[发明专利]一种SiC纤维增强钛基复合板材的制备方法

说明书

本发明是一种SiC纤维增强钛基复合板材的制备方法，步骤如下：将连续SiC纤维放入物理气相沉积设备中，采用物理气相沉积的方法在纤维表面均匀沉积“先驱丝”；随后将先驱丝裁剪到一定长度，并通过将同牌号的钛合金锻件加工为试样工装，将裁剪后的先驱丝紧密放入试样工装内，通过SPS成型工艺实现SiCf/Ti复合材料板材的制备，从而获得界面反应较轻、纤维排布均匀的SiCf/Ti复合材料板材。本发明既可以有效调节纤维的体积分数，也可以有效的保证纤维在复合材料内部均匀排布，同时避免了采用昂贵的钛合金粉末作为成型原材料；成型温度低时间短可以有效地减轻界面反应程度。该方法工艺简单、生产效率高，有助于快速实现复合材料板材的制备。

技术领域

本发明属于金属基复合材料研究领域，涉及纤维排布均匀、界面反应程度小、操作简单的SiCf/Ti复合材料板材的制备方法。具体为一种一种SiC纤维增强钛基复合材料的制备方法，该制备方法能制备高性能的SiC纤维增强钛基复合材料板材或型材。

背景技术

SiCf/Ti复合材料具有高比强度、高比刚度、优良的抗蠕变和抗疲劳性能，被认为是理想的轻质耐高温结构材料。在高推重比航空发动机(如压气机叶片、叶环和涡轮轴等)和超音速空天飞行器(如飞机蒙皮、加强筋等)中具有良好的应用前景，已成为高推重比航空发动机必须的关键新材料。

SiCf/Ti复合材料的成型常采用热等静压(HIP)或热压(VHP)方式成型，成型过程中升温降温速率慢和成型温度高会导致SiC纤维与基体钛合金界面反应层增厚，同时保温保压时间长会引起钛合金基体晶粒长大，严重降低了复合材料的拉伸强度和疲劳寿命，限制了材料的使用。放电火花等离子烧结(SPS)技术具有快速升温、成型温度低和快速融合等特点，采用该方法用于复合材料的成型可有效地减轻界面反应层厚度，是适用于制备SiCf/Ti复合材料的新型成型工艺，故本发明采用SPS技术进行SiCf/Ti复合材料成型。而针对复合材料的SPS成型技术却面临如下问题：首先，传统SPS制备复合材料工艺中采用钛合金粉末与SiC纤维作为原材料用于成型，然而钛合金粉末的制备技术难度大且成本高，只有少数钛合金粉末可用于选择，材料局限性较大。同时，钛合金粉末与SiC纤维混合易导致纤维分布不均，易发生纤维距离较近而带来较大的残余应力。其次，SPS成型模具为圆柱形模具，只能用于圆形板材成型，限制了复合材料板材的形状及尺寸。以上情况均对复合材料板材的制备带来不利的影响，故需开发一种可靠而经济的SiCf/Ti复合材料板材的制备方法。

采用物理气相沉积(PVD)在SiC纤维表面预先均匀涂覆一定厚度的钛合金，不仅可以保证复合材料成型后纤维排布均匀，避免了因纤维碰撞而引起的应力开裂；而且用于多种钛合金(α钛合金，β钛合金，α+β钛合金等)的预涂覆，适用范围广，同时极大降低了制备成本。而针对SiCf/Ti复合材料板材的SPS制备工艺，设计专用的模具和工装，可实现SiCf/Ti复合材料板材的快速低成本成型，且能有效控制界面反应，故其在复合材料领域具有非常广泛地应用前景。

发明内容

本发明的目的是：本发明提供一种界面反应程度轻、纤维排布均匀的SiCf/Ti复合材料板材的制备方法，利用物理气相沉积的方法在连续SiC纤维的表面均匀涂覆20-50μm的钛合金涂层，涂层的厚度决定了复合材料的体积分数，可以保证纤维的均匀分布；且避免了采用钛合金粉末，打破了原材料使用的局限性。同时SPS成型温度低时间短，可以克服传统成型方式中界面反应严重的问题，极大减轻界面反应程度，有利于提高复合材料的力学性能。