国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术
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Suryanarayanan K1,r . Praveen2,美国拉格拉曼3
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本文认为潜在的使用Al-SiC金属基复合材料(MMC)与特定的航空航天工业。最初,确定所需的属性,在这之后,工作探讨了纯铝和行业中它的重要性以及它的局限性。使用这些局限性,MMC的建议作为一个可能的替代铝和看到确切的属性取决于某些因素。因此这些因素如反应界面,增强材料的体积分数,类型的增强材料的增强材料和分配使用现有文献进行了综述。使用可用的信息,本文主张Al-SiC MMC的使用高性能飞机的机身外壳。然而,必须指出的是,建议纯粹是基于数据和作者的解释虽然已经尽一切努力尽可能的逻辑
关键字 |
| 铝、碳化硅、金属基复合材料、航空航天 |
我的介绍。 |
| 自从莱特兄弟飞的比空气重的机器,航空业发展的突飞猛进。因为飞机更快和/或更大,需要开发新材料占据了舞台的中心位置,使用木材和织物让位给更强的金属结构(建造主要使用铝及其合金)。然而,陶瓷和复合材料正在慢慢取代这些[1]。由于需要开发更高效的飞机还没有消退,降低更好的材料是stillin伟大的需求。本文探讨了这样一个物质的可能性;铝碳化硅复合材料(Al-SiC)。 |
| 最初,工作将会识别的必要属性材料,在航空航天工业中使用。铝的原因飞机工业的广泛应用将被识别和使用金属基复合材料(MMC)计数器纯元素的(铝)缺点将主张。一旦Al-SiC MMC的理由,工作将会去探索和理解不同的因素可以影响加工和最终复合材料的属性。 |
二世。必需的属性 |
| 因为这工作集中于航空业,最初是明智的考虑这样的应用程序中使用的材料的属性。据柯克[2],最常用的标准同时决定材料的重量。一个更轻的飞机需要更少的能量,因此,使用更少的燃料。据说一个大型飞机(涡轮喷气)可以减少燃料的使用,当体重下降了1.1 - -1.5% 1000公斤[3]。除此之外,特性,如高强度、耐腐蚀、蠕变特性、疲劳行为/性能,加工和制造能力,断裂韧性和高弹性模量、延性和变形后加工(2、4、5)在选择也扮演了重要的角色。也见过材料热强度高和稳定性产生很大的节省燃油消耗,例如,增加涡轮入口温度从1200°C到1500°C会产生6 - 8每分钱提高燃料燃烧效率)[3]。 |
| 然而,具体的属性和它们的重要性是严重依赖于特定的组件/ [5]。斯达克Jr . & Staley[1]表明,同时考虑材料飞机的机身,属性断裂韧性、强度、杨氏模量、腐蚀、疲劳萌生疲劳裂纹增长都很重要。同样,翼梁的材料选择基于剪切屈服强度和压缩模量(spar web),抗压屈服强度和模量(web加强剂)、疲劳、损伤宽容和耐蚀性[1]。因此,有时多达20个不同的合金被用于飞机[3]。 |
三世。铝 |
| 虽然飞机利用众多的元素在他们的建筑(就像在前一节中讨论),其中最重要的也许是铝。为了说明这一点,尽管空客A380是铝的最低比例(重量),它还是包含元素的61% [3]。这种广泛使用的主要原因是它低体重;密度约有三分之一的铜或钢合金[6],其比重2.72 [7]。根据Prabu et al .,[8]铝具有强度高、延性、热和导电性。虽然材料的导电性34 X 104 ohm-1 cm - 1[7]可能只是约62%的铜,这是首选在许多工业情况下由于其低体重[6]。此外,铝也有很好的可加工性和可加工性,可以把它转换(通过任何已知的方法),滚,跺着脚,,,伪造、打击和挤压几乎任何形状[6]使制造商更容易产生复杂的形状和模式所需的飞机制造业。抵抗腐蚀的能力通过密集的形成和强烈的氧化铝(氧化铝)层表面暴露在大气中[7]也是视为因素在其扩展使用。铝的使用受制于有限的强度和硬度(因此,只用在轻负载结构)以及它的低熔点- 658°C [7]。此外,Prabu et al。[8]和MahendraBoopathi et al。[9]也评论分别材料的刚度差和摩擦学性能。因此,材料是结合各种其他元素来改善上述性能取决于其应用(和其他)。这样的一个例子结合“家庭的材料称为铝金属基复合材料。 |
第四,金属基复合材料 |
| 金属基复合材料构成的金属基体强化与另一个材料,通常在形式的纤维、颗粒、胡须等概念对Pai et al .,[10]增强材料通常携带的大部分负载和基质材料,通过控股在一起,使负载转移。使用这些材料的优点(与金属矩阵)包括高强度和剪切模、疲劳和断裂性能好,热膨胀系数小,高熔点,高韧性,高韧性,高温度和电气导率、良好的耐侵蚀(和/或腐蚀),尺寸稳定性和良好的抗湿性(11、12)。此外,间以铝为矩阵受益于良好的耐磨性,特定的模量和特定强度高[13]。 |
| 答:硅Carbide-Aluminium MMC |
| MMC的这样的一个例子是与碳化硅铝基复合材料增强(Al-SiC)。碳化最重要属性的测量结果,参照航空航天工业是其强度重量比,比低碳钢的三倍[14]。此外,含有碳化硅复合材料(增强材料)和Al(矩阵)有很高的模量、强度值,耐磨性,较高的热稳定性,减少重量和更有效的负荷能力比许多其他材料(15、16)。预计也将这组合将表现出良好的腐蚀/氧化性能因为碳化硅形成保护涂层的氧化硅在1200°C[9],正如前面所讨论的,铝也显示了类似的反应。因此,可以看出,这种材料为航空工业提供了巨大的优势,特别是在应用程序需要良好的温度和拉伸性能。 |
诉AL-SIC影响因素的性质 |
| 虽然前面的部分简要讨论了一些属性Al-SiC,复合材料的组属性取决于许多因素。除了矩阵和增援的微观结构的变化,这可能导致的各种加工硬化或热处理过程,这项工作已经确定了现有文献的四个因素可能影响Al-SiC的属性: |
| 矩阵的一个¯·反应和增强材料 |
| 一个¯·增强材料的类型 |
| 一个¯·增强材料的体积分数 |
| 一个¯·分布的增强材料 |
| 在我们探索各个方面如何影响材料的属性,我们简要讨论Al-SiC的某些制备方法,因为她们decidethe提到的因素。 |
| 答:制造Al-SiC |
| 周et al。[11]广泛MMC的制造分为两类即进行分类。固相、液相。固相方法包括扩散连接(如冷等静压)、轧制、挤压、热等静压(HIP)等,液相技术包括熔融金属和例子是挤压铸造,铸造搅拌,变阻器铸造和各种类型的渗透过程。作者[11]还提倡使用多种方法来制造复合包括某些渗透技术的结合,滚动和热压或真空渗透和臀部。 |
| 这项工作建议生产Al-SiC液体制造技术的使用,因为这融化的铝和艾滋病的形成一个界面层,使某些属性(这将更详细地进行讨论之后)。过程,如搅拌铸造[9]和解体融化沉积(DMD)[17]已用于制造Al-SiC复合材料。 |
VI。AL-SIC复合材料属性依赖性 |
| 这部分的研究主要包括各种因素可能导致Al-SiC复合的性质的变化。这项研究将探索最终的变化如何影响材料的物理性质和化学成分。 |
| 答:矩阵的反应性和增强材料 |
| 界面的性质很大程度上有助于整体工作和行为的组合。它看到对面的荷载传递接口负责thestrength和刚度;放松延性影响的峰值应力在界面附近的裂纹偏转和韧性是依赖接口(11、17、18、19、20)。因此,它是必不可少的研究反应的接口同时考虑任何MMC。对于Al-SiC主要反应在接口(21、22、23、24): |
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| 根据Tham et al ., [17] Al4C3脆性本质上是不溶性,因此形式作为分离沉淀或连续在SiC颗粒层。然而,进入矩阵形成硅铝硅二元合金。 |
| 在interfaceimproves Al4C3层平均条件屈服强度(0.2%)、极限抗拉强度,work-tofracture和加工硬化ratewith只有轻微的降低材料的延性[17]。然而,在探索原因的变化特性,有必要简要地考虑两种类型的断裂特征。,有或没有Al4C3层。当Al4C3不存在,即陷入分裂。,crack propagation primarily happens through decohesion at the interface. This is because many particles are only partially bonded to the matrix [17]. Howeverwhen the Al4C3 layer is present, fracture propagates mainly through particle breakage, suggesting a strong interfacial bond [17]. This ‘well bonded’ interface ensures a more efficient load transfer across the interface [25] and ispredominantly responsible for the increase in mechanical properties [17]. The reason for this increased bond strength is because of the Al4C3 layer’s ability to form orientation relationships and semi-coherent interfaces with both the matrix and the particle and also because it is ‘keyed’ in to both the surfaces [17]. Ductility, however, was reduced because of the stress levels in matrix exceeding the matrix failure stress, which happens as a consequence of the greater levels of plastic constraint introduced by the more rigidly bonded interfaces and the greater work hardening [26, 27]. Althoughthis layer produces benefits in terms of mechanical properties, it must be ensured that the layer doesn’t become very thick as thicker layers are more prone to fracture since, they have more chances of containing a flaw that is larger than a critical size and will reduce the mechanical properties [17]. It should also be understood thatthis critical length is system specific [20]. A further reason to limit the reaction is because increasing theamount of silicon in the system will lowerthe melting point of the alloy [28]. |
| 提高机械性能的另一种方法是增加粒子的润湿性和矩阵。劳埃德等。[28]表明,反应形成Al4C3需要时间,饱和后才一个小时。因此,它可能更可行的提高润湿性以来持有的材料在高温下消耗时间和精力。这条路线会使得这一事实,因为额外的元素和技术涉及制造之前也必须考虑。 |
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| 1)润湿性:根据哦et al .,[29]良好润湿固体和液体之间的基本满意的债券之间的形成在铸造。本节将简要讨论这一现象Al-SiC制造。润湿性的能力被定义为液体在固体表面传播和代表他们之间亲密接触的大小[30]。雷竞技网页版Pai et al。[31]和哈希姆et al。[30]的话,改善润湿性原则主要是基于降低液体的表面张力,降低固液界面能在接口或增加固体的表面能。使用这个,年轻的[32],Himbeaultet。[33], Tafto et al。[34]和周et al。[11]显示技术,如合金元素的添加,涂层和/或治疗粒子增加间的润湿性。 |
| 人们已经发现,镁的加入提高了润湿的特点对铝瓶装复合材料由于其较低的表面张力[30]。按照Sukumaran et al。[35]找到了最佳比例(镁)获取最好的分布和力学性能在1和MahendraBoopathi et al。[9]添加1.5%的镁增加Al-SiC复合材料的润湿性。镁也充当一个清道夫的氧气,从而增加粒子的表面能[30]。然而,必须注意不要添加过量的镁,这将形成低熔点的化合物,这将降低复合材料的力学性能[30]。 |
| 第二种方法来增加润湿性是热处理强化材料。人们已经发现,加热SiC颗粒900°C以上改善润湿性。在他们的工作中,沃伦安德森&[21]表明,接触角为900°C是150但是当温度增加到1100°C(恒压为雷竞技网页版2.7 x 10-4torr),这项研究由科勒[36]表明,它已经下降到42岁,从而增加了润湿性。这个增加的原因之一是形成的氧化层meltat温度低于900°C(30日37)。其他原因包括去除杂质的表面解吸气体和表面氧化层的形成[38]。哈希姆et al。[30]状态,这种氧化层的功能是不同的熔体氧化层(减少复合的润湿性)。 |
| 另一个进程用于提高MMC是涂层的润湿性增强剂与另一个材料。一般非金属金属涂层与金属,因为液体金属很难湿非金属物质相比,固态金属[30]。涂层的方法包括化学气相沉积(CVD)、物理汽相沉积(如蒸发、直接离子束沉积、溅射)、等离子喷涂、电镀法和胶结[11]。虽然是最常用的涂层金属镍铝复合材料[39、40、41、42],碳化铬也被建议,因为它形成一个更稳定的层和地层能量的观点比Al4C3 Al-SiC复合材料[11]。然而,作者还补充说,双涂层更费时。 |
| 除了上述过程,Hashim et al。[30]也讨论超声振动和机械力的应用(如搅拌)尽可能的方法来增加复合材料的润湿性。可以看出,矩阵的润湿性和粒子扮演着重要的角色在决定复合材料的属性作为良好的润湿效果更强的债券在接口[30]。 |
| 增强材料的体积分数 |
| 自增强材料熊压力MMC的主要部分(因为它是硬)[9],其使用的复合(如体积分数、分布和类型)很好地确定材料的最终属性。 |
| 这项研究由MahendraBoopathi et al。[9],考虑抗拉强度、密度、屈服强度、伸长率和硬度的MMC对增强材料的百分比。,原文如此。 |
| 虽然consideringdensity, MahendraBoopathi et al。[9],显示它随SiCcontent的增加而减小;原因是SiC颗粒密度越低。也见过属性,如抗拉强度[9],屈服强度[9],硬度(9,43岁的44),impactstrength[43]和耐磨性[44],所有的增加与提高SiC /改善。是觉得这些属性的增加的原因是由于SiC颗粒的数量是成正比的压力需要启动和传播的裂缝复合。然而,伸长率降低随着碳化硅含量的增长[9]。然而,Singla et al。[43]表明,当SiC增加25%以上,硬度和冲击强度降低等属性。作者认为这是由于越来越多的SiC颗粒相互反应(集群)和安定下来,从而导致密度减少当地(SiC颗粒)和低硬度(参见Singla et al .[43]更多细节)。 |
| 在另一项研究中,NeelimaDevi et al。[14]也比较SiC的百分比含量与抗拉强度和伸长率,他们发现碳化硅含量的抗拉强度增加后下降15%。伸长的比例,unlikeMahendraBoopathi et al。[9], SiC比例成正比。相信抗拉强度下降的原因可能是因为当SiC内容跨越15%(总)的接口即增加。,number of interfaceswhich, could result in void nucleation (through interfacial decohesion) and coalescenceleading to failure at lower stresses (void nucleation and coalescence are discussed in more detail byTham et al. [17]). With respect to elongation, both the considered studiesi.e., MahendraBoopathi et al. [9] and NeelimaDevi et al. [14] show contradicting results. It may be argued that there are some anomalies in the latter study’s data since there is always a trade off between strength and ductility and, both cannot rise/fall simultaneously as described in the study (where both tensile strength and elongation percentage are proportional to each other till 15% SiC content). |
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| 增强材料的类型 |
| 阿瑟罗本工作使用的研究[15]在这一节和考虑两种类型的SiC增援——fibresand血小板(尽管该研究使用了6061合金,认为这些结果可以推断纯铝矩阵以及自研究中两种类型的增援部队被认为是在类似的环境)。考虑纤维和血小板没有任何热处理阿瑟罗[15]的工作,见过,即使这两个复合材料展示类似的比例限制(121 MPa),碳化硅纤维的材料显示了更大的屈服应力和极限抗拉强度。然而由于纤维的强度高,其延性比血小板低。纤维增强复合材料的属性的增加是由于空隙密度的百分比,根据阿瑟罗[15](±1%)2%的纤维和5%为血小板(±2%)。因此,有见过的类型(形状)强化影响材料的整体性能。 |
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d .分布钢筋的材料 |
| 当制作间通过液相铸造或类似的技术,强化材料的分布是一个重要的要考虑的因素,因为它会影响材料的性能和质量[44]。哈希姆et al。[45]说,粒子分布是影响制造过程的三个阶段即。,(1)在混合,混合后(2)但在凝固在凝固(控股)和(3)。作者建议使用搅拌铸造的转移,因为它不仅有助于粒子的融化还保留暂停状态。 |
| 也见过,凝固/冷却速率(复合)很重要,因为它影响碳化硅的分布在最后锭(28岁,45岁)。根据劳埃德等。[28]当材料冷却,SiC颗粒被拒绝在凝固前沿的半月板、继续推动;他们然后被收敛树突细胞间地区武器。材料快速冷却时,有一个更均匀分布的SiC颗粒相比更速度较慢,导致更集群分布(因为更多的粒子推动)(28岁,45岁)。根据Singla et al .[43],粒子的分布还依赖于润湿(前面所讨论的)。本文认为更同质SiC颗粒分布的结果在局部的损坏(因为粒子和接口更分散)和集群粒子也可能导致应力集中区域的形成,因为承载粒子被吸引在一起。 |
七世。建议 |
| 从上面的文献认为,这项工作使一些建议关于Al-SiC MMC的使用。首先,尽管奇迹[12]讨论了几个航空和空间应用不同的间质,本文不探讨Al-SiC单独的潜在用途。然而,觉得Al-SiC MMCslook承诺作为机身skinsin高性能飞机的材料。其考虑的主要原因是其高强度重量比[14]和良好的拉伸性能;根据会员[6]纯铝的抗拉强度是13000 psi (89.6 N /平方毫米),它的价值低于Al-SiC大部分的研究——toillustrate,原文如此,10% MahendraBoopathi等。[9]计算值在265牛/平方毫米。即使我们考虑最小值- 88.11 N /平方毫米,[14]它是类似于纯铝(然而,Al-SIC更好的强度重量比使其更有效的选择)。此外,这些间也提供良好的腐蚀/耐磨性和热稳定性(超音速成为重要的应用程序)。然而,必须指出数据等其他重要属性的疲劳和断裂韧性[1]目前还不清楚。因此,任何关于其具体的预测应用程序之前,必须采取行动来确定这些。 |
| 接下来,尽管许多的伪装方法讨论(通过周et al .[11]),搅拌铸造推荐最可行的过程由于其简单性和大量生产的能力。这种方法的另一个优点是,原则上,它使传统的金属加工路线,从而减少产品的最终成本(43岁,45岁)。Skibo等。[46]国家的成本大约三分之一的一种铸造方法类似的方法。最后,搅拌铸造还允许一个均匀分布的金属基体的增强材料。 |
| 如果我们考虑机身皮作为Al-SiC间的一个应用程序,它是认为使用纤维作为增强材料是更好的选择(与血小板相比),因为根据阿瑟罗[15]他们提供更高的屈服应力和极限抗拉强度,讨论了应用程序的关键参数。对碳化硅纤维的数量矩阵,本文认为,如果体积分数保持在10% - 15%之间,这将产生最佳的一组属性,因为正如前面所讨论的,如果该值高于15%的抗拉强度有下降(这是机身外壳)的一个重要属性,如果较低,获得的好处SiC之外并不高。本文还强烈提倡Al4C3界面层的生长。除了优势获得通过更好的属性[17],界面层也有助于更好的热疲劳性能。Mizumoto等。[47]国家的热膨胀系数与Al4C3 Al-SiC MMC层也不不同,即使重复热(循环)加载和它对应接口层。因此,Al4C3层成为一个重要的先决条件而使用这些材料在循环荷载作用下的应用程序,如机身皮肤,这可能会在飞行过程中升温、降温同时在地上。 |
| 最后的建议是considerchromium SiC颗粒硬质合金涂层。碳化铬涂层提高了粘结界面的复合,并提供一个更稳定的接口层(如前面部分中讨论)。但是,必须进行进一步的研究来确定其优势(的属性)对Al4C3层。 |
八世。结论 |
| 看到任何材料在航空航天中使用应用程序,必须达到一定标准。尽管确切设置所需的属性取决于特定的应用程序中,某些属性如低密度、良好的疲劳性能和高磨损和耐蚀性被视为普遍requirementsfor有效运作。因此,本文对于Al-SiC MMC及其在航空航天工业中的应用,探索它的属性。为其考虑的一个主要原因是材料的低密度和良好的耐磨损和腐蚀。 |
| 从文献,发现这些材料可以通过固相或液相制造方法。这项工作,不过,推荐后者,因为它们似乎显示更好的结果而被测试(如果某些问题,如润湿性是克服)。最有效的结果,但对界面反应等因素,SiC的体积分数,增强材料的类型(形状)及其分布矩阵必须考虑在设计、选材和制造过程,因为当这些因素被认为是和正确的选择,这是真正相信Al-SiC有着巨大的应用潜力(如机身皮肤)在航空航天工业。 |
承认 |
| 作者要感谢东博士j·丹尼尔,帝国理工学院、伦敦有价值的反馈,v . p . Raghupathy教授PESIT、班加罗尔最初提出的想法Al-SiC MMC和激励我们的工作在这纸和a·g·Krishnaswamy先生校对工作。 |
引用 |
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