CN107815625B - SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品 - Google Patents

SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiC连续纤维增强钛基复合材料制备方法及产品，其包括以下步骤：将直径为10‑15um SiC连续纤维置于空气环境中进行热处理，接着以的SiC连续纤维为基材，通过磁控溅射将Al2O3溅射在SiC连续纤维表面，得到包覆了Al2O3涂层的SiC连续纤维；将钛或钛合金基体加热至熔融，得到熔融的钛或钛合金溶液；将包覆了Al2O3涂层的SiC连续纤维置于模具中，进行预热，并对模具抽真空；接着将熔融的钛或钛合金溶液压入模具中，保温，冷却，即得SiC连续纤维增强钛基复合材料。本发明采用细丝SiC连续纤维为增强基材，结合了磁控溅射技术和真空压力浸渍法，制备得到的SiC连续纤维增强钛基复合材料具有组织致密，力学性能强，界面稳定性能稳定，服役寿命长的优势。

Description

SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品
技术领域
本发明属于钛基复合材料制备技术领域，具体涉及一种SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品。
背景技术
钛基复合材料(TMCs)是一类以钛合金为基体，含有分散增强体的复合材料，具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐疲劳、尺寸稳定性好等一系列优异性能，是航空航天科技以及日常工业应用的理想结构材料。SiC纤维在耐高温、抗氧化、抗蠕变、抗拉强度以及与钛基体相容性方面等都表现出优异的综合性能，是增强钛基体的较理想的材料。与钛合金相比，SiC纤维增强钛合金具有高的强度性能和使用温度，比强度、比模量能够分别提高约50％和100％，最高使用温度可高达1100℃(目前钛合金的最高使用温度为550～600℃)。不仅能提高材料的使用温度和力学性能，同时也能显著改善材料的蠕变抗力和刚度，是获得高性能钛基复合材料的一种较为理想的增强体。
目前SiC纤维增强TMC材料的制备方法主要包含以下步骤：1)通过液相涂层或者磁控溅射的方法对SiC纤维进行涂层，得到复合材料的先驱丝，以降低SiC纤维与Ti基体的界面处的界面反应，延长TMC材料的服役寿命；2)将涂层后SiC纤维按一定间距定向均匀排列固定在Ti基金属箔片上，接着交替叠层成预制块，然后经真空热压复合，得到SiC纤维增强TMC材料。如专利CN 104404403 A“一种连续纤维增强钛基复合材料的制备方法”中，首先以铝或铝合金、钛或钛合金为靶材，连续SiC纤维为增强体，采用磁控溅射制作成在连续SiC纤维上沉积钛铝混合涂层和钛或钛合金涂层的钛-钛铝复合混杂先驱丝，然后将该先驱丝缠绕或铺排并置入钛合金基体结构中，经热压或热等静压复合得到连续纤维增强钛基复合材料。又如专利CN 102277544 A“一种强度可设计可焊接的SiCf/Ti基复合材料0/90°层合薄板及其制备方法”，首先以连续SiC纤维为基材，Ti合金为靶材，通过磁控溅射技术制备得到SiCf/Ti基复合材料先驱丝，接着将SiCf/Ti基复合材料先驱丝在层合薄板中以0/90°的铺层方式横纵交叉排布，然后经热压或静压复合得到可焊接的SiCf/Ti基复合材料。以上专利均采用较粗的SiC纤维，其直径在50-150um之间，由于其直径较大，其可编织性较低，对Ti复合材料的增强方式主要为单向增强，增强效果有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种致密、均匀、增强效果好的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品，该方法能有效改善SiC连续纤维与金属基体材料之间界面稳定性能。
本发明这种SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将直径为10-15um SiC连续纤维置于空气环境中进行热处理，以该热处理后的SiC连续纤维为基材，通过磁控溅射将Al2O3溅射在SiC连续纤维表面，得到包覆了Al2O3涂层的SiC连续纤维；
2)将钛或钛合金基体加热至熔融，得到熔融的钛或钛合金溶液；
3)将步骤1)中包覆了Al2O3涂层的SiC连续纤维置于模具中，进行预热，并对模具抽真空；接着将步骤2)中熔融的钛或钛合金溶液真空压入模具中，保温，冷却，即得SiC连续纤维增强钛基复合材料。
所述步骤1)中，热处理温度为400-700℃，Al2O3涂层的厚度为100～2000nm。
所述步骤1)中，磁控溅射参数：溅射气体为O2，Ar混合气体，电源为射频电源，氧氩比为0.1～1.0，工作气压为0.1～1.0Pa，工作温度100-500℃，功率100～5000W，溅射时间10～400min。
所述步骤2)中，基体加热温度为1700-2000℃。
所述步骤3)中，纤维预热温度为700-1500℃，抽真空时间为30～100min，压入模具的压力为4～8MPa，保温时间为10～60min。
根据上述制备方法得到SiC连续纤维增强钛基复合材料。
本发明的原理：
本发明采用了细丝的SiC纤维(直径在10-15um)为增强基体，由于其纤维较细，可编织性强，因而其增强效果更好，但是由于纤维较细，采用常规的方法进行制备，复合材料容易出现内部疏松、缩孔等铸造缺陷，导致其力学性能较差，使用寿命缩短。本发明先通过对细丝SiC连续纤维进行高温处理，然后通过磁控溅射技术在细丝SiC纤维制备了一层均匀、致密的Al2O3涂层，最后采用真空压力浸渍法制备SiC连续纤维增强Ti基复合材料。将SiC连续纤维通过高温处理，对其表面的有机成分进行碳化脱除，能提高生成的铝金属膜与SiC连续纤维表面之间的结合能力，改善金属膜层的致密性，能获得均匀性好、致密及结合性好的涂层，并且可以避免在复合材料制备过程中有机胶层在高温下碳化与Ti发生严重界面反应，影响复合材料的性能。由于纤维较细，每束SiC纤维由近上千根的单丝所组成，因此无法用传统的固态法实现纤维与Ti基体的结合，因而本发明采用了真空压力浸渍法，可有效减少疏松、缩孔等铸造缺陷的出现，制备出组织致密的SiC连续纤维增强的Ti基复合材料。
本发明的有益效果：
1)本发明采用了细丝的SiC纤维(直径在10-15um)为增强材料，由于其纤维较细，可编织性强，因而其增强效果更好；
2)本发明首次采用磁控溅射技术在直径仅不足15微米的细丝SiC连续纤维上设计制备陶瓷涂层，制备的Al2O3涂层与SiC连续纤维表面结合性能好，且均匀、致密，磁控溅射技术操作简单，流程短，效率高，成本低，有利于工业化生产。
3)本发明的Al2O3涂层的SiC连续纤维的表面结合性好，且涂层致密、均匀，能有效改善SiC连续纤维与金属基体材料之间界面稳定性能并且有效阻止界面反应。
4)本发明通过采用Al2O3涂层的SiC连续纤维同时结合真空压力浸渍法，组织致密的SiC连续纤维增强的Ti基复合材料，该复合材料常温力学性能相较于基体有很大提高，对比相同工艺条件的未涂层的SiC连续纤维增强Ti基复合材料力学性能有大幅度提高。
附图说明
图1实施例1采用的细丝SiC纤维的SEM图，(a)截面，(b)表面；
图2实施例1制备的含有Al2O3涂层与SiC连续纤维SEM图，(a)整体图，(b)边缘放大图。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容而不是限制本发明权利要求的保护范围。
实施例1
将平均直径为10um SiC连续纤维置于空气环境中，并于500℃下进行热处理，接着以热处理后的SiC连续纤维为基材，Al2O3为靶材，进行磁控溅射，磁控溅射的工艺参数为：工作温度270℃，溅射气体为O2，Ar混合气体，氧氩比为0.4，工作气压为0.7Pa，Al2O3靶溅射功率1500W，沉积时间为60min；磁控溅射结束后，得到Al2O3平均涂层厚度为300nm，纤维体积分数为40％的含有Al2O3涂层的SiC连续纤维。图1为SiC连续纤维的微观形貌图，由图1可知，SiC连续纤维的表面光滑，纤维平均直径在10um。图2为含有Al2O3涂层的SiC连续纤维，由图可知，外围有一层明显的Al2O3涂层，Al2O3涂层与SiC连续纤维结合紧密，无明显的缝隙。
将Al2O3涂层的SiC连续纤维放入到模具中，接着将TC4基体合金放入坩埚中并在电阻炉中进行熔炼，达到浸渗温度1750℃以后，启动加热装置对含Al2O3涂层的SiC连续纤维预制体进行加热，同时启动控制系统，对整个设备以及模具内进行抽真空，50min后，暂停抽真空，往罐中充入氩气，循环抽真空充氩气；在含Al2O3涂层SiC连续纤维预制体的预热温度达1000℃时，停止抽真空，此时铝液对模具下端进行液封，模具上端呈现真空状态，在6MPa压力下将熔融TC4金属基体压入渗透到SiC连续纤维预制体中，保温20min，然后经室温冷却最终制得SiC连续纤维增强的Ti基复合材料，其拉伸强度为1494.76MPa。
对比例1
对比例1为未经涂层处理的SiC连续纤维制备的预制体，纤维体积分数为40％，用相同的工艺及工艺参数通过真空压力浸渍法制备SiC连续纤维增强Al基复合材料，其中，基体为TC4，纤维预热温度1000℃，浸渗温度1750℃，保温20min，得到的式样拉伸强度为1238.24MPa。
对比例2
对比例2为空白对照，用相同的工艺及工艺参数通过真空压力浸渍法制备的TC4的式样，预热温度1000℃，浸渗温度1750℃，保温20min，得到的式样拉伸强度为897.12MPa。
表1为实施例1与对比例1和2得到的Ti基复合材料的拉伸强度对比
样品名 涂层 体积分数(％) 拉伸强度(MPa)
实施例1 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 40 1494.76
对比例1 — 40 1238.24
对比例2 — 0 897.12
由表1可以看出，添加细丝SiC连续纤维的复合材料的拉伸强度大幅度提高，经Al2O3涂层处理的SiC连续纤维作为增强体的复合材料拉伸强度大于未经涂层处理的SiC连续纤维作为增强体的复合材料。可见涂层处理和添加细丝SiC连续纤维均有助于改善复合材料的力学性能。
实施例2
将平均直径为12um SiC连续纤维置于空气环境中，并于400℃下进行热处理，接着以热处理后的SiC连续纤维为基材，Al2O3为靶材，进行磁控溅射，磁控溅射的工艺参数为：工作温度100℃，溅射气体为O2，Ar混合气体，氧氩比为1.0，工作气压为0.1Pa，Al2O3靶溅射功率100W，沉积时间为10min；磁控溅射结束后，得到Al2O3平均涂层厚度为100nm，纤维体积分数为30％的含有Al2O3涂层的SiC连续纤维。
将Al2O3涂层的SiC连续纤维放入到模具中，接着将TC4基体合金放入坩埚中并在电阻炉中进行熔炼，达到浸渗温度2000℃以后，启动加热装置对含Al2O3涂层的SiC连续纤维预制体进行加热，同时启动控制系统，对整个设备以及模具内进行抽真空，100min后，暂停抽真空，往罐中充入氩气，循环抽真空充氩气；在含Al2O3涂层SiC连续纤维预制体的预热温度达1500℃时，停止抽真空，此时铝液对模具下端进行液封，模具上端呈现真空状态，在8MPa压力下将熔融TC4金属基体压入渗透到SiC连续纤维预制体中，保温60min，然后经室温冷却最终制得SiC连续纤维增强的Ti基复合材料，其拉伸强度为1241MPa。
实施例3
将平均直径为15um SiC连续纤维置于空气环境中，并于700℃下进行热处理，接着以热处理后的SiC连续纤维为基材，Al2O3为靶材，进行磁控溅射，磁控溅射的工艺参数为：工作温度500℃，溅射气体为O2，Ar混合气体，氧氩比为0.1，工作气压为1.0Pa，Al2O3靶溅射功率5000W，沉积时间为200min；磁控溅射结束后，得到Al2O3平均涂层厚度为2000nm，纤维体积分数为60％的含有Al2O3涂层的SiC连续纤维。
将Al2O3涂层的SiC连续纤维放入到模具中，接着将TC4基体合金放入坩埚中并在电阻炉中进行熔炼，达到浸渗温度1900℃以后，启动加热装置对含Al2O3涂层的SiC连续纤维预制体进行加热，同时启动控制系统，对整个设备以及模具内进行抽真空，30min后，暂停抽真空，往罐中充入氩气，循环抽真空充氩气；在含Al2O3涂层SiC连续纤维预制体的预热温度达700℃时，停止抽真空，此时铝液对模具下端进行液封，模具上端呈现真空状态，在4MPa压力下将熔融金属基体压入渗透到SiC连续纤维预制体中，保温10min，然后经室温冷却最终制得SiC连续纤维增强的Ti基复合材料，其拉伸强度为1237MPa。

Claims (9)

1.一种SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将直径为10-15um SiC连续纤维置于空气环境中进行热处理，以该热处理后的SiC连续纤维为基材，通过磁控溅射将Al2O3溅射在SiC连续纤维表面，得到包覆了Al2O3涂层的SiC连续纤维；
2)将钛或钛合金基体加热至熔融，得到熔融的钛或钛合金溶液；
3)将步骤1)中包覆了Al2O3涂层的SiC连续纤维置于模具中，进行预热，并对模具抽真空；接着将步骤2)中熔融的钛或钛合金溶液真空压入模具中，保温，冷却，即得SiC连续纤维增强钛基复合材料。
2.根据权利要求 1所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，热处理温度为400-700℃。
3.根据权利要求 1或2所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，Al2O3涂层的厚度为100～2000nm。
4.根据权利要求 1所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，磁控溅射参数：工作气压为0.1～1.0Pa，工作温度100-500℃，功率100～5000W，溅射时间10～400min。
5.根据权利要求 1或4所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，磁控溅射参数：溅射气体为O2，Ar混合气体，靶材电源为射频电源，氧氩比为0.1～1.0。
6.根据权利要求 1所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，基体加热温度为1700-2000℃。
7.根据权利要求 1所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，纤维预热温度为700-1500℃，抽真空时间为30～100min。
8.根据权利要求 1或7所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，压入模具的压力为4～8MPa，保温时间为10～60min。
9.根据权利要求 1所述的SiC连续纤维增强钛基复合材料的制备方法制备得到SiC连续纤维增强钛基复合材料。
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