CN110029293B - 纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，步骤包括：采用气象沉积的方法在纤维表面形成界面阻挡层；再在纤维表面沉积形成金属涂层；将先驱丝缠绕在环件上，得到均匀定向无交叉排列的环状纤维带，局部固定纤维段并裁断或截取，后放入包套中，制备出纤维定向无交叉排列的预成型体，再通过电子束、热等静压制备出毛坯件。从而获得体积分数可控、纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料。本发明采用物理气相沉积的方法在纤维表面形成金属涂层，金属涂层的厚度决定了纤维的体积分数，有效的保证了高体积分数复合材料的制备；工艺简单、可控性好、生产效率高，有助于实现高性能纤维增强金属基复合材料连接件的制备。

Description

纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料研究领域，本发明涉及纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，这种制备方法能制备高性能金属基复合材料及其连接件。
背景技术
纤维增强金属基复合材料能综合金属和SiC各自的优点，可同时具有优异的结构承载功能、卓越的热控功能以及独特的防共振功能。利用SiC良好的承载能力和复合材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及高强度、高韧性等优异性能，广泛地应用于航天，化工，机械等领域，它综合了金属塑性、韧性以及陶瓷材料的高温度、硬度，高模量，耐腐蚀的优点，可在高温、腐蚀、磨损等苛刻的工作条件下使用。
但由于在制备复合材料连接件的过程中，纤维采用成捆放置的方法，直接放入金属套筒中，纤维无法有效的成定向排列，中间出现了大量的交叉非定向排列现象，交叉非定向排列会产生以下问题：①纤维非定向排列会导致纤维方向与连接件轴向不平行，降低了连接件的性能；②纤维交叉排列会导致后期成型过程中，纤维发生断裂，降低了复合材料的力学性能，严重影响疲劳性能，如图1。因此，解决连接件制备过程中纤维的非定向交叉排列问题，是进一步提高复合材料力学性能的关键。
利用PVD的方法在纤维表面均匀涂覆10-100μm的金属涂层，可以有效的保证体积分数可控的复合材料制备；同时通过缠绕设备，将先驱丝定向缠绕在半圆形截面的环件上，制备出半圆形均匀定向无交叉排列的半圆形截面的纤维带，剪裁成半圆形截面的纤维段，两段合并，放入圆孔套筒中，成型制备出纤维定向无交叉排列的复合材料毛坯件，经过加工成为连接件。
发明内容
本发明的目的是：本发明提供了一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，采用物理气相沉积的方法在纤维表面均匀涂覆10-100μm的金属涂层，金属涂层的厚度决定了纤维的体积分数，可以有效的保证高体积分数复合材料的制备；同时将先驱丝缠绕在在半圆形截面的环件上，制备出半圆形均匀定向无交叉排列的半圆形截面的纤维带，通过两段合并制备出纤维呈定向排列，无交叉的纤维增强金属基复合材料预成型体，经过热等静压，加工制备出纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料连接件。
本发明的技术方案是：
提供一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、无交叉纤维段制备
将先驱丝环形缠绕在基体上，使得先驱丝缠绕紧密排列，形成多层的先驱丝线圈，相同层内的先驱丝均为平行排布，相邻箍的先驱丝之间不形成交叉；
步骤2、在所述线圈的局部涂胶，使得在涂胶部位的各箍先驱丝之间的相对位置保持固定，以局部涂胶位置为中心，在先驱丝线圈上进行截取，截取后形成先驱丝束，且在涂胶的固定下使得该束先驱丝中各先驱丝之间保持平行，不形成交叉；
步骤3、将先驱丝束装入金属包套内腔中，其中使得金属包套内腔形成真空状态；
步骤4、对包裹有先驱丝束的金属包套进行热等静压成型，得到纤维增强钛基复合材料型材。
进一步的，所述基体具有环形槽，环形槽的截面为矩形、倒三角或倒梯形。
进一步的，步骤3在真空环境下实施，或在先驱丝束装入金属包套内腔后对内腔抽真空。
进一步的，所述先驱丝为SiCf/B4C+C/Al、SiCf/B4C+C/Cu、SiCf/C+Ti/Cu、SiCf/C/Ti或者SiCf/C+Y2O3/Ni。SiCf/B4C+C/Al对应实施例1和2，SiCf/C/Ti对应实施例3和4，SiCf/C+Y2O3/Ni对应实施例5和6，SiCf/Ti+C/Cu对应实施例7，SiCf/B4C+C/Cu对应实施例8。
进一步的，步骤4中，先驱丝为SiCf/B4C+C/Al时，金属包套为铝合金，成型温度400～580℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h；
进一步的，先驱丝为SiCf/B4C+C/Cu时，金属包套为铜合金，成型温度700～900℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h；
进一步的，先驱丝为SiCf/C/Ti时，金属包套为钛合金，成型温度800～1000℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h；
进一步的，先驱丝为SiCf/C+Y2O3/Ni时，金属包套为镍合金，成型温度950～1200℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h。
进一步的，步骤1中的所述基体具有直径100-500mm的圆环凹槽，凹槽截面形状为4-20mm直径的半圆形。
进一步的，先驱丝为SiCf/B4C+C/Al时，采用2-4μm的B4C+C涂层的SiC纤维，物理气相沉积Al；
先驱丝为SiCf/B4C+C/Cu时，采用2-4μm的B4C+C涂层的SiC纤维，物理气相沉积Cu；
先驱丝为SiCf/C/Ti时，采用1-3μm的C涂层的SiC纤维，物理气相沉积Ti；
先驱丝为SiCf/C+Y2O3/Ni时，采用2-4μm的C+Y2O3涂层的SiC纤维，物理气相沉积Ni；
先驱丝为SiCf/C+Ti/Cu时，采用2-4μm的C+Ti涂层的SiC纤维，物理气相沉积Cu。
本发明的优点是：第一，针对不同的金属基体，选择不同涂层种类的纤维，可以有效的阻止SiC与金属基体的界面反应，保护SiC纤维。
第二，利用物理气相沉积的方法在纤维表面均匀涂覆金属涂层，金属涂层的厚度决定了颗粒的体积分数，可以有效的保证纤维间距及纤维体积分数。
第三，利用将先驱丝缠绕在在半圆形截面的环件上，制备出半圆形均匀定向无交叉排列的半圆形截面的纤维带，通过两段合并制备出纤维呈定向排列，无交叉的纤维增强金属基复合材料预成型体，经过热等静压，加工制备出纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料连接件。该方法可以有效的解决复合材料成型过程中出现的纤维断裂问题，解决纤维非定向排列产生的性能减低问题，从而优化提高了复合材料构件的力学性能。
附图说明
图1为本发明的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
选择2μm的B4C+C双涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，铝合金靶材，沉积温度100℃，压强0.5Pa，偏压-100V，沉积速率5μm/h，沉积20μm厚度的铝合金涂层，将先驱丝缠绕在直径100mm圆环的凹槽上，凹槽截面为4mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为100mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度400℃，压强200MPa，保温保压时间60min，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径3.6mm，长度100mm，纤维体积分数50％的连接部件。
实施例2：
选择4μm的B4C+C双涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，铝合金靶材，沉积温度300℃，压强2Pa，偏压-500V，沉积速率15μm/h，沉积28μm厚度的铝合金涂层，将先驱丝缠绕在直径500mm圆环的凹槽上，凹槽截面为20mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为700mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度580℃，压强10，保温保压时间5h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径18mm，长度700mm，纤维体积分数41％的连接部件。
实施例3：
选择1μm的C涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，钛合金靶材，沉积温度100℃，压强0.5Pa，偏压-100V，沉积速率10μm/h，，沉积35μm厚度的钛合金涂层，将先驱丝缠绕在直径200mm圆环的凹槽上，凹槽截面为5mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为80mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度900℃，压强120MPa，保温保压时间2h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径4.5mm，长度80mm，纤维体积分数35％的连接部件。
实施例4：
选择3μm的C涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，钛合金靶材，沉积温度600℃，压强0.8Pa，偏压-500V，沉积速率10μm/h，，沉积40μm厚度的钛合金涂层，将先驱丝缠绕在直径300mm圆环的凹槽上，凹槽截面为12mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为200mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温1000℃，压强200MPa，保温保压时间3h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径9.6mm，长度200mm，纤维体积分数30％的连接部件。
实施例5：
选择2μm的C+Y2O3涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，镍合金靶材，沉积温度400℃，压强1Pa，偏压-500V，沉积速率15μm/h，沉积20μm厚度的镍合金涂层，将先驱丝缠绕在直径150mm圆环的凹槽上，凹槽截面为8mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为220mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度1100℃，压强150MPa，保温保压时间4h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径7.2mm，长度220mm，纤维体积分数50％的连接部件。
实施例6：
选择4μm的C+Y2O3涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，镍合金靶材，沉积温度800℃，压强2Pa，偏压-800V，沉积速率20μm/h，沉积40μm厚度的镍合金涂层，将先驱丝缠绕在直径200mm圆环的凹槽上，凹槽截面为15mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为150mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度1200℃，压强50MPa，保温保压时间2h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径13.5mm，长度150mm，纤维体积分数30％的连接部件。
实施例7：
选择2μm的C+Ti涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，铜合金靶材，沉积温度200℃，压强1.2Pa，偏压-300V，沉积速率15μm/h，沉积60μm厚度的铜合金涂层，将先驱丝缠绕在直径500mm圆环的凹槽上，凹槽截面为20mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为700mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度750℃，压强100MPa，保温保压时间2h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径18mm，长度700mm，纤维体积分数20％的连接部件。
实施例8：
选择4μm的C+B4C涂层的SiC纤维，采用物理气相沉积的方法，铜合金靶材，沉积温度600℃，压强2Pa，偏压-600V，沉积速率20μm/h，沉积28μm厚度的铜合金涂层，将先驱丝缠绕在直径300mm圆环的凹槽上，凹槽截面为13.3mm直径的半圆形，纤维单向平绕，缠绕至与环形件表面持平，剪裁出长度为450mm纤维段两段，合为一起，放入金属套筒中，进行电子束封装。采用热等静压对纤维增强金属基复合材料成型，成型温度900℃，压强30MPa，保温保压时间2h，制备出复合材料毛坯，通过加工制备出复合材料直径12mm，长度450mm，纤维体积分数41％的连接部件。

Claims (8)

1.一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、无交叉纤维段制备
将先驱丝环形缠绕在基体上，使得先驱丝缠绕紧密排列，形成多层的先驱丝线圈，相同层内的先驱丝均为平行排布，相邻箍的先驱丝之间不形成交叉；
所述先驱丝为SiCf/B4C+C/Al、SiCf/B4C+C/Cu、SiCf/C+Ti/Cu、SiCf/C/Ti或者SiCf/C+Y2O3/Ni；
先驱丝为SiCf/B4C+C/Al时，采用2-4μm的B4C+C涂层的SiC纤维，物理气相沉积Al；
先驱丝为SiCf/B4C+C/Cu时，采用2-4μm的B4C+C涂层的SiC纤维，物理气相沉积Cu；
先驱丝为SiCf/C/Ti时，采用1-3μm的C涂层的SiC纤维，物理气相沉积Ti；
先驱丝为SiCf/C+Y2O3/Ni时，采用2-4μm的C+Y2O3涂层的SiC纤维，物理气相沉积Ni；
先驱丝为SiCf/C+Ti/Cu时，采用2-4μm的C+Ti涂层的SiC纤维，物理气相沉积Cu；
步骤2、在所述线圈的局部涂胶，使得在涂胶部位的各箍先驱丝之间的相对位置保持固定，以局部涂胶位置为中心，在先驱丝线圈上进行截取，截取后形成先驱丝束，且在涂胶的固定下使得该束先驱丝中各先驱丝之间保持平行，不形成交叉；
步骤3、将先驱丝束装入金属包套内腔中，其中使得金属包套内腔形成真空状态；
步骤4、对包裹有先驱丝束的金属包套进行热等静压成型，得到纤维增强金属基复合材料型材。
2.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述基体具有环形槽，环形槽的截面为矩形、半圆形、倒三角或倒梯形。
3.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3在真空环境下实施，或在先驱丝束装入金属包套内腔后对内腔抽真空。
4.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤4中，先驱丝为SiCf/B4C+C/Al时，金属包套为铝合金，成型温度400～580℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h。
5.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：先驱丝为SiCf/B4C+C/Cu时，金属包套为铜合金，成型温度700～900℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h。
6.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：先驱丝为SiCf/C/Ti时，金属包套为钛合金，成型温度800～1000℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h。
7.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：先驱丝为SiCf/C+Y2O3/Ni时，金属包套为镍合金，成型温度950～1200℃，压强10～200MPa，保温保压时间30min～5h。
8.根据权利要求1所述的一种纤维定向无交叉排列的纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1中的所述基体具有直径100-500mm的圆环凹槽，凹槽截面形状为4-20mm直径的半圆形。
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