专利名称：测量SiC<sub>f</sub>/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法
技术领域：
本发明涉及残余应力测量技术，具体的说是一种测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法。
背景技术：
SiCf/Ti基复合材料相比传统Ti合金具有更高的比强度、比模量和更好的热稳定性等优点，已成为新型高性能空间结构材料的一个重要发展方向，用其制备的高温、高强、轻质部件可在未来航空、航天领域被广泛地应用。然而，在SiCf/Ti基复合材料制备过程中，由于SiC纤维与钛合金基体热膨胀系数的差异会导致冷却后复合材料内部产生残余应力，而沿纤维轴向的残余应力对复合材料的拉伸性能和疲劳性能会产生很大的影响，因此，精确测量复合材料内部残余应力对提高复合材料的综合力学性能及其结构件在高温长时间 可靠服役意义重大。目前有多种测量SiCf/Ti基复合材料残余应力的方法，如X射线衍射法、中子衍射法、化学腐蚀法等。其中X射线衍射法和中子衍射法为常用的残余应力测量方法，这两种方法都是通过测量基体或纤维的某晶面面间距d'与无应力状态下的面间距d对比得到该晶面的变形量，用已知的晶面弹性模量计算出该面的残余应力值。X射线穿透能力有限(^7u m)，只能测量材料表面基体中的应力(应变)，中子射线穿透能力与X射线穿透能力相比较强，可以同时测量基体和纤维的应力，但成本较高。化学腐蚀法是用腐蚀液腐蚀掉部分基体材料使纤维裸露出来，这样纤维的残余应力得到释放，测量裸露纤维超出原来复合材料端部的长度，即可得到纤维的残余应变，进一步计算得到纤维所受残余应力的大�。捎诟梅椒ɡ孟晕⒕档木劢咕嗬氩饬砍ざ龋虼耸笛槲蟛罱洗�。另外，该方法测得的纤维残余应力，是一段纤维平均的残余应力值。理论上，也有一些模型对复合材料的残余应力进行了预测，其中同轴圆柱模型被公认为最接近实际的模型，但该模型没有考虑基体材料的弹性模量和膨胀系数随温度的变化而变化的因素，因此与真实应力也有较大差距，仅仅作为实验测试结果的辅助参考。如何准确测量纤维与基体界面处的应力分布，对于优化和设计复合材料的界面以缓解界面残余应力的影响具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服上述只能测量纤维或基体整体的残余应力统计值，测试结果随机性及误差较大等不足之处，本发明的目的是提供一种符合SiCf/Ti基复合材料结构特点，能够深入测量SiC纤维附近的界面微观区域，具有较高精度和分辨率的一种测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法。为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案—种测量SiCf/Ti基复合材料纤维表面残余应力的方法，按如下步骤进行I)在原始SiC纤维轴向施加拉应力O，将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在纤维表面C涂层上，获得相应的拉曼吸收峰波数V;改变拉应力，測量同一根纤维在不同的拉应カ状态下C原子拉曼吸收峰波数；绘制V与σ的关系曲线，线性拟合后标定出斜率k;2)将SiCf/Ti基复合材料样品中部的纤维表面C涂层打磨至即将露出，再进行电解抛光直至有少量C涂层暴露；然后将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在已暴露的C涂层微区上，获得相应的拉曼吸收峰波数，记为V1 ；3)利用腐蚀液将SiCf/Ti基复合材料板状样品端部的基体去除，使端部的纤维表面C涂层完全裸露，然后将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在裸露的C涂层上，获得相应的拉曼吸收峰波数，记为V2; 4)按照如下公式计算出纤维表面界面微观区域的残余应カΔ V = V1-V2, Qr= Δ v/k其中Λ V为步骤2)、3)获得的拉曼吸收峰波数变化，σ ^为残余应力。步骤I)中原始SiC纤维轴向施加拉应カ的范围为0_4000Mpa ；步骤2)和3)中拉曼光谱仪的激光束照射之前依次采用清水、酒精清洗，最后烘干。步骤3)中的腐蚀液为Ti合金腐蚀液。用于生产SiCf/Ti基复合材料的SiC纤维表面具有1-5 μ m厚的C涂层，采用上述方法能得到较好的測量结果；C原子拉曼吸收峰选择表征石墨结构振动模式的G峰；SiCf/Ti基复合材料的基体材料为TC4、Ti55、TC17、Ti2AlNb, TiAl等不同种类的钛合金；SiCf/Ti基复合材料的形状可以为板状或棒状。本发明中优选激光拉曼光谱仪为显微共聚焦激光拉曼光谱仪，空间分辨率< I μ m，共聚焦深度剖析分辨率< 2 μ m。步骤2)中SiCf/Ti基复合材料样品中部通过机械打磨和电解抛光后露出的少量C层，由于裸露面积微�。匀皇艿礁浇虻幕逶际艿牟杏嘤Ε⒉换岱⑸艽蟾谋洌蚨扇衔肅层与埋入基体中的C层受到的残余应カ基本一致；而SiCf/Ti基复合材料样品端部利用腐蚀液去除基体后完全裸露的C层，不再受到基体的束缚，见步骤3)，可认为其处于残余应カ释放状态。本发明原理是由于碳材料普遍具有拉曼活性，类石墨结构在波数为1000 1800cm-1范围内有两个拉曼吸收峰13300^1附近的D峰和1580CHT1附近的G峰。其中D峰的形态及位置主要由碳原子芳环化程度決定，这种键多存在于表面和石墨片面之间，对纤维轴向所受应カ并不敏感。而G峰位置(波数)与类石墨结构所受应カ有线性关系，即σ = v/k，受拉应力时拉曼峰向低波数方向移动，受压应カ时拉曼峰则向高波数方向移动。由于用于生产SiCf/Ti基复合材料的SiC纤维表面都具有1-5 μ m厚的C涂层，C涂层中的类石墨结构片层是沿纤维方向取向的，所以表征石墨结构振动模式的G峰的波数能反映出SiC纤维轴向应力。因此，本发明选取受到残余应カ作用和残余应カ释放状态下的C涂层中C原子的G峰波数变化，做为测量纤维表面微观区域残余应カ的依据。本发明具有如下优点I.本发明方法采用显微共聚焦激光拉曼光谱仪，其具有激光束斑直径小1μ m)，测试分辨率高的特点，采用本发明的方法能够深入測量SiC纤维表面的微观区域，测试结果更准确，解决了现有方法只能測量纤维或基体整体的残余应カ统计值，测试结果随机性及误差较大的问题；2.采用本发明的方法对SiCf/Ti基复合材料具有普适性，例如，适用于不同类型Ti合金基体的复合材料TC4、Ti55、TC17、Ti2AlNb, TiAl等，适用于不同的形状复合材料板状、棒状等；
图I为本发明中标定原始SiC纤维拉曼吸收峰波数(V)-应カ(O )线性关系的实验装置不意图；
图2为本发明中原始SiC纤维拉曼吸收峰波数(V)-应カ(O)线性关系标定结果;图3为本发明中SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应カ测量过程中SiCf/Ti基复合材料的状态示意图；图4为本发明中SiCf/Ti基复合材料样品中部和端部C层拉曼光谱(G峰波数对比图)；其中，图中符号表示1为砝码；2为可移动夹具；3为测カ计；4为-拉曼光谱仪；5为激光束；6为待测样品；7为激光束；8为受残余应カ作用的C层(中部)；9为Ti合金基体；10为残余应カ释放状态的C层(端部)；
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一歩详细说明。图I为本发明中标定原始SiC纤维拉曼吸收峰波数(V)-应カ(O )线性关系的实验装置示意图，如图I所示，位于导轨上的两个同轴可移动夹具，其中ー夹具与砝码托盘相连，用于产生拉应カ，另ー夹具与测カ计连接，测量应カ值，使用吋，被测纤维两端分别装入同轴移动夹具，拉曼光谱仪的激光束对准被测纤维，通过更换不同重量砝码调整SiC纤维所受应力，测试不同应カ状态下原始SiC纤维表面C原子拉曼吸收峰波数V。所采用的拉曼光谱仪为显微共聚焦激光拉曼光谱仪，空间分辨率< I μ m，共聚焦深度剖析分辨率< 2 μ m。图3为本发明中SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应カ测量过程中SiCf/Ti基复合材料的状态示意图，如图3所示，将拉曼光谱仪的激光束先后垂直照射在SiCf/Ti基复合材料板状样品中部和端部已暴露的C涂层微观区域上，分别测试相应的C原子拉曼吸收峰波数，V1及V2 ;实施例I本发明测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应カ的方法，按如下步骤进行I)将原始SiC纤维(由中国科学院金属研究所利用CVD法生产的W芯SiC纤维)两端分别装入同轴可移动夹具之间，根据不同应カ数值往砝码托盘上增减砝码，提供拉力。待所加拉カ稳定后将拉曼光谱仪的激光束照射在SiC纤维上，静置3-5分钟，測量C原子拉曼吸收峰G峰波数。通过更换不同重量砝码调整SiC纤维所受应カ分别为0、324、847、1229、1441、1680MPa,测量C原子拉曼吸收峰G峰波数，每个应力值测量三次取平均值。每个应力值σ与其测量的拉曼吸收峰波数V的对应关系如图2所示，利用数据分析软件Origins. O对测得的拉曼数据点进行线性拟合，可得到斜率值k。其中，拉曼光谱仪型号为法国JY-RH800型，激光波长为488nm，功率I. 5mff,积分时间180s，空间分辨率I μ m,共聚焦深度剖析分辨率2 μ m。2)利用预磨机将SiCf/Ti基复合材料，本实施例采用SiCf/Ti-22Al_26Nb复合材料(由中国科学院金属研究所采用磁控溅射先驱丝法制备)，SiC纤维表面C涂层厚度为2 μ m，形状采用板状样品，将其中部的纤维表面C涂层打磨至即将露出，再对其进行电解抛光直至有少量C涂层暴露，利用清水、酒精清洗，烘干，将拉曼光谱仪的激光束垂直照射在已暴露的C涂层微观区域上，测试相应的C原子拉曼吸收峰波数V1 ；3)将3丨(ノ11-2241-26吣复合材料板状样品端部浸入40%册溶液，浸入深度5臟， 烘干，将拉曼光谱仪的激光束垂直照射在裸露的C涂层上，测试相应的C原子拉曼吸收峰波数V2 ;4)根据上述步骤2)、3)获得的拉曼吸收峰位置如图4所示为本发明中SiCf/Ti基复合材料样品中部和端部C层拉曼光谱(G峰波数对比图)，计算出所测样品中部和端部的C原子拉曼吸收峰波数变化Δν = V1-V2 = I. 02cm_1,由公式σ ^ = Δ ノ k,计算得出SiC纤维表面C涂层受到的残余应カσ ^为_573MPa，负号代表纤维表面C层受到压应カ。实施例2与实施例I不同之处在于步骤I)更换不同重量砝码，调整原始SiC纤维所受应カ分别为0、642、1248、1872、2496、2996MPa ；步骤2)和3)中采用SiCf/Ti-22Al_26Nb复合材料棒状样品(由中国科学院金属研究所采用磁控溅射先驱丝法制备)，样品在900°C经200小时真空热暴露处理，其残余应力状态已发生改变，样品内部SiC纤维表面C涂层厚度2. 5 μ m。激光拉曼测试样品的制备与残余应カ测试过程与实施例I相同；4)根据上述步骤2)、3)获得的拉曼吸收峰位置，计算出所测样品中部和端部的C原子拉曼吸收峰波数变化Δν = V1-V2 = O. 55cm_1,由公式σ ^ = Δ v/k,计算得出SiC纤维表面C涂层受到的残余应カσ ^为_295MPa，真空热暴露后残余应カ较热压态时大幅降低。采用实施例I和2的方法测量的结果经过同轴圆柱模型计算出轴向残余应カ值验证，基本吻合。
权利要求
1.一种测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于，按如下步骤 1)在原始SiC纤维轴向施加拉应力O，将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在纤维表面C涂层上，获得相应的拉曼吸收峰波数V ;改变拉应力，测量同一根纤维在不同的拉应力状态下C原子拉曼吸收峰波数；绘制V与0的关系曲线，线性拟合后标定出斜率k; 2)将SiCf/Ti基复合材料样品中部的纤维表面C涂层打磨至即将露出，再进行电解抛光直至有少量C涂层暴露；然后将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在已暴露的C涂层微区上，获得相应的拉曼吸收峰波数，记为V1 ; 3)利用腐蚀液将SiCf/Ti基复合材料板状样品端部的基体去除，使端部的纤维表面C涂层完全裸露，然后将激光拉曼光谱仪的激光束照射在裸露的C涂层上，获得相应的拉曼吸收峰波数，记为V2 ； 4)按照如下公式计算出纤维表面界面微观区域的残余应力 Av = V1-V2, or=A v/k 其中八￥为步骤2)、3)获得的拉曼吸收峰波数变化，为钱余应力。
2.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于步骤I)中原始SiC纤维轴向施加拉应力的范围为0-4000Mpa。
3.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于用于生产SiCf/Ti基复合材料的SiC纤维表面具有1-5 y m厚的C涂层。
4.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于步骤3)中的腐蚀液为Ti合金腐蚀液。
5.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于所述C原子拉曼吸收峰波数为拉曼吸收峰中表征石墨结构振动模式的G峰。
6.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于步骤2)和3)中拉曼光谱仪的激光束照射之前依次采用清水、酒精清洗，最后烘干。
7.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于SiCf/Ti基复合材料的基体材料为TC4、Ti55、TC17、Ti2AlNb、TiAl。
8.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于SiCf/Ti基复合材料的形状为板状或棒状。
9.按照权利要求I所述测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，其特征在于所述的激光拉曼光谱仪为显微共聚焦激光拉曼光谱仪，空间分辨率< I Pm，共聚焦深度剖析分辨率< 2 u m。
全文摘要
本发明涉及残余应力测量技术，为一种测量SiCf/Ti基复合材料界面微观残余应力的方法，首先确定原始SiC纤维C涂层中C原子拉曼吸收峰波数(v)随所受应力σ变化的线性关系，并标定出斜率k，然后分别测量SiCf/Ti基复合材料中受到残余应力作用和残余应力释放状态下的C涂层中C原子的拉曼吸收峰波数变化Δv，最后根据波数变化和已标定的斜率计算出纤维表面微观区域的残余应力。该方法的优点是可以直接测量到纤维表面的微观区域，并且分辨率较高，测试结果更准确，操作简单等优点。
文档编号G01N21/65GK102749316SQ201110101268
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者张旭, 杨锐, 杨青, 王玉敏, 肖鹏, 雷家峰 申请人:中国科学院金属研究所
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