CN107916380A - 碳纤维增强钛基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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庄义行
侯树聪
高颖
颜庆
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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强钛基复合材料及其制备方法；所述复合材料中碳纤维体积分数控制在0.5%～25%，合金元素的重量百分比含量为0%～16%。按如下重量百分比含量称取各组分，混合均匀：C纤维或石墨纤维0.01%～5.6%、合金元素0～16%、余量为钛；采用成形方法将混合粉末压制成具有预定外形的生坯，将生坯放入真空烧结炉中进行烧结，随炉冷却即得碳纤维增强钛基复合材料。本发明简捷、成本低，并可通过调整碳纤维增强体含量、长径比及基体合金成分制备所需的复合材料。

Description

碳纤维增强钛基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域的制备方法，具体涉及一种碳纤维增强钛基复合材料及其制备方法。
背景技术
钛基复合材料是指在钛或钛合金中引入增强体的一种复合材料。它把基体的延展性、韧性与增强体的高强度、高模量结合起来，从而获得比钛或钛合金更高的比强度、比刚度和抗高温性能，有望应用在超高音速宇航飞行器和先进航空发动机上。
为了更好发挥钛基复合材料的潜力，在金属基复合材料中，增强体的尺寸、分布和形态对增强效果有着极为重要的影响，因此增强体的选择至关重要。碳纤维具有高比模量、抗拉伸等优异的性能，对材料性能的提高效率很高，并且其力学性能可通过调整碳纤维在钛合金中体积分数和分布状态以及钛合金的成分，制备出适用与不同性能要求的复合材料。中国专利申请（申请号为201410018724.9，授权公告号为CN103710648B，授权公告日为2015年7月29日）公开了一种长碳纤维增强钛合金复合材料，该发明中碳纤维预处理，镀镍，沉积铬。中国专利申请（申请号为201210382504.5，授权公告号为CN102912263B，授权公告日为2015年9月2日）公开了一种碳纤维增强钛合金复合材料及其制备方法，该发明中碳纤维镀铜，铜镀层表面气相沉积钨和金属复合材料的制备工艺。上述两个专利在为防止碳纤维与钛合金反映，采用了在碳纤维上镀金属的方法。
本发明在控制烧结温度和时间的条件下，控制碳纤维与钛合金的反应，使其界面生成纳米TiC，制备出高比强度、高比模量的碳纤维增强的钛基复合材料，并且，根据实际需要，可以实现构件形状、碳纤维含量与分布、钛合金成分以及构件性能均可控。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种碳纤维增强钛基复合材料及其制备方法。本发明利用钛粉(Ti)与C纤维或石墨纤维之间的反应，简单快捷、低成本的制备出界面为纳米TiC的碳纤维增强钛基复合材料,碳纤维分布均匀，并与基体界面良好的钛基复合材料。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种碳纤维增强钛基复合材料，所述复合材料中碳纤维体积分数控制在0.5%～25%，合金元素的重量百分比含量为0%～16%。
优选地，所述合金元素为钛合金的合金化元素。包括Al、Sn、Zr、Mo、Nb、Si、C、V。
本发明还涉及一种上述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，所述方法包括如下骤：
步骤一，按如下重量百分比含量称取各组分，混合均匀：
C纤维或石墨纤维 0.01%～5.6%，
合金元素 0～16%，
余量为钛；
步骤二，采用成形方法将混合均匀的各组分压制成具有预定外形的生坯；
步骤三，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结；
步骤五，烧结完成后随炉冷却，即得所述碳纤维增强钛基复合材料。
碳纤维是在真空烧结过程中与钛合金界面按下列反应式生成纳米TiC：
Ti+C=TiC。根据本发明制备的钛基复合材料,经模压成形能实现近净成形制备钛基复合材料构件。
优选地，室温应用的复合材料，短纤维增强体的临界长径比为2，小于临界长径比的短纤维增强体不能承载，增强效果变差，所以，室温应用的复合材料材料加入的C纤维或石墨纤维的长径比大于3；高温应用的复合材料，短纤维增强体的临界长径比为4，所以，材料加入的C纤维或石墨纤维的长径比大于5。
优选地，步骤一中，所述混合采用V型混合机或球磨机混合方法。
优选地，步骤一中，所述的合金元素，包括Al、Sn、Zr、V、Mo、Nb、Si、C等所有钛合金的合金化元素中的一种或几种，合金元素的成分可以根据所需性能的要求进行调整。
优选地，步骤二中，所述的成形方法为模压成形。
优选地，步骤三中，所述烧结对应的真空度在1×10-1～1×10-3之间，真空度不足材料易氧化，压力为50～70MPa，加压使材料致密，减少缺陷，温度控制在500℃～900℃之间，烧结时间为1～20小时。
与现有的技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明在不改变传统制备设备和工艺流程的情况下，即可得到需要的增强体，简单快捷、低成本制备出钛基复合材料。本发明中制备界面为纳米TiC, 均匀分布的碳纤维增强钛基复合材料，并且可以控制碳纤维的长度，从而使得该复合材料具有优良的机械性能。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
制备增强体碳纤维体积百分含量10%的钛基复合材料，基体为纯钛，把体积百分含量换算为质量百分比，按照配比称取钛粉和C纤维。C纤维截取长度使其长径比不小于3。采用球磨机将上述材料混合均匀，然后模压成形将混合均匀的材料压制成具有预定外形的生坯。将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，其真空度1×10-3之间，压力70MPa，温度600℃，烧结时间为2小时，随炉冷却，既可得到碳纤维增强钛基复合材料。所得钛基复合材料与纯钛相比室温强度提高20%。
实施例2
制备增强体碳纤维体积百分含量0.5%，基体合金为IMI834（Ti-5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.5Si-0.06C）的钛基复合材料，把体积百分含量换算为质量百分比，按照配比称取钛粉、AlMo (50%Mo)、TiSn (65%Sn)、AlNb (50%Nb)、Zr、Al、Si和石墨纤维。石墨纤维截取长度使其长径比不小于7。采用球磨机将上述材料混合均匀，然后模压成形将混合均匀的材料压制成具有预定外形的生坯。将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，其真空度1×10-3之间，压力70MPa，温度700℃，烧结时间为1小时，随炉冷却，既可得到原位自生的碳纤维增强IMI834钛基复合材料。所得钛基复合材料与IMI834相比,室温强度提高15%。
实施例3
制备增强体碳纤维体积百分含量25%,基体合金为TC4（Ti-6Al-4V）的钛基复合材料，把体积百分含量换算为质量百分比，按照配比称取钛粉、AlV、Al和C纤维。C纤维截取长度使其长径比不小于3。采用球磨机将上述材料混合均匀，然后模压成型将混合均匀的材料压制成具有预定外形的生坯。将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，其真空度1×10-3之间，压力70MPa，温度650℃，烧结时间为1.5小时，随炉冷却，即可得到原位自生的碳纤维增强钛基复合材料。所得钛基复合材料与TC4相比,室温强度提高35%。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强钛基复合材料，其特征在于，所述复合材料中碳纤维体积分数控制在0.5%～25%，合金元素的重量百分比含量为0%～16%。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强钛基复合材料，其特征在于，所述合金元素为钛合金的合金化元素。
3.一种如权利要求1或2所述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下骤：
步骤一，按如下重量百分比含量称取各组分，混合均匀：
C纤维或石墨纤维0.01%～5.6%，
合金元素0～16%，
余量为钛；
步骤二，采用成形方法将混合均匀的各组分压制成具有预定外形的生坯；
步骤三，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结；
步骤五，烧结完成后随炉冷却，即得所述碳纤维增强钛基复合材料。
4.如权利要求3所述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，室温应用的复合材料加入的C纤维或石墨纤维的长径比大于3，高温应用的复合材料加入的C纤维或石墨纤维的长径比大于5。
5.如权利要求3所述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述混合采用V型混合机或球磨机混合方法。
6.如权利要求3所述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述合金元素为Al、Sn、Zr、V、Mo、Nb、Si、C中的一种或几种。
7.如权利要求3所述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述的成形方法为模压成形。
8.如权利要求3所述的碳纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述烧结对应的真空度在1×10-1～1×10-3之间，压力为50～70MPa，温度控制在500℃～900℃之间，烧结时间为1～20小时。
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