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第2期 马向平等：金属陶瓷在高温下的变形规律 221 瓷在高温下的破坏机理，为发动机燃烧室应用陶瓷 的特点，随后依据半固态金属加工技术的特点，将 技术奠定基础 混合粉料在一定压力作用下成型为具有一定形状、 1理论基础 内部比较致密的坯料（一般来说是棒料），然后二次 加热使温度达到基体的固态和增强增塑体液态区 1.1高温本构模型 间，借助一定的压力作用而制备出所要求的零件，这 大量研究表明3可]，一些高温结构及其零部件 就是陶瓷基复合材料伪半固态触变成形技术[]， 如航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等，在高温、大载 半固态成形理论中金属触变成形过程发生在固 荷工况下均表现出一种复杂的非弹性力学特性，传 态金属经二次加热后的变形规律.活塞式发动机燃 统结构强度分析计算中，处理该类问题一般从塑性 烧室在工作过程中激冷激热，从低温到高温循环变 及蠕变两个方面进行分析，而且二者之间互不关联， 化，重复出现加热和冷却的过程，燃烧室零部件所承 将总应变分解为热弹塑性应变加蠕变应变，这种分 受工作环境与金属触变成形中的二次加热很相似 析方法从理论上存在一些根本缺点，如不能充分反 (如表1所示)，且都为高温下的性能，因此采用触变 映高温时材料性能与时间显著相关的事实，不能反 成形理论和方法来研究发动机燃烧室零件材料的高 映周期载荷作用下的循环硬化（或软化）现象等.统 温性能具有可行性， 一粘塑性本构理论就是为克服以上这些缺点而产生 表1类比实验条件比较 的，它将非弹性应变统一成一个与时间相关的非弹 Table 1 Comparison of experiment conditions 性应变，可以克服传统理论的不足，提高理论的 序号比较项目半固态触变成形发动机燃烧室零件高温变形 精度 1实验描述 二次加热至半固态循环加热、冷却 近年来该理论得到很大发展，尤其与有限元方 T/C 加热温度 与燃烧室温度相关 法结合后逐渐在实际工程分析中得到了应用，例 P/MPa机械压力 燃烧压力 如，一些有限元程序具有先进的非线性分析功能及 P变化应变速率 燃烧压力变化速率（转速、 使用方便的用户子程序，因而国际上许多粘塑性统 工况变化等引起) 一理论的研究者均将本构模型集成入有限元程序 5本构方程反应触变成形规律反应高温变形规律 中，而后用于试件及实际工程结构的分析 1.2试验方法研究 发动机燃烧室内温度、燃烧压力、燃烧压力的变 金属在半固态下触变成形过程如图1所示，金 化率同转速、工况等因素存在直接或间接的关系，因 属铸造成形后二次加热至半固态区域再进行成形， 此用应力、应变、应变速率、温度等因素来描述金属 触变成形的理论就是研究二次加热后在半固态区域 陶瓷的高温变形规律具有相似性 金属的变形规律 采用类比实验方法，运用半固态金属触变成形 的理论和方法，来研究高温下金属陶瓷的变形规律 和变形特点，在高温下，对金属来说，塑性变形后发 生流变现象；而对陶瓷，微量变形后就会破碎。本文 模仿金属半固态加工的理论和材料属性的研究方 法，通过对金属陶瓷进行热模拟实验，研究金属陶瓷 在高温下的变形规律和性能.在高温、小变形条件 时间 下，陶瓷基复合材料为伪半固态触变成形规律 a一DC持造，a1一SIMA.b一二次加热，c一成形，d一零件 2实验 图1高温下半固态金属触变成形工艺路线图 2.1自蔓延法生成金属陶瓷 Fig-1 Technical route of semisolid thixoforming process at high 制造热障涂层的主要方法有电子束物理气相沉 temperature 积法、激光熔敷法、等离子喷涂法、自蔓延高温燃烧 陶瓷基复合材料的制备中，利用粉末冶金技术 合成法(self-propagating high -temperat ure synthesis, 制备出一定规格的高纯、超细组分均匀分布和无团 SHS)等，SHS是前苏联科学家Merzhanov等提出 聚的粉体，然后将一定比例的金属微粒和陶瓷粉体 并发展起来的一种材料合成与制备新技术，是利用 均匀混合，以实现增强增塑体体积分数可随意调节 化合物生成时放出的反应热，使合成反应自维持下瓷在高温下的破坏机理为发动机燃烧室应用陶瓷 技术奠定基础． 1 理论基础 1∙1 高温本构模型 大量研究表明［3－5］一些高温结构及其零部件 如航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等在高温、大载 荷工况下均表现出一种复杂的非弹性力学特性．传 统结构强度分析计算中处理该类问题一般从塑性 及蠕变两个方面进行分析而且二者之间互不关联 将总应变分解为热弹塑性应变加蠕变应变．这种分 析方法从理论上存在一些根本缺点如不能充分反 映高温时材料性能与时间显著相关的事实不能反 映周期载荷作用下的循环硬化（或软化）现象等．统 一粘塑性本构理论就是为克服以上这些缺点而产生 的它将非弹性应变统一成一个与时间相关的非弹 性应变可以克服传统理论的不足提高理论的 精度． 近年来该理论得到很大发展尤其与有限元方 法结合后逐渐在实际工程分析中得到了应用．例 如一些有限元程序具有先进的非线性分析功能及 使用方便的用户子程序因而国际上许多粘塑性统 一理论的研究者均将本构模型集成入有限元程序 中而后用于试件及实际工程结构的分析． 1∙2 试验方法研究 金属在半固态下触变成形过程如图1所示金 属铸造成形后二次加热至半固态区域再进行成形 触变成形的理论就是研究二次加热后在半固态区域 金属的变形规律． 图1 高温下半固态金属触变成形工艺路线图 Fig．1 Technical route of semisolid thixoforming process at high temperature 陶瓷基复合材料的制备中利用粉末冶金技术 制备出一定规格的高纯、超细组分均匀分布和无团 聚的粉体．然后将一定比例的金属微粒和陶瓷粉体 均匀混合以实现增强增塑体体积分数可随意调节 的特点．随后依据半固态金属加工技术的特点将 混合粉料在一定压力作用下成型为具有一定形状、 内部比较致密的坯料（一般来说是棒料）然后二次 加热使温度达到基体的固态和增强增塑体液态区 间借助一定的压力作用而制备出所要求的零件这 就是陶瓷基复合材料伪半固态触变成形技术［6－9］． 半固态成形理论中金属触变成形过程发生在固 态金属经二次加热后的变形规律．活塞式发动机燃 烧室在工作过程中激冷激热从低温到高温循环变 化重复出现加热和冷却的过程燃烧室零部件所承 受工作环境与金属触变成形中的二次加热很相似 （如表1所示）且都为高温下的性能因此采用触变 成形理论和方法来研究发动机燃烧室零件材料的高 温性能具有可行性． 表1 类比实验条件比较 Table1 Comparison of experiment conditions 序号 比较项目 半固态触变成形 发动机燃烧室零件高温变形 1 实验描述 二次加热至半固态 循环加热、冷却 2 T／℃ 加热温度 与燃烧室温度相关 3 P／MPa 机械压力 燃烧压力 4 P 变化 应变速率 ε· 燃烧压力变化速率（转速、 工况变化等引起） 5 本构方程 反应触变成形规律 反应高温变形规律 发动机燃烧室内温度、燃烧压力、燃烧压力的变 化率同转速、工况等因素存在直接或间接的关系因 此用应力、应变、应变速率、温度等因素来描述金属 陶瓷的高温变形规律具有相似性． 采用类比实验方法运用半固态金属触变成形 的理论和方法来研究高温下金属陶瓷的变形规律 和变形特点．在高温下对金属来说塑性变形后发 生流变现象；而对陶瓷微量变形后就会破碎．本文 模仿金属半固态加工的理论和材料属性的研究方 法通过对金属陶瓷进行热模拟实验研究金属陶瓷 在高温下的变形规律和性能．在高温、小变形条件 下陶瓷基复合材料为伪半固态触变成形规律． 2 实验 2∙1 自蔓延法生成金属陶瓷 制造热障涂层的主要方法有电子束物理气相沉 积法、激光熔敷法、等离子喷涂法、自蔓延高温燃烧 合成法（self-propagating high-temperature synthesis SHS）等．SHS 是前苏联科学家 Merzhanov 等提出 并发展起来的一种材料合成与制备新技术是利用 化合物生成时放出的反应热使合成反应自维持下 第2期 马向平等： 金属陶瓷在高温下的变形规律 ·221·