钛基复合材料的应用

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10级金属（1）班

刘超凡

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钛基复合材料的应用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。

目前，钛基复合材料最重要、最有潜力的应用领域之一是在航空航天结构材料以及航空航天发动机材料。为提高高温钛合金的性能及使用温度，钛基复合材料应该具有高比强度、高比模量，更为重要的是，应在高温条件下有高的强度、优异的抗蠕变性能、可靠的热稳定性、抗氧化性以及高的疲劳强度。为争夺钛材料的技术和市场优势，世界各国纷纷开始进行了钛合金复合材料的开发研究。

钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚硬陶瓷增强体的一种复合材料。它把金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能。TMCs极具吸引力的物理性能和力学性能，诸如高模量、高强度、抗氧化，已经许多研究证明。

钛基复合材料的研究开始于70年代，在80年代中期，美国航天飞机（NASP）和整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)以及欧洲、日本的同类发展计划的实施推动了钛基复合材料的发展。例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC/Ti-6Al-4V复合材料，用作半球形火箭壳、导弹尾翼和飞机发动机零件。日本丰田公司利用粉末冶金法制备了TiB短纤维增强Ti-7Mo-4Fe-2Al-2V复合材料，成功应用在丰田引擎中，作为进气、出气阀的材料。在航天航空、军用和民用领域获得实际应用，体现出研究和开发钛基复合材料的重要价值。

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。

近年来, TMCs的发展虽然很快, 但仍是一种新型昂贵的材料并尚处于发展之中，尤其是冷战结束以后, 由于缺乏对宇航、军事项目长期巨额资金的支持, 使TMCs 的研究与发展开始降温，其目标转向工程应用, 发展低成本颗粒增强的钦基复合材料成为当今一种重要趋势。

（一）不连续纤维钛基增强复合材料形变与断裂

复合材料与基体合金的蠕变应力指数和激活能是一致的, 这意味着复合材料蠕变机制与基体合金是相同的 在低应力阶段, 激活能与Ti 的自扩散激活能相近, 应力指数与错位攀移控制蠕变应力指数一致, 错位结构也是典型的, 形成了胞状结构，因此可以肯定, 在低应力阶段, 复合材料与基体合金一样, 蠕变由错位攀移速率控制。从金相观察发现在高应力阶段, 界面空洞较多, 因此, 可以认为界面损失是高应力阶段蠕变的控制因素。颗粒和晶须大量自身开裂, 也发生大量界面开裂 基体合金呈晶蠕变断裂形貌, 而复合材料的集体呈穿晶韧窝断裂形貌。

（二）连续纤维增强钛基复合材料

2.1 用于增强钛合金的连续粗纤维

在钛基复合材料目前常采用的三种增强体类型中, 连续粗纤维增强方式在力学性能方面显示出特有的优越性, 与颗粒、晶须或短纤维增强相比, 它同时兼有高的刚性，高的强度和高的韧性, 在未来高性能飞机、航空发动机和航天飞机

上有着广阔的应用前景。

纤维/钛合金中的增强组元纤维是承受外界载荷的主体 在给定纤维含量的情况下, 粗纤维可以增加其间的距离, 从而有利于降低纤维在高温复合固结过程中产生径向裂纹倾向和充分发挥铁基体的韧性作用。目前化学气相沉积方法(C VD) 制备的粗纤维都存在一定的残余应力, 而且考虑到经济性, 增强钛合金的连续纤维直径以0.12一0. 15nm 为宜。经过可能用于钛基复合材料的连续纤维如SI C 、Bor sic(硼纤维表面涂sic层)和B4C一B等评定后发现, 美国Textron 公司生产的SCS一6纤维是目前钛基复合材料最理想的增强体。

2.2 纤维/合金制造技术

与钛合金相比, 纤维/钛合金具有高的强度性能和使用温度, 比强度、比模量则分别提高约50 %和10 % 。它的强度性能主要受高温复合成型过程中纤维与钦合金基体的反应, 显微组织结构稳定性和内部残余应力等因素的影响。目前阻碍纤维钛合金大量进入空间技术市场的主要原因是材料制造工艺复杂和价格昂贵 在它的发展过程中, 高强度高模量连续碳化硅粗纤维的起到了很大的推动作用。

纤维/钛合金的制造过程大体上可分为纤维和基体交替叠层预制件的制备和复合固结成形等两大部分。预制件的制备方法有粉末布工艺、真空等离子喷涂工艺和纤维一箔材交替铺层等，前两种工艺要求基体钛合金粉末的纯度高, 但钛合金粉末表面往往存在一薄氧化层, 容易引起高温固结过程中对复合材料的污染, 加之工艺复杂, 成本高, 使用上受到限制。因此目前常采用纤维一钛箔两者的交替铺层数目. 单向增强Sic 纤维有事采用钛丝进行横向编织，特别是后两种工艺可以直接成形复合材料零件坯料, 故在生产上广为采用。

值得指出的是, 真空热压工艺实现预制件复合固结的原因是钛合金在一定温度与压力作用下, 产生超塑性成形和扩散连接的综合效应。

2.3 连续纤维增强钛基复合材料的超塑性变形

日本研究人员研究了溅射法制备的复合材料的超塑性成型特性及其中的空隙现象。他们采用的基体是富β的α十β合金SP-700温度低于80 0, SP -700 会表现出良好的超塑性。