连续纤维增强钛基复合材料研究概况)

连续纤维增强钛基复合材料研究概况

曾立英　邓　炬　白保良　赵永庆

(西北有色金属研究院　西安710016)

摘　要　重点介绍了连续纤维增强钛基复合材料的3种复合方法,即箔材-纤维-箔材法、等离子喷射涂层法和物相沉积法。开发的强化纤维有SiC纤维和Al2O3单晶纤维,并介绍了它们的研究进展。最后讨论了一些复合材料的性能特点和复合材料的损伤评价技术。

关键词　连续纤维　钛基体　横向蠕变　损伤评价

中图法分类号:T G146.23 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2000)03-0211-05

连续纤维增强钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量[1],并比钛合金更耐热,可在高于600℃的环境下使用。连续 -SiC纤维增强的T i-6-4中,轴向UT S可达1.8GPa;弹性模量是基体的1.3倍[2]。这些均使其有望用作未来先进航空航天飞机的蒙皮、刚性件和高性能发动机部件。若用作发动机转子、风扇叶片和盘件,以取代N i基或Co基超合金,发动机可减重30%[3]。近20年来,材料工作者对其进行了深入的研究[4,5],并取得了突破性进展。特别是随着SCS-6等SiC纤维的改进与商品化,纤维增强钛基复合材料的一些研究成果开始产业化。如美国国防部和NASP资助建立的SiC纤维增强钛基复合材料的生产线,为单级直接进入轨道航天飞机提供机翼和机身的蒙皮、支撑衍梁、加强筋等构件[4]。近年来又开发了一些新的制备方法,如三极管溅射和磁控溅射技术。所研究的基体合金范围扩展为近 , , + 和 合金。为使一些复合材料工程化,对它们的疲劳裂纹扩展、断裂等方面也进行了深入的研究[6-8]。本文阐述了一些复合材料的性能特点,介绍了近年来制备连续纤维增强钛基复合材料的方法、开发的强化纤维与基体合金研究概况,并给出复合材料损伤评价技术。

1　复合材料的制备技术

1.1　复合方法

连续纤维增强钛基复合材料的制备分为复合和固化压实2个步骤。该材料的复合非常困难,只能用固相法合成。开发的方法以固化压实前纤维与基体的不同排列方式来区分,通常称为箔材-纤维-箔材(FFF)法、等离子喷射涂层法(M CM)和物相沉积法(PVD)。图1为3种方法的示意图。表1比较了3种方法的优缺点。物相沉积(PVD)法分为2类:电子束蒸发沉积(EBED)和溅射技术(三级管溅射,TS;磁控溅射M S)。它们都是在固化压实之前在单根纤维上涂覆一层均匀的基体。基体以涂层形式出现,减少了加工成箔材或粉末的昂贵的加工费。该工艺的主要优点为:纤维分布均匀;每一纤维被基体包围,纤维间不接触,纤维损伤小;纤维体积分数可用涂层厚度来控制;

利于近净形加工。

图1　3种复合方法的示意图

F ig.1　Schemat ic diagr am of t hree kinds o f

co mposite pr ocess

1.2　固化压实

常用热等静压(HIP)或真空热压(VHP)来固化压实复合材料[11,17]。但最近研究表明:用锻造法代替HIP或VHP,复合材料的室温拉伸性能和疲劳性能与HIP法制备的相当,既降低了成本又节约了加工时间[9]。PVD+HIP法制备的 -SM1240/T i-6-4的压

第29卷 第3期2000年 6月　

稀有金属材料与工程

RARE M ETAL M A TERIALS AND ENGINEERING

Vol.29,No.3

　J une2000

联系人:曾立英,女,30岁,硕士,工程师,西北有色金属研究院钛合金研究所,西安710016,电话:029-*******,传真: 029-*******

表1　3种复合方法的比较

Tab.1　Comparision of three composite processes

复合方法Composite pr ocess 工艺过程

Pr ocessing

优点

A dv antag e

缺点

Disadvantag e

研究的合金

A lloy studied

参考文献

R eferences

箔材-纤维-箔材法F FF.met ho d 依纤维体积分数及对称性交替

叠放基体箔和编织纤维网,加

热并加压使其致密

经济

纤维分布不均匀,纤

维间接触,易产生疲

劳裂纹

+

近

[9,10]

等离子喷射涂层法M CM.metho d

物相沉积用真空等离子体将金属粉浆注

入高速旋转的编织纤维上,堆

垛压实所获单带

材料较密

实,纤维较

固定,界面

反应小

基体组织不均匀,熔

滴易损伤纤维,合金

成分不可控

近

+

,

[11-13]

　电子束蒸发沉　积EBED 电子束枪蒸发的钛合金棒以原

子的形式在纤维上冷凝

成分不易控

制

涂层速率高,金属利

用率仅10%

T i-64,T iA l

T i3Al+V

[14]

　三极管溅射 T S 可精确控制

成分

沉积速度低,金属利

用率高达80%

T i-64,6242,

I M I834

[15]

　磁控溅射M S 纤维间距均

匀,界面可

控

T i-64,

IM I834,

T i-22A1-23N b

[16]

实分2步。材料相对密度接近0.85时,柱状颗粒接触,幂函数蠕变控制(PLC)的长大起作用;相对密度超过0.9时,扩散晶界滑移(DAGS)起作用,即孤立菱形孔不断收缩,从而使材料致密[18]。用压实显微机械-单胞模型来模拟此过程,DAGS为压实主要机制。溅射法+VHP制备的纳米级 -SM1240/T i-6-4中, 760℃～900℃间产生超塑性,压实所需的温度和压力比其它复合材料的低。有限元分析模型预测值与实验结果吻合得较好[19]。

2　强化纤维与基体材料

2.1　强化纤维

强化纤维应在不低于1000℃时仍具有较高的模量和拉伸强度,且相对于钛基体要稳定,二者的热膨胀系数差别要小。商品化的纤维见表2,最成功的是Tex tron公司制备的连续SiC纤维SCS-6。商用纤维大多数是用CVD法制备的大直径的SiC单纤维,它具有较好的高温强度、热稳定性和抗氧化性。SiC纤维共有两类:一类是含直径为33 m碳芯的纤维,牌号为SCS-0,SCS-6,SCS-ultra,SCS-9;另一类是含直径为13 m钨芯的纤维,牌号为 SM1140+和 SM1240。含碳芯的SiC纤维热稳定性比钨芯的 SM1140+好得多。

表2　一些商用连续纤维的特性[20]

Tab.2　Properties of some commercial continuous fibers

类型T y pe

名称

N ame

生产商

Pr oducer

直径

Diameter

d/ m

拉伸强度

U T S/G Pa

模量

M o dulus

/GP a

保护涂层

Pr ot ect ive

co ating

涂层厚度

T hickness o f

co ating/ m

SiC -SM1140+DERA-Sigma106 3.4400

SiC -SM1240+DERA-Sigma100C+T iB x 1.3+1.3 SiC SCS-0+T ex tr on140N o coat ing无涂层

SiC SCS-6+T ex tr on140 4.0400C-r ich do uble富碳的双涂层2～4 SiC SCS-ultr a T ex tr on140 6.2420

SiC T r imar c A mer co m125 3.5410T r iplex C三层碳涂层3

A l2O3Sapphir e Sa phiko n I nc.120 3.4410

另一类强化剂为Al2O3单晶纤维,它的热稳定性、机械性能好;热膨胀系数更接近钛基合金,纤维与基体的热应力小,制备及热循环时基体中不易形成微裂纹。供应的此纤维无外保护涂层。其涂层工艺尚未成熟,价格昂贵,仍在探索之中[21]。

2.2　基体

根据使用温度的不同,复合材料常见的基体有近 , , + , 合金及TiAl基合金。其中研究较多的为Ti-6Al-4V[20]。 合金(Ti-15-3, 21S)的冷成型性优于 + 合金,但其蠕变抗力较低,某些应用条件下横向性能达不到要求。新一代涡轮发动机使用温度较高,这就要求复合材料基体的高温性能要好,近 合

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・稀有金属材料与工程29卷