CN102925825A

CN102925825A - 一种连续纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN102925825A
Application number: CN2012104652715A
Authority: CN
Inventors: 侯红亮; 赵冰; 姜波; 任学平; 曲海涛
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明属于金属基复合材料制备领域，特别涉及一种连续纤维增强混杂金属基复合材料的制备方法。本发明采用磁控溅射+热压或热等静压的方法制备连续SiC纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料，与连续纤维增强钛基复合材料以及连续纤维增强钛铝基复合材料相比较，具有更优异的综合性能，既具有良好的室温塑性，又具有良好的高温性能，同时，抗裂纹扩展能力也显著提高。连续SiC纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料具有在微米及亚微米甚至纳米尺度任意层叠的钛铝金属间化合物和钛合金的混杂基体，在交替沉积的Ti和Al层发生原位反应时，由于Ti层过量，未参与反应的钛作为中间层、协调层，改善了通过原位反应获得的钛铝金属间化合物的室温塑性。

Description

一种连续纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料的制备方法

技术领域

本发明金属基复合材料，特别涉及一种连续纤维增强混杂金属基复合材料的制备方法。

背景技术

随着航空工业的迅速发展，高推重比航空发动机（>=12）成为研究热点。为了提高航空发动机推重比，对结构材料提出了越来越高的要求：更高的比强度、比刚度，更优异的高温性能（高温强度、抗蠕变），更高的抗氧化、抗腐蚀性能。现有的镍基高温合金已经接近其极限使用温度，且密度过高，已不能满足高推重比发动机对结构材料的要求。连续SiC纤维增强钛基、钛铝基复合材料具有较高的比强度和比刚度，较高的耐高温和抗蠕变、抗氧化的能力，与基体相比较，综合力学性能显著提高，可以在减重的同时大大提高发动机的整体性能，因此成为最具发展前景的高推重比航空发动机的候选材料。

目前，制备连续SiC纤维增强钛基复合材料的方法主要有以下几种：

1、箔-纤维-箔法

箔-纤维-箔法的工艺过程如下：（1）基体加工成箔片；（2）纤维按一定间距排列，用有机粘结剂固定，制成纤维先驱带；（3）基体箔片与纤维先驱带交替叠层，形成预制块；（4）真空热压复合。

箔-纤维-箔法是传统的制备方法，其优点是方法简单、微观组织可控、化学成分准确、杂质含量低。其缺点是箔材价格高，SiC纤维固定困难，有机粘合剂易引起污染。

2、物理气相沉积法

物理气相沉积法法是通过物理加热的方法使靶材蒸发形成离子束并沉积在基体上的一种方法，然后将带涂层的纤维堆放在一起，经热等静压成型。

物理气相沉积法的优点是可以保证化学成分与靶材一致，氧含量低，可以精确控制复材中纤维的体积分数，且纤维排布规则，因此可获得较高的复合材料性能。其缺点是材料利用率低和沉积速率低。

3、等离子喷涂法

该工艺利用等离子喷枪把熔融或者接近熔融状态的钛合金以微米级颗粒喷向缠绕有纤维的转轮上，将冷凝之后形成的单层薄带切割下来，多层叠放，然后热压或热等静压制成复合材料。

等离子喷涂法可以较好的固定纤维，因而纤维分布均匀。但喷涂过程产生非均匀的微观组织，且控制合金成分较难，同时熔融的合金液滴会损伤纤维。

4、液态模锻法

液态模锻法的工艺过程是先将纤维加入合适的粘合剂制成预制件，加入固定在压力机上预热到一定温度的模具中，浇入液态金属，随即加压，将液态金属强行压渗入纤维中，制成纤维增强金属基复合材料。

此法生产效率高，成本低，可形成自动生产线，进行批量生产。缺点是成型过程易损坏纤维，影响复材性能。

现有技术不足及改进：

1.连续SiC纤维增强钛基复合材料（TMCs）具有高比强度、高比刚度以及较好的高温性能，被广泛应用于航空发动机各零部件，但当使用温度超过600℃时，连续SiC纤维增强钛基复合材料（TMCs）的性能显著下降。

2.钛铝金属间化合物基复合材料（IMCs）具有优异的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，但其较差的室温塑性以及较低的抗裂纹扩展能力严重限制了其应用。

3.合金化法、热加工法等传统改善钛铝金属间化合物塑性的方法，无法应用于制备连续SiC纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出一种连续纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料的制备方法。

本发明的技术解决方案是，（1）加工用于磁控溅射的金属靶材，采用高压水切割或数控加工的方式加工出用作磁控溅射靶材的钛或钛合金板材和铝或铝合金板材；

（2）金属靶材的表面化学清洗，去除用作磁控溅射靶材的金属板材表面的污垢和氧化层；

（3）SiC纤维表面处理，将SiC纤维放入丙酮中进行超声清洗，去除纤维表面的污垢；

（4）靶材安装，在鼠笼式磁控溅射设备中安装两对平面对靶，其中，一对平面对靶是钛或钛合金靶材，另一对平面对靶是铝或铝合金靶材；

（5）纤维缠绕，将经过表面处理后的SiC纤维均匀缠绕在磁控溅射设备的鼠笼架上之后，将鼠笼架安装到鼠笼式磁控溅射设备中的转动轴上；

（6）磁控溅射，按照一层钛或钛合金、一层铝或铝合金的顺序在SiC纤维上进行磁控溅射，最外一层为钛或钛合金，其中，钛或钛合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率200-500W；氩气压力1.0-5.0Pa；氩气流量20-40sccm，溅射时间12-36h。铝或铝合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率100-300W、氩气压力0.5-4.0Pa；氩气流量20-40sccm，溅射时间12-36h。

（7）在SiC纤维的表面制备出钛-铝叠层的复合先驱丝，钛或钛合金层与铝或铝合金层的厚度比为1-1.2；

（8）热压或热等静压复合，将钛-铝叠层的复合先驱丝以密排堆垛的方式放置入金属包套中，经过真空除气、真空封装后，放置入热压或热等静压设备中，进行复合，制备出连续纤维增强的钛-钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料。

所述的钛或钛合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率400W；氩气压力2.0Pa；氩气流量25sccm，溅射时间20h；铝或铝合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率260W、氩气压力2.0Pa；氩气流量25sccm，溅射时间20h。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用磁控溅射+热压或热等静压的方法制备连续SiC纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料，与连续纤维增强钛基复合材料以及连续纤维增强钛铝复合材料相比较，既具有良好的室温塑性，又具有良好的高温性能，同时，抗裂纹扩展能力也显著提高。连续SiC纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料具有在微米及亚微米甚至纳米尺度任意层叠的钛铝金属间化合物和钛合金的混杂基体，在交替沉积的Ti和Al层发生原位反应时，由于Ti层过量，未参与反应的钛作为中间层、协调层，改善了通过原位反应获得的钛铝金属间化合物的室温塑性。通过对先驱丝热压或热等静压以及热处理的同时，发生钛与铝的原位反应，来制备钛和钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料，缩短了工艺流程，降低了成本。既解决了连续SiC纤维增强钛基复合材料高温性能不高，又解决了连续SiC纤维增强钛铝基复合材料室温塑性差以及抗裂纹扩展能力低的问题，促进连续SiC纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料在高推重比航空发动机领域的应用与发展。

附图说明

图1是连续纤维表面磁控溅射钛合金基体原理图；

图2是本发明钛-铝叠层的复合先驱丝的横截面示意图；

图3是图2中叠层的放大图；

图4是SiCf/Ti-TiAl混杂基体复合材料截面形貌图；

图5是图4中SiCf/Ti-TiAl混杂基体复合材料中混杂结构的放大图。

具体实施方式

（1）本发明的目的是针对上述不足，提出一种连续纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料的制备方法。本发明的技术解决方案是，加工用于磁控溅射的金属靶材，采用高压水切割或数控加工的方式加工出用作磁控溅射靶材的钛或钛合金板材和铝或铝合金板材；

（2）金属靶材的表面化学清洗，去除用作磁控溅射靶材的金属板材表面的污垢和氧化层，所用的表面清洗液为硝酸、氢氟酸、水的混合溶液，体积配比为：10%:5%:85%；

（3）SiC纤维表面处理，将SiC纤维放入丙酮中进行超声清洗，去除纤维表面的污垢，超声清洗时间为：6-10分钟；

（8）热压或热等静压复合，将钛-铝叠层的复合先驱丝以密排堆垛的方式（四方或六方排布）放置入金属包套中，经过真空除气、真空封装后，放置入热压或热等静压设备中，进行复合，在高温高压条件下进行热压或热等静压复合的同时，交替沉积的钛或钛合金层和铝或铝合金层发生原位反应，生成钛铝金属间化合物，铝被完全消耗掉，而钛有剩余，制备出连续纤维增强的钛-钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料；

（9）热处理，将热等静压后的包套置于加热炉中，在920℃下，保温3-5h，使基体充分反应，生成钛-钛铝金属间化合物混杂基体；

（10）采用化学铣削或数控加工的方式去除包套，获得连续纤维增强钛-钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料。

本发明的基本原理是采用磁控溅射的方法在连续SiC纤维的表面交替沉积出钛或钛合金、铝或铝合金，将制备的单丝密排堆垛到热等静压包套中，经过真空除气、真空封装后，进行热压或热等静压复合，在复合过程中，同时钛与铝发生原位反应，铝或铝合金与钛或钛合金反应生成钛铝金属间化合物，钛或钛合金有剩余，从而制备出连续纤维增强的钛-钛铝混杂结构的复合材料。

实施例一：

1）加工用于磁控溅射的金属靶材，采用高压水切割或数控加工的方式加工出用作磁控溅射靶材的钛板材和铝板材；

2）金属靶材的表面化学清洗，去除用作磁控溅射靶材的金属板材表面的污垢和氧化层，所用的表面清洗液为硝酸、氢氟酸、水的混合溶液，体积配比为：10%:5%:85%；

3）SiC纤维表面处理，将SiC纤维放入丙酮中进行超声清洗，去除纤维表面的污垢，超声清洗时间为：6分钟；

4）靶材安装，在鼠笼式磁控溅射设备中安装两对平面对靶，其中，一对平面对靶是钛靶材，另一对平面对靶是铝靶材；

5）纤维缠绕，将经过表面处理后的SiC纤维均匀缠绕在磁控溅射设备的鼠笼架上之后，将鼠笼架安装到鼠笼式磁控溅射设备中的转动轴上；

6）磁控溅射，按照一层钛或钛合金、一层铝的顺序在SiC纤维上进行磁控溅射，最外一层为钛，其中钛与铝的磁控溅射工艺参数见表1，在SiC纤维的表面制备出钛-铝叠层的复合先驱丝，钛层与铝层的厚度比为1；

7）热压或热等静压复合，将钛-铝叠层的复合先驱丝以六方排布的方式放置入金属包套中，经过真空除气、真空封装后，放置入热压或热等静压设备中进行复合，真空封装时的真空度为1.0×10^-3Pa，热等静压工艺复合的参数为：920℃/120MPa/2h，制备出连续纤维增强的钛-钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料；

8）热处理，将热等静压后的包套置于加热炉中，在920℃下，保温3h，使基体充分反应，获得钛-钛铝金属间化合物混杂基体；

9）采用化学铣削或数控加工的方式去除包套，获得连续纤维增强钛-钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料。

表1磁控溅射的工艺参数

实施例二：

1）加工用于磁控溅射的金属靶材，采用高压水切割或数控加工的方式加工出用作磁控溅射靶材的TC4钛合金板材和铝板材；

3）SiC纤维表面处理，将SiC纤维放入丙酮中进行超声清洗，去除纤维表面的污垢，超声清洗时间为：8分钟；

4）靶材安装，在鼠笼式磁控溅射设备中安装两对平面对靶，其中，一对平面对靶是TC4钛合金靶材，另一对平面对靶是铝靶材；

6）磁控溅射，按照一层TC4钛合金、一层铝的顺序在SiC纤维上进行磁控溅射，最外一层为TC4钛合金，其中TC4钛合金与铝的磁控溅射工艺参数见表2，在SiC纤维的表面制备出钛-铝叠层的复合先驱丝，TC4钛合金层与铝的厚度比为1；

8）热处理，将热等静压后的包套置于加热炉中，在920℃下，保温4h，使基体充分反应，获得钛-钛铝金属间化合物混杂基体；

表2磁控溅射的工艺参数

Claims

1.一种连续纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料的制备方法，其特征是，

1）加工用于磁控溅射的金属靶材，采用高压水切割或数控加工的方式加工出用作磁控溅射靶材的钛或钛合金板材和铝或铝合金板材；

2）金属靶材的表面化学清洗，去除用作磁控溅射靶材的金属板材表面的污垢和氧化层；

3）SiC纤维表面处理，将SiC纤维放入丙酮中进行超声清洗，去除纤维表面的污垢；

4）靶材安装，在鼠笼式磁控溅射设备中安装两对平面对靶，其中，一对平面对靶是钛或钛合金靶材，另一对平面对靶是铝或铝合金靶材；

6）磁控溅射，按照一层钛或钛合金、一层铝或铝合金的顺序在SiC纤维上进行磁控溅射，最外一层为钛或钛合金，其中，钛或钛合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率200-500W；氩气压力1.0-5.0Pa；氩气流量20-40sccm，溅射时间12-36h；铝或铝合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率100-300W、氩气压力0.5-4.0Pa；氩气流量20-40sccm，溅射时间12-36h；

7）在SiC纤维的表面制备出钛-铝叠层的复合先驱丝，钛或钛合金层与铝或铝合金层的厚度比为1-1.2；

8）热压或热等静压复合，将钛-铝叠层的复合先驱丝以密排堆垛的方式放置入金属包套中，经过真空除气、真空封装后，放置入热压或热等静压设备中，进行复合，制备出连续纤维增强的钛-钛铝金属间化合物混杂基体的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强钛-钛铝混杂基体复合材料的制备方法，其特征是，所述的钛或钛合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率400W；氩气压力2.0Pa；氩气流量25sccm，溅射时间20h；铝或铝合金的磁控溅射工艺参数为：溅射温度：室温；溅射功率260W、氩气压力2.0Pa；氩气流量25sccm，溅射时间20h。