示，所得圖表如圖7 所示。

可以看出，拉伸結(jié)果都是螺桿被拉斷，曲線形狀與低碳鋼拉伸試驗(yàn)的曲線形狀基本吻合。對于M4 的內(nèi)螺紋，由于螺桿最大承受力仍在4 000 ～5 000 N，則加裝鋼絲螺套的螺紋最大可承受力不小于4 000 ～5 000 N。同理，對于M5 的內(nèi)螺紋，加裝鋼絲螺套的螺紋最大可承受力不小于8 000 ～9 000 N?？梢?，加裝鋼絲螺套對螺紋的力學(xué)性能有明顯的改善。

5 結(jié) 論

高體分SiCp/Al 復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，是空間光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)件較為理想的材料。本文結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，在分析了傳統(tǒng)聯(lián)接方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了在高體分SiCp/Al 復(fù)合材料構(gòu)件上直接加工螺紋，并加裝鋼絲螺套的方法來改善該材料構(gòu)件的聯(lián)接性能。通過實(shí)物拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可靠性。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)聯(lián)接方法存在的不足，已成功應(yīng)用于工程項(xiàng)目研制中，效果良好。該工藝方法的研究為高體分SiCp/Al 復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用提供了參考。

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