[发明专利]一种连续纤维增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强钛基复合材料及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。

背景技术

随着航空发动机推重比的不断提高，对发动机的结构材料提出了越来越高的要求，特别是推重比大于12的航空发动机，要求其结构材料具有更高的比强度、比刚度，更优异的高温性能(高温强度、抗蠕变)，更高的抗氧化、抗腐蚀性能。现有的镍基高温合金已经接近其极限使用温度，且密度过高，已越来越不能满足高推重比发动机对结构材料的要求。连续SiC纤维增强钛基复合材料具有较高的比强度和比刚度，较高的耐高温和抗蠕变、抗氧化的能力，可以在减重的同时大大提高发动机的整体性能，因此成为最具发展前景的高推重比航空发动机的候选材料。

目前，连续SiC纤维增强钛基复合材料的制备方法有很多，主要包括箔-纤维-箔法、粉末布法、压力铸造法、等离子喷涂法、基体涂层法等。

基体涂层法是通过物理加热、气相沉积的方法(磁控溅射、电子束等方法)使钛铝合金等金属蒸发并沉积在纤维上形成预制先驱丝，然后将带涂层的纤维按一定方式缠绕或铺排形成预制增强体并置入钛合金等金属基体内部，经热压或热等静压成型。该方法其优点是纤维分布均匀、体积分数易于控制，可控制纤维和基体的界面反应，可近净成形、易于制备复杂形状的零部件；可以制备出高纤维百分数、高性能的复合材料，但是该方法的成本高、效率低、材料利用率低(甚至低于1％)，需要专用的沉积设备，因此，一般适用于制备高性能、高成本的关键结构件。

作为航空领域的重要部件，一般都是采用基体涂层法来制备连续SiC纤维增强钛基复合材料。在基体涂层法中，与电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法相比较，磁控溅射物理气相沉积(MS-PVD)方法虽然效率低于电子束物理气相沉积，但沉积于SiC纤维表面的材料化学成分与基体靶材一致性好，且涂层均匀，更适合制备发动机转子部件等关键部件。因此，SiC纤维增强钛基复合材料的高性能航空发动机转子部件均采用了基于磁控溅射的制备方法，但是，其中的SiC先驱丝均是单一涂层的钛合金或钛铝金属间化合物。

由单一钛合金涂层的SiC先驱丝制备的连续SiC纤维增强钛复合材料相对于由单一钛铝金属间化合物涂层的SiC先驱丝制备的连续SiC纤维增强钛基复合材料，其耐高温和抗蠕变能力有着明显的不足，但是由于钛铝金属间化合物的本征脆性又使得由单一钛铝金属间化合物涂层的SiC先驱丝制备的连续SiC纤维增强钛基复合材料在抗裂纹扩展能力等方面有不足，且其制备温度也高。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种连续纤维增强钛基复合材料，基于钛-钛铝复合混杂先驱丝，能够综合钛合金和钛铝金属间化合物的优点，具有较高的比强度和比刚度，较高的耐高温、抗蠕变、抗氧化和耐腐蚀的能力。

本发明的目的还在于提供上述连续纤维增强钛基复合材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一种连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其包括以铝或铝合金、钛或钛合金为靶材，连续SiC纤维为增强体，磁控溅射制作成在连续SiC纤维上沉积钛铝混合涂层和钛或钛合金涂层的钛-钛铝复合混杂先驱丝，然后将该先驱丝缠绕或铺排并置入钛合金基体结构中，经热压或热等静压复合得到连续纤维增强钛基复合材料的步骤。

上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，铝合金或钛合金的合金为磁控溅射可以溅射的各种牌号的金属。

上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，优选的，该方法包括如下步骤：

钛-钛铝复合混杂先驱丝的制备：

将洁净的钛或钛合金靶材和铝或铝合金靶材进行安装，得到两对对称的平面靶，分别是一对钛靶材或钛合金靶材、一对铝靶材或铝合金靶材；

将洁净的SiC纤维缠绕到磁控溅射设备专用鼠笼架上，并置入磁控溅射工作室内；

采用钛靶材或钛合金靶材、铝靶材或铝合金靶材，按照设定功率比同时开启溅射，在SiC纤维上实现沉积钛或钛合金、铝或铝合金的混合溅射涂层，然后再沉积一层钛或钛合金涂层，得到钛-钛铝复合混杂先驱丝；

连续纤维增强钛基复合材料的制备：

将钛-钛铝复合混杂先驱丝以密排堆垛的方式制备成为预制增强体，然后置于金属薄壁包套中，经真空除气与真空封焊，再进行热等静压得到连续纤维增强钛基复合材料。