專利名稱：一種連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料先驅(qū)絲的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)，具體地說是一種連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材先驅(qū)絲的制備方法。
背景技術(shù)：
航空、航天和空間技術(shù)的發(fā)展要求高溫材料具有更低密度、更高強(qiáng)度和更高工作溫度。然而，鈦合金和鎳基高溫合金等傳統(tǒng)高溫材料已接近其最高使用溫度，因此必須發(fā)展新型高溫材料，以滿足航空發(fā)動機(jī)工作溫度不斷提高的要求。目前，連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是新型高性能空間結(jié)構(gòu)材料的一個發(fā)展方向，其原因是SiC纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量和很好的熱穩(wěn)定性、抗腐蝕和耐磨等性能特點(diǎn)，因此可用作高溫材料的增強(qiáng)體，以提高材料的使用溫度和力學(xué)性能。另外，連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料能顯著改善蠕變抗力和剛度，更具有廣闊的應(yīng)用前景。
在現(xiàn)有技術(shù)中制備SiC/Ti基復(fù)合材料的預(yù)制體主要采用1)箔-纖維-箔(FFF)；2)涂敷基體的預(yù)制帶(MCM)；3)基體涂敷的纖維(MCF)三種工藝。其中FFF法的主要缺點(diǎn)是制箔困難，復(fù)合材料成品形狀受到限制；MCM法主要是通過等離子體噴涂技術(shù)，將熔融基材沉積于纖維上，這種方法要求粉末形式的基體材料，并且沉積溫度較高，對Ti合金類活性材料會造成大量的間隙污染，而且難以避免裂紋和縮孔。另外，現(xiàn)有技術(shù)中MCF方法可采用粉末涂層法制備的先驅(qū)絲，具體是先按一定比例將金屬粉、粘結(jié)劑、有機(jī)溶劑制成均勻混合的懸浮漿體，再將漿體倒入設(shè)備中，SiC纖維絲從設(shè)備中連續(xù)拉出，得到了SiC纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料先驅(qū)絲。缺點(diǎn)是1.對于有的金屬(如難熔金屬)，粉體制備困難；2.涂層厚度均勻性差，結(jié)合力弱；3.在熱壓的過程中，一定形狀的粉末顆粒會對纖維表面造成損傷，從而影響復(fù)合材料的性能；4.由于粘結(jié)作用，會有一定厚度的漿體粘SiC纖維表面，所用膠體可能會對材料造成一定的污染。近年來MCF采用物理氣相沉積(PVD)制備金屬基復(fù)合材料的方法引起廣泛關(guān)注。該方法通過濺射將基材涂敷于纖維上，制成先驅(qū)絲(MCF)，然后熱壓成型。其優(yōu)點(diǎn)是制備的復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)可控，且纖維排布較好、復(fù)合材料性能較高，它特別適用于制備很難獲得基體箔材和粉末的復(fù)合材料。不足之處是很難獲得高性能的先驅(qū)絲，這是目前該方法所存在的一個主要問題。和普通的鍍膜不一樣，先驅(qū)絲的鍍層的厚度要根據(jù)復(fù)合材料纖維的體積分?jǐn)?shù)而定，而且根據(jù)實(shí)際的需要，纖維的體積分?jǐn)?shù)會減少，使鍍層的厚度大大增加，則鍍層本身的生長應(yīng)力和濺射過程的熱應(yīng)力就會使鍍層自動發(fā)生剝落，或者由于與基體之間的結(jié)合力很弱，在后繼的排布過程中，鍍層發(fā)生脫落。如果在濺射的過程中纖維與基體發(fā)生反應(yīng)，結(jié)合力會很好，又會造成纖維性能的下降，從而影響了復(fù)合材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種鍍層厚度均勻、鍍層與基體的結(jié)合力強(qiáng)、性能高的連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合先驅(qū)絲的制備方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是可按如下步驟操作1)以連續(xù)SiC纖維為基體，先對基體表面進(jìn)行清潔處理，然后將基體纏繞在以Ti合金為靶材的樣品架上；2)放入真空室，先預(yù)抽真空，再通入氬氣；旋轉(zhuǎn)基體，對基體進(jìn)行預(yù)熱；對所述預(yù)熱后基體進(jìn)行磁控濺射；磁控濺射結(jié)束時，降溫后取出樣品；所述濺射工藝參數(shù)為磁控濺射工作預(yù)真空度為3.0×10-4Pa～3.0×10-5Pa；通入氬氣，使真空度(磁控濺射氣壓)達(dá)到10-2Pa～10Pa之間；基體運(yùn)動速度(即纖維的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速)為5轉(zhuǎn)/分鐘～30轉(zhuǎn)/分鐘；基體溫度(即纖維預(yù)熱溫度)控制在25℃～500℃之間；磁控濺射功率為2000W～4000W；靶-基距為30mm～70mm；根據(jù)所需基體的體積分?jǐn)?shù)決定濺射時間的長短；磁控濺射結(jié)束后，可降溫到30℃以下取出基體樣品。
本發(fā)明原理是鍍層與纖維之間的結(jié)合力和工作預(yù)真空度、纖維表面的清潔度、纖維基體的溫度、濺射粒子的能量等有關(guān)，如纖維表面的清潔度好、纖維基體的溫度高、濺射粒子的能量大則有利于鍍層和纖維之間的結(jié)合，但是，若纖維基體的溫度過高，會引起鍍層和纖維之間的化學(xué)反應(yīng)，濺射粒子的能量過大，會對纖維表面造成損傷，影響復(fù)合材料的性能。本發(fā)明磁控濺射前先對基體表面進(jìn)行清潔處理，以保證纖維表面的清潔度；纖維預(yù)熱溫度控制在25℃～500℃之間，使纖維基體的溫度適中，不會引起鍍層和纖維之間的化學(xué)反應(yīng)，另外可使鍍層的晶粒度能達(dá)到納米級；磁控濺射得到的納米晶鍍層，有利于后續(xù)熱壓復(fù)合工藝的優(yōu)化，如在后續(xù)熱壓復(fù)合工藝中可利用鍍層的超塑性流動，降低壓制的過程中的壓制溫度和減小壓制壓力，以避免界面的過度反應(yīng)和纖維的損傷；本發(fā)明選用的基體運(yùn)動速度有利于均勻鍍膜及納米鍍層的形成；其濺射功率、靶-基距決定沉積速率大??；本發(fā)明采用預(yù)工作真空度范圍可減少鍍層的氧含量，決定復(fù)合材料的性能，并有利于鍍層和纖維之間的結(jié)合；濺射粒子的能量由濺射的靶功率和磁控濺射氣壓決定。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.具有結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)。采用本發(fā)明鍍層厚度均勻，界面結(jié)合很好，先驅(qū)絲的斷裂屬于脆性斷裂，拉伸斷口處鍍層和纖維一起斷裂，鍍層沒有脫落。
2.性能更高。采用本發(fā)明纖維和基體之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，濺射過程沒有造成纖維性能的下降，通過分別對SiC纖維和先驅(qū)絲的測試得知，相對于混合定律的比率能達(dá)到95％。
3.無污染、纖維表面無損傷。由于沒有使用粘結(jié)劑，不會有任何污染；又因?yàn)榫Я＜?xì)小，所以不會向粉末涂層那樣，可能會造成對纖維表面的損傷。
4.本發(fā)明所得到的鍍層的晶粒度是納米級別(粒度為20nm～50nm)，有利于后繼熱壓工藝的優(yōu)化。


圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例中將連續(xù)SiC纖維纏繞在樣品架上與Ti合金靶的位置關(guān)系圖。
圖2為本發(fā)明一個實(shí)施例厚度均勻的先驅(qū)絲的掃描電電子顯微鏡照片。
圖3為本發(fā)明一個實(shí)施例中能反應(yīng)結(jié)合狀態(tài)的先驅(qū)絲的拉伸斷口照片。
圖4為本發(fā)明一個實(shí)施例中能反應(yīng)結(jié)合狀態(tài)的先驅(qū)絲界面的SEM照片。
圖5為本發(fā)明一個實(shí)施例中與圖4中線掃描(橫線部分)對應(yīng)的能譜分析圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例11)以連續(xù)SiC纖維為基體，先采用酒精或丙銅等常規(guī)方法對基體表面進(jìn)行清除污染的處理，然后將基體纏繞在以Ti合金為靶材的樣品架上，如圖1所示；2)將纏繞在以Ti合金為靶材的樣品架上的基體放入真空室，先預(yù)抽真空，通過在基體的兩側(cè)設(shè)加熱器(與靶放置方式相同)的輔助手段，在500℃～600℃(本實(shí)施例為550℃)下烘烤真空室，同時在基體旋轉(zhuǎn)的情況下對基體均勻加熱，使工作預(yù)真空度達(dá)到要求；再通過閥門的控制通入氬氣；然后，啟動步進(jìn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)基體，對基體進(jìn)行預(yù)熱；再啟動雙對靶磁控濺射儀器電源，開始對所述預(yù)熱后基體進(jìn)行磁控濺射，本實(shí)施例所需基體的體積分?jǐn)?shù)為(即鍍膜厚度為16μm，因此磁控濺射時間為8小時；濺射結(jié)束時，降溫到30℃以下，開啟真空室取出樣品。
本實(shí)施例采用雙對靶磁控濺射儀器，磁控濺射工藝參數(shù)如表1所示，得到了連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料先驅(qū)絲。
表1 磁控濺射的工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是得到的先驅(qū)絲厚度均勻，如圖2所示，鍍層晶粒的尺寸在20nm～50nm之間。先驅(qū)絲的斷裂屬于脆性斷裂，鍍層沒有脫落，結(jié)合很好，參見圖3。本發(fā)明結(jié)合力好，鍍層厚度均勻；由于沒有使用粘結(jié)劑，不會有任何污染；又因?yàn)榫Я＜?xì)小，所以不會向粉末涂層那樣有造成對纖維表面損傷的可能。
本發(fā)明可根據(jù)weibull分布來分析SiC纖維和先驅(qū)絲的室溫拉伸強(qiáng)度，其SiC纖維和先驅(qū)絲的拉伸強(qiáng)度分析結(jié)果如表2所示。
表2 SiC纖維和先驅(qū)絲的拉伸強(qiáng)度

從表中可以看出，纖維的性能沒有下降。另外，本發(fā)明纖維和基體之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如圖4、5所示。
本實(shí)施例實(shí)驗(yàn)條件采用S-360掃描電電子顯微鏡(CambridgeInstruments，Ltd.)觀察復(fù)合材料先驅(qū)絲的表面形貌和拉伸試樣斷口，采用日本理學(xué)(Rigaku)D/max-rA型X-射線衍射儀(Cukα輻射，管電壓50KV，管電流100mA)分析樣品的相成分，采用日產(chǎn)Tension UTM-II-20型拉伸試驗(yàn)機(jī)對先驅(qū)絲室溫抗張強(qiáng)度進(jìn)行測試。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料先驅(qū)絲的制備方法，其特征在于可按如下步驟操作1)以連續(xù)SiC纖維為基體，先對基體表面進(jìn)行清潔處理，然后將基體纏繞在以Ti合金為靶材的樣品架上；2)放入真空室，先預(yù)抽真空，再通入氬氣；旋轉(zhuǎn)基體，對基體進(jìn)行預(yù)熱；對所述預(yù)熱后基體進(jìn)行磁控濺射；磁控濺射結(jié)束時，降溫后取出樣品；所述磁控濺射工藝參數(shù)為預(yù)抽真空使真空度至3.0×10-4Pa～3.0×10-5Pa；通入氬氣，使真空度達(dá)到10-2Pa～10Pa之間；基體運(yùn)動速度為5轉(zhuǎn)/分鐘～30轉(zhuǎn)/分鐘；基體溫度控制在25℃～500℃之間；磁控濺射功率為2000W～4000W；靶-基距為30mm～70mm。
2.按照權(quán)利要求1所述連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料先驅(qū)絲的制備方法，其特征在于根據(jù)所需基體的體積分?jǐn)?shù)決定磁控濺射時間的長短。
3.按照權(quán)利要求1所述連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料先驅(qū)絲的制備方法，其特征在于磁控濺射結(jié)束后，可降溫到30℃以下取出基體樣品。
全文摘要
本發(fā)明公開一種連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料先驅(qū)絲的制備方法。它以連續(xù)SiC纖維為基體，先對基體表面進(jìn)行清潔處理，然后將基體纏繞在以Ti合金為靶材的樣品架上；放入真空室，先預(yù)抽真空，再通入氬氣；旋轉(zhuǎn)基體，對基體進(jìn)行預(yù)熱；對所述預(yù)熱后基體進(jìn)行磁控濺射；其工藝參數(shù)為預(yù)抽真空使真空度至3.0×10
文檔編號C22C47/20GK1519390SQ0311090
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者王玉敏, 符躍春, 石南林, 張德志, 楊銳 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所