高體分SiCp /Al 復合材料螺紋性能的測試

劉炳強，李景林，王書新，高明輝，孫 斌，傘 兵

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

1 引 言

空間光學遙感器從研制到在軌應用需要經受一系列復雜環境的考驗［1-3］。從地面試驗室、運輸、發射到在軌運行，空間光學遙感器要經歷從地球重力環境到空間微重力環境的轉變，常溫常壓環境到空間高真空和惡劣的溫度環境的轉變，以及振動環境和空間電磁輻射環境的考驗。為能夠經受住上述惡劣環境的考驗，穩定、可靠地完成遙感成像任務，空間光學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力學性能和溫度載荷下的尺寸穩定性。

經過近30 年的發展，SiCp/Al 復合材料以其密度小、比剛度高、膨脹低、導熱高等優異的綜合性能，在航空航天領域得到廣泛應用［4］。在國外，SiCp/Al 復合材料作為先進飛機主承載結構件已得到正式應用。在我國，SiCp/Al 復合材料作為結構材料被應用在空間遙感器框架等支撐結構上。由于SiCp/Al 復合材料的力學性能隨著SiC增強相的體積分數( 體分) 增加而增強，且材料的脆硬性也隨著增強，使得在高體分的SiCp/Al 復合材料上加工的螺紋質量不夠理想，影響相應構件的聯接，從而限制了高體分SiCp/Al 復合材料的應用。在實際工程中常采用的預置件法、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件的連接問題。針對此問題，本文提出了在高體分SiCp/Al 復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接性能。在某高體分SiCp/Al 復合材料上加工了M4、M5 兩種規格螺紋，并在其加裝鋼絲螺套前后進行了拉伸強度測試。測試結果表明，加裝鋼絲螺套后螺紋拉伸強度滿足要求，并已成功應用于工程項目中。

2 SiCp/Al 復合材料性能

與傳統的航天結構材料相比，SiCp/Al 復合材料由于具有高比剛度( E/ρ) 和高熱穩定性( λ/α)而倍受重視。由表1 可以看出，SiCp/Al 復合材料密度與傳統輕質材料鋁相當，小于鈦合金，但是彈性模量遠大于鋁，略小于鈦合金，比剛度比兩者大;熱性能與鋁相當，熱穩定性遠大于鈦合金。

表1 常用航天結構材料的性能Tab．1 Common structural materials in space

SiC 增強相顆粒的含量對SiCp/Al 復合材料的性能有很大影響。由于SiC 顆粒的熱膨脹系數遠小于基體材料鋁合金，隨著SiC 增強相在復合材料中所占體積分數的增大，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 復合材料的熱膨脹系數會進一步降低，從而增強了該復合材料的熱穩定性。隨著SiC 增強相體積分數的增加，復合材料的彈性模量和比剛度也會增大。如表2 所示，從不同體積分數的高體分SiCp/Al 復合材料的性能對比可以看出，高體分SiCp/Al 復合材料是一種性能優異的復合材料。

表2 不同SiC 體積分數的SiCp/Al 材料性能Tab．2 Properties of SiCp/Al composities with different volume fractions

3 高體分SiCp/Al 復合材料構件聯接方式

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

3.1 預置件法

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

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

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 復合材料構件時，將要進行聯接的部位留出孔位，構件制備后，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行機械加工。釬焊是一種比較適合聯接先進結構陶瓷的方法，該工藝可以聯接陶瓷與陶瓷、陶瓷與金屬以及纖維強化的SiC 陶瓷。它的反應溫度相對較低，可以減小熱應力，如圖2 所示。釬焊最大的缺點是作為復合材料增強相的SiC 陶瓷顆粒增強體以及Al2O3氧化膜嚴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接難以實現，需要嚴格控制焊接溫度，焊后要進行熱處理以提高接頭強度［8］，且無法解決溫度變化帶來的熱應力問題。為此，工程中常采取在釬焊前處理聯接界面，精心調配焊料，焊接過程中精確控制焊接工藝參數，或者用超聲波輔助釬焊等手段來改善焊接接頭質量［9］，工藝相對復雜。

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，大多用于靜載荷和超低靜載荷零件［10］。常見的結構膠因線脹系數遠大于金屬及復合材料，且膠層線脹系數存在非線性，故粘接部位在溫度載荷下尺寸穩定性較差。此外，由于粘接劑放氣現象會影響光學鏡頭成像質量，所以在空間應用中，適用范圍有限。

上述方法共同存在的缺陷是: 異種材料聯接界面缺陷較多，由于不同材料的熱膨脹系數有差別，使得連接部位對溫度的適應性較差，工藝復雜，費用較高。另外，當所需聯接部位較多，尤其是在加工裝調過程中需要額外添加孔時，預置件法或者焊接法都無法應對。因此，只有直接在高體分SiC/Al 復合材料上加工螺紋結構，才能從根本上避免上述問題。

4 高體分SiCp/Al 復合材料的螺紋性能

隨著加工工藝的發展，在高體分SiCp/Al 復合材料構件上直接加工螺紋已有先例。為檢驗高體分SiCp/Al 復合材料螺紋聯接是否能夠滿足聯接強度要求，對所加工螺紋進行了拉伸測試。螺紋規格為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度的便捷方法，故對加裝鋼絲螺套的螺紋也進行了相應的拉伸強度測試。

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 組件進行拉伸試驗，拉伸后樣件狀態如圖3 所示，所得曲線如圖4 所示。

對M4 的螺紋孔進行拉伸試驗，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 的螺紋孔進行拉伸試驗，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。觀察實驗前樣件螺紋，發現螺紋的表面光潔度差，有顆粒剝落痕跡，且螺桿旋入時較緊，可見螺紋質量較差是導致實驗結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損壞螺紋，加強聯接螺紋強度，改善螺紋動載強度的工件。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件內螺紋牙槽內，而內螺紋牙型則形成新的高強度的鋼制內螺紋牙型。在螺釘擰緊過程中與其產生相對運動的不再是復合材料構件的螺牙，而是鋼絲螺套的螺牙。鋼絲螺套螺牙強度高，光潔度好，不會被螺釘的螺紋所損傷，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，從而有效地保護了復合材料的螺紋，提高了螺紋強度和使用壽命。圖5 為加裝鋼絲螺套的高體分SiCp/Al 材料構件螺紋。

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 螺紋進行了拉伸試驗。拉伸試驗后樣件狀態如圖6 所示，所得圖表如圖7 所示。

可以看出，拉伸結果都是螺桿被拉斷，曲線形狀與低碳鋼拉伸試驗的曲線形狀基本吻合。對于M4 的內螺紋，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。可見，加裝鋼絲螺套對螺紋的力學性能有明顯的改善。

5 結 論

高體分SiCp/Al 復合材料具有優異的綜合性能，是空間光學遙感器結構件較為理想的材料。本文結合工程實際應用，在分析了傳統聯接方法優缺點的基礎上，提出了在高體分SiCp/Al 復合材料構件上直接加工螺紋，并加裝鋼絲螺套的方法來改善該材料構件的聯接性能。通過實物拉伸試驗，驗證了該方法的可靠性。該方法彌補了傳統聯接方法存在的不足，已成功應用于工程項目研制中，效果良好。該工藝方法的研究為高體分SiCp/Al 復合材料的廣泛應用提供了參考。

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