sic纤维钛基复合材料简介

钛基复合材料加工前言

在现有的基础上提高高温钛合金的使用温度存在着较大的困难，难以满足日益苛刻的综合性能要求。于是，钛合金向钛材料的新一族——钛基复合材料(TMCs)发展的转移趋势也应运而生。近年来，由于其相对钛合金更为优异的综合性能，钛基复合材料引起人们广泛关注。钛基复合材料的种类

钛基复合材料主要分为两大类：连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。早期研究的主要领域是以碳化硅纤维增强的钛基复合材料，可显著提高基体合金的机械性能，但纤维增强钛基复合材料受到以下几个因素的制约：碳化硅纤维价格昂贵、加工工艺复杂、各向异性。此外，钛基复合材料中SiC纤维与钛基体热膨胀系数相差较大，容易在制备和服役过程中产生较大的热应力，且在高温条件下与钛基体发生界面反应而生成TiCx、Ti5Si3(C)等产物，严重影响复合材料的性能。上述几个因素严重地限制了连续纤维增强钛基复合材料的应用。最近，以外加或原位生成的非连续增强钛基复合材料因其制备和加工工艺与钛合金相似，成本与钛合金材料接近，可望在航空航天和军工领域的许多高温结构中获得实际应用。低密度、高模量和高强度的陶瓷颗粒或短纤维加入钛合金基体中，可显著提高材料的比模量、比强度和蠕变性能，进一步提高它的使用温度，以满足高温钛合金不断发展的需要。因此，非连续增强钛基复合材料是目前的重要研究方向。此外，陶瓷增强相可显著提高基体合金的耐磨性，结合钛合金耐腐蚀的优点，满足航空航天和军工领域对材料耐磨、耐蚀的要求。SiC纤维增强钛基复合材料简要介绍成型方法性能特点发展展望CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS主要目录

简要介绍

SiC纤维增强钛基复合材料SiC纤维增强钛基复合材料是以SiC纤维为增强相以钛（或钛合金）为基体的新型复合材料，具有高比强度、高比刚度、高的蠕变及疲劳性能，为基体钛合金所无法比拟，因而可在更高温度使用。纤维增强钛基复合材料在航空航天领域中有广阔应用前景，可大大减轻飞行器的结构重量，提高飞行器的工作效率。近20年来材料工作者对其进行了深入的研究，并取得了突破性进展

简要介绍SiC纤维增强钛基复合材料图1SiCf/TC4复合材料空心整体结构图2件采用箔材刻槽法制备的复合材料的横断面

简要介绍

SiC纤维增强钛基复合材料制备工艺SiC纤维增强的制备过程分为复合和压实2个过程。钛的化学性质活泼，钛合金在高温下可以和大多数增强纤维发生化学反应，生成有害的界面反应物导致复合材料力学性能下降，故只能用固相法制备。目前SiC纤维增强钛基复合材料的制备技术主要有：等离子喷涂法(MCM)纤维增强和纤维涂层法(MCF)。常用的固化压实技术有热等静压(HIP)和真空热压(VHP)2种。123成型方法

等离子喷涂法(MCM)纤维涂层法(MCF)SiC纤维增强法的其他制备工艺1成型方法

等离子喷涂法(MCM)该工艺用等离子喷枪把熔融或者接近熔融状态的钛合金以微米级颗粒喷向缠绕有纤维的转轮上，将冷凝之后形成的单层薄带切割下来，多层叠放，然后热压或热等静压制成复合材料。该方法用熔融的钛合金基体固定增强纤维，克服了FFF法纤维不易固定的缺点，固压成型后纤维分布均匀。但由于熔融钛合金温度高，与纤维接触时会发生界面反应。在用该工艺制备SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中发现：前者在界面处生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面处生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了复合材料的性能。1成型方法

等离子喷涂法(MCM)优点：克服了FFF法纤维不易固定的缺点，固压成型后纤维分布均匀。缺点：由于熔融钛合金温度高，与纤维接触时会发生界面反应；在用该工艺制备SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中发现：前者在界面处生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面处生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了复合材料的性能。2成型方法

纤维涂层法(MCF)图5MCF法制备FTMCs的示意图2成型方法

纤维涂层法(MCF)

用纤维涂层法可以获得最佳的纤维分布。该工艺用物理气相沉积法(PVD)把基体合金作为涂层材料，均匀地涂在单根纤维上，然后将基体涂层纤维捆绑、排布、封装后热压或热等静压成形，如图4所示。2成型方法

纤维涂层法(MCF)优点：①具有极好的纤维分布，无接触聚集，只要纤维之间间距在30um以上，材料就不会因热应力而造成裂纹；②成型工艺不像FFF法那样要求严格；③纤维／基体界面区没有或几乎没有被扰乱；④低的离群性；⑤原则上几乎任何合金都可作基体；⑥不需要箔材和粉冶材料；⑦MCF适于用单丝缠绕制取环、盘和管材，其他方法成本很高且成形件性能较低；⑧纤维的体积含量可高达80％；⑨金属涂层保护了陶瓷纤维在加工处理和成型工艺中不被破坏。3成型方法

SiC纤维增强法的其他制备工艺

纤维增强法的其他制备技术包括垫布工艺，浆料带铸造法等。近年来又开发出超塑性成形／扩散连接(SPF／DB)工艺制备纤维增强法的混杂结构技术。此技术制备SiC／Ti-15-3复合材料时，并非温度越高越利于钛基复合材料的扩散连接，在较低温度下，利用超塑性变形可以提高复合材料质量。性能特点

纤维增强钛基复合材料的机械性能

法国宇航中心(ONERA)所制成的复合材料性能显示，3种材料：SMll40+/Ti-6242，SMll40+Ti2AlNb和SMll40+/Ti2AlNbSi的弹性模量相似，SMll40+／Ti-6242的拉伸强度高于SMll40+/Ti2AlNb，而SMll40+/Ti2AlNbsi的拉伸强度最低。（见表一）性能特点

纤维增强钛基复合材料的抗氧化性能Vassel等人在对SM1140/Ti-6242和SMll40+/Ti2AlNb的基体材料进行氧化实验时得出，在600℃，700℃下，这2种基体材料的氧化动力学曲线服从抛物线规律，即△m/s=K1/2t，K为氧化动力常数，f为时间，△m/s为氧化增重。从表2可以得出2种六方晶型的合金Ti-21Al-27Nb和Ti-23Al-25Nb-0．35Si的氧化动力学基本相似．但其抗氧化性能明显优于Ti-6242合金。性能特点

纤维增强钛基复合材料的界面反应Vassel等人对SMll40+/Ti-6242和SMll40+／Ti2AlNb复合材料的横断面组织研究得出，基体和增强纤维具有良好的复合界面，纤维和基体在复合过程中有金属间化合物等脆性相生成，这种生成物可能成为裂纹源，从而对材料的蠕变、拉伸、疲劳等性能产生影响。表3列出3种复合材料的界面厚度和反应产物，其中2种六方晶系基体由3种相组成：O相(Ti2AlNb)，β(有序相，β2)和α相(Ti3Al，DO19)。图6复合材料中纤维和基体的界面性能特点

纤维增强钛基复合材料的界面反应发展展望

纤维增强钛基复合材料在航空发动机上有广泛的应用前景，目前国际上广泛使用的为美国生产的SCS一6SiC纤维及英国的SMl240SiC纤维，SCS-6纤维是用化学气相沉积(CVD)将SiC沉积在碳芯上，其外表面有一层3um的碳涂层，经过改进CVD工艺，SCS—ULTRA和SCS一9A具有更加优异的性能。英国生产的SiC纤维为钨芯结构，外表面具有C／TiB2双涂层，但无论是抗拉强度还是热稳定性均不及SCS系列纤维。图6采用大量钛基复合材料的通用公司F119发动机试车发展展望

纤维增强钛基复合材料因其高比强、高比模量、好的尺寸稳定性和高温强度是航天工业中结构件的候选材料，到目前为止，已对其复合方法、强化纤维与基体合金、损伤评价技术等方面进行了深入的研究。混合