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第26卷 第3期2006年6月 航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUTI CA L MATER I ALSVol .26,No .3June 2006S i C 纤维增强钛基复合材料过渡液相扩散焊接头组织研究张 蕾,侯金保(北京航空制造工程研究所,北京100024)摘要:针对Si C f /T C4钛基复合材料,进行其过渡液相扩散焊试验,并进行接头组织研究。
结果表明:在试验条件下,采用自制的纤维+TiZr Cu N i 合金的复合中间层,通过合金与纤维的扩散,形成一紧密结合的界面,获得与母材接近的接头组织,实现钛基复合材料的成功连接。
关键词:Si C f /T C4钛基复合材料;过渡液相扩散焊;复合中间层中图分类号:T G457 文献标识码:A 文章编号:100525053(2006)0320325202收稿日期622;修订日期6232作者简介张蕾(8),女,硕士,工程师,(2)8@63。
SiC 纤维增强钛基复合材料由于具有优良的高温综合性能,受到航空发动机设计者的日益青睐[1]。
使用钛基复合材料能代替部分高温合金可制造高性能、轻量化新结构,以提高航空发动机综合性能[2、3]。
由于技术难度以及技术保密等原因,国外对钛基复合材料连接技术研究报道很少,提到过渡液相(Transient Liquid Phase 简称T LP )扩散焊是连接纤维增强钛基复合材料的有效方法[1,4]。
T LP 扩散焊的技术特点是利用中间层在连接温度下的凝固及扩散,形成组织及成分与母材接近的接头。
针对SiC f /TC4钛基复合材料,采用自制的含纤维的复合中间层进行T LP 试验,研究其接头组织特点。
目前国内关于钛基复合材料焊接接头组织分析的研究报道甚少,本试验研究在国内尚属前列。
1 试验材料及试验方法本试验选用Si C 长纤维增强、TC4钛合金为基体的钛基复合材料为试验材料。
试验所用纤维为国产W 芯SiC 纤维(有C 涂层)。
钛基复合材料
钛基复合材料是一种由钛合金和其他材料组合而成的复合材料，具有轻质、高
强度、耐腐蚀等优点，因此在航空航天、汽车、医疗器械等领域有着广泛的应用。
钛基复合材料的研究和应用对于推动材料科学技术的发展具有重要意义。
首先，钛基复合材料的轻质特性使其在航空航天领域具有重要的应用前景。
航
空航天器要求材料具有较低的密度，以减轻整个航天器的重量，从而提高燃料效率和载荷能力。
钛基复合材料由于其轻质特性，可以有效地满足这一需求，因此在航空航天领域有着广泛的应用前景。
其次，钛基复合材料的高强度使其在汽车制造领域具有重要的应用潜力。
汽车
制造对材料的强度要求较高，以确保汽车在行驶过程中不会出现变形或破损等情况。
钛基复合材料具有优异的强度，可以有效地满足汽车制造的需求，因此在汽车制造领域有着广阔的市场前景。
另外，钛基复合材料的耐腐蚀特性也使其在医疗器械领域具有重要的应用前景。
医疗器械对材料的耐腐蚀性要求较高，以确保医疗器械在使用过程中不会因受到腐蚀而影响其功能。
钛基复合材料由于其良好的耐腐蚀性，可以有效地满足医疗器械的需求，因此在医疗器械领域有着广泛的应用前景。
综上所述，钛基复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。
钛基复合材料的研究和应用对于推动材料科学技术的发展具有重要意义，有助于推动相关领域的发展和进步。
希望在未来的研究中能够进一步深化钛基复合材料的研究，推动其在各个领域的应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
连续SiC纤维增强钛基复合材料研制黄浩;王敏涓;李虎;李四青;张书铭;李臻熙;黄旭;解川【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2018(061)014【摘要】钛基复合材料由于在中高温环境下具有很高的比强度、比模量以及良好的抗疲劳和抗蠕变特性,受到研究者的广泛关注.回顾了国内外该材料的发展历程,详细介绍了连续SiC纤维增强钛基复合材料的研制过程,包括SiC纤维制备、涂层制备、复合材料成型及构件制备等工艺过程.概述了研究团队近年来在连续SiC纤维增强钛基复合材料研究领域开展的工作及取得的进展,包括成功研制了高性能连续SiC纤维并实现小批量试制,设计了适用于不同增强基体合金的界面涂层,研究表明研制的C涂层可使复合材料经1100℃处理后界面涂层保存较好;实现了20～50μm性能优异的钛合金、铝合金、高温镍合金先驱丝的沉积;完成了Φ600mm×160mm尺寸的复合材料环形件及Φ50mm×300mm转动轴部件的试制.最后对该材料未来的发展趋势进行了展望.【总页数】11页(P26-36)【作者】黄浩;王敏涓;李虎;李四青;张书铭;李臻熙;黄旭;解川【作者单位】中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095;中国航发北京航空材料研究院,北京100095【正文语种】中文【相关文献】1.连续SiC纤维增强钛基复合材料横向高温变形机理研究 [J], 曹秀中;赵冰;韩秀全;侯红亮;曲海涛2.连续SiC纤维增强钛基复合材料高温变形研究 [J], 高昌前;赵冰;韩秀全;侯红亮3.连续 SiC纤维增强钛基复合材料横向强度分析 [J], 摘自《稀有金属》4.SiC纤维增强钛基复合材料界面研究及构件研制 [J], 王玉敏;肖鹏;石南林;雷家峰;杨锐5.SiC连续纤维增强钛基复合材料研究 [J], 赵永庆;周廉;Alain Vassel因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《二维Ti3C2 MXene增强钛基复合材料的制备与性能研究》一、引言随着科技的发展和材料科学的进步，复合材料以其优异的力学性能和多功能性成为材料领域研究的热点。
在众多复合材料中，二维材料因其独特的结构和优异的性能在复合材料领域中具有广泛的应用前景。
其中，Ti3C2 MXene作为一种新型的二维材料，具有优异的导电性、热稳定性和力学性能，因此被广泛应用于增强复合材料的性能。
本文旨在研究二维Ti3C2 MXene增强钛基复合材料的制备方法及其性能表现。
二、制备方法二维Ti3C2 MXene增强钛基复合材料的制备主要包括以下几个步骤：1. Ti3C2 MXene的制备：采用化学刻蚀法对MAX相（如Ti3AlC2）进行刻蚀，得到二维Ti3C2 MXene。
2. 钛基体的制备：选择适当的钛合金作为基体，通过粉末冶金法或熔铸法制备出钛基体。
3. 复合材料的制备：将制备好的Ti3C2 MXene与钛基体进行混合，通过热压、热轧或冷轧等方法将两者紧密结合，得到二维Ti3C2 MXene增强钛基复合材料。
三、性能研究1. 力学性能：通过拉伸试验、压缩试验等手段，研究二维Ti3C2 MXene增强钛基复合材料的力学性能。
实验结果表明，添加适量的Ti3C2 MXene可以有效提高复合材料的强度和韧性，降低其断裂延伸率。
2. 物理性能：通过硬度测试、热导率测试等手段，研究复合材料的物理性能。
实验结果表明，Ti3C2 MXene的加入可以显著提高复合材料的硬度、热导率和电导率。
3. 耐腐蚀性能：在腐蚀介质中，研究复合材料的耐腐蚀性能。
实验结果表明，Ti3C2 MXene的添加可以有效提高钛基复合材料在腐蚀介质中的耐腐蚀性能。
4. 微观结构分析：采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对复合材料的微观结构进行分析。
结果表明，Ti3C2 MXene在复合材料中均匀分布，与钛基体形成了良好的界面结合，有效地传递了载荷。
钛基复合材料钛基复合材料是由钛金属作为基体，与其他材料进行复合制备而成的一种材料。
钛金属具有优异的力学性能和化学稳定性，但在某些方面仍存在着一些限制，如强度不高、低耐磨性等问题。
而通过与其他材料的复合制备，可以克服这些问题，提高材料的性能。
钛基复合材料有多种制备方法，其中最常见的是增强相与基体相分离的方法。
在这种方法中，钛金属作为基体相存在，而增强相则以颗粒、纤维或片状等形式分布在基体中。
通过增强相的引入，钛基复合材料的力学性能可以得到显著提升。
钛基复合材料的优点主要体现在以下几个方面：首先，钛基复合材料具有较高的强度和硬度。
增强相的引入可以提高材料的抗拉强度、屈服强度和硬度，使得材料在高强度工作条件下不易发生变形和破坏。
其次，钛基复合材料具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
钛金属本身具有较好的耐热性和耐腐蚀性，而增强相中的某些材料则可以进一步提高材料的耐热性和耐腐蚀性。
此外，钛基复合材料还具有较好的耐磨性和摩擦性能。
钛金属本身的耐磨性较差，容易受到磨损，但通过引入增强相，可以有效改善这一问题，提高材料的耐磨性和摩擦性能。
钛基复合材料的应用领域广泛。
它们可以应用于航空航天、汽车制造、船舶制造、化工等领域。
在航空航天领域，钛基复合材料可以用于制造飞机发动机零件、机身零件等，以提高航空器的性能和安全性。
在汽车和船舶制造领域，钛基复合材料可以用于制造引擎零件、车身零件等，以降低车辆的重量、提高燃油效率。
在化工领域，钛基复合材料可以用于制造化工设备的耐酸碱容器、换热器等，以提高设备的耐腐蚀性能。
总的来说，钛基复合材料通过钛金属与其他材料的复合制备，可以克服钛金属的一些缺点，提高材料的力学性能和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造和化工等领域。
SiC纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料的界面优化及残余应力研究的开题报告一、选题背景和意义随着航空航天业的发展，对于高性能、耐高温、耐腐蚀、轻质化材料的需求越来越大，而Sic纤维增强钛基复合材料具有高温强度、优异的耐热和抗氧化能力、低密度等优点，在航空航天等领域有广泛的应用前景。
在Sic纤维增强钛基复合材料的制备过程中，往往需要考虑陶瓷、金属和纤维等材料的力学和热学性能之间的匹配程度，特别是在增强纤维和金属基体界面上存在的残余应力问题，影响着复合材料的性能和寿命。
本课题的研究内容是基于Ti-22Al-26Nb复合材料，采用Sic纤维增强，利用界面优化技术和残余应力研究方法，对复合材料的力学性能和结构稳定性进行研究，旨在为探索高性能、高稳定性的复合材料提供理论和技术支持。
二、研究内容和方案1. 复合材料制备本课题将采用真空感应熔炼-等轴凝固工艺制备Sic纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料。
优化工艺参数，通过表面化学处理、表面涂层和真空干燥等工艺方法降低增强纤维与金属基体之间的残余应力，并提高界面结合强度。
2. 材料组织结构表征采用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等手段对复合材料的微观结构进行表征，分析增强纤维与基体之间的结合情况及其对残余应力的影响。
3. 界面优化与残余应力测量采用X射线衍射仪和拉曼光谱仪等技术对复合材料界面的晶体结构和相变行为进行研究，分析界面调控对材料力学性能的影响。
同时，利用同步辐射X射线和中子散射仪等现代表征方法，测量复合材料中的残余应力场分布，分析应力分布规律、应力与力学性能之间的关系。
4. 材料力学性能测试采用万能试验机、动态机械分析仪等设备对复合材料的力学性能进行测试，包括拉伸、压缩、剪切和疲劳等测试，探究界面优化和残余应力对材料力学性能的影响。
三、预期结果和意义通过界面优化和残余应力控制等手段，制备出高稳定性、高强度的Sic纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料，并深入分析其微观结构、晶体结构、应力场分布和力学性能，揭示增强纤维与基体之间的相互作用规律，提高复合材料的力学性能、耐腐蚀性和寿命，为高性能复合材料的研究和制备提供理论和技术基础。
钛基复合材料的性能及制备
钛基复合材料是一种新型的复合材料，它是将钛与其他材料（如碳纤维、碳烯烃纤维、刚性粉末、芳纶纤维、玻璃纤维、可塑增强钛等）相结
合而成。
钛基复合材料具有优异的力学性能，此外，其耐腐蚀性、低密度
和高抗蠕变性能也很突出。
钛基复合材料的制备工艺包括挤压法、热压法和注射成型等。
其中，
挤压成型法是最常用的工艺。
将半成品材料（即钛基复合材料的各种组分）挤压成坯体，再以热压成型制得最终产品。
在此基础上，采用粉末冶金技
术等熔炼工艺可以生产出具有更高强度的钛基复合材料。
热压法是一种钛基复合材料的制备工艺，它采用热压和动力压力来使
复合材料组件充分结合。
将钛基复合材料的各种组分（如热压剂、增强剂
和钛等）均匀地填充，然后在高温下进行热压，从而使各组件形成坚实的
联合体。
注射成型是将液体塑料注射到模具中以制得钛基复合材料的方法。
其
优点是可以根据不同的设计要求，调整塑料的粘度、流动性和热塑性等，
以达到所需要的材料性能。
但是，此工艺存在可靠性和表面粗糙度较低等
缺点。
连续纤维增强钛基复合材料研究概况曾立英 邓 炬 白保良 赵永庆(西北有色金属研究院 西安710016)摘 要 重点介绍了连续纤维增强钛基复合材料的3种复合方法,即箔材-纤维-箔材法、等离子喷射涂层法和物相沉积法。
开发的强化纤维有SiC纤维和Al2O3单晶纤维,并介绍了它们的研究进展。
最后讨论了一些复合材料的性能特点和复合材料的损伤评价技术。
关键词 连续纤维 钛基体 横向蠕变 损伤评价中图法分类号:T G146.23 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2000)03-0211-05 连续纤维增强钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量[1],并比钛合金更耐热,可在高于600℃的环境下使用。
连续 -SiC纤维增强的T i-6-4中,轴向UT S可达1.8GPa;弹性模量是基体的1.3倍[2]。
这些均使其有望用作未来先进航空航天飞机的蒙皮、刚性件和高性能发动机部件。
若用作发动机转子、风扇叶片和盘件,以取代N i基或Co基超合金,发动机可减重30%[3]。
近20年来,材料工作者对其进行了深入的研究[4,5],并取得了突破性进展。
特别是随着SCS-6等SiC纤维的改进与商品化,纤维增强钛基复合材料的一些研究成果开始产业化。
如美国国防部和NASP资助建立的SiC纤维增强钛基复合材料的生产线,为单级直接进入轨道航天飞机提供机翼和机身的蒙皮、支撑衍梁、加强筋等构件[4]。
近年来又开发了一些新的制备方法,如三极管溅射和磁控溅射技术。
所研究的基体合金范围扩展为近 , , + 和 合金。
为使一些复合材料工程化,对它们的疲劳裂纹扩展、断裂等方面也进行了深入的研究[6-8]。
本文阐述了一些复合材料的性能特点,介绍了近年来制备连续纤维增强钛基复合材料的方法、开发的强化纤维与基体合金研究概况,并给出复合材料损伤评价技术。
1 复合材料的制备技术1.1 复合方法连续纤维增强钛基复合材料的制备分为复合和固化压实2个步骤。
该材料的复合非常困难,只能用固相法合成。
开发的方法以固化压实前纤维与基体的不同排列方式来区分,通常称为箔材-纤维-箔材(FFF)法、等离子喷射涂层法(M CM)和物相沉积法(PVD)。
图1为3种方法的示意图。
表1比较了3种方法的优缺点。
物相沉积(PVD)法分为2类:电子束蒸发沉积(EBED)和溅射技术(三级管溅射,TS;磁控溅射M S)。
它们都是在固化压实之前在单根纤维上涂覆一层均匀的基体。
基体以涂层形式出现,减少了加工成箔材或粉末的昂贵的加工费。
该工艺的主要优点为:纤维分布均匀;每一纤维被基体包围,纤维间不接触,纤维损伤小;纤维体积分数可用涂层厚度来控制;利于近净形加工。
图1 3种复合方法的示意图F ig.1 Schemat ic diagr am of t hree kinds o fco mposite pr ocess1.2 固化压实常用热等静压(HIP)或真空热压(VHP)来固化压实复合材料[11,17]。
但最近研究表明:用锻造法代替HIP或VHP,复合材料的室温拉伸性能和疲劳性能与HIP法制备的相当,既降低了成本又节约了加工时间[9]。
PVD+HIP法制备的 -SM1240/T i-6-4的压第29卷 第3期2000年 6月 稀有金属材料与工程RARE M ETAL M A TERIALS AND ENGINEERINGVol.29,No.3 J une2000联系人:曾立英,女,30岁,硕士,工程师,西北有色金属研究院钛合金研究所,西安710016,电话:029-*******,传真: 029-******* 表1 3种复合方法的比较Tab.1 Comparision of three composite processes复合方法Composite pr ocess 工艺过程Pr ocessing优点A dv antag e缺点Disadvantag e研究的合金A lloy studied参考文献R eferences箔材-纤维-箔材法F FF.met ho d 依纤维体积分数及对称性交替叠放基体箔和编织纤维网,加热并加压使其致密经济纤维分布不均匀,纤维间接触,易产生疲劳裂纹+近[9,10]等离子喷射涂层法M CM.metho d物相沉积用真空等离子体将金属粉浆注入高速旋转的编织纤维上,堆垛压实所获单带材料较密实,纤维较固定,界面反应小基体组织不均匀,熔滴易损伤纤维,合金成分不可控近+,[11-13] 电子束蒸发沉 积EBED 电子束枪蒸发的钛合金棒以原子的形式在纤维上冷凝成分不易控制涂层速率高,金属利用率仅10%T i-64,T iA lT i3Al+V[14] 三极管溅射 T S 可精确控制成分沉积速度低,金属利用率高达80%T i-64,6242,I M I834[15] 磁控溅射M S 纤维间距均匀,界面可控T i-64,IM I834,T i-22A1-23N b[16]实分2步。
材料相对密度接近0.85时,柱状颗粒接触,幂函数蠕变控制(PLC)的长大起作用;相对密度超过0.9时,扩散晶界滑移(DAGS)起作用,即孤立菱形孔不断收缩,从而使材料致密[18]。
用压实显微机械-单胞模型来模拟此过程,DAGS为压实主要机制。
溅射法+VHP制备的纳米级 -SM1240/T i-6-4中, 760℃～900℃间产生超塑性,压实所需的温度和压力比其它复合材料的低。
有限元分析模型预测值与实验结果吻合得较好[19]。
2 强化纤维与基体材料2.1 强化纤维强化纤维应在不低于1000℃时仍具有较高的模量和拉伸强度,且相对于钛基体要稳定,二者的热膨胀系数差别要小。
商品化的纤维见表2,最成功的是Tex tron公司制备的连续SiC纤维SCS-6。
商用纤维大多数是用CVD法制备的大直径的SiC单纤维,它具有较好的高温强度、热稳定性和抗氧化性。
SiC纤维共有两类:一类是含直径为33 m碳芯的纤维,牌号为SCS-0,SCS-6,SCS-ultra,SCS-9;另一类是含直径为13 m钨芯的纤维,牌号为 SM1140+和 SM1240。
含碳芯的SiC纤维热稳定性比钨芯的 SM1140+好得多。
表2 一些商用连续纤维的特性[20]Tab.2 Properties of some commercial continuous fibers类型T y pe名称N ame生产商Pr oducer直径Diameterd/ m拉伸强度U T S/G Pa模量M o dulus/GP a保护涂层Pr ot ect iveco ating涂层厚度T hickness o fco ating/ mSiC -SM1140+DERA-Sigma106 3.4400SiC -SM1240+DERA-Sigma100C+T iB x 1.3+1.3 SiC SCS-0+T ex tr on140N o coat ing无涂层SiC SCS-6+T ex tr on140 4.0400C-r ich do uble富碳的双涂层2～4 SiC SCS-ultr a T ex tr on140 6.2420SiC T r imar c A mer co m125 3.5410T r iplex C三层碳涂层3A l2O3Sapphir e Sa phiko n I nc.120 3.4410 另一类强化剂为Al2O3单晶纤维,它的热稳定性、机械性能好;热膨胀系数更接近钛基合金,纤维与基体的热应力小,制备及热循环时基体中不易形成微裂纹。
供应的此纤维无外保护涂层。
其涂层工艺尚未成熟,价格昂贵,仍在探索之中[21]。
2.2 基体根据使用温度的不同,复合材料常见的基体有近 , , + , 合金及TiAl基合金。
其中研究较多的为Ti-6Al-4V[20]。
合金(Ti-15-3, 21S)的冷成型性优于 + 合金,但其蠕变抗力较低,某些应用条件下横向性能达不到要求。
新一代涡轮发动机使用温度较高,这就要求复合材料基体的高温性能要好,近 合・212・稀有金属材料与工程29卷金能满足要求,如Ti-6-2-4-2,T i-1100和IM I834。
在TiAl基复合材料中,首先研究了SCS6/T i-24Al-11Nb,其基体主要由 2相组成,它与SCS6纤维中的富碳涂层不相容,复合材料的延性、蠕变抗力较低,横向性能不佳[22]。
固化压实后的SiC/T i-48Al-2Cr-Nb 中可见大量裂纹,基体/纤维间热膨胀系数不同,热残余应力较大所致[20]。
近来还研究了含有序O相的TiAl基复合材料[10]。
这类材料综合性能优异,室温延性较好,拉伸和蠕变性能提高,热稳定性和疲劳性能大大提高,纤维/基体界面反应较小。
基体合金范围为Ti-(21～25)Al-(17～27)Nb。
表3示出一些国家所研究的连续纤维复合材料及其潜在的用途。
从表中可知,美、英等国连续纤维复合材料已进入工程应用研究阶段。
表3 一些连续纤维复合材料的用途Tab.3 Potential applications of some fiber reinf orced Ti-MMCs材 料M ater ial项目或财政资助Pr og ram o r financia l suppo rt应 用P ot ential a pplicatio n参考文献Refer enceSiC/T i-based alloy 美国综合高性能透平发动机技术(IHPT ET)和高速民用运输机(HSCT)项目;英国材料战略局的科技远景规划;T ext ro n风扇叶片、压气机盘和透平盘、排气嘴和转轴等;飞机蒙皮和刚性件供麦道公司;英国HO T O L航天飞机的纵梁、蒙皮,美国N A SP(X-30)航天飞机机身热结构[23]-SM1240/T i-6-4 SM-1140,1240/ T i-6-4,IM I834美国先进研究计划和国家航空航天局;DA R PA资助,英国航天局的结构材料中心汽轮机及其它航空结构件,航空汽轮机部件[18,19,23]SCS-6/T i-6-4composite plate SCS-6/T i-22Al-23N b 美怀特实验室的SBI R计划;T extr o n;美空军Scient ific r esear ch资助宇航飞机和先进战斗机的涡轮部件[10,15,23,24]SCS-6/T i-6-4-SM1240/T i-6-4R olls-R oy ce P lc.超音速飞机蒙皮[25,26]SCS-6/T i-25Al-10N b-3V-1M o 德国M IN ERV A Co mmitt ee与以色列科学合作项目资助先进航空器[27]3 复合材料的各向异性连续纤维增强钛基复合材料的特点有二:一是各向异性强,横向拉伸强度仅为纵向的30%～45%;二是纵向拉伸性能比基材的高得多。
