专利名称：粉末法制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及复合材料制备技术，具体地说是一种制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法。
背景技术：
随着航空、航天和空间技术的发展，飞行器材料的使用环境更加苛刻和恶劣，由此产生的力、热、化学和物理效应的作用，都集中到构成飞行器和发动机的结构材料上，这对材料的轻质、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也提出了更加苛刻的要求。目前传统的高温Ti合金的发展几乎已达到了极限，而Ti-Al金属间化合物的脆性和成开型性问题限制了其推广应用。SiC连续纤维增强钛合金基复合材料具有高比强度、高比刚度、良好的高温性能等优异的综合性能，在航空、航天以及空间领域有着广泛的应用前景，成为材料领域研究的一个重点。
目前制备SiC/Ti基复合材料的预制体主要采用三种工艺箔-纤维-箔(FFF)、等离子喷涂(VPS)和物理气相沉积(PVD)。但是，制备工艺的高成本是上述工艺遇到的最大阻碍。FFF法以钛合金箔材(通常100μm)为基体，价格昂贵，且有些钛合金难以制备成箔材；PVD法的设备不仅昂贵，而且运行起来工作时间长、效率低，特别是基材利用率低，造成很大浪费；VPS法需要十分复杂的设备，并且价格高(至少500000英镑)，对纤维的损伤也大，容易造成纤维的浪费。这些制备工艺的高成本阻碍了SiC/Ti基复合材料的生产及推广应用。
发明内容
为了克服制备成本高的不足，本发明的目的是提供一种制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法，采用本发明能够显著降低制备SiC/Ti基复合材料的成本，同时保证它的性能，并为大块材料的制备提供了一条可行的技术路线。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是以聚苯乙烯为粘结剂、二甲苯为溶剂，与Ti合金粉末混合后制备预制带，SiC连续纤维缠绕制成纤维布，二者经除气后升温至热压温度热压得到板状复合材料样品；具体可按如下步骤进行1)以聚苯乙烯为粘结剂，二甲苯为溶剂，将两者以1∶0.8-2的重量比混合，并充分溶解，得溶解后的粘结剂；2)按合金粉末和聚苯乙烯3-8∶1的重量比，将Ti合金粉末加入到溶解后的粘结剂中并充分混合，制成0.5mm～2mm厚的薄片并干燥，再分5～8道次将薄片轧成所需厚度的预制带，剪裁成所需尺寸，备用；3)把连续SiC纤维缠绕到圆形的不锈钢筒上，再用所述溶解后的粘结剂把丝的表面涂平，固定，制成纤维布；然后剪裁，备用；4)将所述纤维布和所述金属预制带交替叠放在模具中，并设叠放层的最上、下层(即贴近模具的上、下表面的叠放层)为金属预制带，装入热压炉中，所述溶解后的粘结剂进行热分解除气，清除粘结剂；除气结束后，再升温到热压温度并在此温度加压，保压，得到板状复合材料样品；其中所述模具采用石墨或高温合金材料的模具；金属预制带的厚度与聚苯乙烯的含量密切相关，当Ti合金粉末和聚苯乙烯粘结剂的重量比在3-8∶1时，预制带的轧制厚度可在120～250μm之间可调，以完全满足SiC/Ti合金复合材料的体积分数(一般20％～40％之间)要求；为了使粘结剂分解完全，所述热分解除气分两阶段进行即两个不同温度、不同时间的除气过程，第一阶段除气温度为360～400℃，时间1.5～2.5小时；第二阶段除气温度为480～530℃，时间为0.1～1小时；为了防止在热压过程中粉末的流动所引起的纤维损伤，所述升温加压方法为除气结束后，在30～60分钟以内升温至820-950℃，保温10-20分钟，加压5～10Mpa，保压10～30分钟；然后再加压至15～25Mpa，保压10～30分钟；再加压至40～50Mpa，保压30～60分钟。
与现有技术相比，本发明更具有以下优点1.为低成本制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料提供了一条可行的技术路线。由于本发明以价格相对低廉的合金粉末(价格仅为相同成分合金箔材的1/10)和聚苯乙烯粘结剂为原料，在简单的设备上即可制备出具有均匀厚度的金属预制带，而且厚度可根据所需要的体积分数自行调整；各种成分的合金均可以粉末形式得到，不会对基体材料有限制。
2.制备过程无污染、无材料性能的副面影响。由于本发明在制备过程中聚苯乙烯粘结剂的分解分两个阶段进行，不仅可将粘结剂完全除掉，没有残余物，而且不会对样品造成污染，对材料性能没有影响；另外，本发明升温加压的处理方法适当，避免了在热压过程中粉末的流动所引起的纤维损伤和对纤维的浪费。
3.简单易行、应用范围广。本发明操作方法简单，适用于制备SiC连续纤维增强纯Ti、Ti合金、Ti-Al金属间化合物基复合材料。
图1为本发明实施例1的聚苯乙烯的热失重曲线。
图2为本发明实施例1的样品横截面图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1采用J801-7A/ZF绕线机组和ZRY45B真空热压炉，实验的工艺过程如下1)以聚苯乙烯为粘结剂，二甲苯为溶剂，将聚苯乙烯与二甲苯以1∶1的重量比混合并充分溶解，得到溶解的粘结剂；2)取Ti粉末，按Ti∶聚苯乙烯＝6∶1的重量比加入到溶解后的粘结剂中并充分混合，制成1mm厚的薄片并干燥，再使用手摇小型轧机分7道次将薄片轧成厚度为200μm的预制带，根据模具尺寸将制成的预制带进行剪裁，备用；3)用绕线机组把连续SiC纤维缠绕到圆形的不锈钢筒上，纤维间距为200μm，再用聚苯乙烯和二甲苯以1∶1重量比例配置的粘结剂把丝的表面涂平，固定，制成纤维布；然后剪裁，以备热压复合；4)将所述纤维布和所述金属预制带交替叠放在石墨模具中，并设金属预制带于其叠放层的最上层、最下层，即在贴近石墨模具的上下表面，装入热压炉中，进行热分解除气，清除溶解后的粘结剂；聚苯乙烯的热失重分析曲线(升温速度为10℃/min，Ar保护)如图1所示；为了使粘结剂分解完全，热分解除气分两阶段进行即两个不同温度、不同时间的除气过程，以清除粘结剂(具体是在390℃除气2小时，再升温到500℃除气30分钟)；除气结束后，再升温到热压温度并加压(具体是在35分钟内升温至850℃，保温15分钟，加压至10MPa，保压30分钟；随后再加压至25MPa，保压30分钟；最后再加压至40MPa，保压60分钟)得到板状复合材料样品，样品的横截面如图2所示。
实施例2
与实施例1不同之处在于采用Ti-6Al-4V粉末为原料，将此粉末和聚苯乙烯按7∶1的重量比加入到溶解后的粘结剂中并充分混合，制成厚度为180μm的预制带，用绕线机组把连续SiC纤维缠绕到圆形的不锈钢筒上，纤维间距为200μm，再用聚苯乙烯和二甲苯以1∶1.5重量比例配置的粘结剂把丝的表面涂平，固定，制成纤维布；然后剪裁，以备热压复合；对粘结剂的清除过程是在400℃除气2小时，再升温到530℃除气30分钟；除气结束后，再升温到热压温度并加压(具体是在40分钟内升温至870℃，保温15分钟，先加压至10MPa，保压20分钟；随后再加压至20MPa，保压20分钟；最后再加压至40MPa，保压50分钟)得到板状复合材料样品，结果与实施例1相同。
实施例3与实施例1不同之处在于采用Ti-24Al-17Nb为原料，将此粉末和聚苯乙烯按5∶1的重量比加入到溶解后的粘结剂中并充分混合，制成厚度为150μm的预制带，用绕线机组把连续SiC纤维缠绕到圆形的不锈钢筒上，纤维间距为180μm，再用聚苯乙烯和二甲苯以0.8∶1重量比例配置的粘结剂把丝的表面涂平，固定，制成纤维布；然后剪裁，以备热压复合；对粘结剂的清除过程是在360℃除气2.5小时，再升温到480℃除气60分钟；除气结束后，再升温到热压温度并加压(具体是在60分钟内升温至920℃，保温15分钟，先加压至5MPa，保压20分钟；随后再加压至15MPa，保压20分钟；最后再加压至50MPa，保压60分钟)得到板状复合材料样品，结果与实施例1相同。
本实施例所述模具亦可采用高温合金材料的模具。
权利要求
1.一种制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法，其特征在于以聚苯乙烯为粘结剂、二甲苯为溶剂，与Ti合金粉末混合后制备预制带，SiC连续纤维缠绕制成纤维布，二者经除气后升温至热压温度热压得到板状复合材料样品；具体可按如下步骤进行1)以聚苯乙烯为粘结剂，二甲苯为溶剂，将聚苯乙烯、二甲苯以1∶0.8-2的重量比混合，并充分溶解，得溶解后的粘结剂；2)按合金粉末和聚苯乙烯3-8∶1的重量比，将Ti合金粉末加入到溶解后的粘结剂中并充分混合，制成0.5mm～2mm厚的薄片并干燥，再分5-8道次将薄片轧成所需厚度的预制带，剪裁，备用；3)把连续SiC纤维缠绕到圆形的不锈钢筒上，再用所述溶解后的粘结剂把丝的表面涂平，固定，制成纤维布；然后剪裁，备用；4)将所述纤维布和所述金属预制带交替叠放在模具中，并设叠放层的最上、下层为金属预制带，装入热压炉中，进行热分解除气，清除溶解后的粘结剂；除气结束后，再升温到热压温度并在此温度加压，保压，得到板状复合材料样品。
2.按照权利要求1所述制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法，其特征在于其中预制带的轧制厚度可在120-250μm之间可调，以完全满足SiC/Ti合金复合材料的体积分数要求。
3.按照权利要求1所述制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法，其特征在于所述热分解除气分两阶段进行，第一阶段除气温度为360～400℃，时间1.5～2.5小时；第二阶段除气温度为480～530℃，时间为0.1～1小时。
4.按照权利要求1所述制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法，其特征在于所述升温加压方法为除气结束后，在30～60分钟以内升温至820～950℃，保温10～20分钟，加压5～10Mpa，保压10～30分钟；然后再加压至15～25Mpa，保压10～30分钟；再加压至40～50Mpa，保压30～60分钟。
5.按照权利要求1所述制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法，其特征在于模具采用石墨或高温合金材料的模具。
全文摘要
本发明涉及复合材料制备技术，具体地说是一种制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料的方法。它以聚苯乙烯为粘结剂、二甲苯为溶剂，与Ti合金粉末混合后制备预制带，SiC连续纤维缠绕制成纤维布，二者经除气后升温至热压温度热压得到板状复合材料样品。本发明为低成本制备连续SiC纤维增强Ti合金基复合材料提供了一条可行的技术路线，以价格相对低廉的合金粉末和聚苯乙烯粘结剂为原料，可在简单的设备上制备；制备过程无污染、无材料性能的副面影响；另外，它简单易行、应用范围广。
文档编号C22C47/00GK1532301SQ0311120
公开日2004年9月29日 申请日期2003年3月19日 优先权日2003年3月19日
发明者符跃春, 石南林, 张德志, 杨锐 申请人:中国科学院金属研究所