專利名稱：金屬—陶瓷梯度功能材料熱應力緩和設計方法
技術領域：
本發明涉及金屬-陶瓷梯度功能材料的熱應力緩和設計方法。
隨著航空航天及原子能等現代工業技術的發展，對材料性能的要求越來越高，象航天飛機燃燒室內壁及機體表面材料，它的一側暴露在2000K左右的高溫燃燒氣體下，而另一側處于液氫和液氮的冷卻中，在使用過程中，材料內部產生極大的熱應力，導致材料破壞，傳統陶瓷材料、金屬材料及兩者的復合材料均不能滿足要求。因此，從八十年代后期開始，國際上開始研究一種新型金屬/陶瓷復合材料-梯度功能材料，這種材料在其高溫側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變化而達到使材料內部的熱應力緩和的目的，進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、力學性質(如熱膨脹系數、熱導率、彈性模量、泊松比、強度、潤濕性等)相差較大，因此，在制備梯度功能材料的冷卻過程中，不同層次之間或不同組份之間會產生極大的熱應力，進而導致梯度材料的破壞。為了緩和這種因物性參數的不同所產生的熱應力，必須保持金屬與陶瓷在物理、化學及力學性質上具有良好匹配性，但更重要的是在此基礎上通過熱應力模擬與材料的結構優化，使梯度材料具有良好的熱應力緩和性能，耐熱沖擊特性，隔熱性能以及一定的使用壽命。由此可見，梯度材料的組成分布與結構設計尤為重要，它是指導完整梯度材料制備的關鍵。
目前，對梯度功能材料熱應力模擬與組成分布設計的工作剛剛開展，工作很少，國際上普遍采用熱應力最小時的分布指數(熱應力緩和幅度最大)，作為設計原則，即取熱應力最小時的組成分布形狀指數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;d梯度層的總厚度;P組成分布形狀指數]作為材料制備時的組成控制參數。但是，熱應力最小設計原則的缺陷在于沒有考慮到梯度材料內部熱應力分布狀況，以及熱應力水平與發生位置的材料強度的關系。往往雖然熱應力最小，但并不能制備出完整的梯度功能材料。
下面結合附圖及實施例詳細敘述本發明。
圖1是MgO-Ni系梯度功能材料不同組成分布的熱應力計算結果。
圖2是MgO-Ni系梯度功能材料不同P值下的最大應力位置及其對應的FGM結構層。
圖3是Ni3Al-TiC系梯度功能材料三個主要應力分量與P的關系。
圖4是Ni3Al-TiC系梯度功能材料純TiC側熱應力與P的關系。
本發明對MgO-Ni體系，選擇六種不同組成含量比的MgO-Ni復合材料，將其按一定工藝燒結制成標準試樣，測定其物性參數(相對密度、楊氏模量、彎曲強度、泊松比、熱膨脹率)見表1，根據測定結果，對MgO-Ni系梯度材料進行熱應力計算和結構設計。計算模型取實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，模型的物性參數取為實測值，中間梯度層的物性參數通過實測值插值求得。計算時P的取值從0.6～2.8變化，結果發現，對梯度材料試樣σZZ、σQQ、σrr三個應力分量，在P＝1.8附近時，呈現最小，可獲得有限元法計算的材料熱應力緩和70%(如圖1)，但是從不同P值下的最大熱應力發生位置及其對應的梯度層的位置(如圖2)關系知，盡管P＝1.8時，σZZ、σQQ取得最小，但該值為40MPa已十分接近MgO含量為40Vol%的梯度層的許可強度42MPa;當P＝1.0時，最大應力中心位于純金屬Ni層中。此應力遠遠小于純金屬Ni層的實測強度163MPa，足以承受該應力，在綜合考慮熱應力最小及其發生部位的許可強度值的基礎上，合理調節P值，使最大應力σZZ、σQQ所發生的梯度層處于具有最高拉伸強度的純金屬層，在組份優化之后，進一步考慮最大熱應力發生位置以及純陶瓷側所能承受的局部拉應力，最后確定梯度材料的組成結構。這是控制梯度材料在制備過程中，不發生破壞的結構設計準則，根據我們得到的這一準則，取P＝1作為設計結果，最大熱應力發生位置及純陶瓷側受局部拉應力等綜合性能為最佳。
本發明對Ni3Al-TiC體系，設計模型取實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℃，模型的物性參數取實測值，中間梯度層的物性參數通過實測值插值求得，根據對稱性取園盤斷面二分之一進行計算，斷面劃分為1250個等單元。計算時P的取值范圍從0.2～2.6變化，結果發現除P＝0.2沒有熱應力緩和效果外，其余組成分布均有熱應力緩和效果，圖(3)是計算的最大拉應力值(σZZ)max(σQQ)max(σ
>)max與P值的關系，當P＝1.1時，熱應力最小為386MPa，熱應力緩和幅度最大，可獲得以有限法計算的材料應力緩和43%。圖(4)示出了純TiC陶瓷面的應力值σZZ和σQQ隨P值的變化，隨P值的增大，純TiC陶瓷面從受拉轉變為受壓，轉變點在P＝1.1和P＝1.2之間，從圖(3)可以看出P＝0.4，1.8，2.2時，熱應力緩和程度較小，所以這種設計不是最優;P＝0.6時，雖然熱應力緩和程度達到40%，但此時最大應力(400MPa)發生在純陶瓷側，并超過純陶瓷強度，因而這種設計是不安全的;P＝0.8時，熱應力緩和程度38%，雖然最大熱應力發生在強度很高的梯度層，但純陶瓷側所受的拉應力為240MPa，非常接近其許用應力，因而這種設計也是不合理的;P＝1.0時，熱應力緩和程度為35%，純陶瓷側受到的拉應力為84MPa，幾乎相當于純陶瓷強度的三分之一，因而也不是最優設計;P＝1.0和P＝1.3，P＝1.4時，顯然也不是最優，因為前者盡管熱應力緩和程度最大，但陶瓷面受到拉應力，而后者陶瓷面所受壓力比P＝1.2時大，綜合考慮熱應力緩和程度和最大熱應力所發生的位置，我們取P＝1.2作為Ni3Al-TiC系的最佳設計結果，其最大熱應力發生位置及純陶瓷側受局部拉應力等綜合性能最佳。
所以以上二個梯度材料系統實際設計的結果可以得到本發明“梯度功能材料設計方法”。
任何金屬-陶瓷梯度材料復合系統，在熱應力緩和結構設計上，只要遵照本發明的設計方法，進行設計就可以得到完整無缺陷的園板狀梯度材料。
表1不同體積比(MgO/Ni)燒結體及其物性參數MgO含量(vol%)100(A)80(B)60(C)40(D)20(E)0(F)相對密度(%)716462728393楊氏模量(GPa)104526056105146彎曲強度(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.權利要求
1.金屬-陶瓷梯度功能材料熱應力緩和設計方法，包括熱應力最小設計，其特征在于還包括a、按不同熱應力大小分布進行指定層強度設計；b、最小熱應力及其發生位置關系的優化設計；c、陶瓷面的壓應力或零應力優化設計。
2.根據權利要求1所述金屬-陶瓷梯度功能材料熱應力緩和設計方法，其特征在于對MgO-Ni系梯度功能材料當P＝1.8時，可獲得有限元法計算的材料熱應力緩和70%;當P＝1時，該材料的最大熱應力發生位置及純陶瓷側受局部熱應力等綜合性能力最佳。
3.根據權利要求1所述金屬-陶瓷梯度功能材料熱應力緩和設計方法，其特征在于對Ni3Al-TiC系梯度功能材料當P＝1.1時，可獲得以有限元法計算的材料熱應力緩和43%;當P＝1.2時，該材料的最大熱應力發生位置及純陶瓷側受局部拉應力等綜合性能最佳。
全文摘要
本發明涉及一種梯度功能材料設計方法。這種方法是根據材料實測物性值，采用有限元法解析梯度材料的熱應力緩和規律，綜合考慮梯度材料的熱應力緩和幅度和最大熱應力發生位置及該處的強度的關系，得到了對MgO-Ni系梯度功能材料取P＝1.0作為最佳設計結果，對Ni
文檔編號B32B18/00GK1082990SQ93108448
公開日1994年3月2日 申請日期1993年7月20日 優先權日1993年7月20日
發明者張聯盟, 唐新峰, 張清潔, 劉江, 袁潤章 申請人:武漢工業大學