SiC纤维增强钛基复合材料工艺设计

目录 摘要1 1 引言1

1.1 纤维增强钛基复合材料的性能特点以及应用前景1 1.2 复合材料体系的选择2 1.2.1 基体的选择2

1.2.2 增强体的选择3 1.3 本工艺设计的研究内容与目标3 2 纤维及基体的表面处理3 2.1 SiC纤维的表面处理3 2.2 基体Ti-6Al-4V合金箔的表面处理4 3 箔一纤维一箔法（Foil-fiber-foil method） 制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料工艺设计4 3.1 工艺原理4 3.2 优缺点4 3.3 工艺流程图5 3.4 具体步骤5 3.4.1 材料预处理5 3.4.2 编制纤维布5 3.4.3 热压复合5 3.5 热压复合工艺5 3.5.1 温度5 3.5.2 压力5 3.5.3 保温保压时间6 4 浆料带铸造法（Sluny tape casting method） 制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料工艺设计6 4.1 工艺原理6 4.2 优缺点6 4.3 工艺流程图6 4.4 具体步骤7 4.4.1 选择粘结剂7 4.4.2 细化纯Ti粉7 4.4.3 编制纤维布7 4.4.4 制备预制体7 4.4.5 真空除气及热压复合8 5 纤维涂层法（Matrix eoatednber method） 制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料工艺设计8 5.1 工艺原理8 5.2 优缺点8 5.3 工艺流程图9 5.4 具体步骤9 5.4.1 靶材的制作与增强体纤维的缠绕9 5.4.2 溅射涂层9 5.4.3 涂层纤维的堆垛与填装9 5.4.4 真空封焊和热等静压10 5.5 溅射工艺10 5.5.1 反溅射时间10 5.5.2 溅射功率10 5.5.3 工作气压10 5.6 热等静压工艺11 6 总结11 致谢11 参考文献12

SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计

摘要：本文进行的材料工艺设计选择Ti-6Al-4V合金作为基体，SiC作为增强体，以材料的结构性能要求确定了设计目标。首先介绍了纤维增强钛基复合材料的性能特点和应用前景。通过大量查阅文献，确定了SiC增强钛基复合材料的三种工艺方案，分析了三种工艺的原理以及优缺点，详细介绍了三种方案的工艺流程。最后对SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计方案进行了总结。 关键词：纤维增强；箔一纤维一箔法；浆料带铸造法；纤维涂层法；工艺设计

Process Design of Fabrication of Titanium Matrix Composites Reinforced with SiC Fiber Abstract:The design of composite material is based on titanium,and intensifying material is SiC,using structural properties of the materal to determine the design goals.Firstly,paper gives a genaral introduction about the performance charactertistics and application prospect. Through a lot of literature,the three scheme of design of titanium matrix composites reinforced with SiC fiber is determined,and analysing the mechanism of three preparation methods and their advantages and disadvantages ,the process charts of scheme is introduced in detail.Finally,making a summary of scheme of process design of fabrication of titanium matrix composites reinforced with SiC fiber. Key words:Fiber reinforced; Foil-fiber-foil method ; Sluny tape casting method ; Matrix eoatednber method ; Process Design

1 引言 1.1 纤维增强钛基复合材料的性能特点及应用前景 用纤维增强常规钛合金所制成的复合材料（TMC）具有比常规钛合金更高的比强度、比刚度以及良好的抗高温（可以在高于600℃的环境中使用）、耐腐蚀性能，为基体钛合金所无法比拟，因此在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景[1]。可满足未来航空航天所需可耐更高温度、更高负载的要求，尤其适合于新一代航空涡轮发动机对高温机械性能的追求，有望用于未来先进航天飞机的蒙皮、刚性件和高性能发动机部件上，若用作发动机的转子、风扇叶片和盘件的制造材料，可以使得发动机减重30%[2,3]。 1.2 复合材料体系的选择

1.2.1 基体的选择 复合材料就是兼有复合体系各组元或组分的优点，又能克服各自的缺点，所以新合成的复合材料具有比各组元或组分更加优异的使用性能。做为连续SiC纤维增强钛基复合材料的钛合金基体，必须能与高强度SiC纤维结合，失配性较小，而且在加载过程能起到传递载荷的作用，韧性基体与脆性纤维形成弹塑界面可以弱化纤维的脆性，从而改善材料的性能，满足材料更加苛刻的使用环境[23]。 理论上，α型、β型和α＋β型钛合金均可做为复合材料基体（钛合金一般按合金元素加入后在退火组织中的作用，分为 α 型、β 型和α+β 型三类）。钛合金同纯钛相比强度得到了显著地提高，因此钛合金的比强度高于其他常用金属材料，这也是钛合金作为金属基复合材料基体的重要原因。Ti-6Al-4V 属于 α＋β 型钛合金，其具有较高的强度和良好的塑形，蠕变抗力和热稳定性好，是优良的金属基复合材料基体材料[4]。 1.2.2 增强体的选择

钛基复合材料通过将基体钛合金的塑性和成型性与增强体纤维的优越承载能力和刚性相结合来改善材料的性能。因此，在钛基复合材料中，增强纤维的性能和体积分数很大程度上影响着钛基复合材料的力学性能。做为承载主体的强化纤维应在不低于1000℃时仍具有较高的比模量和比强度，并且与钛合金基体之间应具有较好的热机械相容性 (如化学相容性、热膨胀系数匹配性等)[5,6,7]。通常，复合材料中纤维体积含量在25~45%范围内，比较理想的为35%[8-11]，在给定纤维体积分数的情况下，使用粗纤维可以增加纤维间的距离，从而有利于降低纤维在复合固结过程中产生径向裂纹的倾向和充分发挥钛基体的韧性作用。 SIC纤维是以C和Si为主要成分的一种陶瓷纤维，具有更为优异的低密度、低热膨胀系数、高强度、高硬度、高模量、高的热稳定性以及对氧化和蠕变的良好抗力[12,13,14]。在1000℃以下，其力学性能基本上不变，可以长期使用；当温度超过1300℃时，其性能才开始下降。 1.3 本工艺设计的研究内容与目标

本文从SiC纤维增强钛基复合材料的性能特点出发，对该复合材料的制备工艺进行研究，分析箔-纤维-箔法、浆料带铸造法、纤维涂层法三种制备工艺的原理、优缺点以及工艺参数对材料性能的影响，确定三种工艺设计流程。目的是设计并优化SiC纤维增强钛基复合材料的制备工艺。 2 纤维及基体的表面处理

2.1 SiC纤维的表面处理 SiC 纤维作为 Ti 基复合材料的增强相时，由于在高温下，Ti 及 Ti 合金的化学活性很高，极易与 SiC 发生明显的界面化学反应，不但使纤维表面形成一些缺陷，令纤维性能下降，另外也易生成脆性物质，易使制得的复合材料的性能下降。在 SiC 纤维表面沉积上一层障碍涂层是较为有效易行的方法[15]。 涂层在基体及纤维的界面起着阻挡层、缓冲层及反应层等作用。即涂层可以与基体发生适度的反应，提高界面结合强度；同时也可阻止或延缓界面过度反应，起到保护纤维的作用，以改善基体与纤维之间的化学相容性。另外，涂层也能在界面提供过渡层，以缓和因纤维和基体热膨胀系数及弹性模量等的不同而产生的界面残余热应力，改善基体与纤维的物理相容性[16]。 TiN 化学结构是由金属键、离子键及共价键混合而成的，因而 TiN 涂层既具有共价化合物高熔点、高硬度、耐腐蚀等特点，又具备金属化合物的良好热导性和电导性，逐渐成为应用日益广泛的涂层材料[16]。 采用阴极磁过滤等离子体沉积技术在 SiC 纤维上进行涂 TiN 处理。具体的方法是将 SiC 纤维放置在多功能真空快速反应平台的镀膜室中，通入高纯氮气和高纯氩气，接着触发阴极高纯钛靶从而产生大量钛蒸气，氮气与钛蒸汽反应生成 TiN 并在氩气放电形成的等离子体区中加速前进沉积在 SiC 表面。 2.2 基体Ti-6Al-4V合金箔的表面处理

与纤维表面处理复杂的流程相比，基体箔材的表面处理方法比较单一，流程简单，易于实现。常见的方法有有机溶剂清洗法、热氢处理及酸洗法、磷化处理法等。为降低热压时纤维的损伤，可以对基体材料进行增塑预处理。有研究者认为[17]，热氢处理对 α+β 型 Ti 合金，如 Ti-6Al-4V 的塑性有所提高。 最常见的方法是有机溶剂清洗法。首先利用粒度为2000 目的砂纸，轻轻打磨箔材表面，去除表面粘附的污物、油质及氧化皮等，之后在丙酮试剂浸泡 2-3 分钟，最后再用超声波清洗技术使用高纯酒精彻底清洗 5 分钟左右[18]。 由于钛的化学活性活泼，钛合金在高温下可以和大多数的增强纤维发生化学反应，生成有害的界面反应产物对复合材料的性能造成严重损害，且 Ti 及 Ti 合金的熔点远远高于 SiC 纤维，故纤维增强钛基复合材料只能用固相法制备[19]。 3 箔一纤维一箔法(foil-fiber-foil method)制备SiC/Ti-6Al-V复合材料工

艺设计 3.1 工艺原理 将纤维逐根用金属丝或带交叉编织，或用有机粘接剂将纤维固定在钛合金箔上，然后将钛合金箔与编织好的纤维逐层叠放，经真空热压（VHP）或热等静压（HIP）成形。若用有机粘接剂固定纤维，在成形前需用真空除气法去除有机粘接剂[20]。