CN110788511A - 一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料由带涂层的连续增强纤维、钛基非晶凝固组织和钛合金组成。将选定的增强纤维铺放在带有单面凹槽的钛基母材箔板上，钛基母材箔板无凹槽一面铺放低熔点钛基合金箔带，根据需要的板材厚度，叠制成预制体，然后将预制体放置在热压炉内，施加一定的压力，加热至低熔点钛基合金箔带的熔点以上保温一段时间，然后降低到一定温度范围，保温一段时间，最后慢速冷却至室温，得到纤维增强钛基复合材料。该方法工艺简单、生产效率高，有助于低成本快速实现大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备。

Description

一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术，涉及一种连续纤维增强钛基复合材料制备方法。

背景技术

连续纤维增强钛基复合材料具有高比强度、比刚度、优良的抗蠕变和抗疲劳性能，被认为是理想的轻质结构材料之一。高超音速飞行器的蒙皮、加强筋以及高推比航空发动机的压气机叶片、叶环、涡轮轴和静子叶片等部件中具有良好的应用前景，已经成为高超音速飞行器和新一代航空发动机与飞机的关键新材料之一。

目前制备纤维增强钛基复合材料及其构件的主要方法有：

(1)箔—纤维—箔法：将纤维逐根用金属丝或条带交叉编织,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,经真空热压或热等静压成形，箔—纤维—箔法是传统的制备方法,其优点为:微观组织可控,化学成分准确。缺点是:层与层之间纤维的排布空间分布不均匀，制造过程需要较大压力，容易使钛合金箔产生开裂,大尺寸零部件制备困难，钛合金箔层之间容易存在未焊合。

(2)浆料带铸造法：将钛合金粉末和有机粘接剂混合并涂在平行排列的纤维上做为前驱体,多层叠放并经真空热压或热等静压成型，在成型前用真空除气法去除有机粘接剂，浆料带铸造法简单易行,但其缺点是：钛合金粉末中容易含有较高的氧,控制不当对钛基复合材料钛合金母材基体的性能产生不利影响，有机粘接剂去除过程中容易使纤维发生移动导致制造的复合材料中纤维分布不均等。

(3)等离子喷涂法：采用高温等离子喷涂的方法将钛合金粉末喷涂在纤维上形成单层薄带，截断多层叠放，然后采用热压或热等静压成型。等离子喷涂法可以较好的固定纤维,纤维的排布较为均匀，但等离子喷涂容易产生非均匀的微观组织，形成的熔融钛合金液滴会损伤纤维，控制合金成分较难。

(4)纤维涂层法：采用物理气相沉积法将基体母材钛合金作为沉积材料，均匀地沉积在单根纤维上，之后将带有沉积钛合金的纤维按需求堆排、封装后热压成型，纤维涂层法可以获得纤维体积分数高的复合材料，纤维体积分数控制比较精准；纤维分布均匀，几乎不会发生纤维接触聚集现象，纤维不易损伤。纤维涂层法中使用的物理气相沉积法工艺又可以分为电子束蒸涂法、三极管溅射法和磁控溅射法。纤维涂层法:的主要缺点是电子束蒸涂法沉积的涂层成分难以控制，金属利用率低；三极管溅射法和磁控溅射法的沉积速度慢。

现有技术中，制备连续纤维增强钛基复合材料的方法，在成形过程中需要较大的压力、升降温速度较慢，成形温度高、成形时间长，容易导致纤维与钛合金基体发生反应，形成较厚的反应层，同时长时间保温容易引发钛合金晶粒长大，严重降低了钛合金基体的性能，影响了材料使用性能，制备过程中需要较大的压力，限制了大尺寸纤维增强钛基复合材料制备。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明目的是为了解决大尺寸纤维增强钛基复合材料制备成本高、制备难度大、制备过程复杂等问题。

(2)技术方案

本发明提供的大尺寸纤维增强钛基复合材料由带涂层的连续增强纤维体、钛基非晶凝固组织和钛合金组成。将选定的增强纤维体铺放在带有单面凹槽的钛基母材箔板上，钛基母材箔板无微槽一面铺放低熔点钛基合金箔带，根据需要的板材厚度，叠制成预制体，然后将预制体放置在热压炉内，施加一定的压力，加热至低熔点钛基合金箔带的熔点以上保温一段时间，然后降低到一定温度范围，保温一段时间，最后慢速冷却至室温，得到纤维增强钛基复合材料。该方法工艺简单、生产效率高，有助于低成本快速实现大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备。

一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择带有涂层的纤维，纤维的直径一般在50-120μm之间，通过选区化学铣切的方式在钛基母材箔板的表面制备出凹槽、1个定位孔和2个或多个固定孔；

(2)低熔点钛基合金箔带平铺在带有凹槽的钛合金母材箔板的背面，通过电阻点焊的方式将低熔点钛基合金箔带固定；

(3)将纤维铺放在凹槽内，每个凹槽铺放一根纤维，纤维通过涂覆粘结剂固定在钛基母材箔板上；

(4)将排布有纤维的钛基母材箔板叠层排放，通过定位销定位，制备成预制体，通过压块工装压紧；

(5)将预制体放在真空热压炉内，施加一定的压力，抽真空，待真空度达到1×10^{- 3}Pa后，进行加热，温度加热到300-350℃，保温1-2小时，粘结剂被去除，然后继续加热至低熔点钛基合金箔带的熔化温度，保温1-2小时，然后再加热到低熔点钛基合金箔带熔化温度以上时保温1-2小时，使低熔点钛基合金箔带发生完全熔化，然后降温60-100℃后，保温1-2小时，最后冷却至室温；

(6)出炉后的钛基复合材料去皮、切割后，得到成品。

进一步地，上述步骤(1)中，所述纤维的涂层为Al₂O₃涂层、C涂层或者金属与非金属涂层中的任意一种。

进一步地，上述步骤(1)中，选用的钛基母材箔板最小厚度大于1.5倍纤维直径。

进一步地，上述选区化学铣切所用的化学溶液包括有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸、氯化钠溶液等中的任意一种或多种。

进一步地，所述步骤(3)中，粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的任意一种。

进一步地，所述低熔点钛基合金箔带的材质为Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni-X、Ti-Zr-Cu、Ti-Ni-Cu、Ti-Zr-Ni中的任意一种，其中Ti-Zr-Cu-Ni-X中，X可以为任意一种金属元素。

进一步地，所述钛基母材箔板在铺放纤维之前进行酸液洗涤，除去表面的污染物。

进一步地，所述步骤(4)中，最上一侧钛基母材箔板为无凹槽钛基母材箔板，与纤维接触一侧铺放钛基合金箔带。

进一步地，上述步骤(4)中，压块工装尺寸大于纤维排布的面积，小于整个钛基母材箔板的尺寸，预制体与压块工装之间涂有止焊剂。

进一步地，上述步骤(5)中，冷却至室温时的降温速度为20-50℃/h。

由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：

(1)采用低熔点钛基合金箔带进行层与层连接，可在较小的压力下，短时间内达到高致密的复合材料，避免纤维在制备过程中受到损伤，有效提高界面直接的结合率，并且制备大尺寸复合材料不需要较大吨位的热压设备；

(2)采用化铣的方法制备凹槽，凹槽尺寸精确，制备速度快；

(3)通过凹槽和粘结剂的方法固定纤维，能够更好实现纤维与纤维之间的间距控制、提高位置精度，有效避免复合材料在制备过程中纤维发生横向滑动造成纤维错位，纤维上涂覆有涂层，能进一步地避免在纤维增强钛基复合材料制备过程中纤维受到熔化的低熔点钛合金损伤；

(4)采用低熔点钛基合金进行制备复合材料，流程短、效率高、成本低、有利于工业化生产。

附图说明

图1是钛基复合材料纤维层数与排布的示意图。

图2是带有凹槽A层、B层钛基母材箔板，其中，1-钛基母材箔板，5-凹槽。

图3是带有低熔点钛基合金箔带的凹槽板(a)反面、(b)正面。

图4是带有纤维和凹槽的钛基母材箔板，其中，1-钛基母材箔板，3-纤维.

图5是预制体结构示意图，其中1-钛基母材箔板，2-无凹槽钛基母材箔板，3-纤维，4-工装。

图6是预制体的加热曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例

材料：400mm×400mm×0.4mm钛基母材箔板、400mm×400mm×0.8mm无凹槽钛基母材箔板、厚度在40μm的Ti-Zr-Cu-Ni系低熔点钛基合金箔带、羟基水溶性粘结剂、带有C涂层直径为0.10μm的SiC纤维，

本发明中低熔点钛基合金箔带的材质可以为Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni-X(某一元素)、Ti-Zr-Cu、Ti-Ni-Cu、Ti-Zr-Ni中的任意一种，其中Ti-Zr-Cu-Ni-X中，X可以为任意一种金属元素；

本发明中SiC纤维上的涂层可以为Al₂O₃涂层、C涂层或者金属涂层中的任意一种，上述种类的涂层均能达到本发明的效果，本实施例中选用带有C涂层直径为0.10μm的SiC纤维。

低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备步骤：

(1)设计钛基复合材料纤维层数与排布，如图1所示；

(2)准备材料：400mm×400mm×0.4mm钛基母材箔板10张、400mm×400mm×0.8mm无凹槽钛基母材箔板、厚度在40μm的TiZrCuNi系低熔点钛基合金箔带若干(熔点800-940℃)羟基水溶性粘结剂1L、有C涂层直径为0.10μm的SiC纤维若干；

(3)准备SiC：SiC纤维截段，长度为300mm±0.5mm；

(4)A层、B层TC4钛基母材箔板凹槽的制备：通过选区化学铣切的方式在钛基母材箔板的表面制备出凹槽、1个定位孔和2个或多个固定孔，其中化学铣切所用的溶液包括有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸、氯化钠溶液等中的任意一种或多种，本实施例中选用氢氟酸与硝酸的混合水溶液进行化学铣切，其中氢氟酸在混合水溶液中的重量含量百分数为15wt％，硝酸在混合水溶液中的重量含量百分数为25wt％，化学铣切后槽长度300mm，深0.05mm，宽0.100mm，槽区面积300mm×300mm，同时化学铣切定位孔和固定孔，定位孔1个，孔直径为10mm，固定孔2个，直径为8mm。A层定位孔A中心设坐标为(0,0)并且第一条槽的距离为X，固定孔坐标为A1(X1,Y1)和A1(X2,Y2)，B层定位孔中心B标为(0,0)与第一条槽的距离为X+0.2mm，固定孔坐标为B1(X1,Y1)和B2(X2,Y2)，如图2所示；

(5)刻好的凹槽的钛基母材箔板采用显微镜检测凹槽，合格凹槽的钛基母材箔板采用质量分数为8％的硫酸进行洗涤，除去表面的污染物后，水洗3遍，烘干；

(6)铺排纤维：将300mm长的SiC纤维一次铺放在沟槽内，每个凹槽铺放一根纤维，采用羟基水溶性粘结剂固定，如图4所示；

(7)制备预制体：将低熔点钛基合金箔带平铺在带有凹槽的钛合金母材箔板的背面，最上一侧钛基母材箔板为无凹槽钛基母材箔板，与增强纤维接触一侧铺放钛基合金箔带，通过电阻点焊的方式将低熔点钛基合金箔带固定，将A层，B层交替叠层，用定位销定位，制备预制体，放置在工装内，通过压块工装压紧，其中压块工装尺寸大于纤维排布的面积，小于整个钛基母材箔板的尺寸，预制体与压块工装之间涂有止焊剂，如图5所示；

(8)将预制体放在真空热压路炉内，施加一定的压力，抽真空，待真空度达到1×10^-3Pa后，进行加热，温度加热到500℃温度，保温2小时以上，将粘结剂去除，然后继续加热至800℃，保温2小时，之后继续加热至960℃，保温1小时，然后降温至900℃，保温2小时以上，降温，降温速率为30℃/h，加热曲线如图6所示；

(9)降温至室温，去除表面氧化皮，根据需求切割试件，制得成品。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择带有涂层的纤维，纤维的直径一般在50-120μm之间，通过选区化学铣切的方式在钛基母材箔板的表面制备出凹槽、1个定位孔和2个或多个固定孔；

(2)低熔点钛基合金箔带平铺在带有凹槽的钛合金母材箔板的背面，通过电阻点焊的方式将低熔点钛基合金箔带固定；

(3)将纤维铺放在凹槽内，每个凹槽铺放一根纤维，纤维通过涂覆粘结剂固定在钛基母材箔板上；

(4)将排布有纤维的钛基母材箔板叠层排放，通过定位销定位，制备成预制体，通过压块工装压紧；

(5)将预制体放在真空热压炉内，施加一定的压力，抽真空，待真空度达到1×10^-3Pa后，进行加热，温度加热到300-350℃，保温1-2小时，粘结剂被去除，然后继续加热至低熔点钛基合金箔带的熔化温度，保温1-2小时，然后再加热到低熔点钛基合金箔带熔化温度以上时保温1-2小时，使低熔点钛基合金箔带发生完全熔化，然后降温60-100℃后，保温1-2小时，最后冷却至室温；

(6)出炉后的钛基复合材料去皮、切割后，得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(1)中，所述纤维的涂层为Al₂O₃涂层、C涂层或者非金属/金属涂层中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(1)中，选用的钛基母材箔板最小厚度大于1.5倍纤维直径。

4.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，上述选区化学铣切所用化学溶液包括有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸、氯化钠溶液等中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸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，粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述低熔点钛基合金箔带的材质为Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni-X、Ti-Zr-Cu、Ti-Ni-Cu、Ti-Zr-Ni中的任意一种，其中Ti-Zr-Cu-Ni-X中，X可以为任意一种金属元素。

7.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛基母材箔板在铺放纤维之前进行酸液洗涤，除去表面的污染物。

8.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，最上一侧钛基母材箔板为无凹槽钛基母材箔板，与增强纤维接触一侧铺放钛基合金箔带。

9.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(4)中，压块工装尺寸大于纤维排布的面积，小于整个钛基母材箔板的尺寸，预制体与压块工装之间涂有止焊剂。

10.根据权利要求1所述的一种低成本大尺寸纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(5)中，冷却至室温时的降温速度为20-50℃/h。

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