CN111250712B - 一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法，空心轴由三部分组成：1，空心轴的内壁Ti合金；2，SiC纤维增强钛基复合材料区域；3，轴的外壁Ti合金。通过在内壁的外表面加工出一系列的螺旋状钛合金棱这一巧妙设计，实现了将SiC纤维沿轴向呈一定角度(30‑45°)螺旋式的排布方式。由于轴工作时主要承受扭转应力，而这种排布方式有利于轴工作时发挥纤维在轴向的最大抗拉强度，从而显著提升轴的使用性能；本发明解决了SiC纤维在轴类零件的排布问题和成形制备技术，实现了SiC纤维增强钛基复合材料在轴类零件的制造。

Description

一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法。一种SiC纤维增强钛基复合材料零部件的制备技术，即使用纤维涂层法结合热等静压技术制备航空航天等领域使用的空心轴类零件。
背景技术
目前传动轴类部件主要有两种：1.单一材料的实心轴，其形状简单，制造方法简单。但由于该类零件的中芯部区域在整体重量中占有相当的比重，且芯部区域提供的扭矩较小，所以使用此类轴会加大材料的重量，降低飞机、汽车等的有效载重；2.单一材料的空心轴，此类轴有效克服了实心轴重量大的缺点，而且可以通过增大轴的直径来提高传动轴的输出扭矩。此外，使用空心轴还能避开外界激励响应的频率,防止共振。
但是，随着材料科学与技术的发展，人们对航空航天、汽车、船舶等领域用材提出了越来越高的要求，如，进一步降低重量，进一步提高强度等，这使得传统的空心轴类也难以满足要求。
SiC纤维增强钛基复合材料是一种新型的轻质高强结构材料，在航空航天、汽车、船舶等发动机上有广泛的应用前景，从而提高发动机的推重比。目前SiC纤维增强钛基复合材料的制备技术主要包括箔-纤维-箔(Foil-fiber-foil，通常简写为FFF)法和纤维涂层法(也可称为基体涂层纤维法)。FFF法工艺简单，但不能制备形状复杂的零部件，也不易使纤维均匀分布。纤维涂层法是将钛合金通过物理气相沉积法或液相法先涂覆到纤维表面，然后将有钛合金涂层的纤维堆垛或缠绕起来，再经过热压或热等静压成形。纤维涂层法可制备形状复杂的零部件，且纤维体积分数可控，纤维在基体中的排布也很均匀，因而是一种最受欢迎的制备技术。
近年来，新的SiC纤维增强钛基复合材料制备技术也得到了发展。如在专利CN107815625 A“一种SiC纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品”中，介绍一种采用细丝SiC纤维(直径在10-15μm)作为增强体，并在纤维表面引入Al2O3涂层作为保护涂层，使用液态钛合金进行真空压力浸渍制备SiC纤维增强钛基复合材料及产品的技术。但该方法所用纤维的强度较低，且氧化铝涂层易于开裂，致使高温下界面反应会比较严重，从而进一步降低纤维的强度。此外，该方法得到的复合材料很难使基体致密化，且不易使纤维均匀分布。进一步地，该液态法不适合SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备。又如，在专利CN106756649 A“一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法”中，采用激光熔覆手段将钛合金丝材沉积到SiC纤维、叠层铺设的纤维布或纤维增强体上，包括板材、环件等结构，从而完成钛合金与纤维的复合成形。但该专利并没有指出如何铺设或固定SiC纤维来制备形状复杂的零件，也不适合做空心轴这类需要缠绕纤维的形状复杂的零件。总之，目前有关直径100μm左右的粗SiC纤维增强钛基复合材料在空心轴的设计和制备技术方面还未见相关报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法，解决如何实现SiC纤维增强钛基复合材料空心轴类零件的关键制备技术。
技术方案
一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于包括内壁7、外壁3与中间区域；内壁1和外壁3为钛合金，中间区域为SiC纤维增强钛基复合材料2；所述内壁1的钛合金的外表面，与SiC纤维增强钛基复合材料2衔接的界面设有沿轴向呈角度螺旋式排布的一系列钛合金棱6；所述SiC纤维增强钛基复合材料2沿钛合金棱6呈角度螺旋式排布。
所述SiC纤维增强钛基复合材料2的基体与内壁1和外壁3的钛合金相同。
所述SiC纤维增强钛基复合材料2的预制体上设有钛合金涂层，钛合金涂层厚度为20～40μm。
所述钛合金棱的角度为30-45°。
所述钛合金棱的厚度为0.8～1.4mm。
所述钛合金棱的水平间距为5～10mm。
所述SiC纤维直径约为100μm。
所述SiC纤维为化学气相沉积法制备的钨芯β-SiC纤维，其表面有2-4μm厚的热解碳涂层。
一种所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用物理气相沉积法将钛合金涂覆到连续SiC纤维表面；涂层厚度为20～40μm；
步骤2：用与SiC纤维表面钛合金涂层相同的钛合金加工出轴的外壁3和内壁7，轴内壁的外表面加工出一系列角度为30-45°的螺旋状钛合金棱6，将轴内壁7套入轴外壁3中；
步骤3：将步骤1中所得的有钛合金涂层的SiC纤维5剪切成制备轴所需要的片段若干，并将这些有钛合金涂层的纤维5并排在一起，然后将其填入轴内壁7的外表面所预留的所有凹槽内；
步骤4：对内壁7和外壁3之间的SiC纤维增强钛基复合材料区域进行真空封焊，得到轴的预制体；
步骤5：采用热等静压工艺对步骤4所完成的轴的预制体进行高温热压成形，得到轴的毛坯件；
步骤6：对毛坯件进行机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。
所述步骤4的真空封焊采用真空电子束焊工艺技术，将轴内壁7与外壁3之间的部分抽到1.0×10-3Pa以上的高真空后，采用与空心轴相同的钛合金材料8进行堆焊；或将轴内壁与外壁之间先用钛合金通过氩弧焊封住，但须留一个直径约为3-6mm的小孔，该小孔通过氩弧焊连接一个钛合金管，用于连接抽真空的设备进行抽真空，当轴内壁与外壁之间的区域为1.0×10-3Pa以上的高真空时，将钛合金管通过电阻焊进行密封。
所述步骤5热等静压工艺根据具体钛合金的种类或牌号而定，温度控制在800-1100℃之间，热压压力为100-150MPa，时间为1-3小时。
有益效果
本发明提出的一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法，针对航空航天等领域对轻质高强结构材料的要求，我们采用高强度、低密度的W芯SiC纤维作为增强体(纤维直径约为100μm，外层有2-4μm厚的热解碳涂层)，对低密度钛合金的空心轴进行增强，这样既能保证合金的轻量化优势，又可以在轻质的基础上进一步提高材料的强度。如表1所示为Ti-6Al-4V(TC4)合金与SiC纤维的物理性能对照数据。可见，高强度和高弹性模量的SiC纤维将使制备而成的SiC纤维增强钛基复合材料也具有高的强度和模量，但SiC纤维增强钛基复合材料的力学性能具有明显的各向异性，在沿着纤维轴向方向的强度和模量最高，而垂直于纤维方向的最弱。因此，如果将SiC纤维增强钛基复合材料用于制备相关承载零部件，则需要根据零件的受力特征来排布纤维，尽量使纤维轴向平行于零件的最大受力方向。
表1 TC4合金与SiC纤维的物理性能对照表
Figure GDA0003681142030000051
SiC纤维增强钛基复合材料由于其高比强度和高比模量，可以用于制造轻质高强的结构件，其中用于制造空心轴类零件就是其典型的应用。但由于SiC纤维的刚度高，直径大，不易于编织，而且，如何进行SiC纤维的有效排布，如何实现空心轴的最终成形，是实现SiC纤维增强钛基复合材料在轴类零件中使用的一大难题。
发明效果：SiC纤维增强钛基复合材料的强度一般接近使用混合定则计算出的预测强度(混合定则：σcomposite＝Vm·σm+Vf·σf)，表2所示为根据表1所计算的不同SiC纤维体积分数时沿纤维方向轴的预测强度。
表2 SiC纤维不同体积分数时轴零件沿纤维方向的预测强度
Figure GDA0003681142030000052
从预测强度的数值可知，增加SiC纤维的体积分数可显著提高材料的抗拉性能，从而提高轴的使用性能。一般选择纤维的体积分数在30～50％之间。
本发明解决了SiC纤维在轴类零件的排布问题和成形制备技术，实现了SiC纤维增强钛基复合材料在轴类零件的制造。
附图说明
图1是垂直于空心轴轴向方向的截面示意图，其中1是空心轴内壁钛合金，2是中心SiC纤维增强钛基复合材料，3是轴的外壁Ti合金。
图2是在SiC纤维表面制备钛合金涂层的示意图，其中4表示SiC纤维，5表示涂覆了Ti合金涂层的SiC纤维；
图3a和3b分别是用于制备空心轴的内壁部件7和外壁部件3的轴向俯视图示意图，其中内壁部件7(也可称为内环)的外表面留有一系列的钛合金棱6，其厚度尽量薄，0.8-1.4mm之间，各棱边之间的水平间距为5-10mm，棱边6在内环的外表面呈20-45°螺旋式分布，用于排布和固定有钛合金涂层的SiC纤维；
图4是将涂覆有Ti合金涂层的SiC纤维5沿轴内壁1的外表面顺着棱边6与轴向呈一定角度排布好后的示意图。
图5是将轴外壁3(也可称为外环)套在图4得到的材料外侧后进行真空封焊后的示意图。
图6是实施例1中在钨芯SiC纤维表面沉积了约20μm厚的TC17钛合金涂层。
图7是实施例1中的空心轴的轴内壁7的轴向俯视图(顶端形貌和尺寸)。
图8是实施例1中的空心轴的轴内壁7加工后的效果示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的空心轴类零件(如图1为垂直于空心轴轴向方向的截面示意图)，由三部分组成：1，空心轴的内壁Ti合金；2，SiC纤维增强钛基复合材料区域；3，轴的外壁Ti合金。
其中，外壁和内壁之间的SiC纤维增强钛基复合材料区域为轴的主体部分，通过在内壁的外表面加工出一系列的螺旋状钛合金棱这一巧妙设计，实现了将SiC纤维沿轴向呈一定角度(30-45°)螺旋式的排布方式。由于轴工作时主要承受扭转应力，而这种排布方式有利于轴工作时发挥纤维在轴向的最大抗拉强度，从而显著提升轴的使用性能；轴外壁和内壁的Ti合金主要用作中间复合材料区域的外包材料，以能保证后续的热压成形和外表加工。在保证中间复合材料区域不被破坏的条件下，可使内壁和外壁的最终厚度尽量薄，以提高SiC纤维的体积分数，使空心轴的强度高，比重小。
具体步骤：
(1)采用物理气相沉积法(如磁控溅射法)将钛合金涂覆到连续SiC纤维表面，涂覆厚度在20-40μm之间，如图2所示。SiC纤维为化学气相沉积法制备的钨芯β-SiC纤维，其表面有2-4μm厚的热解碳涂层，纤维直径约为100μm。
(2)用和SiC纤维表面钛合金涂层相同的钛合金加工出轴的外壁3(也可称为外环)和内壁7(也可称为内环)，轴内壁的外表面需要加工出一系列成一定角度(30-45°)的螺旋状钛合金棱6，各棱边之间的水平间距为5-10mm，如图3a所示，钛合金棱6方便排布有钛合金涂层的SiC纤维5。轴外壁3可将轴内壁7套入其中，两者之间为松配合。
(3)将轴外壁7套入轴内壁3，将步骤(1)中所得到的有钛合金涂层的SiC纤维5剪切成制备轴所需要的片段若干，并将这些有钛合金涂层的纤维5并排在一起，然后将其填入轴内壁7的外表面所预留的所有凹槽，如图4所示。
(4)完成步骤(3)后，对内壁7和外壁3之间的部分(该区域将是SiC纤维增强钛基复合材料区域)进行真空封焊。可采用真空电子束焊工艺技术，将轴内壁7与外壁3之间的部分抽到1.0×10-3Pa以上的真空度后，采用和空心轴相同的钛合金材料8进行堆焊，焊后效果如图5所示。也可采用其他真空封焊方式，比如将轴内壁与外壁之间先用钛合金通过氩弧焊封住，但须留一个直径约为3-6mm的小孔，该小孔通过氩弧焊连接一个钛合金管，用于连接抽真空的设备进行抽真空，当轴内壁与外壁之间的区域为1.0×10-3Pa以上的高真空时，将钛合金管通过电阻焊进行密封。
(5)采用热等静压工艺对步骤(4)所完成的轴的预制体(图5)进行高温热压成形，得到轴的毛坯件。热等静压工艺视具体钛合金的种类或牌号而定，一般温度控制在800-1100℃之间，热压压力为100-150MPa，时间为1-3小时。
(6)对步骤(5)所得到的轴的毛坯件进行进一步机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。
实施例1
步骤一：采用高真空矩形靶直流磁控溅射法在直径为100μm的钨芯SiC纤维(纤维表面有2μm厚的热解碳涂层，纤维强度为3000MPa)表面沉积20μm厚的TC17钛合金，使复合材料区域的纤维体积分数为51％。
步骤二：用TC17钛合金加工出轴的内壁7和外壁3，高度均为300mm，其中内壁7的外径为50±0.1mm，内径为34mm，内壁7的壁厚1为3mm，内壁7的外表面加工出一系列成30°的螺旋状钛合金棱6，各棱边厚度为0.8mm，各棱之间的水平间距为5mm，棱高5mm，如图6所示。轴外壁3为高300mm、内径为
Figure GDA0003681142030000081
外径为60mm的TC17钛合金圆筒。可将轴内壁7套入外壁3中，两者之间为机械松配合。
步骤三：将轴外壁7套入轴内壁3，垂直放在水平桌面上。将步骤一中所得到的有TC17钛合金涂层的SiC纤维5剪切成制备轴所需要的长度(约605mm)，并将这些有钛合金涂层的纤维5并排在一起，然后将其填入轴内壁7的外表面所预留的所有凹槽，如示意图图4所示。
步骤四：完成步骤三后，对内壁7和外壁3之间的SiC纤维增强钛基复合材料预制体区域进行真空封焊。采用真空电子束焊工艺技术，将真空度抽到1.0×10-3Pa以后，采用TC17钛合金丝对内壁7和外壁3之间的两端缝隙进行堆焊，焊后效果示意图如图5所示。
步骤五：采用热等静压工艺对步骤四所完成的轴的预制体进行高温热压成形，热等静压工艺为温度850℃，压力为100MPa，时间为3小时。
步骤六：对步骤五所得到的轴的毛坯件进行机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。
实施例2
步骤一：采用磁控溅射法在直径为100μm的钨芯SiC纤维(纤维表面有3μm厚的热解碳涂层，纤维强度为3000MPa)表面沉积30μm厚的TC4钛合金，使复合材料区域的纤维体积分数为39％。
步骤二：用TC4钛合金加工出轴的内壁7和外壁3，高度均为300mm，其中内壁7的外径为50±0.1mm，内径为34mm，内壁7的壁厚1为3mm，内壁7的外表面加工出一系列成38°的螺旋状钛合金棱6，各棱边厚度为1mm，各棱之间的水平间距为8mm，棱高5mm。轴外壁3为高300mm、内径为
Figure GDA0003681142030000091
外径为60mm的TC4钛合金圆筒。可将轴内壁7套入外壁3中，两者之间为机械松配合。
步骤三：将轴外壁7套入轴内壁3，垂直放在水平桌面上。将步骤一中所得到的有TC4钛合金涂层的SiC纤维5剪切成制备轴所需要的长度(约492mm)，并将这些有钛合金涂层的纤维5并排在一起，然后将其填入轴内壁7的外表面所预留的所有凹槽，如示意图图4所示。
步骤四：完成步骤三后，对内壁7和外壁3之间的SiC纤维增强钛基复合材料预制体区域进行真空封焊。采用真空电子束焊工艺技术，将真空度抽到1.0×10-3Pa以后，采用TC4钛合金丝对内壁7和外壁3之间的两端缝隙进行堆焊，焊后效果示意图如图5所示。
步骤五：采用热等静压工艺对步骤四所完成的轴的预制体进行高温热压成形，热等静压工艺为温度950℃，压力为150MPa，时间为2小时。
步骤六：对步骤五所得到的轴的毛坯件进行机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。
实施例3
步骤一：采用磁控溅射法在直径为100μm的钨芯SiC纤维(纤维表面有4μm厚的热解碳涂层，纤维强度为3000MPa)表面沉积40μm厚的Ti2AlNb钛合金，使复合材料区域的纤维体积分数为31％。
步骤二：用Ti2AlNb钛合金加工出轴的内壁7和外壁3，高度均为300mm，其中内壁7的外径为50±0.1mm，内径为34mm，内壁7的壁厚1为3mm，内壁7的外表面加工出一系列成45°的螺旋状钛合金棱6，各棱边厚度为1.4mm，各棱之间的水平间距为10mm，棱高5mm。轴外壁3为高300mm、内径为
Figure GDA0003681142030000101
外径为60mm的Ti2AlNb钛合金圆筒。可将轴内壁7套入外壁3中，两者之间为机械配合。
步骤三：将轴外壁7套入轴内壁3，垂直放在水平桌面上。将步骤一中所得到的有Ti2AlNb钛合金涂层的SiC纤维5剪切成制备轴所需要的长度(约424mm)，并将这些有钛合金涂层的纤维5并排在一起，然后将其填入轴内壁7的外表面所预留的所有凹槽，如示意图图4所示。
步骤四：完成步骤三后，对内壁7和外壁3之间的SiC纤维增强钛基复合材料预制体区域进行真空封焊。将轴内壁与外壁之间先用Ti2AlNb通过氩弧焊封住，只留一个直径为5mm的小孔，在该小孔上先通过氩弧焊连接一个TC4钛合金管，用于连接真空封焊设备进行抽真空，当真空度达到1.0×10-3Pa以上的高真空时，将TC4钛合金管通过电阻焊进行密封。
步骤五：采用热等静压工艺对步骤四所完成的轴的预制体进行高温热压成形，热等静压工艺为温度1100℃，压力为130MPa，时间为1小时。
步骤六：对步骤五所得到的轴的毛坯件进行机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。

Claims (4)

1.一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：采用物理气相沉积法将钛合金涂覆到连续SiC纤维表面；钛合金涂层厚度为20～40μm；所述SiC纤维为化学气相沉积法制备的钨芯β-SiC纤维，其表面有2-4μm厚的热解碳涂层；
步骤2：用与SiC纤维表面钛合金涂层相同的钛合金加工出轴的外壁(3)和内壁(1)，轴的内壁的外表面加工出一系列角度为30-45°的互相之间为平行的螺旋状钛合金棱(6)，将轴的内壁(1)套入轴外壁(3)中，各棱边之间的水平间距为5-10mm，棱的厚度在0.8-1.4mm之间，用于排布和固定有钛合金涂层的SiC纤维；
步骤3：将步骤1中所得的有钛合金涂层的SiC纤维(5)剪切成制备轴所需要的片段若干，并将这些有钛合金涂层的SiC纤维(5)并排在一起，然后将其填入轴的内壁(1)的外表面所预留的所有凹槽内；外壁和内壁之间的SiC纤维(5)增强钛基复合材料区域为轴的主体部分，通过在内壁的外表面加工螺旋状钛合金棱，实现了将SiC纤维沿轴向呈30-45°角度的螺旋式的排布方式，由于空心轴工作时主要承受扭转应力，而这种排布方式有利于轴工作时发挥纤维在轴向的最大抗拉强度，从而显著提升轴的使用性能；
步骤4：对内壁(1)和外壁(3)之间的SiC纤维增强钛基复合材料区域进行真空封焊，得到轴的预制体；采用真空电子束焊工艺技术，将轴的内壁(1)与外壁(3)之间的部分抽到1.0×10-3Pa以上的真空度后，采用和空心轴相同的钛合金材料(8)进行堆焊；或将轴的内壁与外壁之间先用钛合金通过氩弧焊封住，留一个直径为3-6mm的小孔，该小孔通过氩弧焊连接一个钛合金管，用于连接抽真空的设备进行抽真空，当轴的内壁与外壁之间的区域为1.0×10-3Pa以上的高真空时，将钛合金管通过电阻焊进行密封；
步骤5：采用热等静压工艺对步骤4所完成的轴的预制体进行高温热压成形，得到轴的毛坯件；
步骤6：对毛坯件进行机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5热等静压工艺根据具体钛合金的种类或牌号而定，温度控制在800-1100℃之间，热压压力为100-150MPa，时间为1-3小时。
3.一种根据权利要求1-2中任一项所述的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备方法制备的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：包括内壁(1)、外壁(3)与中间区域；内壁(1)和外壁(3)为钛合金，中间区域为SiC纤维增强钛基复合材料(2)；所述内壁(1)的钛合金的外表面，与SiC纤维增强钛基复合材料(2)衔接的界面设有沿轴向呈角度螺旋式排布的一系列钛合金棱(6)；所述SiC纤维增强钛基复合材料(2)沿钛合金棱(6)呈角度螺旋式排布。
4.根据权利要求3所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述SiC纤维增强钛基复合材料(2)的基体与内壁(1)和外壁(3)的钛合金相同。
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