玻璃纖維-鋁鋰合金超混雜復(fù)合層板的制備及性能研究.pdf

1、大型客機(jī)的研發(fā)及制造，對輕質(zhì)、高強(qiáng)的先進(jìn)復(fù)合材料具有迫切的應(yīng)用需求。Glare層板(Glass Reinforced Aluminum laminates)因其優(yōu)良的疲勞性能及高的損傷容限，減重效果突出，是大型飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)的重要選材。然而，Glare層板的失效機(jī)制復(fù)雜，成形難度高；且因剛度低的問題限制了該材料的應(yīng)用。本文采用損傷容限能力優(yōu)異的新型鋁鋰合金替代傳統(tǒng)Glare層板所用的2024-T3鋁合金作為金屬基板，研制了新型玻

2、璃纖維-鋁鋰合金超混雜復(fù)合層板(NFMLs)，以提高材料剛度。同時，開展NFMLs的膠黏劑含量優(yōu)化、力學(xué)性能及噴丸成形研究，以揭示其失效機(jī)制，獲得理想的成形方法，為NFMLs在大型飛機(jī)上的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。
　　首先，通過新型鋁鋰合金基板制備及強(qiáng)韌化研究，成功獲得了性能優(yōu)異的0.3mm厚T3態(tài)合金基板；其次，開展了NFMLs的制備工藝研究，重點探究了其制備技術(shù)中最核心的膠含量優(yōu)化問題；隨后，本文驗證了鋁鋰合金在NF

3、MLs中的強(qiáng)化作用，并探明了高低溫試驗環(huán)境、濕熱老化環(huán)境及熱疲勞環(huán)境對NFMLs力學(xué)性能的影響；最后，在探索NFMLs機(jī)翼前緣典型構(gòu)件自成形特性的基礎(chǔ)上，重點開展了其噴丸成形性能研究，揭示了NFMLs噴丸成形的特點及規(guī)律。得出的主要結(jié)論如下：
　　1）通過“退火-軋制-退火-固溶-淬火-時效強(qiáng)化”的處理工藝，獲得滿足NFMLs制備要求的0.3mm厚T3態(tài)鋁鋰合金基板；隨后，開展其單級時效、預(yù)變形+時效強(qiáng)韌化研究。研究結(jié)果表明，所成

4、功制備的合金基板以大量彌散細(xì)小的δ'為強(qiáng)化相，抗拉強(qiáng)度及模量分別可達(dá)479.12MPa和82.50GPa，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)Glare層板所用的2024-T3鋁合金。T3態(tài)鋁鋰合金基板具有快速的時效響應(yīng)，所析出的T1相主導(dǎo)了合金的強(qiáng)化過程；細(xì)小的T1相（直徑小于100nm）均勻密集析出，是實現(xiàn)該材料強(qiáng)化并兼顧其塑性、韌性的關(guān)鍵。預(yù)變形行為引入的大量位錯顯著提高了第二相的形核率，可增大析出相數(shù)量并控制其尺寸生長；5％以內(nèi)的預(yù)變形利于鋁鋰合金

5、的強(qiáng)韌化。
　　2）開展了NFMLs的制備工藝研究，并改變膠黏劑含量分別為0g/m2、20g/m2、40g/m2和60g/m2，重點探討了膠含量對NFMLs力學(xué)性能及失效行為的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過制備和銑切加工的NFMLs，無顯著內(nèi)部缺陷。膠含量增大導(dǎo)致NFMLs增厚的同時也顯著提高了其界面結(jié)合強(qiáng)度，二者共同作用導(dǎo)致材料的力學(xué)性能及失效行為的變化。由于NFMLs在疲勞載荷下對膠層增厚而引起的應(yīng)力變化更為敏感，且膠層的低剛度和高韌性

6、在其增厚過程中降低了纖維橋接效力，并加速了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層（下稱纖維層）的分層擴(kuò)展，導(dǎo)致NFMLs疲勞性能快速惡化。層板在膠含量為40g/m2時可獲得最優(yōu)的綜合性能匹配。
　　3）在NFMLs的力學(xué)性能研究中，首先探索了鋁鋰合金在NFMLs中的增強(qiáng)作用；其次，研究了-55℃～120℃范圍內(nèi)環(huán)境溫度對層板性能的影響；以及NFML分別經(jīng)過70℃/85%RH濕熱老化與-65℃～135℃熱疲勞處理后的性能特征。研究結(jié)果表明，

7、鋁鋰合金在NFMLs固化過程中，已萌生直徑＜25nm的T1相并導(dǎo)致時效強(qiáng)化現(xiàn)象；較傳統(tǒng)Glare層板，鋁鋰合金的引入使NFMLs的剛度提高8%～12%，抗疲勞擴(kuò)展能力顯著增強(qiáng)。NFMLs在-55℃～70℃范圍內(nèi)具有優(yōu)異的高低溫性能，120℃時性能明顯惡化。同時，濕熱老化處理引起NFMLs的性能下降；但經(jīng)過70℃/85%RH，3000h處理后，NFMLs依然表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。此外，經(jīng)過-65℃～135℃，1000次熱疲勞后，NFMLs

8、未因殘余應(yīng)力的作用而導(dǎo)致力學(xué)性能的下降；相反，因鋁鋰合金的時效強(qiáng)化行為，NFMLs經(jīng)過熱疲勞后的靜強(qiáng)度提高。經(jīng)過熱疲勞過程反復(fù)的“開啟-終止”循環(huán)相變后，T1相在保持尺寸均勻、細(xì)小的情況下，大量密集析出，獲得了較傳統(tǒng)人工時效更為理想的強(qiáng)韌化效果。
　　4）選取機(jī)翼前緣典型件，研究了NFMLs大曲率構(gòu)件的自成形特征。研究發(fā)現(xiàn)，采用自成形工藝可實現(xiàn)NFMLs機(jī)翼前緣等大曲率構(gòu)件的成形，且貼模度高，厚度均勻性好，無顯著分層缺陷，成形過程

9、未形成較大的殘余應(yīng)力，但其成形后放置一周內(nèi)即發(fā)生顯著的“張開”式回彈現(xiàn)象。
　　5）通過噴丸工藝的選擇及優(yōu)化、噴丸變形特性分析及噴丸對層板性能的影響研究三個試驗，揭示了NFMLs的噴丸成形性能。研究結(jié)果表明，NFMLs具備噴丸成形的可行性，采用小尺寸（直徑≤0.425mm）陶瓷丸可實現(xiàn)較好的成形效果，彈丸尺寸過大或噴丸強(qiáng)度過高會導(dǎo)致噴丸面附近的纖維層斷裂及金屬層/纖維層界面的分層失效；選取AZB425彈丸并采用0.193A的噴丸強(qiáng)

10、度，可使3/2結(jié)構(gòu)正交層板的成形曲率半徑降低至165.24mm。在變形特性方面，NFMLs的變形更易于在垂直于纖維方向產(chǎn)生，僅噴丸面的金屬層發(fā)生塑性變形，其它各層發(fā)生彈性變形；其變形特征隨噴丸強(qiáng)度及覆蓋率的影響規(guī)律與金屬材料一致；噴丸顯著改變了NFMLs各層的殘余應(yīng)力狀態(tài)，且在無外力或溫度場作用下，其應(yīng)力松弛行為緩慢。噴丸因鋁鋰合金層的加工硬化現(xiàn)象對NFMLs的靜強(qiáng)度具有一定的改善作用；并通過引入的殘余應(yīng)力場，降低了鋁鋰合金層的應(yīng)力強(qiáng)度