一种连续纤维增强钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种连续纤维增强钛基复合材料及其制备方法。该复合材料的制备方法包括以铝或铝合金、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。本发明专利技术还提供上述的制备方法制备得到的连续纤维增强钛基复合材料。本发明专利技术的基于钛-钛铝复合混杂先驱丝的连续纤维增强钛基复合材料，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，且制造成本较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于金属复合材料技 术领域。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，混合溅射涂层是指：当采用钛 靶材和铝靶材时，开启溅射，在SiC纤维上沉积钛和铝的混合涂层；当采用钛合金靶材和铝 合金靶材时，开启溅射，在SiC纤维上沉积钛合金和铝合金的混合涂层；同样的，也可以是 钛和铝合金的混合涂层或钛合金和铝的混合涂层。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，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，置入金属薄壁包套中，在热等静压（也可以是热压）下 发生原位反应，并使其中的铝被反应消耗殆尽形成钛铝金属间化合物，并保留部分钛或钛 合金，从而制备出具有内置钛-钛铝金属间化合物混杂预制增强体的钛基复合材料，使其 具有连续SiC纤维增强单一钛基复合材料和连续SiC纤维增强单一钛铝金属间化合物基复 合材料的综合优势，并克服由于采用钛铝靶材直接溅射、扩散固结所产生的一些问题。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，专用鼠笼架是指磁控溅射设备 中的专用的鼠笼架，也可以以其他设备替代。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，所述热等静压的温度为 900°C -1000°C，压力为 100MPa-170MPa，时间为 lh-4h。 根据具体实施方案，所述热等静压的温度为950°C，压力为170MPa，时间为3h。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，优选的，所述溅射的加速电压 为200-400V，工作气压为0· l-2Pa，电流密度为3-9mA/cm2,功率密度为0· 6-3. 6W/cm2,氩气 流量为 25_75sccm。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，优选的，所述设定功率比为钛 靶材或钛合金靶材：铝靶材或铝合金靶材=1 : (〇. 35-1)。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，优选的，所述洁净的SiC纤维 是将SiC纤维依次通过丙酮清洗和无水乙醇清洗得到的。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，优选的，所述洁净的钛靶材或 钛合金靶材和铝靶材或铝合金靶材是通过下列方法制备得到的： 将钛靶材或钛合金靶材进行酸洗，将铝靶材或铝合金靶材进行碱洗，得到表面去 杂的钛靶材或钛合金靶材、铝靶材或铝合金靶材； 将表面去杂的钛靶材或钛合金靶材、铝靶材或铝合金靶材分别依次在丙酮、无水 乙醇中进行超声波清洗，得到洁净的钛靶材或钛合金靶材、铝靶材或铝合金靶材。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，所述钛合金基体结构即是金属 薄壁包套；优选的，所述金属薄壁包套包括钛合金包套，但不限于此。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，优选的，该方法还包括对金属 薄壁包套依次进行酸洗、丙酮清洗和无水乙醇清洗的步骤。 上述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法中，酸洗或碱洗可以去除表面杂 质，丙酮本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，采用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。

【技术特征摘要】
1. 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，采用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。2. 根据权利要求1所述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：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。3. 根据权利要求2所述的连续纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述 热等静压的温度为900°C -1000°C，压力为100MPa-170MPa，时间为lh-4h。4. 根据权利要求2所述的连续纤维增强钛基复合材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯红亮，曲海涛，赵冰，姜波，韩坤，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11