一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及复合材料制备技术领域，具体设及一种SiC纤维变角度增强Ti基复合 材料管轴件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] W连续SiC纤维增强Ti基复合材料（SiCf/Ticomposites,TMCs)为主要代表的 金属基复合材料在航空发动机及其它航空、航天领域的应用潜力已明显呈现出急速上升的 趋势，据美国航空航天及宇航总署的预测，未来航空发动机用材料中，Ti基复合材料约占 45%，多种部件将使用TMCs。TMCs具有高比强度、高比刚度、良好的耐高溫及抗蠕变、抗疲 劳性能，是理想的高溫轻质结构材料。现已研制的航空发动机TMCs部件代替原有Ti合金 部件，减重效果可达30 %~40 %，并且其疲劳寿命及耐久性能都得将得到大幅提升。
[0003] 当前关于SiC纤维增强Ti基复合材料结构件的制备方法主要有锥-纤维-锥 (FF巧法、涂敷基体的先驱带（MCM)法；基体涂敷的先驱丝（MC巧法。其中FFF法因制备工 艺简单而应用最多，但是其缺点也非常明显，如Ti合金锥制备困难，复合材料中纤维排布 不规则，应用领域仅限于板材等；MCM法在喷涂过程中高溫高速的基体粒子可能造成纤维 表面的损伤，并且设备价格昂贵也限制了它的推广使用；MCF法在近年来受各国研究者的 青睐，它的优点是基体种类不受限制，纤维的体积分数可控，先驱丝易弯可编织，因此特别 适合于制备形状复杂的部件。
[0004] 航空发动机及其它航空、航天领域中Ti合金薄壁管或长轴是应用较多的一类结 构件，不同的服役环境决定了其不同的受力状态，其受力方向也不仅局限于沿结构件轴向 或径向，例如从抗弯、抗扭性能，对偏轴向45°或135°的承载能力则要求更高，若SiC纤维 沿运两个方向缠绕就能够显著增强该方向的力学能，因此SiC纤维多角度增强Ti基复合材 料管轴件是非常具有实际意义的。然而，变角度的增强方向对纤维的缠绕工艺及整个TMCs 管轴件的制备方法提出了新的考验。少数一些尚未公开发行的资料显示，通过数控缠绕机 完成先驱丝90°多层缠绕，进而可W制备SiC纤维增强Ti基复合材料的简单轴件，然而运 种构件的纤维增强角度垂直于构件轴向，其抗剪切及抗扭转性能极差，实际意义不大。如果 利用精密缠绕机直接进行-90°~90°变角度单丝缠绕，理论上无法实现整层先驱丝的致 密化，另外多股先驱丝胶粘连续制带的工艺也尚未取得突破。因此，通过精密缠绕机直接完 成先驱丝多角度致密化缠绕制备TMCs管轴的工艺路线在目前是行不通的，亟需一种新方 法来达到制备SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的目的。
【发明内容】
[0005] 为了提高现有Ti合金管轴件的抗扭转、抗弯曲、抗疲劳等力学性能，并能满足不 同服役条件下Ti合金管轴件的受力要求，本发明的目的在于提供一种SiC纤维变角度增强 Ti基复合材料管轴件；本发明的另一个目的在于提供一种SiC纤维变角度增强Ti基复合 材料管轴件的制备方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] 一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，该管轴件的Ti合金管壁中设有 变角度SiCf/Ti基复合材料中间层，所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层包含=层W上 的SiC纤维层，SiC纤维层内的SiC纤维轴向与管轴件轴向的夹角介于-90°~90°之间 (不包含±90° );所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层中SiC纤维的体积分数为10%~ 80%。
[0008] 所述SiC纤维层的层内及层间相邻SiC纤维之间被Ti合金隔离（SiC纤维之间不 相互接触）；每一SiC纤维层内的所有SiC纤维轴向均相同，不同层内的SiC纤维轴向可W 相同也可W不同。
[0009] 所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层垂直于管轴件轴向的截面为环形，变角度 SiCf/Ti基复合材料中间层的周围完全被Ti合金包裹。
[0010] 上述SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的制备方法，包括W下步骤：
[0011] (1)W清洁的连续SiC纤维为基材，Ti合金为祀材，采用磁控瓣射技术制备圆度均 匀的SiCf/Ti基复合材料先驱丝；磁控瓣射工艺参数为：祀-基距离为10~150mm，瓣射功 率为200~4000W，瓣射时间5~30h;
[0012] 似利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的条形单层板，先驱丝间用粘结剂连接， 其中先驱丝单层板长度方向与其中的纤维轴向方向一致；
[0013] 该步骤中，将先驱丝排布成单层板的工艺为：精密绕线机转速为15转/分钟~ 30转/分钟；先驱丝间距为先驱丝直径的80-100% ;先驱丝张力控制在1. 29X103N.m~ 2. 06X103N?m，所采用的粘结剂是将聚苯乙締和二甲苯按照1:巧~10)的重量比混合并 溶解制得；
[0014] (3)将先驱丝单层板裁剪为平行四边形的缠绕板，其中：首层缠绕板紧密地卷裹 在Ti合金内套管上，保证内套管外壁完全被包裹，无遗漏、无重叠，再利用罗纹粘纸固定住 先驱丝缠绕板的两端。第二层缠绕板再紧密卷裹在首层缠绕板上，紧密地包裹在前一层缠 绕板中未被罗纹粘纸覆盖的区域，同样保证缠绕区域无遗漏、无重叠，再利用罗纹粘纸固定 该层缠绕板的两端；然后再按同样方式卷裹下一层，直至达到所需层数。
[0015] 其中，裁剪缠绕板时，平行四边形缠绕板的一组平行边与纤维轴向一致，缠绕板卷 裹Ti合金内套管时，缠绕角度0为-90°~90°之间，所述缠绕角度0是该层缠绕板中 纤维轴向与所述管轴件轴向的夹角，每层缠绕板的缠绕角度与该层缠绕板的平行四边形的 锐角夹角a互为余角；
[0016] 首层缠绕板的规格可由如下公式（1)计算：
[0017] Li=L〇/cos白1，di=JT ? D。? COS白1 (1);
[0018] 公式（1)中：L。为首层缠绕板卷裹Ti合金内管长度，Li为与纤维轴向一致的一组 平行边长度，di为首层缠绕板的宽度（即与纤维轴向一致的一组平行边之间的距离），D。为 Ti合金内管外径，01为首层缠绕板中纤维与管轴件轴向的夹角，即首层缠绕板的缠绕角 度；
[0019] 第i层缠绕板的规格可由如下公式（2)计算：
[0020] Li=Lii/cos白i(i= 2, 3......n_l,n)，山二Ji.D;i?cos白；（i= 2, 3......n-1,n) 似；
[0021] 公式（2)中：LiI为第i层缠绕板卷裹其前一层的长度，L1为与该层缠绕板中纤维 轴向一致的一组平行边长度，di为第i层缠绕板的宽度（即与纤维轴向一致的一组平行边 之间的距离），Di1为第i-1层缠绕板外径，0 1为第i层缠绕板中纤维与管轴件轴向的夹 角，即第i层缠绕板的缠绕角度。
[0022] (4)缠绕板达到所需卷裹层数后，利用尼龙扎带分段髓住最外层的缠绕层，其中尼 龙扎带使用间距IOmm~20mm;
[0023] (5)沿着最外层缠绕板的罗纹纸包裹区边界，利用截管器将全部缠绕层的两端头 切断，依次去除各层缠绕层中的罗纹纸包裹部分，漏出Ti合金内管两端的外壁；
[0024] (6)将两个Ti合金套管堵头分别套在Ti合金内管两端，再将上述整体缓慢塞进 Ti合金外套管，装塞过程逐步拆除尼龙扎带，其中套管堵头长度等于Ti合金内管两端漏出 外壁区域的长度，套管堵头壁厚为全部先驱丝缠绕层总厚度加0. 05~0.Imm;
[00巧](7)对复合材料管轴件进行高溫真空热处理，去除先驱丝之间的粘结剂，再进行电 子束密封，最后热等静压成型使内部先驱丝致密化。
[0026] 去除粘结剂在真空热处理炉中进行，真空加热至300~500。恒溫60~ISOmin 即可。热等静压依据不同Ti合金套管及基体种类调整工艺参数，溫度为850~950°C，压力 为80~ISOMPa，恒溫恒压时间为60~240min。
[0027] 本发明设计原理如下：
[0028] 本发明选用磁控瓣射技术制备SiC/Ti基复合材料先驱丝，该技术适合于瓣射任 何一种Ti合金基体，使复合材料基体种类不受限制。通过改变磁控瓣射的时间调整与功 率，可调整纤维体积分数，进而为后续复合材料管轴件的力学性能设计提供宽泛的调节范 围。
[0029] 理论上，若某种丝带能够在直径为D、长度为L的平头圆管轴上实现按一定角度 0 (-90° < 0 <90° )的致密化缠绕，则该丝带在展开后一定为平行四边形，如图4所 示。该平行四边形的两组对边中有一组沿着纤维轴向，另一组则与纤维轴向存在一定夹角 a(锐角），该夹角与缠绕角度0互为余角。其中，与丝带轴向夹角为a的一组对边在缠 绕后整好围绕管轴端面一周，因此，运组对边长度等于管轴的周长n-D。另一组沿着丝带 轴向的对边，其长度S可根据缠绕