SiC纤维增强钛基复合材料制备工艺参数优化的数值模拟

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纤维增强钛基复合材料比Ti合金有着更高的比强度、比模量和工作温度,这些优势使得纤维增强钛基复合材料在航空航天领域有着广阔的应用。本文以SiC纤维增强钛基复合材料为研究对象,利用某商用有限元软件模拟SiC纤维、复合材料预制体、复合材料的残余应力和致密化,分析不同参数对残余应力和致密化的影响,模拟计算结果对优化钛基复合材料制备工艺提供一定的理论基础。  采用轴对称模型研究了不同长径比和不同参数对SiC纤维轴向热应力的影响。WC层厚度和SiC层厚度对SiC纤维的轴向热应力影响不大;沉积温度和C涂层的厚度影相比较大,随着这两个参数的增加,轴向热应力明显增加;适当的降低沉积温度和C涂层厚度能大大减少WC层中的轴向热应力。模拟结果与激光拉曼实验结果趋势相同。  采用轴对称模型研究了磁控溅射参数对预制体轴向热应力的影响。WC层厚度和C涂层厚度对预制体的轴向热应力影响不大,随着Ti层厚度增加,Ti层的轴向热应力降低,随磁控溅射温度增加,Ti层的轴向热应力增加。适当的增加Ti层厚度能大大减少Ti层中的轴向热应力,其次考虑适当的降低磁控溅射温度。  研究了复合材料模型的可行性和不同参数对致密度的影响。采用复合材料模型的模拟结果与实验结果很接近。包套厚度对致密度影响很大,随着包套厚度增加,致密度下降,降低包套厚度能明显地提高致密度。  研究了有限元模型选择和热等静压参数对复合材料残余应力的影响。三维有限元模型与实验结果更接近。随复合成型温度增加,复合材料3个方向的残余应力均增加,随纤维体积分数降低,Ti层和TiC层的环向和轴向应力降低。适当地降低纤维体积分数和复合成型温度能极大地降低复合材料的残余应力。
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