SiC纤维增强钛基复合材料工艺设计

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 32.1 SiC 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-foil method )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.

2、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( Sluny tape casting method)制备 SiC/Ti-6Al-4V 复合材料工艺设计 64.1 工艺原理 64.2 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( Matrix eoatednber method ) 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

3、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 Si

4、C 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Process Design of Fabrication of Titanium Matrix Composites Reinforced withSiC FiberAbstract: The design of composite material is based on titanium,and intensifying material is SiC,us

5、ing structural properties of the materal to determine the design goals.Firstly,paper gives a genaral introduction about the performance charactertistics and application prospecTt.hrough a lot of literature,the three scheme of design of titanium matrix composites reinforced with SiC fiber is determin

6、ed,and analysing the mechanism of three preparation methods and their advantages and disadvantages ,the process charts of scheme is introduced in detail.Finally,making a summary of scheme of process design of fabrication of titanium matrix composites reinforced with SiC fiber.Key words:Fiber reinfor

7、ced; Foil-fiber-foil method ; Sluny tape casting method ; Matrix eoatednber method ; Process Design1 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

8、未来先进 航天飞机的蒙皮、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， 型、型和型钛合金均可做为复合材料基体

9、（钛合金一般按合金元素加入后 在退火组织中的作用，分为 型 、型 和+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

10、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 2545%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

11、始下降。1.3 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2.1 SiC 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

12、。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

13、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+型 Ti 合金，如 Ti-6

14、Al-4V 的 塑性有所提高。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-foil method） 制备 SiC/Ti-6Al-V 复合材料工 艺设计

15、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 工艺流程图材料预处理 编制纤维布 热压复合图 3-2 箔-纤维 -箔法工艺流程图3.4 具体步骤3.4.1

16、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

17、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 (sluny tape casting method) 制备 SiC/Ti-6Al-V 复合材料 工艺设计4.1 工艺原理将

18、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，对钛合金的 性能极为不利、有机粘接剂易造成污染、有机粘接剂去除后纤维的移动导致复合材料纤维分布不 均等。4.3 工艺流程图选择粘结剂 细化纯钛粉编制纤维布制备预制体真空除气与热压复合图 4-2 浆料带铸造法工艺流程图4.4 具体步骤4.4.1 选择粘结剂中国科学院石南林等人 22进行了粉末法制备 SiCf/钛基复合

19、材料先驱丝用粘结剂的研究，结果 表明利用热分解温度低的聚甲基丙烯酸甲酯（英文缩写： PMMA ，热分解温度 350）做粘结剂， 经真空除气处理后，所得的复合材料中粘结剂残留物很少（杂质量 0.02%）， PMMA 是采用该 方法制备复合材料的良好粘结剂。4.4.2 细化纯 Ti 粉由于原材料纯钛粉，粉体直径较大，因此需要经过球磨工艺以获得细小的钛粉末。采用行星 式球磨机，球料比 8：1，转速为 400r/min，磨球直径为 6mmGCr15 钢球，按粉末质量 1%加入过 程控制剂（硬脂酸），球磨时间 30h。4.4.3 编制纤维布基本方法与 FFF 法相同，采用金属丝编织纤维，可以保证纤维之间

20、平行排布，间隙均匀。4.4.4 制备预制体制备预制体所需原料为：经球磨细化的纯 Ti 粉末，粘结剂采用聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ， 又称有机玻璃），溶剂选用丙酮试剂，经过预处理的 SiC 纤维。将 PMMA 溶于丙酮试剂，形成 透明的粘性胶体，再将 Ti 粉加入，均匀搅拌。钛粉、 PMMA 及丙酮试剂的质量比为 2:1:1。之后 将钛粉浆料均匀地涂抹在事先编织好的纤维布上。干燥后即得到了复合材料预制体。4.4.5 真空除气及热压复合采用真空热压法制备复合材料样品。由于 Ti 粉浆料将纤维布包被，因此复合时基体不需要透 过纤维的阻隔而复合，因此可以在较低的温度及压力下复合。将预制体叠层置于石

21、墨模具中，在 真空热压炉中，真空升温至粘结剂的分解温度（约 350），保温一段时间，再继续升温至 850 热压，压力为 45MPa，热压时间为 1h。样品随炉真空冷却至室温，即制得 SiCf/Ti 复合材料。 5 纤维涂层法 （matrix eoatednber method） 制备 SiC/Ti-6Al-V 复合材料工 艺设计5.1 原理用纤维涂层法可以获得最佳的纤维分布。用物理气相沉积法（ PVD ）将基体合金作为涂层材 料，均匀地涂在单根纤维上，之后将带有基体涂层的纤维堆垛、封装后热压成型 23 。 5.2 优缺点优点： （1）纤维分布均匀，而且是理想的六方密排堆垛，成形时收缩小，部件外

22、部尺寸精确， 因而可近净形成形，而且内部残余应力小，可消除残余应力导致的基体/纤维开裂。 （2）易于制备复杂形状的部件，如环、盘、管轴、叶片等，用其它方法不仅困难而且昂贵，还可能有很多纤维端头留在部件内，成为化学侵蚀和应力集中源。 (3)成形时对温度和压力的要求没有其它方法那么严 格，较低温度下成形可减少纤细基体界面反应。 (4)纤细基体界面无杂质等干扰。 (5)纤维体积分数 易于控制，可以很高 (15一 80%)(6)在处理纤维和复合材料成形中，有涂层的纤维不易损坏 23.5.3图 5-1工艺流程图纤维涂层法原理图靶材的制作与增强体纤 维的缠绕溅射涂层涂层纤维的堆垛与填装抽真空热等静压图 5

23、-2 纤维涂层法工艺流程图5.4具体步骤5.4.1靶材的制作与增强体纤维的缠绕将 Ti 一 6AI 一 V 钛合金块锻压成型，然后进行热处理使其均质化，消除或者减小应力，再 用线切割进行加工得到有余量靶材的毛坯，再用磨床磨削到规格尺寸，用超声波清洗磨削液后制 成靶材。将增强体 SiC 在无尘环境中缠绕在纤维支架上，缠绕结束要对支架上的纤维进行检查防止纤 维间的搭接，从而影响到后面溅射时候涂层的均匀性。5.4.2 溅射涂层使用磁控溅射设备在纤维上均匀的涂敷钛合金涂层，涂层的厚度由复合材料中的纤维体积分 数决定5.4.3 涂层纤维的堆垛与填装将涂层纤维分割成要求尺寸，然后将敷有钛合金涂层的纤维在经

24、过严格清洗的厚壁钛合金管 中密集堆垛，紧密程度要适中。填装过于紧密，容易使纤维发生错动，剥落涂层，而填装得太疏 松则容易从孔中滑出 ,影响热等静压的致密压实。5.4.4 真空封焊和热等静压抽真空后使用真空压力扩散焊接设备或者用真空电子束焊设备封焊，再经热等静压将基体致 密压实。封焊使用的包套的质量影响着热等静压致密化的程度，包套可以阻挡热等静压的压力介 质气体进入复合材料中，还能保持真空封焊时的真空度（由于复合材料中氧含量对材料性能有很 大影响，在溅射和制备试样过程中都要保证足够的真空度，以降低氧含量对材料的影响）。 5.5 溅射工艺5.5.1 反溅射时间纤维在制造过程中不可避免的要有污染物，

25、阻碍了涂层与纤维的结合。合适时间的反溅射清 洗则能将表面污染物，表面吸附的气体溅射出去。粒子轰击还能改善形核和生长状态，纤维表面 形成微观粗糙不平，增加纤维与涂层间的机械锁合力，有利于涂层在纤维上的沉积，改善涂层与 纤维间的附着性。同时在制造纤维的时候表面也会有结合不是很好的 SiC 颗粒，反溅射也能将它 打出去，避免了在涂层生成后由于表面张力使得涂层与纤维分开。反溅射工艺直接影响纤维与涂 层的结合情况，从而影响到整个复合材料在制备后的整体性能 24 。5.5.2 溅射功率从溅射薄膜理论上可以知道，涂层在产生和变厚的时候同时要产生应力，应力则会破坏纤维 与涂层的结合，功率越大，应力则相应的变大

26、。在一定范围的功率内功率增大，使得溅射出的靶 材原子能量变大，数目便多。能量大的原子能提高沉积时候原子的扩散能力，从而提高与纤维的 附着能力。这两个因素对纤维涂层的附着性的影响是相反的，就会在某一个功率条件下，两者的 影响相互抵消，形成一种平衡，在这个条件下纤维涂层的附着性是最好的 25 。5.5.3 工作气压 在功率相同的条件下，刚溅射出靶材的原子具有的能量是相同的，在到达纤维要经过很多次 碰撞。工作气压高，这种碰撞发生的次数及相对较大，气体原子对靶材原子的散射比较厉害，原 子损失的能量较大 26。这就降低了原子在沉积时后的扩散能力，对附着性和致密性就有很大的影 响。但是如果气压过低，溅射时

27、起辉不足或者无法起辉，轰击靶材的氢气离子太少也影响涂层的 附着力和致密性。5.6 热等静压工艺用纤维涂层法制备复合材料，采用热等静压作为最后压实致密化的方法。热等静压使整个涂 层纤维通过钛合金管在加热过程中受到各个方向均衡压力，利用高温高压的共同作用促进材料的 致密化。溅射产生的涂层纤维在溅射过程中没有发生界面反应，是机械结合，这种结合的结合力 很弱,在受到单方向的压力时很容易脱落，脆性的 SiC 纤维在受到单方向很大压力的时候很容易破 碎，失去或减弱做为增强体的作用，热等静压可以很好地解决上面的问题。制定热等静压工艺首先要确定热等静压的温度，通常在制备复合材料的温度范围是低于该基 体钛合金的

28、 转变温度 30 一 100。压力选择既要能保证材料产生塑性流动，又要能保证增强体 不被压碎。 SiC/Ti 基复合材料的压力从 100MPa到 200MPa 范围内都有。保温保压时间选择应使 基体的蠕变能充分进行，又不至于造成晶粒长大等不利现象出现，一般选择1一 2 小时27。6 总结SiC纤维增强钛基复合材料 (TMC)将钛合金的塑性与增强体 SiC 纤维的优越承载能力相结合， 表现出良好的性能，使其即使在 600800的高温下，仍具有卓越的强度、韧度、刚度和蠕变抗 力。采用箔-纤维-箔法、浆料带铸造法、纤维涂层法三种制备工艺，按照工艺流程，控制工艺参 数，即可制备性能良好的 SiC 纤维

29、增强钛基复合材料。TMC 有着高的比强度和比模量以及极佳的疲劳和蠕变性能，优异的高温性能及耐蚀性能，倍 受瞩目，它在航空航天领域中有着广泛的应用前景。致谢感谢向道平老师对本论文相关理论知识的指导，对我完成该论文提供了很大的帮助参考文献1 Kissingr R D, Deye J D, Anton D L, Cetel A D eds.Supcralloys 1996C. Pennsylvania: TMS Press, 1996: 5795862. 杨延清,朱燕,陈彦等 ,siC 纤维 n基复合材料的制备及性能 ,稀有金属材料与工 程,2002,31(3):201#2043. 毛小南,张鹏省,

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