本發(fā)明涉及復(fù)合材料預(yù)制體制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶及其制備方法。

背景技術(shù)：

SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(TMC)相比于傳統(tǒng)鈦合金具有更高的比強(qiáng)度、比模量，更好的高溫抗疲勞、抗蠕變等性能優(yōu)勢，是發(fā)展新型高性能航空、航天高溫輕質(zhì)部件的一類關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，特別是制成航空發(fā)動機(jī)用整體葉環(huán)、低壓渦輪軸等結(jié)構(gòu)件，有望大幅降低飛機(jī)重量，提高飛行效率。目前，圓環(huán)、管軸、圓筒等回轉(zhuǎn)體部件是該類材料應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)形式。

SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料制備技術(shù)主要包括預(yù)制體制備和復(fù)合成形兩個工藝過程。其中預(yù)制體的制備是鈦基復(fù)合材料制備技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，預(yù)制體形狀結(jié)構(gòu)和所采取的制備方法需要根據(jù)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行專門的設(shè)計。目前SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法主要有：箔-纖維-箔法(FFF)、涂敷基體的預(yù)制帶法(MCM)、基體涂敷的纖維法(MCF)。

FFF法的制備工藝最為簡單，簡言之就是一層纖維、一層箔的重復(fù)堆疊，特別適合進(jìn)行復(fù)合材料板材的制造，但是這種方法的缺點很多，例如纖維排布不整齊，易發(fā)生纖維接觸使復(fù)材性能降低，另外鈦合金箔材制備困難，并非所有牌號的鈦合金都能制備成箔材產(chǎn)品。

MCM法采用等離子噴涂技術(shù)，在按一定間距排布的纖維帶表面噴涂鈦合金，制成預(yù)制帶。這就要求纖維排布具有較大的間隙，以便于鈦合金填充，因此導(dǎo)致纖維體積分?jǐn)?shù)受限，如果纖維體積分?jǐn)?shù)較大時(即纖維間距較小)，這種方法制備的預(yù)制帶涂層中會包含一定的孔隙率，難以實現(xiàn)完全致密。鈦合金纖維與纖維的結(jié)合力有限，彎曲過程中可能發(fā)生界面開裂和涂層剝落的問題。另外，制備過程中高溫、高速的基體粒子可能造成纖維表面的損傷，較大的纖維間隙也容易出現(xiàn)間隙污染的問題。因此，目前這種預(yù)制體制備工藝很少在行業(yè)內(nèi)采用。

MCF法是近年來被普遍認(rèn)可的一種預(yù)制體制備方法，它采用物理氣相沉積技術(shù)，特別是利用磁控濺射技術(shù)在SiC纖維表面沉積Ti合金基體，制成了基體涂覆的纖維，即復(fù)合材料先驅(qū)絲。先驅(qū)絲可以纏繞、裁剪，適合于制備形狀復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，另外基體種類不受限制，纖維的體積分?jǐn)?shù)可控。

目前，制備SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體(環(huán)形、薄壁筒、管軸等)結(jié)構(gòu)件主要采用MCF法，具有代表性的是磁控濺射先驅(qū)絲法。雖然該方法可利用的優(yōu)點眾多，但是在成形后仍然可能出現(xiàn)一定的纖維斷裂問題，原因在于預(yù)制體制備過程中不可避免的會存在一定的孔隙率，孔隙率一般在10％～30％之間，因增強(qiáng)方式和纏繞工藝不同，孔隙率還可能更高。成形過程中孔隙的致密化需要基體變形流動，從而造成脆性纖維的變形和斷裂。MCM法盡管目前很少被采用，但是這種預(yù)制帶結(jié)構(gòu)具有孔隙率低的特點，如果能夠?qū)︻A(yù)制帶進(jìn)行致密化，并且克服涂層剝落和高溫噴涂的纖維損傷問題。將有可能利用條帶纏繞代替細(xì)絲纏繞，從而降低結(jié)構(gòu)件成形前的孔隙率，解決成形后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中纖維斷裂的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對現(xiàn)有技術(shù)中SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料預(yù)制體孔隙率大、成形后纖維斷裂率高的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種致密的、可彎曲的、纖維體積分?jǐn)?shù)可控的、纖維無斷裂的SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料先驅(qū)帶及其制備方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶，該致密先驅(qū)帶是由多根連續(xù)SiC纖維和鈦基基體形成的帶狀結(jié)構(gòu)，其中：多根連續(xù)SiC纖維以平行分散方式單層排布形成纖維層，纖維層中纖維排布的間距相同，相鄰的纖維之間以及纖維層的上下表面均為同材質(zhì)的鈦基基體。

該致密先驅(qū)帶中，所述SiC纖維所占的體積分?jǐn)?shù)為25～50％；所述鈦基基體為鈦合金(所有鈦合金，如：TC4、TC17、TA19、Ti55、Ti60等)或鈦鋁金屬間化合物(Ti₂AlNb、TiAl等)。該致密先驅(qū)帶的厚度為0.11～0.16mm。

該致密先驅(qū)帶中鈦基基體致密無孔隙，先驅(qū)帶能夠彎曲和/或纏繞，彎曲和/或纏繞后無纖維斷裂損傷。

所述SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶的制備方法，包括以下步驟：

(1)以清潔的連續(xù)SiC纖維為基材，鈦基基體材料(鈦合金或鈦鋁金屬間化合物)為靶材，用磁控濺射技術(shù)制備圓度均勻的SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料先驅(qū)絲，其中SiC纖維占先驅(qū)絲的體積分?jǐn)?shù)為25～50％；

(2)利用精密繞線機(jī)將先驅(qū)絲在圓柱形鼓筒上纏繞一層，形成先驅(qū)絲單層薄帶；其中：纏繞方向為鼓筒周向，先驅(qū)絲在鼓筒表面致密排布，無間隙；

(3)在致密纏繞排布后的先驅(qū)絲表面噴涂粘結(jié)劑，進(jìn)行固定，粘結(jié)劑為聚苯乙烯溶解于二甲苯形成的溶液，聚苯乙烯與二甲苯的重量比例為1∶10；

(4)粘結(jié)劑完全固化后，將先驅(qū)絲單層薄帶從鼓筒上裁剪取下，在其上表面和下表面各包裹兩層純鈦箔，每層純鈦箔厚度為0.025mm；

(5)將純鈦箔包裹的先驅(qū)絲單層薄帶裝入平板結(jié)構(gòu)模具，模具內(nèi)與純鈦箔接觸的表面噴涂鈦合金脫模劑；

(6)利用平板結(jié)構(gòu)模具并采用真空熱壓技術(shù)對先驅(qū)絲單層薄帶進(jìn)行致密化處理，形成先驅(qū)帶毛料；對所得先驅(qū)帶毛料進(jìn)行機(jī)械和手工磨剖，去除先驅(qū)帶毛料上表面和下表面的0.05mm純鈦層，漏出鈦合金基體，即獲得所述SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶。

上述步驟(1)中，所述磁控濺射技術(shù)的參數(shù)為：靶-基距離(靶材到基材之間的距離)為30～60mm，濺射功率為500～1500W，濺射時間5～20h。

上述步驟(2)中，所需的纏繞工藝參數(shù)為：主動軸轉(zhuǎn)速為5～30轉(zhuǎn)/分鐘，從動軸節(jié)距設(shè)為先驅(qū)絲直徑的95％。

上述步驟(6)中，所述致密化處理過程步驟如下：

(a)將帶有先驅(qū)絲單層薄帶的模具裝入真空熱壓機(jī)，抽真空到真空度小于1×10^-3Pa；

(b)粘結(jié)劑的去除：升溫至450℃，保溫60min，以去除粘結(jié)劑；

(c)致密化及成形處理：升溫至850℃，保溫180min，保溫過程中施加載荷50MPa，保溫結(jié)束后自由降溫至室溫，取出后得到所述SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶。

本發(fā)明設(shè)計機(jī)理如下：

本發(fā)明先驅(qū)帶的結(jié)構(gòu)及其制備方法結(jié)合了MCF法和MCM法的預(yù)制體結(jié)構(gòu)和制備工藝特點，很好的解決了預(yù)制體高孔隙率、纖維損傷等問題，同時也兼具了這兩種方法的工藝優(yōu)勢。通過磁控濺射方法制備先驅(qū)絲，基體種類不受限制，可為任何一種Ti合金。另外，通過調(diào)整濺射時間進(jìn)而可以有效地控制纖維在先驅(qū)絲中的體積分?jǐn)?shù)。利用先驅(qū)絲致密排布取代MCM法中的纖維平行間隔排布后再噴涂基體，避免了纖維被高溫、高速粒子撞擊而出現(xiàn)損傷，同時也避免了臨近纖維的粘連貼合，使纖維分散更加均勻。對密排先驅(qū)絲薄板(先驅(qū)絲單層薄帶)進(jìn)行高溫成形，使先驅(qū)絲間的基體流動變形并結(jié)為一體，消除了先驅(qū)絲排布或纏繞時不可避免的孔隙率，也使纖維和基體具備了較好的結(jié)合力，避免了后續(xù)使用過程中鈦合金基體脫落。先驅(qū)帶結(jié)構(gòu)設(shè)計為單層先驅(qū)絲排布(或單層纖維分布)，使總厚度控制在0.11mm～0.16mm之間，保持了先驅(qū)絲的可纏繞特性，使致密先驅(qū)帶具有良好的彎曲、纏繞性能。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1.采用本發(fā)明所制備的先驅(qū)帶內(nèi)部致密、無孔隙。使用過程中產(chǎn)生的理論孔隙率為零，大大降低了復(fù)合材料成形前預(yù)制體的綜合孔隙率，減少了成形過程中的變形量，對解決成形后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件內(nèi)的纖維斷裂問題大有裨益。

2.采用本發(fā)明所制備先驅(qū)帶彎曲和纏繞性能好，既具備了原始先驅(qū)絲良好的纏繞能力，又提高了纖維-基體的界面結(jié)合力和避免了先驅(qū)絲纏繞的斷絲問題。為制備回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件預(yù)制體提供了有效途徑。

3.采用本發(fā)明制備的先驅(qū)帶中纖維體積分?jǐn)?shù)可以設(shè)計調(diào)控，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度可設(shè)計性。

4.本發(fā)明不受鈦合金基體種類限制，適合于幾乎所有的鈦合金(TC4、TC17、TA19、Ti55、Ti60等)和鈦鋁金屬間化合物(Ti₂AlNb、TiAl等)作為基體材料，擴(kuò)大了SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

5、利用本發(fā)明先驅(qū)帶進(jìn)行SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料管軸、圓筒等回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件的制備，可大幅降低成形前的孔隙率，解決復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中纖維因復(fù)合成形時變形量過大而發(fā)生斷裂的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中制備過程每個階段的產(chǎn)物示意圖；其中：(a)3-SiC纖維；(b)4-SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料先驅(qū)絲；(c)5-SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料先驅(qū)絲單層薄帶；(d)6-SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料致密先驅(qū)帶；

圖3為本發(fā)明實施例中SiC纖維增強(qiáng)TC17復(fù)合材料先驅(qū)絲單層薄帶照片；

圖4為本發(fā)明實施例中SiC纖維增強(qiáng)TC17復(fù)合材料致密先驅(qū)帶彎曲、纏繞試驗照片；

圖5為本發(fā)明實施例中SiC纖維增強(qiáng)TC17復(fù)合材料致密先驅(qū)帶經(jīng)酸洗試驗后取出的SiC纖維照片。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明。

實施例1

本實施例為制備SiC纖維增強(qiáng)TC17復(fù)合材料致密先驅(qū)帶，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該致密先驅(qū)帶是由多根連續(xù)SiC纖維和鈦基基體形成的帶狀結(jié)構(gòu)，本實施例中鈦基基體為TC17。多根連續(xù)SiC纖維以平行分散方式單層排布形成纖維層，纖維層中纖維排布的間距相同，相鄰的纖維之間以及纖維層的上下表面均為同材質(zhì)的鈦基基體，該致密先驅(qū)帶中鈦基基體致密無孔隙，先驅(qū)帶能夠彎曲和/或纏繞，彎曲和/或纏繞后無纖維斷裂損傷。

上述SiC纖維增強(qiáng)TC17復(fù)合材料致密先驅(qū)帶的制備方法，主要工藝過程如圖2所示，具體包括以下步驟：

(1)利用酒精清洗連續(xù)SiC纖維表面，然后將清潔的連續(xù)SiC纖維纏繞在磁控濺射設(shè)備的樣品架上，裝入磁控濺射設(shè)備中，采用TC17合金靶材；機(jī)械泵、分子泵預(yù)抽真空室，真空度小于1×10^-3Pa后，加熱500℃烘烤真空室，當(dāng)真空度達(dá)到要求后，通入流動Ar氣，轉(zhuǎn)動樣品架轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分鐘，啟動濺射電源，開始磁控濺射制備SiC_f/TC17先驅(qū)絲，靶-基距離為40mm，單靶濺射功率1000W，磁控濺射時間10小時，濺射結(jié)束后降至室溫，取出先驅(qū)絲，先驅(qū)絲直徑142μm，鍍層厚度均勻、圓度優(yōu)良，纖維占先驅(qū)絲的體積分?jǐn)?shù)為50％。

(2)利用精密繞線機(jī)將先驅(qū)絲纏繞在直徑為382mm的圓柱形鼓筒上，纏繞一層后形成先驅(qū)絲單層薄帶，如圖3所示；先驅(qū)絲纏繞方向為鼓筒周向，要求先驅(qū)絲致密無間隙排布。設(shè)置主動軸轉(zhuǎn)速15轉(zhuǎn)/分鐘，從動軸節(jié)距為133μm。

(3)在致密纏繞排布后的先驅(qū)絲單層薄帶表面噴涂粘結(jié)劑，進(jìn)行固定，噴涂過程中圓柱形鼓筒帶動先驅(qū)絲穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，保證噴涂連續(xù)均勻。粘結(jié)劑為聚苯乙烯溶解于二甲苯形成的溶液，聚苯乙烯與二甲苯的重量比例為1∶10；

(4)粘結(jié)劑完全固化后，將先驅(qū)絲單層薄帶沿鼓筒上軸向裁剪，取下展平，如圖3所示，在其上、下表面各包裹兩層0.025mm厚的純鈦箔，上、下表面各0.05mm厚。

(5)將鈦箔包裹的先驅(qū)絲單層薄帶裝入平板結(jié)構(gòu)模具，所述平板結(jié)構(gòu)模具的上壓頭和下壓頭為平板狀，模具材質(zhì)為高強(qiáng)石墨，壓頭表面均勻噴涂鈦合金脫模劑。

(6)將模具連同內(nèi)部的預(yù)制體裝入真空熱壓機(jī)，抽真空至真空度優(yōu)于1×10^-3Pa后，開始升溫，升溫至450℃保溫60min去除粘結(jié)劑；然后升溫至850℃保溫180min，并施加載荷50MPa，隨后自由降溫至室溫，取出先驅(qū)帶毛料。

(7)對成形后的先驅(qū)帶毛料進(jìn)行機(jī)械加手工磨剖，去除上、下表面的0.05mm純鈦層，漏出鈦合金基體，先驅(qū)帶表面光潔、無氧化銹蝕。

對實施例中制備的SiC纖維增強(qiáng)TC17復(fù)合材料先驅(qū)帶進(jìn)行了纏繞性能試驗，如圖4所示，纏繞直徑50mm，纏繞保持時間15天。試驗表明先驅(qū)帶易于彎曲纏繞，15天后與被纏繞管表面仍然貼合緊密。利用鈦合金腐蝕液浸泡纏繞試驗后的先驅(qū)帶，去除了TC17基體，提取了其中的全部纖維，如圖5所示，觀察結(jié)果顯示無任何纖維發(fā)生斷裂，充分表明該方法制備的先驅(qū)帶彎曲、纏繞性能優(yōu)異，適合用于SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件的制備。