一种SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料预制体制备技术领域，具体涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带及其制备方法。

背景技术：

SiC纤维增强钛基复合材料(TMC)相比于传统钛合金具有更高的比强度、比模量，更好的高温抗疲劳、抗蠕变等性能优势，是发展新型高性能航空、航天高温轻质部件的一类关键结构材料，特别是制成航空发动机用整体叶环、低压涡轮轴等结构件，有望大幅降低飞机重量，提高飞行效率。目前，圆环、管轴、圆筒等回转体部件是该类材料应用的主要结构形式。

SiC纤维增强钛基复合材料制备技术主要包括预制体制备和复合成形两个工艺过程。其中预制体的制备是钛基复合材料制备技术的关键环节，预制体形状结构和所采取的制备方法需要根据结构件的结构特点进行专门的设计。目前SiC纤维增强钛基复合材料预制体的制备方法主要有：箔-纤维-箔法(FFF)、涂敷基体的预制带法(MCM)、基体涂敷的纤维法(MCF)。

FFF法的制备工艺最为简单，简言之就是一层纤维、一层箔的重复堆叠，特别适合进行复合材料板材的制造，但是这种方法的缺点很多，例如纤维排布不整齐，易发生纤维接触使复材性能降低，另外钛合金箔材制备困难，并非所有牌号的钛合金都能制备成箔材产品。

MCM法采用等离子喷涂技术，在按一定间距排布的纤维带表面喷涂钛合金，制成预制带。这就要求纤维排布具有较大的间隙，以便于钛合金填充，因此导致纤维体积分数受限，如果纤维体积分数较大时(即纤维间距较小)，这种方法制备的预制带涂层中会包含一定的孔隙率，难以实现完全致密。钛合金纤维与纤维的结合力有限，弯曲过程中可能发生界面开裂和涂层剥落的问题。另外，制备过程中高温、高速的基体粒子可能造成纤维表面的损伤，较大的纤维间隙也容易出现间隙污染的问题。因此，目前这种预制体制备工艺很少在行业内采用。

MCF法是近年来被普遍认可的一种预制体制备方法，它采用物理气相沉积技术，特别是利用磁控溅射技术在SiC纤维表面沉积Ti合金基体，制成了基体涂覆的纤维，即复合材料先驱丝。先驱丝可以缠绕、裁剪，适合于制备形状复杂的复合材料结构件，另外基体种类不受限制，纤维的体积分数可控。

目前，制备SiC纤维增强钛基复合材料回转体(环形、薄壁筒、管轴等)结构件主要采用MCF法，具有代表性的是磁控溅射先驱丝法。虽然该方法可利用的优点众多，但是在成形后仍然可能出现一定的纤维断裂问题，原因在于预制体制备过程中不可避免的会存在一定的孔隙率，孔隙率一般在10％～30％之间，因增强方式和缠绕工艺不同，孔隙率还可能更高。成形过程中孔隙的致密化需要基体变形流动，从而造成脆性纤维的变形和断裂。MCM法尽管目前很少被采用，但是这种预制带结构具有孔隙率低的特点，如果能够对预制带进行致密化，并且克服涂层剥落和高温喷涂的纤维损伤问题。将有可能利用条带缠绕代替细丝缠绕，从而降低结构件成形前的孔隙率，解决成形后复合材料结构件中纤维断裂的问题。

技术实现要素：
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针对现有技术中SiC纤维增强钛基复合材料预制体孔隙率大、成形后纤维断裂率高的问题，本发明的目的在于提供一种致密的、可弯曲的、纤维体积分数可控的、纤维无断裂的SiC纤维增强钛基复合材料先驱带及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带，该致密先驱带是由多根连续SiC纤维和钛基基体形成的带状结构，其中：多根连续SiC纤维以平行分散方式单层排布形成纤维层，纤维层中纤维排布的间距相同，相邻的纤维之间以及纤维层的上下表面均为同材质的钛基基体。

该致密先驱带中，所述SiC纤维所占的体积分数为25～50％；所述钛基基体为钛合金(所有钛合金，如：TC4、TC17、TA19、Ti55、Ti60等)或钛铝金属间化合物(Ti₂AlNb、TiAl等)。该致密先驱带的厚度为0.11～0.16mm。

该致密先驱带中钛基基体致密无孔隙，先驱带能够弯曲和/或缠绕，弯曲和/或缠绕后无纤维断裂损伤。

所述SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带的制备方法，包括以下步骤：

(1)以清洁的连续SiC纤维为基材，钛基基体材料(钛合金或钛铝金属间化合物)为靶材，用磁控溅射技术制备圆度均匀的SiC纤维增强钛基复合材料先驱丝，其中SiC纤维占先驱丝的体积分数为25～50％；

(2)利用精密绕线机将先驱丝在圆柱形鼓筒上缠绕一层，形成先驱丝单层薄带；其中：缠绕方向为鼓筒周向，先驱丝在鼓筒表面致密排布，无间隙；

(3)在致密缠绕排布后的先驱丝表面喷涂粘结剂，进行固定，粘结剂为聚苯乙烯溶解于二甲苯形成的溶液，聚苯乙烯与二甲苯的重量比例为1∶10；

(4)粘结剂完全固化后，将先驱丝单层薄带从鼓筒上裁剪取下，在其上表面和下表面各包裹两层纯钛箔，每层纯钛箔厚度为0.025mm；

(5)将纯钛箔包裹的先驱丝单层薄带装入平板结构模具，模具内与纯钛箔接触的表面喷涂钛合金脱模剂；

(6)利用平板结构模具并采用真空热压技术对先驱丝单层薄带进行致密化处理，形成先驱带毛料；对所得先驱带毛料进行机械和手工磨剖，去除先驱带毛料上表面和下表面的0.05mm纯钛层，漏出钛合金基体，即获得所述SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带。

上述步骤(1)中，所述磁控溅射技术的参数为：靶-基距离(靶材到基材之间的距离)为30～60mm，溅射功率为500～1500W，溅射时间5～20h。

上述步骤(2)中，所需的缠绕工艺参数为：主动轴转速为5～30转/分钟，从动轴节距设为先驱丝直径的95％。

上述步骤(6)中，所述致密化处理过程步骤如下：

(a)将带有先驱丝单层薄带的模具装入真空热压机，抽真空到真空度小于1×10^-3Pa；

(b)粘结剂的去除：升温至450℃，保温60min，以去除粘结剂；

(c)致密化及成形处理：升温至850℃，保温180min，保温过程中施加载荷50MPa，保温结束后自由降温至室温，取出后得到所述SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带。

本发明设计机理如下：

本发明先驱带的结构及其制备方法结合了MCF法和MCM法的预制体结构和制备工艺特点，很好的解决了预制体高孔隙率、纤维损伤等问题，同时也兼具了这两种方法的工艺优势。通过磁控溅射方法制备先驱丝，基体种类不受限制，可为任何一种Ti合金。另外，通过调整溅射时间进而可以有效地控制纤维在先驱丝中的体积分数。利用先驱丝致密排布取代MCM法中的纤维平行间隔排布后再喷涂基体，避免了纤维被高温、高速粒子撞击而出现损伤，同时也避免了临近纤维的粘连贴合，使纤维分散更加均匀。对密排先驱丝薄板(先驱丝单层薄带)进行高温成形，使先驱丝间的基体流动变形并结为一体，消除了先驱丝排布或缠绕时不可避免的孔隙率，也使纤维和基体具备了较好的结合力，避免了后续使用过程中钛合金基体脱落。先驱带结构设计为单层先驱丝排布(或单层纤维分布)，使总厚度控制在0.11mm～0.16mm之间，保持了先驱丝的可缠绕特性，使致密先驱带具有良好的弯曲、缠绕性能。

本发明具有如下优点：

1.采用本发明所制备的先驱带内部致密、无孔隙。使用过程中产生的理论孔隙率为零，大大降低了复合材料成形前预制体的综合孔隙率，减少了成形过程中的变形量，对解决成形后复合材料结构件内的纤维断裂问题大有裨益。

2.采用本发明所制备先驱带弯曲和缠绕性能好，既具备了原始先驱丝良好的缠绕能力，又提高了纤维-基体的界面结合力和避免了先驱丝缠绕的断丝问题。为制备回转体结构的钛基复合材料结构件预制体提供了有效途径。

3.采用本发明制备的先驱带中纤维体积分数可以设计调控，进而能够实现后续钛基复合材料的强度可设计性。

4.本发明不受钛合金基体种类限制，适合于几乎所有的钛合金(TC4、TC17、TA19、Ti55、Ti60等)和钛铝金属间化合物(Ti₂AlNb、TiAl等)作为基体材料，扩大了SiC纤维增强钛基复合材料的应用范围。

5、利用本发明先驱带进行SiC纤维增强钛基复合材料管轴、圆筒等回转体结构件的制备，可大幅降低成形前的孔隙率，解决复合材料结构件中纤维因复合成形时变形量过大而发生断裂的问题。

附图说明

图1为本发明中SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带结构示意图；

图2为本发明中制备过程每个阶段的产物示意图；其中：(a)3-SiC纤维；(b)4-SiC纤维增强钛基复合材料先驱丝；(c)5-SiC纤维增强钛基复合材料先驱丝单层薄带；(d)6-SiC纤维增强钛基复合材料致密先驱带；

图3为本发明实施例中SiC纤维增强TC17复合材料先驱丝单层薄带照片；

图4为本发明实施例中SiC纤维增强TC17复合材料致密先驱带弯曲、缠绕试验照片；

图5为本发明实施例中SiC纤维增强TC17复合材料致密先驱带经酸洗试验后取出的SiC纤维照片。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

实施例1

本实施例为制备SiC纤维增强TC17复合材料致密先驱带，其结构如图1所示。该致密先驱带是由多根连续SiC纤维和钛基基体形成的带状结构，本实施例中钛基基体为TC17。多根连续SiC纤维以平行分散方式单层排布形成纤维层，纤维层中纤维排布的间距相同，相邻的纤维之间以及纤维层的上下表面均为同材质的钛基基体，该致密先驱带中钛基基体致密无孔隙，先驱带能够弯曲和/或缠绕，弯曲和/或缠绕后无纤维断裂损伤。

上述SiC纤维增强TC17复合材料致密先驱带的制备方法，主要工艺过程如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)利用酒精清洗连续SiC纤维表面，然后将清洁的连续SiC纤维缠绕在磁控溅射设备的样品架上，装入磁控溅射设备中，采用TC17合金靶材；机械泵、分子泵预抽真空室，真空度小于1×10^-3Pa后，加热500℃烘烤真空室，当真空度达到要求后，通入流动Ar气，转动样品架转速为10转/分钟，启动溅射电源，开始磁控溅射制备SiC_f/TC17先驱丝，靶-基距离为40mm，单靶溅射功率1000W，磁控溅射时间10小时，溅射结束后降至室温，取出先驱丝，先驱丝直径142μm，镀层厚度均匀、圆度优良，纤维占先驱丝的体积分数为50％。

(2)利用精密绕线机将先驱丝缠绕在直径为382mm的圆柱形鼓筒上，缠绕一层后形成先驱丝单层薄带，如图3所示；先驱丝缠绕方向为鼓筒周向，要求先驱丝致密无间隙排布。设置主动轴转速15转/分钟，从动轴节距为133μm。

(3)在致密缠绕排布后的先驱丝单层薄带表面喷涂粘结剂，进行固定，喷涂过程中圆柱形鼓筒带动先驱丝稳定转动，保证喷涂连续均匀。粘结剂为聚苯乙烯溶解于二甲苯形成的溶液，聚苯乙烯与二甲苯的重量比例为1∶10；

(4)粘结剂完全固化后，将先驱丝单层薄带沿鼓筒上轴向裁剪，取下展平，如图3所示，在其上、下表面各包裹两层0.025mm厚的纯钛箔，上、下表面各0.05mm厚。

(5)将钛箔包裹的先驱丝单层薄带装入平板结构模具，所述平板结构模具的上压头和下压头为平板状，模具材质为高强石墨，压头表面均匀喷涂钛合金脱模剂。

(6)将模具连同内部的预制体装入真空热压机，抽真空至真空度优于1×10^-3Pa后，开始升温，升温至450℃保温60min去除粘结剂；然后升温至850℃保温180min，并施加载荷50MPa，随后自由降温至室温，取出先驱带毛料。

(7)对成形后的先驱带毛料进行机械加手工磨剖，去除上、下表面的0.05mm纯钛层，漏出钛合金基体，先驱带表面光洁、无氧化锈蚀。

对实施例中制备的SiC纤维增强TC17复合材料先驱带进行了缠绕性能试验，如图4所示，缠绕直径50mm，缠绕保持时间15天。试验表明先驱带易于弯曲缠绕，15天后与被缠绕管表面仍然贴合紧密。利用钛合金腐蚀液浸泡缠绕试验后的先驱带，去除了TC17基体，提取了其中的全部纤维，如图5所示，观察结果显示无任何纤维发生断裂，充分表明该方法制备的先驱带弯曲、缠绕性能优异，适合用于SiC纤维增强钛基复合材料回转体结构件的制备。