一種SiC纖維變角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料管軸件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種SiC纖維變角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合 材料管軸件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] W連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料（SiCf/Ticomposites,TMCs)為主要代表的 金屬基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其它航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力已明顯呈現(xiàn)出急速上升的 趨勢(shì)，據(jù)美國(guó)航空航天及宇航總署的預(yù)測(cè)，未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材料中，Ti基復(fù)合材料約占 45%，多種部件將使用TMCs。TMCs具有高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的耐高溫及抗蠕變、抗疲 勞性能，是理想的高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)已研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)TMCs部件代替原有Ti合金 部件，減重效果可達(dá)30 %~40 %，并且其疲勞壽命及耐久性能都得將得到大幅提升。
[0003] 當(dāng)前關(guān)于SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備方法主要有錐-纖維-錐 (FF巧法、涂敷基體的先驅(qū)帶（MCM)法；基體涂敷的先驅(qū)絲（MC巧法。其中FFF法因制備工 藝簡(jiǎn)單而應(yīng)用最多，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，如Ti合金錐制備困難，復(fù)合材料中纖維排布 不規(guī)則，應(yīng)用領(lǐng)域僅限于板材等；MCM法在噴涂過程中高溫高速的基體粒子可能造成纖維 表面的損傷，并且設(shè)備價(jià)格昂貴也限制了它的推廣使用；MCF法在近年來受各國(guó)研究者的 青睞，它的優(yōu)點(diǎn)是基體種類不受限制，纖維的體積分?jǐn)?shù)可控，先驅(qū)絲易彎可編織，因此特別 適合于制備形狀復(fù)雜的部件。
[0004] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其它航空、航天領(lǐng)域中Ti合金薄壁管或長(zhǎng)軸是應(yīng)用較多的一類結(jié) 構(gòu)件，不同的服役環(huán)境決定了其不同的受力狀態(tài)，其受力方向也不僅局限于沿結(jié)構(gòu)件軸向 或徑向，例如從抗彎、抗扭性能，對(duì)偏軸向45°或135°的承載能力則要求更高，若SiC纖維 沿運(yùn)兩個(gè)方向纏繞就能夠顯著增強(qiáng)該方向的力學(xué)能，因此SiC纖維多角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合材 料管軸件是非常具有實(shí)際意義的。然而，變角度的增強(qiáng)方向?qū)w維的纏繞工藝及整個(gè)TMCs 管軸件的制備方法提出了新的考驗(yàn)。少數(shù)一些尚未公開發(fā)行的資料顯示，通過數(shù)控纏繞機(jī) 完成先驅(qū)絲90°多層纏繞，進(jìn)而可W制備SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料的簡(jiǎn)單軸件，然而運(yùn) 種構(gòu)件的纖維增強(qiáng)角度垂直于構(gòu)件軸向，其抗剪切及抗扭轉(zhuǎn)性能極差，實(shí)際意義不大。如果 利用精密纏繞機(jī)直接進(jìn)行-90°~90°變角度單絲纏繞，理論上無法實(shí)現(xiàn)整層先驅(qū)絲的致 密化，另外多股先驅(qū)絲膠粘連續(xù)制帶的工藝也尚未取得突破。因此，通過精密纏繞機(jī)直接完 成先驅(qū)絲多角度致密化纏繞制備TMCs管軸的工藝路線在目前是行不通的，亟需一種新方 法來達(dá)到制備SiC纖維變角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料管軸件的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了提高現(xiàn)有Ti合金管軸件的抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲、抗疲勞等力學(xué)性能，并能滿足不 同服役條件下Ti合金管軸件的受力要求，本發(fā)明的目的在于提供一種SiC纖維變角度增強(qiáng) Ti基復(fù)合材料管軸件；本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種SiC纖維變角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合 材料管軸件的制備方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 一種SiC纖維變角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料管軸件，該管軸件的Ti合金管壁中設(shè)有 變角度SiCf/Ti基復(fù)合材料中間層，所述變角度SiCf/Ti基復(fù)合材料中間層包含=層W上 的SiC纖維層，SiC纖維層內(nèi)的SiC纖維軸向與管軸件軸向的夾角介于-90°~90°之間 (不包含±90° );所述變角度SiCf/Ti基復(fù)合材料中間層中SiC纖維的體積分?jǐn)?shù)為10%~ 80%。
[0008] 所述SiC纖維層的層內(nèi)及層間相鄰SiC纖維之間被Ti合金隔離（SiC纖維之間不 相互接觸）；每一SiC纖維層內(nèi)的所有SiC纖維軸向均相同，不同層內(nèi)的SiC纖維軸向可W 相同也可W不同。
[0009] 所述變角度SiCf/Ti基復(fù)合材料中間層垂直于管軸件軸向的截面為環(huán)形，變角度 SiCf/Ti基復(fù)合材料中間層的周圍完全被Ti合金包裹。
[0010] 上述SiC纖維變角度增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料管軸件的制備方法，包括W下步驟：
[0011] (1)W清潔的連續(xù)SiC纖維為基材，Ti合金為祀材，采用磁控瓣射技術(shù)制備圓度均 勻的SiCf/Ti基復(fù)合材料先驅(qū)絲；磁控瓣射工藝參數(shù)為：祀-基距離為10~150mm，瓣射功 率為200~4000W，瓣射時(shí)間5~30h;
[0012] 似利用精密繞線機(jī)將先驅(qū)絲排布成致密的條形單層板，先驅(qū)絲間用粘結(jié)劑連接， 其中先驅(qū)絲單層板長(zhǎng)度方向與其中的纖維軸向方向一致；
[0013] 該步驟中，將先驅(qū)絲排布成單層板的工藝為：精密繞線機(jī)轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分鐘~ 30轉(zhuǎn)/分鐘；先驅(qū)絲間距為先驅(qū)絲直徑的80-100% ;先驅(qū)絲張力控制在1. 29X103N.m~ 2. 06X103N?m，所采用的粘結(jié)劑是將聚苯乙締和二甲苯按照1:巧~10)的重量比混合并 溶解制得；
[0014] (3)將先驅(qū)絲單層板裁剪為平行四邊形的纏繞板，其中：首層纏繞板緊密地卷裹 在Ti合金內(nèi)套管上，保證內(nèi)套管外壁完全被包裹，無遺漏、無重疊，再利用羅紋粘紙固定住 先驅(qū)絲纏繞板的兩端。第二層纏繞板再緊密卷裹在首層纏繞板上，緊密地包裹在前一層纏 繞板中未被羅紋粘紙覆蓋的區(qū)域，同樣保證纏繞區(qū)域無遺漏、無重疊，再利用羅紋粘紙固定 該層纏繞板的兩端；然后再按同樣方式卷裹下一層，直至達(dá)到所需層數(shù)。
[0015] 其中，裁剪纏繞板時(shí)，平行四邊形纏繞板的一組平行邊與纖維軸向一致，纏繞板卷 裹Ti合金內(nèi)套管時(shí)，纏繞角度0為-90°~90°之間，所述纏繞角度0是該層纏繞板中 纖維軸向與所述管軸件軸向的夾角，每層纏繞板的纏繞角度與該層纏繞板的平行四邊形的 銳角夾角a互為余角；
[0016] 首層纏繞板的規(guī)格可由如下公式（1)計(jì)算：
[0017] Li=L〇/cos白1，di=JT ? D。? COS白1 (1);
[0018] 公式（1)中：L。為首層纏繞板卷裹Ti合金內(nèi)管長(zhǎng)度，Li為與纖維軸向一致的一組 平行邊長(zhǎng)度，di為首層纏繞板的寬度（即與纖維軸向一致的一組平行邊之間的距離），D。為 Ti合金內(nèi)管外徑，01為首層纏繞板中纖維與管軸件軸向的夾角，即首層纏繞板的纏繞角 度；
[0019] 第i層纏繞板的規(guī)格可由如下公式（2)計(jì)算：
[0020] Li=Lii/cos白i(i= 2, 3......n_l,n)，山二Ji.D;i?cos白；（i= 2, 3......n-1,n) 似；
[0021] 公式（2)中：LiI為第i層纏繞板卷裹其前一層的長(zhǎng)度，L1為與該層纏繞板中纖維 軸向一致的一組平行邊長(zhǎng)度，di為第i層纏繞板的寬度（即與纖維軸向一致的一組平行邊 之間的距離），Di1為第i-1層纏繞板外徑，0 1為第i層纏繞板中纖維與管軸件軸向的夾 角，即第i層纏繞板的纏繞角度。
[0022] (4)纏繞板達(dá)到所需卷裹層數(shù)后，利用尼龍?jiān)鷰Х侄嗡枳∽钔鈱拥睦p繞層，其中尼 龍?jiān)鷰褂瞄g距IOmm~20mm;
[0023] (5)沿著最外層纏繞板的羅紋紙包裹區(qū)邊界，利用截管器將全部纏繞層的兩端頭 切斷，依次去除各層纏繞層中的羅紋紙包裹部分，漏出Ti合金內(nèi)管兩端的外壁；
[0024] (6)將兩個(gè)Ti合金套管堵頭分別套在Ti合金內(nèi)管兩端，再將上述整體緩慢塞進(jìn) Ti合金外套管，裝塞過程逐步拆除尼龍?jiān)鷰В渲刑坠芏骂^長(zhǎng)度等于Ti合金內(nèi)管兩端漏出 外壁區(qū)域的長(zhǎng)度，套管堵頭壁厚為全部先驅(qū)絲纏繞層總厚度加0. 05~0.Imm;
[00巧](7)對(duì)復(fù)合材料管軸件進(jìn)行高溫真空熱處理，去除先驅(qū)絲之間的粘結(jié)劑，再進(jìn)行電 子束密封，最后熱等靜壓成型使內(nèi)部先驅(qū)絲致密化。
[0026] 去除粘結(jié)劑在真空熱處理爐中進(jìn)行，真空加熱至300~500。恒溫60~ISOmin 即可。熱等靜壓依據(jù)不同Ti合金套管及基體種類調(diào)整工藝參數(shù)，溫度為850~950°C，壓力 為80~ISOMPa，恒溫恒壓時(shí)間為60~240min。
[0027] 本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下：
[0028] 本發(fā)明選用磁控瓣射技術(shù)制備SiC/Ti基復(fù)合材料先驅(qū)絲，該技術(shù)適合于瓣射任 何一種Ti合金基體，使復(fù)合材料基體種類不受限制。通過改變磁控瓣射的時(shí)間調(diào)整與功 率，可調(diào)整纖維體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而為后續(xù)復(fù)合材料管軸件的力學(xué)性能設(shè)計(jì)提供寬泛的調(diào)節(jié)范 圍。
[0029] 理論上，若某種絲帶能夠在直徑為D、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的平頭圓管軸上實(shí)現(xiàn)按一定角度 0 (-90° < 0 <90° )的致密化纏繞，則該絲帶在展開后一定為平行四邊形，如圖4所 示。該平行四邊形的兩組對(duì)邊中有一組沿著纖維軸向，另一組則與纖維軸向存在一定夾角 a(銳角），該夾角與纏繞角度0互為余角。其中，與絲帶軸向夾角為a的一組對(duì)邊在纏 繞后整好圍繞管軸端面一周，因此，運(yùn)組對(duì)邊長(zhǎng)度等于管軸的周長(zhǎng)n-D。另一組沿著絲帶 軸向的對(duì)邊，其長(zhǎng)度S可根據(jù)纏繞