SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计

SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计1目录摘要11引言11.1纤维增强钛基复合材料的性能特点以及应用前景11.2复合材料体系的选择21.2.1基体的选择21.2.2增强体的选择31.3本工艺设计的研究内容与目标32纤维及基体的表面处理32.1SiC纤维的表面处理32.2基体Ti-6Al-4V合金箔的表面处理43箔一纤维一箔法（Foil-fiber-foilmethod）制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料工艺设计43.1工艺原理43.2优缺点43.3工艺流程图53.4具体步骤53.4.1材料预处理53.4.2编制纤维布53.4.3热压复合53.5热压复合工艺53.5.1温度53.5.2压力53.5.3保温保压时间64浆料带铸造法（Slunytapecastingmethod）制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料工艺设计64.1工艺原理6SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计24.2优缺点64.3工艺流程图64.4具体步骤74.4.1选择粘结剂74.4.2细化纯Ti粉74.4.3编制纤维布74.4.4制备预制体74.4.5真空除气及热压复合85纤维涂层法（Matrixeoatednbermethod）制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料工艺设计85.1工艺原理85.2优缺点85.3工艺流程图95.4具体步骤95.4.1靶材的制作与增强体纤维的缠绕95.4.2溅射涂层95.4.3涂层纤维的堆垛与填装95.4.4真空封焊和热等静压105.5溅射工艺105.5.1反溅射时间105.5.2溅射功率105.5.3工作气压105.6热等静压工艺116总结11致谢11参考文献12SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计1SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计摘要：本文进行的材料工艺设计选择Ti-6Al-4V合金作为基体，SiC作为增强体，以材料的结构性能要求确定了设计目标。首先介绍了纤维增强钛基复合材料的性能特点和应用前景。通过大量查阅文献，确定了SiC增强钛基复合材料的三种工艺方案，分析了三种工艺的原理以及优缺点，详细介绍了三种方案的工艺流程。最后对SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计方案进行了总结。关键词：纤维增强；箔一纤维一箔法；浆料带铸造法；纤维涂层法；工艺设计ProcessDesignofFabricationofTitaniumMatrixCompositesReinforcedwithSiCFiberAbstract:Thedesignofcompositematerialisbasedontitanium,andintensifyingmaterialisSiC,usingstructuralpropertiesofthemateraltodeterminethedesigngoals.Firstly,papergivesagenaralintroductionabouttheperformancecharactertisticsandapplicationprospect.Throughalotofliterature,thethreeschemeofdesignoftitaniummatrixcompositesreinforcedwithSiCfiberisdetermined,andanalysingthemechanismofthreepreparationmethodsandtheiradvantagesanddisadvantages,theprocesschartsofschemeisintroducedindetail.Finally,makingasummaryofschemeofprocessdesignoffabricationoftitaniummatrixcompositesreinforcedwithSiCfiber.Keywords:Fiberreinforced;Foil-fiber-foilmethod;Slunytapecastingmethod;Matrixeoatednbermethod;ProcessDesign1引言1.1纤维增强钛基复合材料的性能特点及应用前景用纤维增强常规钛合金所制成的复合材料（TMC）具有比常规钛合金更高的比强度、比刚度以及良好的抗高温（可以在高于600℃的环境中使用）、耐腐蚀性能，为基体钛合金所无法比拟，因此在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景[1]。可满足未来航空航天所需可耐更高温度、更高负载的要求，尤其适合于新一代航空涡轮发动机对高温机械性能的追求，有望用于未来先进航SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计2天飞机的蒙皮、刚性件和高性能发动机部件上，若用作发动机的转子、风扇叶片和盘件的制造材料，可以使得发动机减重30%[2,3]。1.2复合材料体系的选择1.2.1基体的选择复合材料就是兼有复合体系各组元或组分的优点，又能克服各自的缺点，所以新合成的复合材料具有比各组元或组分更加优异的使用性能。做为连续SiC纤维增强钛基复合材料的钛合金基体，必须能与高强度SiC纤维结合，失配性较小，而且在加载过程能起到传递载荷的作用，韧性基体与脆性纤维形成弹塑界面可以弱化纤维的脆性，从而改善材料的性能，满足材料更加苛刻的使用环境[23]。理论上，α型、β型和α＋β型钛合金均可做为复合材料基体（钛合金一般按合金元素加入后在退火组织中的作用，分为α型、β型和α+β型三类）。钛合金同纯钛相比强度得到了显著地提高，因此钛合金的比强度高于其他常用金属材料，这也是钛合金作为金属基复合材料基体的重要原因。Ti-6Al-4V属于α＋β型钛合金，其具有较高的强度和良好的塑形，蠕变抗力和热稳定性好，是优良的金属基复合材料基体材料[4]。1.2.2增强体的选择钛基复合材料通过将基体钛合金的塑性和成型性与增强体纤维的优越承载能力和刚性相结合来改善材料的性能。因此，在钛基复合材料中，增强纤维的性能和体积分数很大程度上影响着钛基复合材料的力学性能。做为承载主体的强化纤维应在不低于1000℃时仍具有较高的比模量和比强度，并且与钛合金基体之间应具有较好的热机械相容性(如化学相容性、热膨胀系数匹配性等)[5,6,7]。通常，复合材料中纤维体积含量在25~45%范围内，比较理想的为35%[8-11]，在给定纤维体积分数的情况下，使用粗纤维可以增加纤维间的距离，从而有利于降低纤维在复合固结过程中产生径向裂纹的倾向和充分发挥钛基体的韧性作用。SIC纤维是以C和Si为主要成分的一种陶瓷纤维，具有更为优异的低密度、低热膨胀系数、高强度、高硬度、高模量、高的热稳定性以及对氧化和蠕变的良好抗力[12,13,14]。在1000℃以下，其力学性能基本上不变，可以长期使用；当温度超过1300℃时，其性能才开始下降。SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计31.3本工艺设计的研究内容与目标本文从SiC纤维增强钛基复合材料的性能特点出发，对该复合材料的制备工艺进行研究，分析箔-纤维-箔法、浆料带铸造法、纤维涂层法三种制备工艺的原理、优缺点以及工艺参数对材料性能的影响，确定三种工艺设计流程。目的是设计并优化SiC纤维增强钛基复合材料的制备工艺。2纤维及基体的表面处理2.1SiC纤维的表面处理SiC纤维作为Ti基复合材料的增强相时，由于在高温下，Ti及Ti合金的化学活性很高，极易与SiC发生明显的界面化学反应，不但使纤维表面形成一些缺陷，令纤维性能下降，另外也易生成脆性物质，易使制得的复合材料的性能下降。在SiC纤维表面沉积上一层障碍涂层是较为有效易行的方法[15]。涂层在基体及纤维的界面起着阻挡层、缓冲层及反应层等作用。即涂层可以与基体发生适度的反应，提高界面结合强度；同时也可阻止或延缓界面过度反应，起到保护纤维的作用，以改善基体与纤维之间的化学相容性。另外，涂层也能在界面提供过渡层，以缓和因纤维和基体热膨胀系数及弹性模量等的不同而产生的界面残余热应力，改善基体与纤维的物理相容性[16]。TiN化学结构是由金属键、离子键及共价键混合而成的，因而TiN涂层既具有共价化合物高熔点、高硬度、耐腐蚀等特点，又具备金属化合物的良好热导性和电导性，逐渐成为应用日益广泛的涂层材料[16]。采用阴极磁过滤等离子体沉积技术在SiC纤维上进行涂TiN处理。具体的方法是将SiC纤维放置在多功能真空快速反应平台的镀膜室中，通入高纯氮气和高纯氩气，接着触发阴极高纯钛靶从而产生大量钛蒸气，氮气与钛蒸汽反应生成TiN并在氩气放电形成的等离子体区中加速前进沉积在SiC表面。2.2基体Ti-6Al-4V合金箔的表面处理与纤维表面处理复杂的流程相比，基体箔材的表面处理方法比较单一，流程简单，易于实现。常见的方法有有机溶剂清洗法、热氢处理及酸洗法、磷化处理法等。为降低热压时纤维的损伤，可以对基体材料进行增塑预处理。有研究者认为[17]，热氢处理对α+β型Ti合金，如Ti-6Al-4V的塑性有所提高。SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计4最常见的方法是有机溶剂清洗法。首先利用粒度为2000目的砂纸，轻轻打磨箔材表面，去除表面粘附的污物、油质及氧化皮等，之后在丙酮试剂浸泡2-3分钟，最后再用超声波清洗技术使用高纯酒精彻底清洗5分钟左右[18]。由于钛的化学活性活泼，钛合金在高温下可以和大多数的增强纤维发生化学反应，生成有害的界面反应产物对复合材料的性能造成严重损害，且Ti及Ti合金的熔点远远高于SiC纤维，故纤维增强钛基复合材料只能用固相法制备[19]。3箔一纤维一箔法(foil-fiber-foilmethod)制备SiC/Ti-6Al-V复合材料工艺设计3.1工艺原理将纤维逐根用金属丝或带交叉编织，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（VHP）或热等静压（HIP）成形。若用有机粘接剂固定纤维，在成形前需用真空除气法去除有机粘接剂[20]。图3-1箔-纤维-箔法原理图3.2优缺点箔-纤维-箔法的优点是：微观组织可控，化学成分准确，杂质含量低。缺点是：钛合金箔价格高，可用的合金有限制，纤维分布不均，易产生开裂，复杂形状零部件制备困难且质量难以保证,容易引入杂质等。3.3工艺流程图SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计5图3-2箔-纤维-箔法工艺流程图3.4具体步骤3.4.1材料预处理为了减少复合材料中的杂质，SiC纤维在制备复合材料之前，要在高纯酒精试剂中，经过超声波清洗去除表面污物，时间约5分钟。基体箔材也要进行如前文所述的表面处理。3.4.2编制纤维布将SiC纤维用金属丝编制成单向纤维布，利用金属丝的目的是为了保证纤维之间平行、等距、不搭接。3.4.3热压复合将五层箔材与四层纤维布叠层铺设，置于高强石墨模具中，在真空热压炉中热压复合。3.5热压复合工艺FFF法制备过程中，最重要的步骤是热压复合。此过程包含箔材通过纤维间隙的扩散浸渗以及箔材间的连接。因此，温度、压力及保温保压时间要选择适当。3.5.1温度如果温度过低，则钛合金未达到软化状态无法进行浸渗；而温度过高，则钛合金与SiC纤维之间的化学反应将非常剧烈。3.5.2压力如果压力低，则箔材无法通过硬度较高的SiC纤维而进行连接；压力过大，则纤维表面将因强烈的外力挤压而产生损伤甚至碎断。SiCf/Ti复合材料的制备压力从30MPa-200MPa范围内都有。3.5.3保温保压时间材料预处理编制纤维布热压复合SiC纤维增强钛基复合材料的工艺设计6保温保压时间的选择应以能够保证基体的蠕变能够充分进行，而又不至于造成晶粒长大等不利现象。故这三个参数要选择适当，尽量地减少制备缺陷。4浆料带铸造法(slunytapecastingmethod)制备SiC/Ti-6Al-V复合材料工艺设计4.1工艺原理将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(pre一cursor)，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[21]。图4-1浆料带铸造法原理图4.2优缺点浆料带铸造法简单易行，但其缺点也是明显的，如钛合金粉末中较高的氧含量，对钛