sic纖維鈦基復合材料簡介

鈦基復合材料加工前言

在現(xiàn)有的基礎上提高高溫鈦合金的使用溫度存在著較大的困難，難以滿足日益苛刻的綜合性能要求。于是，鈦合金向鈦材料的新一族——鈦基復合材料(TMCs)發(fā)展的轉(zhuǎn)移趨勢也應運而生。近年來，由于其相對鈦合金更為優(yōu)異的綜合性能，鈦基復合材料引起人們廣泛關注。鈦基復合材料的種類

鈦基復合材料主要分為兩大類：連續(xù)纖維增強鈦基復合材料和顆粒增強鈦基復合材料。早期研究的主要領域是以碳化硅纖維增強的鈦基復合材料，可顯著提高基體合金的機械性能，但纖維增強鈦基復合材料受到以下幾個因素的制約：碳化硅纖維價格昂貴、加工工藝復雜、各向異性。此外，鈦基復合材料中SiC纖維與鈦基體熱膨脹系數(shù)相差較大，容易在制備和服役過程中產(chǎn)生較大的熱應力，且在高溫條件下與鈦基體發(fā)生界面反應而生成TiCx、Ti5Si3(C)等產(chǎn)物，嚴重影響復合材料的性能。上述幾個因素嚴重地限制了連續(xù)纖維增強鈦基復合材料的應用。最近，以外加或原位生成的非連續(xù)增強鈦基復合材料因其制備和加工工藝與鈦合金相似，成本與鈦合金材料接近，可望在航空航天和軍工領域的許多高溫結(jié)構中獲得實際應用。低密度、高模量和高強度的陶瓷顆?；蚨汤w維加入鈦合金基體中，可顯著提高材料的比模量、比強度和蠕變性能，進一步提高它的使用溫度，以滿足高溫鈦合金不斷發(fā)展的需要。因此，非連續(xù)增強鈦基復合材料是目前的重要研究方向。此外，陶瓷增強相可顯著提高基體合金的耐磨性，結(jié)合鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點，滿足航空航天和軍工領域?qū)Σ牧夏湍ァ⒛臀g的要求。SiC纖維增強鈦基復合材料簡要介紹成型方法性能特點發(fā)展展望CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS主要目錄

簡要介紹

SiC纖維增強鈦基復合材料SiC纖維增強鈦基復合材料是以SiC纖維為增強相以鈦（或鈦合金）為基體的新型復合材料，具有高比強度、高比剛度、高的蠕變及疲勞性能，為基體鈦合金所無法比擬，因而可在更高溫度使用。纖維增強鈦基復合材料在航空航天領域中有廣闊應用前景，可大大減輕飛行器的結(jié)構重量，提高飛行器的工作效率。近20年來材料工作者對其進行了深入的研究，并取得了突破性進展

簡要介紹SiC纖維增強鈦基復合材料圖1SiCf/TC4復合材料空心整體結(jié)構圖2件采用箔材刻槽法制備的復合材料的橫斷面

簡要介紹

SiC纖維增強鈦基復合材料制備工藝SiC纖維增強的制備過程分為復合和壓實2個過程。鈦的化學性質(zhì)活潑，鈦合金在高溫下可以和大多數(shù)增強纖維發(fā)生化學反應，生成有害的界面反應物導致復合材料力學性能下降，故只能用固相法制備。目前SiC纖維增強鈦基復合材料的制備技術主要有：等離子噴涂法(MCM)纖維增強和纖維涂層法(MCF)。常用的固化壓實技術有熱等靜壓(HIP)和真空熱壓(VHP)2種。123成型方法

等離子噴涂法(MCM)纖維涂層法(MCF)SiC纖維增強法的其他制備工藝1成型方法

等離子噴涂法(MCM)該工藝用等離子噴槍把熔融或者接近熔融狀態(tài)的鈦合金以微米級顆粒噴向纏繞有纖維的轉(zhuǎn)輪上，將冷凝之后形成的單層薄帶切割下來，多層疊放，然后熱壓或熱等靜壓制成復合材料。該方法用熔融的鈦合金基體固定增強纖維，克服了FFF法纖維不易固定的缺點，固壓成型后纖維分布均勻。但由于熔融鈦合金溫度高，與纖維接觸時會發(fā)生界面反應。在用該工藝制備SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中發(fā)現(xiàn)：前者在界面處生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面處生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了復合材料的性能。1成型方法

等離子噴涂法(MCM)優(yōu)點：克服了FFF法纖維不易固定的缺點，固壓成型后纖維分布均勻。缺點：由于熔融鈦合金溫度高，與纖維接觸時會發(fā)生界面反應；在用該工藝制備SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中發(fā)現(xiàn)：前者在界面處生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面處生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了復合材料的性能。2成型方法

纖維涂層法(MCF)圖5MCF法制備FTMCs的示意圖2成型方法

纖維涂層法(MCF)

用纖維涂層法可以獲得最佳的纖維分布。該工藝用物理氣相沉積法(PVD)把基體合金作為涂層材料，均勻地涂在單根纖維上，然后將基體涂層纖維捆綁、排布、封裝后熱壓或熱等靜壓成形，如圖4所示。2成型方法

纖維涂層法(MCF)優(yōu)點：①具有極好的纖維分布，無接觸聚集，只要纖維之間間距在30um以上，材料就不會因熱應力而造成裂紋；②成型工藝不像FFF法那樣要求嚴格；③纖維／基體界面區(qū)沒有或幾乎沒有被擾亂；④低的離群性；⑤原則上幾乎任何合金都可作基體；⑥不需要箔材和粉冶材料；⑦MCF適于用單絲纏繞制取環(huán)、盤和管材，其他方法成本很高且成形件性能較低；⑧纖維的體積含量可高達80％；⑨金屬涂層保護了陶瓷纖維在加工處理和成型工藝中不被破壞。3成型方法

SiC纖維增強法的其他制備工藝

纖維增強法的其他制備技術包括墊布工藝，漿料帶鑄造法等。近年來又開發(fā)出超塑性成形／擴散連接(SPF／DB)工藝制備纖維增強法的混雜結(jié)構技術。此技術制備SiC／Ti-15-3復合材料時，并非溫度越高越利于鈦基復合材料的擴散連接，在較低溫度下，利用超塑性變形可以提高復合材料質(zhì)量。性能特點

纖維增強鈦基復合材料的機械性能

法國宇航中心(ONERA)所制成的復合材料性能顯示，3種材料：SMll40+/Ti-6242，SMll40+Ti2AlNb和SMll40+/Ti2AlNbSi的彈性模量相似，SMll40+／Ti-6242的拉伸強度高于SMll40+/Ti2AlNb，而SMll40+/Ti2AlNbsi的拉伸強度最低。（見表一）性能特點

纖維增強鈦基復合材料的抗氧化性能Vassel等人在對SM1140/Ti-6242和SMll40+/Ti2AlNb的基體材料進行氧化實驗時得出，在600℃，700℃下，這2種基體材料的氧化動力學曲線服從拋物線規(guī)律，即△m/s=K1/2t，K為氧化動力常數(shù)，f為時間，△m/s為氧化增重。從表2可以得出2種六方晶型的合金Ti-21Al-27Nb和Ti-23Al-25Nb-0．35Si的氧化動力學基本相似．但其抗氧化性能明顯優(yōu)于Ti-6242合金。性能特點

纖維增強鈦基復合材料的界面反應Vassel等人對SMll40+/Ti-6242和SMll40+／Ti2AlNb復合材料的橫斷面組織研究得出，基體和增強纖維具有良好的復合界面，纖維和基體在復合過程中有金屬間化合物等脆性相生成，這種生成物可能成為裂紋源，從而對材料的蠕變、拉伸、疲勞等性能產(chǎn)生影響。表3列出3種復合材料的界面厚度和反應產(chǎn)物，其中2種六方晶系基體由3種相組成：O相(Ti2AlNb)，β(有序相，β2)和α相(Ti3Al，DO19)。圖6復合材料中纖維和基體的界面性能特點

纖維增強鈦基復合材料的界面反應發(fā)展展望

纖維增強鈦基復合材料在航空發(fā)動機上有廣泛的應用前景，目前國際上廣泛使用的為美國生產(chǎn)的SCS一6SiC纖維及英國的SMl240SiC纖維，SCS-6纖維是用化學氣相沉積(CVD)將SiC沉積在碳芯上，其外表面有一層3um的碳涂層，經(jīng)過改進CVD工藝，SCS—ULTRA和SCS一9A具有更加優(yōu)異的性能。英國生產(chǎn)的SiC纖維為鎢芯結(jié)構，外表面具有C／TiB2雙涂層，但無論是抗拉強度還是熱穩(wěn)定性均不及SCS系列纖維。圖6采用大量鈦基復合材料的通用公司F119發(fā)動機試車發(fā)展展望

纖維增強鈦基復合材料因其高比強、高比模量、好的尺寸穩(wěn)定性和高溫強度是航天工業(yè)中結(jié)構件的候選材料，到目前為止，已對其復合方法、強化纖維與基體合金、損傷評價技術等方面進行了深入的研究?；旌?/p>