连续纤维增强钛基复合材料的研发.wps
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连续纤维增强钛基复合材料的研发连续纤维增强钛基复合材料的研发钛基复合材料以其高的比强度、比刚度和抗高温特性而成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料。
钛基复合材料分为两大类:
非连续颖粒增强和连续纤维增强钛基复合材料。
在钛基复合材料目前常采用的三种增强体类型中,连续粗纤维增强方式在力学性能方面显示出特有的优越性,与颗粒、晶须或短纤维增强相比,它同时兼有高的刚性、高的强度和高的韧性。
纤维增强钛基复合材料的比强度、比模量要比一般钛合金分别提高约50%和10%,可应用于更高温度,因此在航空航天工业中具有明确的应用前景。
纤维增强钛基复合材料中的增强组元纤维是承受外界载荷的主体。
在给定纤维含量的情况下,粗纤维可以增加其间的距离,从而有利于降低纤维在高温复合固结过程中产生径向裂纹倾向,并充分发挥基体的韧性作用。
早期使用单丝纤维SiC,由于SiC与钛基体反应生成脆性相,故所得材料性能较差。
SiC纤维通过近二十年的研究和发展,目前已大大改进并已获得了商品化应用。
一种为美国特殊材料公司生产的SCS-6纤维,中间为33微米的碳芯,该纤维的直径为140微米的单丝,表面有高温碳层以保护SiC不开裂以及减轻同钛基体之间的反应;另一种为英国的QinetiQ公司生产的SM1140纤维,中间为13微米的铅芯,其中SM1140纤维的直径为108微米,表面涂覆4微米厚的耐高温碳层,阻碍SiC和基体钛合金之间的反应。
这两种纤维从室温到550C的拉伸强度均可达到4500MPa以上。
纤维增强钛基复合材料目前比较成熟的制备方法为涂层法,包括PVD法和CVD法。
所谓PVD法,是一种物理气相沉积方法。
先在单根纤维的表面通过溅射涂覆基体钛合金,然后将涂覆好的单根纤维集束在一起,固结成形。
这种方法可提供纤维在基体中均匀分布的复合材料。
该方法的一大优点是可以在纤维上涂覆任何钛基合金,如常规钛合金和钛金属间化合物,并且可以对所涂覆的金属的化学成分进行精确控制,涂层杂质含量低,金属的利用率较高,涂层和纤维之间结合力强。
法国ONERA公司将60根140毫米长的SM1140纤维置于用基体金属加工的旋转圆柱形容器的靶心,调整溅射参数,使沉积的涂层化学成分和靶材相同,沉积温度不超过900C,限制金属涂层和纤维的保护碳层的反应,然后将涂覆好基材的纤维进行热等静压固结。
另外,也可以用磁控溅射法在SCS-6纤维上沉积涂覆,再进行热等静压固结。
所谓CVD法,是一种化学气相沉积方法。
法国的SNECNA发动机公司将SCS-6纤维以很快的速度通过钛合金熔体,在纤维表面形成钛合金涂层。
随后在950C、80MPa下进行热等静压固结,然后在纯氩气氛的射频炉中进行950C的热稳定化处理,制成纤维增强复合材料。
美国的FMW复合材料公司从上世纪80年代开始,利用CVD法开展了从纤维的研究到复合材料的加工方法以及零部件二次加工工艺的改进,使制造成本大幅度降低。
在10年间由8000美元/磅降低到1000美元/磅。
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