47Zr45Ti5A13V合金的超高速撞擊特性研究.pdf

1、目前，空間飛行器關(guān)鍵活動(dòng)件和構(gòu)件材料主要選用高強(qiáng)度不銹鋼和少量鈦合金。但是鋼材料密度較大，極大限制了它的使用量。鈦合金雖然密度小、比強(qiáng)度高，但是其硬度較小、耐磨性較差。最近，人們研發(fā)了一種性能優(yōu)異的新型鋯鈦合金47Zr45Ti5Al3V，這種新型合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1638 MPa，密度5.11 g/cm3僅為鋼的2/3，具有較高的比強(qiáng)度，有望取代傳統(tǒng)不銹鋼材料，在空間中具有可觀的應(yīng)用前景。但這種新型材料在空間碎片環(huán)境中的適用性還有待考證

2、。本文以47Zr45Ti5Al3V合金為對(duì)象，開(kāi)展了其沖擊壓縮性、空間微小碎片超高速撞擊效應(yīng)和高壓下的物理性質(zhì)研究，以期為這種新型鋯鈦合金在未來(lái)空間飛行器上的可能應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
　　首先，采用二級(jí)輕氣炮高速發(fā)射技術(shù)在30～200 GPa壓力內(nèi)研究了47Zr45Ti5Al3V合金的沖擊壓縮特性。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，我們采用了對(duì)稱碰撞、非對(duì)稱碰撞和反向碰撞三種實(shí)驗(yàn)方法，利用電探針測(cè)量了在樣品中產(chǎn)生的沖擊波速度Us，通過(guò)阻抗

3、匹配法得到波后粒子速度up，線性擬合得到Us-up關(guān)系: Us=4.324(±0.035)+1.177(±0.012)up。在30～200 GPa內(nèi)沒(méi)有可察覺(jué)的相變。假設(shè)47Zr45Ti5Al3V合金為理想混合物，將疊加原理計(jì)算預(yù)測(cè)得到的Us-up與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)兩者的相符程度判斷在實(shí)驗(yàn)壓力范圍之外0～30 GPa是否發(fā)生相變，結(jié)果顯示:47Zr45Ti5Al3V合金在0～30 GPa沖擊壓力下發(fā)生了α→β相變，在30～200

4、GPa沖擊壓力內(nèi)呈bcc結(jié)構(gòu)的β相。
　　通過(guò)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了47Zr45Ti5Al3V合金P-V-T物態(tài)方程的相關(guān)參數(shù)，其中:Grüneisen參數(shù)γ=1.277（ρ0/ρ);其零壓零溫體積模量B0k=97.956 GPa; B0k對(duì)壓力的偏導(dǎo)數(shù)B0K'=3.680;通過(guò)Lindemann經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到了德拜溫度(☉)=305 K。以Vinet等溫物態(tài)方程為基礎(chǔ)，只考慮晶格熱貢獻(xiàn)，建立了47Zr45Ti5Al3V合金的

5、P-V-T物態(tài)方程。
　　利用激光驅(qū)動(dòng)微小飛片技術(shù)來(lái)模擬空間環(huán)境中微小碎片對(duì)47Zr45Ti5Al3V合金的撞擊，本文分別進(jìn)行了單次和累積撞擊實(shí)驗(yàn)。采用(☉)=1 mm，厚度為5μm和8μm的兩種Al飛片，撞擊速度在2～7 km/s。碰撞后在表面形成的宏觀損傷為撞擊坑，由于飛片質(zhì)量太小，超高速撞擊對(duì)47Zr45Ti5Al3V合金的開(kāi)坑現(xiàn)象不是很明顯。用表面輪廓儀測(cè)量了撞擊坑的深度，深度h與飛片速度D呈線性關(guān)系:h8μm=-11.7

6、15+5.530D，h5μm=-0.410+1.118D。8μm厚的Al飛片在2.5和5.7 km/s附近累積撞擊次數(shù)N與其對(duì)應(yīng)的撞擊坑深度h的關(guān)系也呈標(biāo)準(zhǔn)線性關(guān)系:h2.5=0.675+2.397N，h5.7=8.861+10.826N。由于應(yīng)變硬化作用，重復(fù)撞擊所造成的損傷小于第一次撞擊。
　　在沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獲得了微小飛片超高速撞擊所產(chǎn)生的沖擊壓力和溫升。本文從溫升和晶粒細(xì)化動(dòng)力學(xué)兩方面計(jì)算得到47Zr45Ti5Al

7、3V合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界撞擊速度在4.163～5.683 km/s之間。然而單次撞擊所產(chǎn)生的塑性變形程度較小，無(wú)法產(chǎn)生足夠的位錯(cuò)、孿晶使晶粒破碎細(xì)化，僅在超高速區(qū)累積撞擊后，在撞擊坑底部發(fā)現(xiàn)了細(xì)小晶粒。此外，對(duì)撞擊坑底部的透射電子顯微鏡分析表明，雖然沖擊波形成的溫升和卸載過(guò)程相當(dāng)于淬火，但是47Zr45Ti5Al3V合金的相組成并沒(méi)有發(fā)生變化，沒(méi)有發(fā)生在其它鈦合金中發(fā)現(xiàn)的β→ω相變，說(shuō)明在超高速撞擊下47Zr45Ti5Al3V合金具

8、有較好的結(jié)構(gòu)和力學(xué)穩(wěn)定性。
　　為了研究47Zr45Ti5Al3V合金中相結(jié)構(gòu)的特征，本文針對(duì)其基體材料Ti2Zr進(jìn)行了基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究。主要研究了其高壓相變、相的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)擬合總能量E和體積V的關(guān)系得到了Birch-Mumaghan物態(tài)方程。通過(guò)比較三相之間的焓差得到α-Ti2Zr、β-Ti2Zr和ω-Ti2Zr在0～100 GPa內(nèi)的相變規(guī)律:隨著壓力的增加，β相的穩(wěn)定性顯著提高，在25.

9、4～29.1 GPa發(fā)生ω→β相變;在51.3～94.7GPaα-Ti2Zr轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ti2Zr?；诘谝恍栽碛?jì)算得到的E-V關(guān)系，采用準(zhǔn)諧德拜模型計(jì)算得到了α-Ti2Zr和ω-Ti2Zr的德拜溫度，比熱容和熱膨脹系數(shù)與壓力和溫度的關(guān)系。
　　最后，本文運(yùn)用有限應(yīng)變的方法計(jì)算了α-Ti2Zr和ω-Ti2Zr的彈性常數(shù)及它們?cè)诟邏合伦兓厔?shì)。根據(jù)Pugh提出的預(yù)測(cè)脆性和延展性的經(jīng)驗(yàn)公式，即剪切模量G和體積模量B的比值，得到了α-T

10、i2Zr和ω-Ti2Zr的脆性關(guān)系:無(wú)論在常態(tài)還是高壓下ω-Ti2Zr均表現(xiàn)出較大的脆性。電荷密度差分分析揭示了ω-Ti2Zr中形成的特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為其呈脆性的原因。α-Ti2Zr和ω-Ti2Zr的電子態(tài)密度和電子分布分析揭示了它們?cè)趬毫ψ饔孟掳l(fā)生了sp→d的電子轉(zhuǎn)移，這預(yù)示著在高壓下將形成高壓穩(wěn)定相β-Ti2Zr。
　　綜上所述，本文以新型鋯鈦合金47Zr45Ti5Al3V為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)合的方式研究了其在超高速撞