CN116230138B - 一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属基复合材料测试领域，尤其涉及一种SiCf‑Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法。所述计算方法包括如下步骤：S1.对SiCf‑Ti复合材料进行预处理；S2.观察预处理后的SiCf‑Ti复合材料的反应层的微观形貌，计算反应层面积；S3.利用等效圆环与反应层面积相等的关系，计算等效圆环的厚度，即为反应层的平均厚度。传统地多次测量反应层厚度并求平均值的方法，易受测量位置和测量次数的影响，本发明等效面积法中提取了整个反应层部分，不会因选取位置和测量次数的不同而引起测量值的不同，避免了人为选择因素的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料测试领域，尤其涉及一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法。
背景技术
SiC纤维增强金属基复合材料(MMCs)中以SiCf/Ti复合材料最为典型，其具有高比强度、高比刚度、优良的抗蠕变和抗疲劳性能，被认为是理想的适用于400-800℃的轻质耐高温结构材料。在高推重比航空发动机(如压气机叶片、叶环和涡轮轴等)和超音速空天飞行器(如飞机蒙皮、加强筋等)中具有良好的应用前景，已成为追求轻质高强武器装备研制必须的关键新材料。SiC纤维增强金属基复合材料由连续SiC纤维和金属基体复合而成，为了缓解SiC纤维和金属基体之间热膨胀系数不匹配的问题，通常在纤维表面沉积惰性涂层，用以保护SiC纤维并调节复合材料中的应力状态。
制备MMCs复合材料的方法主要包含箔压法、基体涂层法以及粉末浆料法等，无论何种制备方法均需要在高温下进行致密化成型，因此不可避免会发生化学反应形成界面反应层。复合材料的力学性能取决于金属基体、增强体，以及它们之间用于载荷传递和协调应力的界面反应层。而界面反应层的各项性能主要与反应层的微观结构和厚度相关，通常而言，反应层厚度是复合材料中界面反应剧烈程度最直观的呈现。由于反应层一定是锯齿状的，形状不规则造成了难以对厚度进行准确评价。
目前主要采用反应层平均厚度来衡量界面反应剧烈程度，即在反应层上选取若干处厚度值以求得平均值，但这种反应层平均值的测量存在弊端，即存在很大地主观因素。当选取的测量处为反应层凸出部分时，反应层测量平均值偏大，反之测量的平均值偏小，即在测量位置的选取上受人为因素的影响，同时选取的位置数量也会对计算的平均值产生较大的影响，因此同一反应层在不同的选取条件及选取标准下会出现不同的结果，造成对金属基复合材料反应层的评价有失客观。
现有技术CN106353321A公开了圆柱型钛合金样品α污染层平均厚度表征方法，利用α污染层与基体断口形貌不同的特点，采用断口法直接测定α污染层面积含量，无需进行金相样品的磨制及染色，然后圆面积计算公式与α污染层层面积含量关系间接计算出平均厚度，然而对于一些污染层或反应层面积极不明显的场景无法通过调节亮度和对比度的方法精确测量。
现有技术CN103363910A公开了一种热轧盘条表面氧化铁皮平均厚度测量方法，将表面氧化盘条外径R与未氧化的基体内径r相减，即为所测盘条的平均氧化层厚度d，然而计算方法中计量公式复杂，测量次数较多，使用方法不够简单便捷。
针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过面积计算获得反应层平均厚度的方法，即等效圆的半径用以代表平均反应层厚度。
发明内容
本发明针对现有的反应层厚度平均值计算方法的主观判断而造成厚度评价不准确的问题，通过对复合材料界面反应层进行微观形貌观察并获取形貌照片，通过软件工具识别提取反应层的不规则环形带，并计算获得该不规则环形带的面积。通过测量纤维的直径，利用等效圆环带与不规则环形带面积相等的关系，计算获得等效圆带的尺寸，即可获得界面反应层的平均厚度。
本发明提供了一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
S1.对SiCf-Ti复合材料进行预处理；
S2.观察预处理后的SiCf-Ti复合材料的反应层的微观形貌，计算反应层面积；
S3.利用等效圆环与反应层面积相等的关系，计算等效圆环的厚度，即为反应层的平均厚度。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S1中的预处理具体包括：将SiCf-Ti复合材料线切割为薄片，通过砂纸平磨和抛光，获得可用于观察的金相试样。
作为一种优选的实施方式，所述砂纸的目数包括100#、200#、600#、1000#中的一种或多种。
作为一种优选的实施方式，所述薄片的厚度不小于0.2mm，优选0.5mm～1mm。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S2具体包括：
S21.采用光学显微镜或扫描电镜对金相试样进行微观观察，获取反应层的微观形貌照片；
S22.在软件工具中对反应层进行选取，即沿着反应层的外轮廓和内轮廓进行边界确定，形成一个封闭的不规则环形带，采用软件工具对不规则环形带进行面积计算，获得反应层面积S。
作为一种优选的实施方式，所述软件工具包括Photoshop、IPP中的一种或多种。
作为一种优选的实施方式，所述步骤S3具体包括：
S31.测量SiCf-Ti复合材料中纤维的半径，记为r1；
S32.反应层等效圆环面积记为S0，S0＝πr2 2-πr1 2，其中r2＝r1+r0，通过S0＝S的等式关系，计算反应层平均厚度r0。
作为一种优选的实施方式，所述预处理中，线切割切取方向为垂直于纤维轴向以获取复合材料的薄片用以制备金相试样。
作为一种优选的实施方式，所述S21中，微观形貌照片中包含整根纤维。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用反应层等效面积法计算反应层的平均厚度，可全面地反应一根纤维的界面反应情况。
(2)传统地多次测量反应层厚度并求平均值的方法，易受测量位置和测量次数的影响，本发明等效面积法中提取了整个反应层部分，不会因选取位置和测量次数的不同而引起测量值的不同，避免了人为选择因素的干扰。
(3)通过软件提取反应层轮廓进行区域识别，以及面积计算的方法简单易行，可操作性强。
(4)本发明的方法普适性强，适用于各类牌号的金属基复合材料以及不同处理状态的材料的反应层厚度计算。
附图说明
图1为SiCf/TC17原始态，采用IPP软件计算。
图2为SiCf/TC17热处理态，采用Photoshop软件计算。
图3-图4为所述计算方法的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-4所示，一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法，包括如下步骤：
(1)将SiCf-Ti复合材料线切割为薄片，采用镶嵌法制备为金相试样，通过砂纸平磨和抛光，获得可用于观察的金相试样。
(2)采用扫描电镜对金相试样进行微观观察，获取反应层的微观形貌照片，具体如图2所示；
(3)采用Photoshop对反应层进行选取，即沿着反应层的外轮廓和内轮廓进行边界确定，形成一个封闭的不规则环形带，采用Photoshop对不规则环形带进行面积计算，获得反应层面积S。
(4)测量SiCf-Ti复合材料中纤维的半径，记为r1；
(5)反应层等效圆环面积记为S0，S0＝πr2 2-πr1 2，其中r2＝r1+r0，通过S0＝S的等式关系，计算反应层平均厚度r0。
经测量，S0＝292μm2，r1＝45μm，计算得：r2＝46μm，r0＝1μm，即反应层平均厚度为1μm。
图1是传统的多次测量反应层厚度并求平均值的方法，测量位置和测量次数对结果影响较大，结果准确度较低。相比之下图2的等效面积法操作简单，准确度高，适用性强。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
S1. 对SiCf-Ti复合材料进行预处理；
S2. 观察预处理后的SiCf-Ti复合材料的反应层的微观形貌，计算反应层面积；
S3. 利用等效圆环与反应层面积相等的关系，计算等效圆环的厚度，即为反应层的平均厚度；
所述步骤S1中的预处理具体包括：将SiCf-Ti复合材料线切割为薄片，通过砂纸平磨和抛光，获得可用于观察的金相试样；
所述砂纸的目数包括100#、200#、600#、1000#中的一种或多种；
所述薄片的厚度不小于0.2mm；
所述步骤S2具体包括：
S21.采用光学显微镜或扫描电镜对金相试样进行微观观察，获取反应层的微观形貌照片；
S22.在软件工具中对反应层进行选取，即沿着反应层的外轮廓和内轮廓进行边界确定，形成一个封闭的不规则环形带，采用软件工具对不规则环形带进行面积计算，获得反应层面积S；
所述步骤S3具体包括：
S31. 测量SiCf-Ti复合材料中纤维的半径，记为r1；
S32. 反应层等效圆环面积记为S0，S0=πr2 2-πr1 2，其中r2 = r1 + r0，通过S0=S的等式关系，计算反应层平均厚度r0；
所述预处理中，线切割切取方向为垂直于纤维轴向以获取复合材料的薄片用以制备金相试样；
所述S21中，微观形貌照片中包含整根纤维的横截面。
2.根据权利要求1所述的一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法，其特征在于，所述软件工具包括Photoshop、IPP中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种SiCf-Ti复合材料反应层平均厚度的计算方法，其特征在于，所述微观形貌照片是反应层放大1800-2300倍后的照片。
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