Research on the preparation process of dovetail joints in aluminum-clad sandwich CF/Al composites by liquid-solid infiltration extrusion
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摘要:
本研究探讨了铝覆层夹芯碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料燕尾榫头的制备及其力学性能。采用T700-12K碳纤维和ZL207铝合金，通过液固浸渗挤压工艺，在660℃~715℃的不同温度下进行浸渗测试。结果显示，浸渗温度的升高显著提升了试样的拉伸强度(154 MPa)和剪切强度(88 MPa)，尤其在690℃~715℃时，复合材料表现出均匀的碳纤维分布和无明显缺陷。研究还分析了温度梯度对浸渗行为的影响，发现优化的浸渗压力(45 MPa)及适当温度有助于提高浸渗质量。测试结果表明，制备的复合材料具有优秀的力学性能和良好的加工适应性，为其在实际应用中提供了可靠依据。
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关键词:
- 碳纤维 /
- CF/Al 复合材料 /
- 叶片燕尾榫头 /
- 力学性能 /
- 浸渗质量
Abstract:This study explores the preparation and mechanical properties of aluminum-clad core carbon fiber reinforced aluminum matrix (CF/Al) composite dovetail joints. T700-12K carbon fiber and ZL207 aluminum alloy were utilized, and infiltration tests were performed at various temperatures ranging from 660℃ to 715℃ using a liquid-solid infiltration extrusion process. The results indicate that increasing the infiltration temperature significantly enhances the tensile strength (154 MPa) and shear strength (88 MPa) of the specimens. Particularly within the temperature range of 690℃ to 715℃, the composite demonstrated a uniform distribution of carbon fibers with no significant defects present. The study also analyzed the influence of temperature gradients on infiltration behavior, revealing that optimized infiltration pressure (45 MPa) and appropriate temperature contribute to improved infiltration quality. The testing results demonstrate that the prepared composite materials possess excellent mechanical properties and good processing adaptability, providing a reliable basis for their practical applications.
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Keywords:
- Carbon fiber /
- CF/Al composite /
- Blade dovetail joint /
- Mechanical properties /
- Infiltration quality
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航空发动机叶片中的燕尾榫头是连接叶身与叶盘的重要结构，其性能直接关系到整个叶片的稳定性和有效性[1-3]。因此，研发能够在严苛操作条件下承受交变载荷的高性能材料，对于提升航空发动机的整体性能至关重要[1, 4]。连续碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料因其耐高温、密度低、比强度和比刚度高，以及良好的疲劳性[5-7]。使得CF/Al复合材料在燕尾榫头应用中能够有效克服传统树脂基复合材料易老化和吸湿的问题，同时在强度上能够比铝合金叶片更具优势[8]。尽管如此，燕尾榫头的独特变截面结构给纤维铺层设计带来了挑战[2]。由于碳纤维与铝之间的润湿性不足，完全浸润的过程变得复杂，进而影响材料的整体性能。此外，考虑到燕尾榫头长度可达70 mm，其深度方向的温度梯度较大，因此需要深入研究合适的铺层设计和工艺参数，以实现高质量叶片燕尾榫头的成形。
目前，燕尾榫头材料主要以钛合金和树脂复合材料为主[4, 9-11]。尽管钛合金在高速气流下能有效减轻颤振疲劳，但其增加的阻尼部分导致叶片总体质量增加，从而影响压气机的效率。而普惠公司开发的碳化硅纤维增强钛合金(SiCf/Ti)复合材料在叶片设计中成功实现了14%的重量减轻[12, 13]。相比之下，美国宇航局刘易斯研究中心使用的B/Al复合材料在重量、刚度和气动效率上均优于钛合金叶片。此外，普惠公司还将挤压碳化硅颗粒增强铝基 (SiCp/Al) 复合材料应用于导向叶片和静子叶片，展示了出色的抗冲击性[14, 15]。然而，这类材料仍面临设计灵活性受限、制备过程复杂和难以实现近净成形的挑战。综上所述，航空发动机叶片材料正在向轻量化、高模量和多功能化方向发展。碳纤维在CF/Al复合材料中承担了主要的承载角色，合理设计碳纤维预制体的铺层参数能使其在三维结构配置中展现出优异的强韧性，从而与减轻重量和提升推力的目标相一致[8, 16]。液相成形技术因其优良的近净成形能力以及高材料利用率而受到关注。然而，目前对CF/Al复合材料在航空航天部件制备及性能评估方面的研究仍显不足[17, 18]。因此，开发轻质，高强的CF/Al复合材料燕尾榫头，不仅有助于推动材料的实际应用，还能有效实现航空发动机的减重与推力提升，从而提高其燃油效率[19, 20]。
本研究旨在探讨浸渗温度和温度梯度对铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的浸渗质量影响。采用液固浸渗挤压工艺制备了复合材料燕尾榫头，并利用OM和SEM对其微观结构进行了观察。此外，通过拉伸和层间剪切实验评估材料的力学性能，并考察复层厚度及界面硬度，以深入理解复合材料的特性和力学行为。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
本实验采用日本东丽公司生产的T700-12K碳纤维无维布作为主要增强材料，其物理性能参数详见表1。基体材料选用ZL207铝合金，同时采用6061铝合金板作为覆层合金材料。
表 1 T700-12K碳纤维的性能参数Table 1. Performance parameters of T700-12K carbon fiberPhysical Properties Parameters Tensile strength/GPa 3.9 Bending strength/MPa 782 Young's modulus/GPa 242 Elongation/% 1.72 Density/(g·cm−3) 1.76 Tensile modulus/GPa 141 1.2 燕尾榫头预制体制备
1.2.1 燕尾榫头预制体的叠层铺设与缝合
预制体的制备流程如图1所示，主要包括碳纤维布的裁剪、预制体的分割与铺设、预紧处理以及最终组装与固定等步骤。首先，对结构层碳纤维布进行裁剪，将其裁剪为60 mm × 114 mm的尺寸。同时，插入层的碳纤维布也需裁剪，其宽度与结构层一致，均为60 mm，而高度则根据设计需求分别裁剪为7 mm、8 mm、9 mm、10 mm和11 mm。完成裁剪后，预制体沿中性面被分割为两部分，分别命名为Y1和Y2，如图1(a)所示。随后，按照设计方案逐层铺设碳纤维布。为防止插入层因尺寸较小而发生移位或掉落，采用长尾夹对Y1和Y2进行预紧处理，如图1(b)所示。最后，将Y1和Y2沿中性面贴合，并使用长尾夹将其固定于榫头底端，从而得到所需的叶片预制体。通过上述步骤，确保了预制体结构的准确性和稳定性，为后续工艺提供了可靠的基础。
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图 1 碳纤维(CF)预制体的制备过程：(a) 预制体沿中心线分割，(b) 对Y1和Y2的铺层设计，(c) 预制体的缝合Figure 1. Preparation process of carbon fiber (CF) preforms: (a) Splitting of preforms along the centerline, (b) design of layups for Y1 and Y2, (c) stitching of preforms1.2.2 覆层合金预制件制备
覆层合金预制件的制备工艺流程如图2所示。首先进行折弯槽的加工，随后按照槽线进行折弯操作。由于覆层合金预制件需进行对称性的三次折弯，因此折弯的顺序和角度尤为关键。具体的折弯过程分为以下几个步骤：首先沿位置1将两侧向内折弯90°；接着沿位置3向外折弯60°；最后再沿位置2向内折弯60°。完成上述步骤后，碳纤维预制体将被嵌入覆层合金预制件中，最终形成一个完整的复合材料预制体。
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图 2 覆层合金预制件的制备工艺流程Figure 2. Process flow for the preparation of cladding alloy preforms1.3 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的制备方法
铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的制备采用液固浸渗挤压工艺[21]，其完整工艺流程如图3所示。试验设备主要包括凸模、凹模和挤压筒，其中凹模由两部分模具拼接而成。此外，设备中配备有硅碳棒熔炉，用于铝熔体的制备。在制备过程中，首先将预制体放置于凹模内，随后将装有预制体的凹模装入挤压筒中，如图3(a)所示。接着，在凹模的上端加入抛光后的ZL207铝合金。为防止加热过程中碳纤维和铝合金的氧化，使用石墨块对模具进行密封，如图3(b)所示。在此基础上，采用40 MPa的浸渗压力，分别对不同浸渗温度(660℃~675℃、680℃~695℃和700℃~715℃)下的浸渗质量及覆层界面进行研究，如图3(c)所示。完成复合材料燕尾榫头的制备后，进行取样并得到最终实物，如图3(d)所示。
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图 3 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头制备工艺流程：(a) 预制体安装，(b) 模具加热，(c) 挤压浸渗，(d) 退模取样Figure 3. The preparation process of aluminum clad core CF/Al composite material tail joint: (a) installing carbon fiber preforms, (b) mold heating, (c) extrusion infiltration, (d) demolding for sampling1.4 力学性能测试及微观结构表征
狗骨形拉伸试样的制备遵循 ASTM D3552-17 标准[22]，试样的规格为跨度恒定25 mm，半径13 mm，厚度2.2 mm，长度76 mm。拉伸强度 (σ) 的计算方法如下式所示：
σ=PA (1) 其中，P 代表拉伸试验中的最大载荷；A 代表每个样品的横截面积。为了进行层间剪切(ILSS)试验，制备了一个矩形试样，规格为长30 mm、宽15 mm、厚4 mm，且包含一个0.5 mm的缺口。试验按照 ASTM C1292-16 标准进行[23]，以获得复合材料的层间剪切强度。层间剪切强度的计算方法如下式所示：
ILSS=FBL (2) 式中：ILSS 代表计算得出的层间剪切强度；F 代表最大剪切力；B 为宽度，L 为试样的缺口距离。试验在万能拉伸试验机(CMT5304-30KN)上进行，十字头速度为0.5 mm/min。
此外，利用 TESCAN VEGA3 形扫描电子显微镜(SEM)和 NIKON 光学显微镜对复合材料燕尾榫头的微观组织进行观察。
2. 结果与讨论
2.1 浸渗温度对燕尾榫头浸渗质量的影响
在本研究中，浸渗温度被确定为影响铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头浸渗质量的关键工艺参数。图4(a)展示了在浸渗温度为660~675℃条件下制备的燕尾榫头的实物图。从图中可以观察到，试件下端区域(如白框标注)出现了明显的纤维裸露现象。局部放大图像进一步表明，该区域未发现铝合金的有效浸渗，这证实了在该温度区间内，浸渗条件不足以实现复合材料界面的充分结合。为深入分析浸渗行为的空间分布特征，本研究选取图4(a)中部区域(如黑色方块标注)进行取样，并利用SEM对界面微观结构进行表征。SEM观察结果表明(图4(b))，碳纤维束表面未检测到铝合金的浸渗痕迹，且界面处未形成良好的覆层结合。这一现象的主要原因是浸渗温度不足，导致铝合金熔体在进入碳纤维预制体过程中发生“激冷”效应，液态金属在流动前沿提前凝固，从而形成微观渗孔结构，最终导致浸渗能力的显著下降。
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图 4 浸渗温度为660~675℃ 时铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头实验结果：(a) 燕尾榫头实物图，(b) SEM图Figure 4. Experimental results of the dovetail joint for CF/Al composite materials with an aluminum cladding at an infiltration temperature of 660 to 675°C: (a) physical image of the dovetail joint, (b) SEM image在675℃至690℃的温度区间内，对铝覆层夹芯CF/Al复合材料的燕尾榫头进行了系统的实验研究。实验结果显示，在此温度范围内，燕尾榫头的整体结构保持完整，覆层合金的质量表现良好，未观察到纤维裸露现象。然而，通过扫描电子显微镜(SEM)的深入观察，发现材料内部存在显著的孔隙和裂纹(图5(b))。这一现象揭示了内部组织的浸渗过程尚未达到充分状态。其主要原因在于，铝合金液在流动过程中遇到下端温度较低的碳纤维束，导致铝液前端发生固化，从而阻碍了金属液体的进一步流动，最终在复合材料内部形成了孔洞缺陷。此外，图5(c)显示，尽管覆层界面已基本形成，但在界面处存在明显的缩孔，这表明在该温度下，覆层合金与基体合金之间的相互融合尚未完全实现，未能形成连续的界面结构。进一步观察覆层合金的微观形貌，如图5(d)所示，可以发现存在一定数量的缩孔，这进一步证实了在此温度下浸渗质量的不足。综上所述，实验结果表明，在675℃至690℃的温度范围内，铝覆层夹芯CF/Al复合材料的浸渗过程仍需进一步优化，以提高其内部组织的致密性和界面结合的连续性。
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图 5 浸渗温度为 675~690℃ 时燕尾榫头实物图及覆层界面：(a) 燕尾榫头实物图，(b) CF/Al复合材料存在缩孔，(c)覆层界面内存缩松缩孔，(d)覆层合金内部存在缩孔Figure 5. Physical view of dovetail joint and cladding interface at infiltration temperature of 675~690°C: (a) physical view of dovetail joint, (b) shrinkage holes in CF/Al composite, (c) shrinkage holes in cladding interface, (d) shrinkage holes inside cladding alloy在690℃~715℃的高温条件下，制备的铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头展现出良好的成形效果，外形轮廓清晰，且高度吻合设计模形如图6(a)所示。此外，SEM图像显示，在该温度区间内，碳纤维的分布均匀，浸渗效果良好，无明显的孔隙和裂纹存在(见图6(b))。特别是在此温度下，覆层界面未出现缩松和缩孔现象(见图6(c))，这表明覆层合金与芯层CF/Al复合材料之间已充分融合，形成了良好的结合界面。从图6(d)中可以观察到，覆层合金内部并未出现明显的缩孔行为。
随后对铝合金与碳纤维的界面结合情况进行了分析。从图7中可以观察到，基体合金在碳纤维周围均匀且充分地填充，形成了紧密的界面结合。 在此过程中，未观察到界面裂纹、孔隙或其他结合不良的缺陷。 随后，采用Image-J软件通过面积法测得碳纤维的体积分数为48.8%。
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图 6 浸渗温度690~715℃时铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头试验结果：(a) 实物图，(b) CF/Al复合材料浸渗良好，(c) 覆层界面结合良好，(d) 覆层合金内部无缺陷Figure 6. Dovetail joint test results of aluminum clad sandwich CF/Al composites at infiltration temperatures of 690~715°C: (a) physical image, (b) good infiltration of CF/Al composites, (c) good interfacial bonding of cladding, and (d) no defects inside the cladding alloy![]()
图 7 基体合金与碳纤维的界面结合情况分析Figure 7. Analysis of the interface bonding between the matrix alloy and carbon fibers采用CMT5304(26 KN) 电子万能试验机对材料的力学性能进行了测试，结果如表2所示。实验数据显示，当温度处于660℃~675℃范围内时，复合材料的拉伸强度为68 MPa，剪切强度为18 MPa；当温度升高至680℃~695℃时，拉伸强度和剪切强度分别提升至126 MPa和56 MPa；而在700℃~715℃的温度区间内，拉伸强度和剪切强度进一步增加至154 MPa和88 MPa。这一结果表明，随着挤压温度的升高，复合材料的拉伸强度和剪切强度呈现显著增长趋势，证实了浸渗温度对燕尾榫头力学性能的显著影响。
表 2 浸渗温度对铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头拉伸及层间剪切强度的影响Table 2. Effect of infiltration temperature on tensile and interlaminar shear strength of dovetail joints of aluminum clad sandwich CF/Al compositesTemperature ℃ Tensile strength MPa Shear strength MPa 660 ~ 675 68 18 675 ~ 690 126 56 690 ~ 715 154 88 然而，尽管温度升高有助于提升力学性能，CF/Al复合材料的整体力学性能仍相对较低。其主要原因可归结为以下两点：首先，在复合材料成形过程中，碳纤维与基体铝合金在挤压筒内同时加热，导致界面处生成脆性化合物Al4C3，如图8所示；其次，持续的高温环境可能对碳纤维表面造成损伤。这两个因素共同作用，最终导致复合材料力学性能的下降。
2.2 温度梯度对铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头浸渗行为的影响
2.2.1 温度梯度变化规律
本研究采用硅碳棒加热炉作为加热源，该装置具有温度范围宽、高温稳定性好、升温速率快以及热效率高等优势。然而，实验过程中发现加热炉内存在明显的温度梯度分布。如图9所示，当铝液与纤维初次接触时，局部温度出现短暂下降，随后逐渐回升。这一现象表明，铝液与纤维接触时发生了热传递过程，导致局部温度场发生动态变化。在后续的保温冷却过程中，模具与内部材料以缓慢速率冷却，TC1-TC5测温点的温度逐渐趋于一致，表明体系内的温度梯度得到有效消除。
在挤压筒中，等距分布的温度测量孔(间距为160 mm)显示相邻位置温差存在线性关系，如图10所示。具体而言，上端的温差变化较大，而下端则呈现规律性线性下降。其中，TC5与TC1之间的温差可达190.5℃，这种短距离内的显著温差可能导致预制体整体受热不均匀，尤其是上下端受热差异显著。在加热过程中，上端温度已接近合金熔点，而下端仍处于固态或半固态状态。为确保试验的准确性，选择TC2作为基准温度，待其保温至715℃后进行挤压成形。
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图 10 相邻测温点的温差Figure 10. Temperature difference between neighboring temperature measurement points2.2.2 温度梯度对浸渗行为的影响
为探讨温度梯度对燕尾榫头浸渗深度的影响，使用TC2测温点制备复合材料燕尾榫头。样件被切割为厚度为10 mm × 70 mm的长方形，并分别在距榫头端部5 mm、30 mm、55 mm、80 mm和105 mm处进行取样，取样部位的具体分布如图11所示。浸渗深度的测量采用精度为0.01 mm的游标卡尺结合Image-J软件进行，以确保数据的准确性。试样按切割位置顺序编号为1、2、3、4、5，并从切割截面观察合金的浸渗相对位置。通过对比不同位置试样的浸渗深度，可以系统分析温度梯度对浸渗行为的影响规律。
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图 11 浸渗深度测量试样取样部位示意图Figure 11. Schematic diagram of the sampling site of the specimen for infiltration depth measurement测量试样的结果如图12(a)所示，结果表明在五个测量位置上，随着浸透深度的增加，浸透质量均呈现出下降趋势。图12(b)进一步展示了在不同取样距离下测得的合金浸透深度情况。由图可见，浸渗深度的拟合曲线呈现出拱形特征，表明合金液在燕尾榫头高度方向的分布具有一定规律性。
为了进一步探究温度梯度对燕尾榫头充形性能的影响，在燕尾榫头的上、中、下三个部位沿长度方向进行等距取样，以进行微观结构组织表征。取样部位的示意图如图13所示。
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图 12 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头沿浸渗深度方向浸渗质量分布情况：(a) 切割试样，(b) 取样位置与浸渗深度相互关系Figure 12. Distribution of infiltration mass along the infiltration depth direction for aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints: (a) cut sample, (b) relationship between sampling position and infiltration depth![]()
图 13 沿深度方向铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的微观组织结构观察时取样部位示意图Figure 13. Schematic diagram of the sampling locations for observing the microstructure of aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints along the depth direction图14(a)、(b)、(c)展示了燕尾榫头在起始浸渗位置下的复合材料浸渗情况，分别对应于图13中的a、b、c点的微观组织形貌。从图中可以看出，三个同一高度不同位置的浸渗情况均较好，未发现明显的铸造孔洞缺陷，浸渗效果保持一致。此外，各个部位的碳纤维分布均匀，未出现碳纤维富集现象，表明起始浸渗位置的浸渗质量较高。
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图 14 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的浸渗质量微观组织结构分析：(a)(b)(c) 上端，(d)(e)(f) 中部，(h)(i)(g) 下端Figure 14. Microscopic structure analysis of infiltration mass in aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints: (a)(b)(c) upper end, (d)(e)(f) middle section, (h)(i)(g) lower end图14(d)、(e)、(f)反映了图13中的d、e、f点的微观组织形貌。与起始浸渗位置相比，这些位置的浸渗质量有所下降，纤维富集现象明显加重，且存在少量孔隙和未浸渗区域。特别是图14(e)中未浸渗区域的情况表明，浸渗效果不理想。这一现象的主要原因是随着浸渗深度的增加，温度逐渐降低，导致铝液在纤维中的粘度系数增加，流动性减弱，从而影响了浸渗效果。
图14(g)、(h)、(i)展示了图13中g、h、i点的微观组织形貌。由于这些位置距离起始浸渗部位较远，铝合金在充填和浸渗到纤维间隙的过程中，因距离远、温差大以及合金粘度系数增大，使得毛细阻力、空气阻力和粘滞阻力对合金液的浸渗及充填过程的影响更加显著。当合金液浸渗到一定高度时，浸渗前沿的阻力不断增加，最终导致浸渗压力无法克服这些阻力，使合金液无法继续浸渗。从图14(g)、(h)、(i)中可以看出，这些位置的浸渗效果较差，大面积纤维未获得浸渗，说明该叶片样件在当前工艺参数下难以保证良好的浸渗效果[17]。
为避免浸渗温度过高导致的合金液反挤现象，从而影响合金的持续充形能力[24]。本研究将浸渗温度调整至690~715℃，同时将浸渗压力从40 MPa提升至45 MPa，以增强铝液的流动性及浸渗距离。图15展示了在此优化工艺参数下制备的燕尾榫头。通过对燕尾榫头中间位置不同高度(I、II、III)的取样分析，结果表明，燕尾榫头两侧均被均匀且等厚的覆层合金覆盖，芯层为CF/Al复合材料，形成了典形的三明治结构。此外，三个取样位置的微观结构和成分分布表现出一致性，表明在浸渗压力为45 MPa、浸渗温度为690℃~715℃的条件下，能够成功制备出具有良好宏观形貌和结构均匀性的燕尾榫头。进一步对燕尾榫头进行表面车削加工后，观察到加工表面平整且具有明显的金属光泽，覆层合金在加工过程中未出现剥落或开裂现象。这表明覆层合金与CF/Al复合材料之间的界面结合强度较高，能够满足后续加工需求[25]。
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图 15 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头表面加工后的宏观形貌Figure 15. Macroscopic morphology of the machined surface of aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints为评估芯层CF/Al复合材料的浸渗质量，本研究在图15所示的I、II和III部位分别取样，分析结果如图16所示。从图16(a-c)中可以观察到，在浸渗压力提升至45 MPa的条件下，三个取样位置的浸渗质量均显著改善。碳纤维在铝基体中的分布均匀性良好，且铝合金的浸渗效果充分，未出现明显的孔隙或裂纹缺陷。结果表明，提高浸渗压力有效增强了铝液的流动性和浸渗能力，从而改善了复合材料的内部组织均匀性和致密性。
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图 16 提高浸渗压力后铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头中间部位的微观形貌：(a) 对应图13-I，(b) 对应图13-II，(c) 对应图13-IIIFigure 16. Microscopic morphology of the middle section of aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints after increasing the infiltration pressure: (a) corresponding to Fig. 13-I, (b) corresponding to Fig. 13-II, (c) corresponding to Fig. 13-III2.3 覆层厚度测量及界面硬度测试
2.3.1 覆层厚度测量
图17(a)展示了覆层合金厚度测量试样的取样及检测点示意图。沿厚度方向共选取6组样品，每组样品包含两个测量数据点(a)和(b)，分别代表同一试样两侧的覆层合金厚度。测量采用Image-J软件进行，为确保数据的准确性，试样截面需经过精细打磨。每组检测点在其附近进行三次测量并取平均值，最终每个试样的a和b覆层合金各取15个监测点，以获得具有统计意义的厚度数据。测量结果如图17(b)所示，本次检测共采集180个数据点，其中仅有2个数据点未满足厚度设计要求，合格率达到99.9%。
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图 17 覆层合金厚度测量分析：(a) 取样位置及检测点，(b) 覆层合金厚度测量结果Figure 17. Coating alloy thickness measurement analysis: (a) sampling locations and detection points, (b) measurement results of coating alloy thickness2.3.2 覆层合金界面硬度测试
图18展示了覆层合金界面的硬度测试结果。从图中可以看出基体合金的硬度约为48.4 GPa，而界面区域的硬度显著提升至81.2 GPa。这一硬度值的显著提升归因于界面区域中碳纤维的存在，由于碳纤维本身具有较高的硬度，在压痕测试过程中，部分压头直接对碳纤维施加了作用力，从而导致该区域的硬度值显著高于基体合金。
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图 18 覆层合金与CF/Al的界面硬度分布Figure 18. Hardness distribution at the interface between cladding alloy and CF/Al通过进一步观察压痕形貌，基体合金区域的压痕数量最多且深度最深(图19(a))，而在靠近Cf/Al复合材料中游离碳纤维的区域，压痕边缘较短(图19(b))，表明该区域的变形行为受到碳纤维的显著影响。此外，图19(c)的观察结果表明，在压痕测试过程中，碳纤维与铝基体之间的界面未出现明显开裂现象，表明界面区域具有良好的结合强度和韧性[26]。
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图 19 覆层界面压痕形貌分析：(a) 基体合金区域压痕形貌，(b) 碳纤维附近界面区域压痕形貌，(c) 碳纤维部位压痕特征Figure 19. Analysis of the indentation morphology at the cladding interface: (a) indentation morphology in the area of the base alloy, (b) indentation morphology in the area of the interface near the carbon fibers, and (c) indentation characteristics in the area of the carbon fibers.3. 结论
(1)研究表明，浸渗温度对铝覆层夹芯碳纤维(CF)/Al复合材料燕尾榫头的力学性能具有显著影响。通过实验发现，在温660℃~715℃内，浸渗温度的提高明显增强了材料的拉伸强度和剪切强度，特别是在700℃~715℃的高温条件下，材料表现出较好的力学性能。
(2)温度梯度导致燕尾榫头的浸渗深度不均匀，影响了铝合金的流动性。在实际操作中，上端温度显著高于下端，这种不均匀的加热使得合金液在浸渗过程中的有效流动受到阻碍，从而产生缺陷。为改善这一问题，通过提高浸渗压力提升浸渗质量的重要策略。
(3)铝覆层的厚度均匀且符合设计要求，同时覆层界面的硬度显著高于基体合金，表明碳纤维在增强界面强度方面发挥了重要作用。该界面不仅提高了复合材料的抗压能力，也为后续的加工和使用提供了良好的基础。
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图 1 碳纤维(CF)预制体的制备过程：(a) 预制体沿中心线分割，(b) 对Y1和Y2的铺层设计，(c) 预制体的缝合
Figure 1. Preparation process of carbon fiber (CF) preforms: (a) Splitting of preforms along the centerline, (b) design of layups for Y1 and Y2, (c) stitching of preforms
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图 2 覆层合金预制件的制备工艺流程
Figure 2. Process flow for the preparation of cladding alloy preforms
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图 3 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头制备工艺流程：(a) 预制体安装，(b) 模具加热，(c) 挤压浸渗，(d) 退模取样
Figure 3. The preparation process of aluminum clad core CF/Al composite material tail joint: (a) installing carbon fiber preforms, (b) mold heating, (c) extrusion infiltration, (d) demolding for sampling
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图 4 浸渗温度为660~675℃ 时铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头实验结果：(a) 燕尾榫头实物图，(b) SEM图
Figure 4. Experimental results of the dovetail joint for CF/Al composite materials with an aluminum cladding at an infiltration temperature of 660 to 675°C: (a) physical image of the dovetail joint, (b) SEM image
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图 5 浸渗温度为 675~690℃ 时燕尾榫头实物图及覆层界面：(a) 燕尾榫头实物图，(b) CF/Al复合材料存在缩孔，(c)覆层界面内存缩松缩孔，(d)覆层合金内部存在缩孔
Figure 5. Physical view of dovetail joint and cladding interface at infiltration temperature of 675~690°C: (a) physical view of dovetail joint, (b) shrinkage holes in CF/Al composite, (c) shrinkage holes in cladding interface, (d) shrinkage holes inside cladding alloy
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图 6 浸渗温度690~715℃时铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头试验结果：(a) 实物图，(b) CF/Al复合材料浸渗良好，(c) 覆层界面结合良好，(d) 覆层合金内部无缺陷
Figure 6. Dovetail joint test results of aluminum clad sandwich CF/Al composites at infiltration temperatures of 690~715°C: (a) physical image, (b) good infiltration of CF/Al composites, (c) good interfacial bonding of cladding, and (d) no defects inside the cladding alloy
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图 7 基体合金与碳纤维的界面结合情况分析
Figure 7. Analysis of the interface bonding between the matrix alloy and carbon fibers
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图 10 相邻测温点的温差
Figure 10. Temperature difference between neighboring temperature measurement points
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图 11 浸渗深度测量试样取样部位示意图
Figure 11. Schematic diagram of the sampling site of the specimen for infiltration depth measurement
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图 12 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头沿浸渗深度方向浸渗质量分布情况：(a) 切割试样，(b) 取样位置与浸渗深度相互关系
Figure 12. Distribution of infiltration mass along the infiltration depth direction for aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints: (a) cut sample, (b) relationship between sampling position and infiltration depth
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图 13 沿深度方向铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的微观组织结构观察时取样部位示意图
Figure 13. Schematic diagram of the sampling locations for observing the microstructure of aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints along the depth direction
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图 14 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的浸渗质量微观组织结构分析：(a)(b)(c) 上端，(d)(e)(f) 中部，(h)(i)(g) 下端
Figure 14. Microscopic structure analysis of infiltration mass in aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints: (a)(b)(c) upper end, (d)(e)(f) middle section, (h)(i)(g) lower end
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图 15 铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头表面加工后的宏观形貌
Figure 15. Macroscopic morphology of the machined surface of aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints
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图 16 提高浸渗压力后铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头中间部位的微观形貌：(a) 对应图13-I，(b) 对应图13-II，(c) 对应图13-III
Figure 16. Microscopic morphology of the middle section of aluminum cladding sandwich CF/Al composite dovetail joints after increasing the infiltration pressure: (a) corresponding to Fig. 13-I, (b) corresponding to Fig. 13-II, (c) corresponding to Fig. 13-III
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图 17 覆层合金厚度测量分析：(a) 取样位置及检测点，(b) 覆层合金厚度测量结果
Figure 17. Coating alloy thickness measurement analysis: (a) sampling locations and detection points, (b) measurement results of coating alloy thickness
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图 18 覆层合金与CF/Al的界面硬度分布
Figure 18. Hardness distribution at the interface between cladding alloy and CF/Al
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图 19 覆层界面压痕形貌分析：(a) 基体合金区域压痕形貌，(b) 碳纤维附近界面区域压痕形貌，(c) 碳纤维部位压痕特征
Figure 19. Analysis of the indentation morphology at the cladding interface: (a) indentation morphology in the area of the base alloy, (b) indentation morphology in the area of the interface near the carbon fibers, and (c) indentation characteristics in the area of the carbon fibers.
表 1 T700-12K碳纤维的性能参数
Table 1 Performance parameters of T700-12K carbon fiber
Physical Properties Parameters Tensile strength/GPa 3.9 Bending strength/MPa 782 Young's modulus/GPa 242 Elongation/% 1.72 Density/(g·cm−3) 1.76 Tensile modulus/GPa 141 
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表 2 浸渗温度对铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头拉伸及层间剪切强度的影响
Table 2 Effect of infiltration temperature on tensile and interlaminar shear strength of dovetail joints of aluminum clad sandwich CF/Al composites
Temperature ℃ Tensile strength MPa Shear strength MPa 660 ~ 675 68 18 675 ~ 690 126 56 690 ~ 715 154 88
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目的
燕尾榫头作为航空发动机叶片中连接叶身与叶盘的重要承力结构，其性能直接影响整个叶片的稳定性和运行效率。随着航空科技的不断进步，对材料性能的要求也日益提高。传统材料如钛合金和树脂基复合材料虽然在一定程度上满足了需求，但在重量、耐高温性和疲劳性能等方面存在局限。因此，研发具有优良力学性能和轻量化优势的铝覆层夹芯碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料成为提升航空发动机性能的关键。本研究旨在深入探讨液固浸渗挤压工艺对CF/Al复合材料燕尾榫头制备的影响，以期为航空发动机的设计与应用提供可靠的材料支持。
方法本研究采用T700-12K碳纤维和ZL207铝合金作为基材，利用液固浸渗挤压工艺制备复合材料燕尾榫头。具体步骤如下：首先，将碳纤维布裁剪并整理成预制体，采用缝合技术以形成稳定的结构，确保在浸渗过程中不易变形。然后，依据设计需求，对不同厚度的铝合金覆层进行机械加工。结合液固浸渗挤压技术，设置浸渗温度范围为660℃至715℃，通过精确控制浸渗压力(45 MPa)来研究其对浸渗质量和复合材料力学性质的影响。在制备完成后，利用扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构，并通过拉伸和层间剪切实验测试复合材料的力学性能，分析不同工艺参数下的表现。
结果实验结果表明，浸渗温度对CF/Al复合材料的力学性能和浸渗质量均有显著影响。在浸渗温度达到690℃~715℃的条件下，制备的燕尾榫头样件显示出优秀的力学性能，拉伸强度和剪切强度分别达到了154 MPa和88 MPa，较低温度条件下的67 MPa和18 MPa有显著提升。通过SEM观察，发现铝合金与碳纤维之间形成良好的界面结合，无明显的孔隙和裂纹，确保了复合材料的整体性。此外，研究还表明，适当的温度梯度能够有效改善浸渗过程，从而提升铝液的流动性，减少冷却带来的影响。在675℃到690℃的范围内，铝合金流动性不足，导致内部存在孔隙和缺陷，影响复合材料力学性能的提升。在材料的微观结构中，铝合金在碳纤维周围均匀填充，确保了良好的界面结合。通过测量界面硬度，结果显示界面硬度(81.2 GPa)显著高于基体硬度(48.4 GPa)，表明碳纤维的增强作用在界面强度上发挥了重要影响。因此，本研究探讨了不同工艺参数对燕尾榫头浸渗效果的影响，并通过改进工艺参数如升温速度和浸渗压力，发现浸渗质量得到了显著提升，循环实验数据验证了这些工艺参数对提升总体力学性能的重要性。
结论本研究表明，液固浸渗挤压工艺是制备高性能铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的有效途径。优化的浸渗温度和适当的浸渗压力显著提高了复合材料的拉伸强度和剪切强度，显示出在航空发动机等高端应用中的广阔前景。同时，良好的铝覆层厚度和界面硬度测量结果表明，浸渗过程中碳纤维与铝合金之间的结合质量良好，能够有效传递载荷。针对接下来的研究方向，可以进一步探讨不同铝合金基体与碳纤维的组合配比，从而实现更高性能的复合材料开发。
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在航空发动机领域，燕尾榫头作为连接叶身与叶盘的重要结构，其性能直接关系到整个叶片的稳定性和有效性。然而，传统的制备工艺存在浸渗不足和润湿性差等问题，限制了铝覆层夹芯CF/Al复合材料的应用。因此，研发高性能的燕尾榫头材料，成为亟待解决的工程技术难点。
本文通过液固浸渗挤压技术，系统研究了铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的制备工艺及其力学性能。研究表明，浸渗温度的升高显著提高了复合材料的拉伸强度(154 MPa)和剪切强度(88 MPa)，尤其在690℃~715℃的温度范围内，材料展现出均匀的碳纤维分布和极低的缺陷率。此外，通过优化浸渗压力(45 MPa)，提高了铝液在复合材料中的流动性，从而显著改善了浸渗质量。为了深入探讨浸渗行为的影响因素，本文还分析了温度梯度对浸渗深度和界面结合质量的关系，结果显示合理的温控设计能够有效减少孔隙缺陷，提升复合材料的整体性能。本研究为高性能铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头的实际应用提供了新的工艺思路，有助于推动航空发动机材料的轻量化和高强度化。
铝覆层夹芯CF/Al复合材料燕尾榫头宏观形貌及成形质量分析
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