小規(guī)格C/SiC 復合材料緊固件加工及力學性能研究

柳思成， 李文生， 侯安印， 陳思安， 許彥偉， 程全士， 潘勇

（1.航天精工股份有限公司， 天津 300300； 2.天津市緊固連接技術企業(yè)重點實驗室， 天津 300300；3.國防科技大學陶瓷纖維及其復合材料國防科技重點實驗室， 湖南長沙 410073；4.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076）

0 引言

超高速飛行器對耐熱結構的工作溫度和壽命提出了更高要求，并帶動耐高溫陶瓷基材料的發(fā)展。陶瓷基復合材料緊固件的使用， 解決了金屬緊固件高溫強度衰減較大、金屬-陶瓷熱膨脹系數不匹配、單相陶瓷脆性大承載能力差等連接問題， 是熱端連接或陶瓷結構連接的應用趨勢之一[1-5]。

C/SiC、C/C、SiC/SiC 是三類主要的陶瓷基復合材料，但C/C、SiC/SiC 材料分別存在抗氧化性能差和制造成本高等問題， 影響其在緊固件領域的應用；C/SiC 能在不超過1800℃的使用溫度下保持較高強度，遠高于高溫合金及難熔合金的使用溫度， 且該材料相較于鈦合金和高溫合金等金屬材料，具更低的密度、更小的熱膨脹系數、更好的熱穩(wěn)定性及耐腐蝕性能等， 是制造超高溫緊固件的優(yōu)異選材[6-8]。

近年來，圍繞耐高溫連接需求，國防科技大學、西北工業(yè)大學等科研院所開展了C/SiC 材料及緊固件的研發(fā)和制備工作， 研究了不同成型工藝下材料的組織及力學性能情況[4，6-10]。 但對于夾層較薄的連接結構，如TPS 防熱面板等，需要用到小規(guī)格（M3～M6）的C/SiC 緊固件；經文獻檢索，目前，還未見到針對小規(guī)格C/SiC 緊固件加工和性能方面系統(tǒng)研究的文獻及報道。

本文針對小規(guī)格C/SiC 緊固件的研究不足和應用需求，開展了M3～M6 規(guī)格螺釘和螺母的加工及力學性能研究，通過對防隔熱一體化結構的仿真模擬，明確了對連接用C/SiC 復合材料緊固件的強度及選型要求。

1 試驗樣件及試驗方法

C/SiC 復合材料緊固件的制備流程：PIP 工藝獲得未完全致密的C/SiC 毛坯板，對毛坯板進行平磨、切割、鉆孔等機械加工，獲得緊固件的初步外形，采用搓絲、車削及磨削三種方式進行外螺紋加工， 采用絲錐進行內螺紋加工，從而獲得半成品C/SiC 螺釘及螺母，后續(xù)致密化獲得螺釘及螺母成品。

預制體結構為三維針刺氈（3DN）， 纖維體積分數約40%，預制體類型及加工C/SiC 材料的性能見表1。 試驗用C/SiC 緊固件的產品結構尺寸見圖1， 其中螺釘為90°沉頭，螺釘的扳擰結構預留在頭部端面處，為方型，擰緊后切除，因此未在圖中標出；螺母為現有型號常用的方型結構。

表1 試驗用C/SiC 預制體類型及加工材料性能參數

圖1 C/SiC 緊固件結構尺寸

根據與用戶的溝通，測試溫度選擇了室溫（室溫指25℃，下同）、1100℃和1200℃三個溫度段，部分測試使用C/SiC螺釘、螺母連接副；測試內容包括連接副的抗拉強度，螺釘剪切強度（使用螺釘的剪切試驗件）和螺母的拉脫力。測試在航天精工股份有限公司天津分公司檢測中心進行，其中常溫性能測試使用美特斯CMT5305-30T 拉力試驗機，加載速率2mm/min，高溫性能測試使用WDW-100微機控制電子萬能試驗機，拉伸加載速率20kN/min，剪切加載速率40kN/min，平均升溫速率5℃/min，保溫30min。

試驗項目及試驗標準見表2。

表2 C/SiC 緊固件性能測試項目及標準

2 試驗結果與分析

2.1 小規(guī)格C/SiC 緊固件螺紋加工方式比較

本文比較了搓絲、車削及磨削三種加工方式對C/SiC螺釘螺紋加工質量的影響，見圖2。 可以看出：搓絲加工的螺紋掉齒現象明顯，螺紋完整性差；車削加工的螺紋有明顯崩牙現象，螺紋質量一般；磨削加工的螺紋形貌及完整性明顯改善，螺紋精度為6h，是一種優(yōu)選的C/SiC 材料外螺紋加工方式。 磨削加工螺牙縱剖面見圖3。

圖2 不同螺紋加工方式的C/SiC 螺釘

圖3 磨削加工螺紋縱剖面SEM

表3 給出了三種加工方式制備的C/SiC 螺釘的抗拉強度，與之匹配的C/SiC 螺母高度為10mm。 可以看出，磨削螺紋加工的螺釘的抗拉強度為180MPa， 分別高出前兩種加工方式約125%和30%， 其破壞方式也由桿部螺紋脫扣轉為螺釘拉斷，見圖4，原因在于采用搓絲及車削加工的螺紋缺陷較多，因此螺牙強度低，進而導致螺紋優(yōu)先破壞。

圖4 C/SiC 螺釘的兩種破壞方式

表3 不同加工方式的C/SiC 螺釘的抗拉強度

針對C/SiC 內螺紋加工， 本文比較了采用普通金屬絲錐和硬質合金絲錐的攻絲質量差異，表明：采用普通金屬絲錐加工螺母時， 絲錐磨損嚴重， 且加工的螺紋大徑偏小；采用高硬度的硬質合金絲錐加工時，能夠獲得較好的螺紋牙形貌，螺紋精度達到6H，滿足裝配要求。

因此， 采用磨削和硬質合金絲錐攻絲分別是小規(guī)格C/SiC 緊固件外螺紋和內螺紋的較優(yōu)加工方式。

2.2 小規(guī)格C/SiC 緊固件的預制體選型及室溫性能

由于C/SiC 材料硬度高、脆性較大，螺紋加工時易出現崩牙等問題。 而小規(guī)格緊固件的力學性能對螺紋缺陷等問題更為敏感，因此小規(guī)格C/SiC 螺釘、螺母對螺紋牙加工精度和螺紋完整性要求極高。經研究和優(yōu)化，小規(guī)格螺釘、螺母的制造工藝包括：外螺紋采用磨削加工，內螺紋采用硬質合金絲錐攻絲，纖維預制體結構可選擇Type-1、Type-2 和Type-3 三種編織類型。

研究了不同纖維預制體結構、規(guī)格（M3、M4、M5）的C/SiC 螺釘及螺母的室溫力學性能。 圖5 分別給出了M3、M4、M5 三種規(guī)格螺釘的螺紋承載能力隨螺母高度的變化曲線，每種規(guī)格螺釘均分別由Type-1、Type-2 和Type-3 三種類型的預制體的C/SiC 加工， 連接螺母統(tǒng)一由Type-1 預制體的C/SiC 加工。 對于Type-1 預制體的螺釘，M3、M4、M5 的抗拉強度為（150～170）MPa；對于Type-2 預制體的螺釘，M3、M4、M5 的抗拉強度為 （190～200）MPa；對于Type-3 預制體的螺釘，M3、M4、M5 的抗拉強度為（240～250）MPa。 此外，本文也比較了不同預制體類型對小規(guī)格螺釘剪切性能的影響 （使用不帶螺紋的剪切試驗件進行測試）， 對于Type-1 預制體的螺釘，M3、M4、M5的剪切強度為（61～70）MPa；對于Type-2 預制體的螺釘，M3、M4、M5 的剪切強度為（74～82）MPa；對于Type-3 預制體的螺釘，M3、M4、M5 的剪切強度為（96～103）MPa。 表明使用Type-3 預制體加工的螺釘的拉伸和剪切性能較好。

圖5 C/SiC 復合材料螺釘的力學性能

圖6 分別給出了M3、M4、M5 三種規(guī)格螺母的螺紋承載能力隨螺母高度的變化曲線， 其中每種規(guī)格螺母均分別由Type-1、Type-2 和Type-3 三種類型的預制體的C/SiC 加工，為保證試驗以螺母拉脫為失效方式，試驗螺釘統(tǒng)一為標準金屬螺釘。 可以看出， 無論選用何種預制體，螺母螺紋的承載能力均隨螺母高度的增加而增大，在（2～10）mm 范圍內，其增長趨勢近似線性。經比較，Type-1型預制體制備的C/SiC 螺母承載能力最高， 而Type-2 和Type-3 則分別下降了（20%～30%）。 因此，實際工程應用中，若需要較高的內螺紋承載能力，則應優(yōu)先選擇Type-1預制體結構的C/SiC 制造螺母。

圖6 C/SiC 螺母的力學性能

2.3 小規(guī)格C/SiC 螺釘的高溫抗拉性能

采用Type-3 預制體結構的C/SiC 材料加工M6 規(guī)格沉頭螺釘，研究了其高溫抗拉性能，并與室溫性能比較，如表4。 測試數據表明：M6 規(guī)格C/SiC 螺釘在1100℃和1200℃的平均抗拉強度分別達到230MPa 和223MPa，具有優(yōu)異的高溫抗拉性能，且性能隨溫度升高的衰減較小。

表4 C/SiC 螺釘抗拉性能（M6）

2.4 典型防隔熱一體化結構C/SiC 螺釘的選型

使用ANSYS 對圖7 所示的典型防隔熱一體化結構進行熱應力的模擬計算，工況條件為面板溫度1200℃，均布載荷0.2MPa。

圖7 典型機械連接式熱防護結構示意圖

圖8 C/SiC 螺釘的等效應力云圖

圖9 C/SiC 螺釘截面應力圖

3 結論

本文研究了小規(guī)格C/SiC 緊固件的螺紋加工方式、預制體選型、緊固件室溫及高溫力學性能、典型結構連接用C/SiC 螺釘的選型等問題，得出以下結論：

磨削和硬質合金絲錐攻絲分別是C/SiC 外螺紋和內螺紋的優(yōu)選加工方式。

螺釘、螺母分別建議選擇以Type-3、Type-1 結構為預制體的C/SiC 進行加工。

以Type-3 結構為預制體的C/SiC 加工的M6沉頭螺釘， 在室溫、1100℃和1200℃條件下的抗拉強度分別為250MPa、230MPa 和223MPa， 螺釘的抗拉強度隨溫度升高的衰減較小。