小规格C/SiC 复合材料紧固件加工及力学性能研究

柳思成， 李文生， 侯安印， 陈思安， 许彦伟， 程全士， 潘勇

（1.航天精工股份有限公司， 天津 300300； 2.天津市紧固连接技术企业重点实验室， 天津 300300；3.国防科技大学陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室， 湖南长沙 410073；4.北京临近空间飞行器系统工程研究所， 北京 100076）

0 引言

超高速飞行器对耐热结构的工作温度和寿命提出了更高要求，并带动耐高温陶瓷基材料的发展。陶瓷基复合材料紧固件的使用， 解决了金属紧固件高温强度衰减较大、金属-陶瓷热膨胀系数不匹配、单相陶瓷脆性大承载能力差等连接问题， 是热端连接或陶瓷结构连接的应用趋势之一[1-5]。

C/SiC、C/C、SiC/SiC 是三类主要的陶瓷基复合材料，但C/C、SiC/SiC 材料分别存在抗氧化性能差和制造成本高等问题， 影响其在紧固件领域的应用；C/SiC 能在不超过1800℃的使用温度下保持较高强度，远高于高温合金及难熔合金的使用温度， 且该材料相较于钛合金和高温合金等金属材料，具更低的密度、更小的热膨胀系数、更好的热稳定性及耐腐蚀性能等， 是制造超高温紧固件的优异选材[6-8]。

近年来，围绕耐高温连接需求，国防科技大学、西北工业大学等科研院所开展了C/SiC 材料及紧固件的研发和制备工作， 研究了不同成型工艺下材料的组织及力学性能情况[4，6-10]。 但对于夹层较薄的连接结构，如TPS 防热面板等，需要用到小规格（M3～M6）的C/SiC 紧固件；经文献检索，目前，还未见到针对小规格C/SiC 紧固件加工和性能方面系统研究的文献及报道。

本文针对小规格C/SiC 紧固件的研究不足和应用需求，开展了M3～M6 规格螺钉和螺母的加工及力学性能研究，通过对防隔热一体化结构的仿真模拟，明确了对连接用C/SiC 复合材料紧固件的强度及选型要求。

1 试验样件及试验方法

C/SiC 复合材料紧固件的制备流程：PIP 工艺获得未完全致密的C/SiC 毛坯板，对毛坯板进行平磨、切割、钻孔等机械加工，获得紧固件的初步外形，采用搓丝、车削及磨削三种方式进行外螺纹加工， 采用丝锥进行内螺纹加工，从而获得半成品C/SiC 螺钉及螺母，后续致密化获得螺钉及螺母成品。

预制体结构为三维针刺毡（3DN）， 纤维体积分数约40%，预制体类型及加工C/SiC 材料的性能见表1。 试验用C/SiC 紧固件的产品结构尺寸见图1， 其中螺钉为90°沉头，螺钉的扳拧结构预留在头部端面处，为方型，拧紧后切除，因此未在图中标出；螺母为现有型号常用的方型结构。

表1 试验用C/SiC 预制体类型及加工材料性能参数

图1 C/SiC 紧固件结构尺寸

根据与用户的沟通，测试温度选择了室温（室温指25℃，下同）、1100℃和1200℃三个温度段，部分测试使用C/SiC螺钉、螺母连接副；测试内容包括连接副的抗拉强度，螺钉剪切强度（使用螺钉的剪切试验件）和螺母的拉脱力。测试在航天精工股份有限公司天津分公司检测中心进行，其中常温性能测试使用美特斯CMT5305-30T 拉力试验机，加载速率2mm/min，高温性能测试使用WDW-100微机控制电子万能试验机，拉伸加载速率20kN/min，剪切加载速率40kN/min，平均升温速率5℃/min，保温30min。

试验项目及试验标准见表2。

表2 C/SiC 紧固件性能测试项目及标准

2 试验结果与分析

2.1 小规格C/SiC 紧固件螺纹加工方式比较

本文比较了搓丝、车削及磨削三种加工方式对C/SiC螺钉螺纹加工质量的影响，见图2。 可以看出：搓丝加工的螺纹掉齿现象明显，螺纹完整性差；车削加工的螺纹有明显崩牙现象，螺纹质量一般；磨削加工的螺纹形貌及完整性明显改善，螺纹精度为6h，是一种优选的C/SiC 材料外螺纹加工方式。 磨削加工螺牙纵剖面见图3。

图2 不同螺纹加工方式的C/SiC 螺钉

图3 磨削加工螺纹纵剖面SEM

表3 给出了三种加工方式制备的C/SiC 螺钉的抗拉强度，与之匹配的C/SiC 螺母高度为10mm。 可以看出，磨削螺纹加工的螺钉的抗拉强度为180MPa， 分别高出前两种加工方式约125%和30%， 其破坏方式也由杆部螺纹脱扣转为螺钉拉断，见图4，原因在于采用搓丝及车削加工的螺纹缺陷较多，因此螺牙强度低，进而导致螺纹优先破坏。

图4 C/SiC 螺钉的两种破坏方式

表3 不同加工方式的C/SiC 螺钉的抗拉强度

针对C/SiC 内螺纹加工， 本文比较了采用普通金属丝锥和硬质合金丝锥的攻丝质量差异，表明：采用普通金属丝锥加工螺母时， 丝锥磨损严重， 且加工的螺纹大径偏小；采用高硬度的硬质合金丝锥加工时，能够获得较好的螺纹牙形貌，螺纹精度达到6H，满足装配要求。

因此， 采用磨削和硬质合金丝锥攻丝分别是小规格C/SiC 紧固件外螺纹和内螺纹的较优加工方式。

2.2 小规格C/SiC 紧固件的预制体选型及室温性能

由于C/SiC 材料硬度高、脆性较大，螺纹加工时易出现崩牙等问题。 而小规格紧固件的力学性能对螺纹缺陷等问题更为敏感，因此小规格C/SiC 螺钉、螺母对螺纹牙加工精度和螺纹完整性要求极高。经研究和优化，小规格螺钉、螺母的制造工艺包括：外螺纹采用磨削加工，内螺纹采用硬质合金丝锥攻丝，纤维预制体结构可选择Type-1、Type-2 和Type-3 三种编织类型。

研究了不同纤维预制体结构、规格（M3、M4、M5）的C/SiC 螺钉及螺母的室温力学性能。 图5 分别给出了M3、M4、M5 三种规格螺钉的螺纹承载能力随螺母高度的变化曲线，每种规格螺钉均分别由Type-1、Type-2 和Type-3 三种类型的预制体的C/SiC 加工， 连接螺母统一由Type-1 预制体的C/SiC 加工。 对于Type-1 预制体的螺钉，M3、M4、M5 的抗拉强度为（150～170）MPa；对于Type-2 预制体的螺钉，M3、M4、M5 的抗拉强度为 （190～200）MPa；对于Type-3 预制体的螺钉，M3、M4、M5 的抗拉强度为（240～250）MPa。 此外，本文也比较了不同预制体类型对小规格螺钉剪切性能的影响 （使用不带螺纹的剪切试验件进行测试）， 对于Type-1 预制体的螺钉，M3、M4、M5的剪切强度为（61～70）MPa；对于Type-2 预制体的螺钉，M3、M4、M5 的剪切强度为（74～82）MPa；对于Type-3 预制体的螺钉，M3、M4、M5 的剪切强度为（96～103）MPa。 表明使用Type-3 预制体加工的螺钉的拉伸和剪切性能较好。

图5 C/SiC 复合材料螺钉的力学性能

图6 分别给出了M3、M4、M5 三种规格螺母的螺纹承载能力随螺母高度的变化曲线， 其中每种规格螺母均分别由Type-1、Type-2 和Type-3 三种类型的预制体的C/SiC 加工，为保证试验以螺母拉脱为失效方式，试验螺钉统一为标准金属螺钉。 可以看出， 无论选用何种预制体，螺母螺纹的承载能力均随螺母高度的增加而增大，在（2～10）mm 范围内，其增长趋势近似线性。经比较，Type-1型预制体制备的C/SiC 螺母承载能力最高， 而Type-2 和Type-3 则分别下降了（20%～30%）。 因此，实际工程应用中，若需要较高的内螺纹承载能力，则应优先选择Type-1预制体结构的C/SiC 制造螺母。

图6 C/SiC 螺母的力学性能

2.3 小规格C/SiC 螺钉的高温抗拉性能

采用Type-3 预制体结构的C/SiC 材料加工M6 规格沉头螺钉，研究了其高温抗拉性能，并与室温性能比较，如表4。 测试数据表明：M6 规格C/SiC 螺钉在1100℃和1200℃的平均抗拉强度分别达到230MPa 和223MPa，具有优异的高温抗拉性能，且性能随温度升高的衰减较小。

表4 C/SiC 螺钉抗拉性能（M6）

2.4 典型防隔热一体化结构C/SiC 螺钉的选型

使用ANSYS 对图7 所示的典型防隔热一体化结构进行热应力的模拟计算，工况条件为面板温度1200℃，均布载荷0.2MPa。

图7 典型机械连接式热防护结构示意图

图8 C/SiC 螺钉的等效应力云图

图9 C/SiC 螺钉截面应力图

3 结论

本文研究了小规格C/SiC 紧固件的螺纹加工方式、预制体选型、紧固件室温及高温力学性能、典型结构连接用C/SiC 螺钉的选型等问题，得出以下结论：

磨削和硬质合金丝锥攻丝分别是C/SiC 外螺纹和内螺纹的优选加工方式。

螺钉、螺母分别建议选择以Type-3、Type-1 结构为预制体的C/SiC 进行加工。

以Type-3 结构为预制体的C/SiC 加工的M6沉头螺钉， 在室温、1100℃和1200℃条件下的抗拉强度分别为250MPa、230MPa 和223MPa， 螺钉的抗拉强度随温度升高的衰减较小。