专利名称：金属—陶瓷梯度功能材料热应力缓和设计方法
技术领域：
本发明涉及金属-陶瓷梯度功能材料的热应力缓和设计方法。
随着航空航天及原子能等现代工业技术的发展，对材料性能的要求越来越高，象航天飞机燃烧室内壁及机体表面材料，它的一侧暴露在2000K左右的高温燃烧气体下，而另一侧处于液氢和液氮的冷却中，在使用过程中，材料内部产生极大的热应力，导致材料破坏，传统陶瓷材料、金属材料及两者的复合材料均不能满足要求。因此，从八十年代后期开始，国际上开始研究一种新型金属/陶瓷复合材料-梯度功能材料，这种材料在其高温侧使用高性能陶瓷材料，在低温则使用耐高温合金，使其中间的组成与性能从陶瓷至金属呈连续变化而达到使材料内部的热应力缓和的目的，进而使材料具有良好的耐热冲击特性和隔热性能。
由于金属与陶瓷的物理、化学、力学性质(如热膨胀系数、热导率、弹性模量、泊松比、强度、润湿性等)相差较大，因此，在制备梯度功能材料的冷却过程中，不同层次之间或不同组份之间会产生极大的热应力，进而导致梯度材料的破坏。为了缓和这种因物性参数的不同所产生的热应力，必须保持金属与陶瓷在物理、化学及力学性质上具有良好匹配性，但更重要的是在此基础上通过热应力模拟与材料的结构优化，使梯度材料具有良好的热应力缓和性能，耐热冲击特性，隔热性能以及一定的使用寿命。由此可见，梯度材料的组成分布与结构设计尤为重要，它是指导完整梯度材料制备的关键。
目前，对梯度功能材料热应力模拟与组成分布设计的工作刚刚开展，工作很少，国际上普遍采用热应力最小时的分布指数(热应力缓和幅度最大)，作为设计原则，即取热应力最小时的组成分布形状指数P[C＝(X/d)P，C任一位置处陶瓷的体积含量;X任一梯度层的位置座标;d梯度层的总厚度;P组成分布形状指数]作为材料制备时的组成控制参数。但是，热应力最小设计原则的缺陷在于没有考虑到梯度材料内部热应力分布状况，以及热应力水平与发生位置的材料强度的关系。往往虽然热应力最小，但并不能制备出完整的梯度功能材料。
下面结合附图及实施例详细叙述本发明。
图1是MgO-Ni系梯度功能材料不同组成分布的热应力计算结果。
图2是MgO-Ni系梯度功能材料不同P值下的最大应力位置及其对应的FGM结构层。
图3是Ni3Al-TiC系梯度功能材料三个主要应力分量与P的关系。
图4是Ni3Al-TiC系梯度功能材料纯TiC侧热应力与P的关系。
本发明对MgO-Ni体系，选择六种不同组成含量比的MgO-Ni复合材料，将其按一定工艺烧结制成标准试样，测定其物性参数(相对密度、杨氏模量、弯曲强度、泊松比、热膨胀率)见表1，根据测定结果，对MgO-Ni系梯度材料进行热应力计算和结构设计。计算模型取实际制备的园盘状样品，厚度6mm，直径30mm，组成分割15层，样品从1000℃冷至室温，模型的物性参数取为实测值，中间梯度层的物性参数通过实测值插值求得。计算时P的取值从0.6～2.8变化，结果发现，对梯度材料试样σZZ、σQQ、σrr三个应力分量，在P＝1.8附近时，呈现最小，可获得有限元法计算的材料热应力缓和70%(如图1)，但是从不同P值下的最大热应力发生位置及其对应的梯度层的位置(如图2)关系知，尽管P＝1.8时，σZZ、σQQ取得最小，但该值为40MPa已十分接近MgO含量为40Vol%的梯度层的许可强度42MPa;当P＝1.0时，最大应力中心位于纯金属Ni层中。此应力远远小于纯金属Ni层的实测强度163MPa，足以承受该应力，在综合考虑热应力最小及其发生部位的许可强度值的基础上，合理调节P值，使最大应力σZZ、σQQ所发生的梯度层处于具有最高拉伸强度的纯金属层，在组份优化之后，进一步考虑最大热应力发生位置以及纯陶瓷侧所能承受的局部拉应力，最后确定梯度材料的组成结构。这是控制梯度材料在制备过程中，不发生破坏的结构设计准则，根据我们得到的这一准则，取P＝1作为设计结果，最大热应力发生位置及纯陶瓷侧受局部拉应力等综合性能为最佳。
本发明对Ni3Al-TiC体系，设计模型取实际制备的园盘状试样，厚度6mm，直径30mm，沿厚度方向分割11层。样品从1300℃冷却至25℃，模型的物性参数取实测值，中间梯度层的物性参数通过实测值插值求得，根据对称性取园盘断面二分之一进行计算，断面划分为1250个等单元。计算时P的取值范围从0.2～2.6变化，结果发现除P＝0.2没有热应力缓和效果外，其余组成分布均有热应力缓和效果，图(3)是计算的最大拉应力值(σZZ)max(σQQ)max(σ
>)max与P值的关系，当P＝1.1时，热应力最小为386MPa，热应力缓和幅度最大，可获得以有限法计算的材料应力缓和43%。图(4)示出了纯TiC陶瓷面的应力值σZZ和σQQ随P值的变化，随P值的增大，纯TiC陶瓷面从受拉转变为受压，转变点在P＝1.1和P＝1.2之间，从图(3)可以看出P＝0.4，1.8，2.2时，热应力缓和程度较小，所以这种设计不是最优;P＝0.6时，虽然热应力缓和程度达到40%，但此时最大应力(400MPa)发生在纯陶瓷侧，并超过纯陶瓷强度，因而这种设计是不安全的;P＝0.8时，热应力缓和程度38%，虽然最大热应力发生在强度很高的梯度层，但纯陶瓷侧所受的拉应力为240MPa，非常接近其许用应力，因而这种设计也是不合理的;P＝1.0时，热应力缓和程度为35%，纯陶瓷侧受到的拉应力为84MPa，几乎相当于纯陶瓷强度的三分之一，因而也不是最优设计;P＝1.0和P＝1.3，P＝1.4时，显然也不是最优，因为前者尽管热应力缓和程度最大，但陶瓷面受到拉应力，而后者陶瓷面所受压力比P＝1.2时大，综合考虑热应力缓和程度和最大热应力所发生的位置，我们取P＝1.2作为Ni3Al-TiC系的最佳设计结果，其最大热应力发生位置及纯陶瓷侧受局部拉应力等综合性能最佳。
所以以上二个梯度材料系统实际设计的结果可以得到本发明“梯度功能材料设计方法”。
任何金属-陶瓷梯度材料复合系统，在热应力缓和结构设计上，只要遵照本发明的设计方法，进行设计就可以得到完整无缺陷的园板状梯度材料。
表1不同体积比(MgO/Ni)烧结体及其物性参数MgO含量(vol%)100(A)80(B)60(C)40(D)20(E)0(F)相对密度(%)716462728393杨氏模量(GPa)104526056105146弯曲强度(MPa)74492942108163泊松比0.160.180.270.260.260.35热膨胀率(×10-6) 12.8 12.9 13.5 14.3 14.5 15.权利要求
1.金属-陶瓷梯度功能材料热应力缓和设计方法，包括热应力最小设计，其特征在于还包括a、按不同热应力大小分布进行指定层强度设计；b、最小热应力及其发生位置关系的优化设计；c、陶瓷面的压应力或零应力优化设计。
2.根据权利要求1所述金属-陶瓷梯度功能材料热应力缓和设计方法，其特征在于对MgO-Ni系梯度功能材料当P＝1.8时，可获得有限元法计算的材料热应力缓和70%;当P＝1时，该材料的最大热应力发生位置及纯陶瓷侧受局部热应力等综合性能力最佳。
3.根据权利要求1所述金属-陶瓷梯度功能材料热应力缓和设计方法，其特征在于对Ni3Al-TiC系梯度功能材料当P＝1.1时，可获得以有限元法计算的材料热应力缓和43%;当P＝1.2时，该材料的最大热应力发生位置及纯陶瓷侧受局部拉应力等综合性能最佳。
全文摘要
本发明涉及一种梯度功能材料设计方法。这种方法是根据材料实测物性值，采用有限元法解析梯度材料的热应力缓和规律，综合考虑梯度材料的热应力缓和幅度和最大热应力发生位置及该处的强度的关系，得到了对MgO-Ni系梯度功能材料取P＝1.0作为最佳设计结果，对Ni
文档编号B32B18/00GK1082990SQ93108448
公开日1994年3月2日 申请日期1993年7月20日 优先权日1993年7月20日
发明者张联盟, 唐新峰, 张清洁, 刘江, 袁润章 申请人:武汉工业大学