一种Mo涂层SiC纤维增强TiAl基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及磁控溅射物理沉积技术以及金属基复合材料的制备技术，能够利用纤维涂层对复合材料界面性能进行改善。

背景技术：

sic纤维增强tial基复合材料相比于传统钛基复合材料具有更高的使用温度以及更好的抗蠕变性能，能够进一步满足航空航天部件对材料性能的需求，所以sic纤维增强tial基复合材料得到了世界各国的关注。

然而在高温制备和高温服役过程中，tial基体和sic纤维之间会发生界面反应，而且相比于传统钛合金，塑性较差的tial基合金基体在热残余应力的作用下更易于开裂，从而使复合材料的力学性能恶化。因此，需考虑引入界面改性涂层以达到减缓界面反应和改善复合材料界面热残余应力的目的。

目前，应用比较广泛的界面改性涂层技术是在sic纤维表面涂覆一层c涂层，结果表明c涂层可以有效地减少纤维在制备过程中的损伤，但是这种涂层阻碍界面反应的能力有限，而且在高温下容易损耗严重，另外c元素在高温下会大量扩散进入tial合金基体，使基体组织进一步脆化，造成复合材料的整体性能下降。哈尔滨工业大学发明了一种tin涂层sic纤维增强ti基复合材料，研究表明该涂层不仅有效减缓了纤维与基体的反应程度而且还得到了良好的界面结合强度(专利申请号201110003731.8)，但是tin涂层为脆性材料，在机械载荷和热残余应力作用下易于首先开裂，此外，文献研究表明，该涂层制备过程中容易使纤维强度降低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种mo涂层sic纤维增强tial基复合材料的制备方法，经济可行，易于制备，能够进一步提高tial基复合材料的界面性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种mo涂层sic纤维增强tial基复合材料，包括若干层交替的tial基合金箔材和mo涂层sic纤维，所述的mo涂层sic纤维是指采用磁控溅射沉积技术在已有c涂层的sic纤维表面均匀沉积mo金属涂层制备得到的纤维。

所述的mo金属涂层厚度为0.5-2μm，所述的c涂层厚度为2-4μm。

本发明还提供一种mo涂层sic纤维增强tial基复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先采用化学气相沉积工艺在sic纤维表面制备一层厚度为2-4μm的c涂层；然后采用磁控溅射沉积工艺在已有c涂层的sic纤维表面均匀沉积厚度为0.5-2μm的mo金属涂层；最后采用箔-纤维-箔法或者纤维涂层法制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料；所述的箔-纤维-箔法是用交替叠放的tial基合金箔材和具有mo涂层的sic纤维真空热压而成；所述的纤维涂层法是在有mo涂层的sic纤维上继续沉积一层tial合金涂层，将若干层沉积了tial合金涂层的sic纤维紧密堆垛后热压而成。

所述的箔-纤维-箔法将tial基合金用电火花线切割的方法加工成长50mm、宽10mm、厚度为300μm的箔材，并通过机械研磨将厚度减薄为150-200μm；将制备得到的mo涂层sic纤维与tial基合金箔材采用一层箔材一层纤维的方法在模具中整齐叠放，放入真空热压炉中热压制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料。

所述的纤维涂层法将带有c、mo涂层的sic纤维上采用磁控溅射沉积技术继续制备一层50-200μm的tial合金涂层；将若干带有c、mo以及tial合金涂层的sic纤维紧密堆垛在模具内，放入真空热压炉中热压制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料。

本发明的有益效果是：对于mo涂层sic纤维增强γ-tial基复合材料，mo涂层的引入有效减缓了纤维与基体的界面反应，大大减缓了纤维自带的c涂层在高温情况下的消耗速度，而且mo涂层的热稳定性优异，不参与界面反应，也不发生扩散；

对于mo涂层sic纤维增强ti2alnb基复合材料，mo涂层同样具有良好的热稳定性，且mo涂层减缓了界面反应，延迟了c涂层消耗，同时mo原子的少量溶入使得纤维附近的ti2alnb基体合金被β化，可以有效缓解复合材料界面处的热残余应力。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图；

图2是mo涂层sic纤维的示意图；

图3是实施例1中所得复合材料的扫描电子显微照片，其中，a图是制备态sicf/c/ti2alnb复合材料的扫描电子显微照片，b图是制备态sicf/c/mo/ti2alnb复合材料的扫描电子显微照片，c图是940℃热暴露100h的sicf/c/ti2alnb复合材料的扫描电子显微照片，d图是940℃热暴露100h的sicf/c/mo/ti2alnb复合材料的扫描电子显微照片；

图4是实施例2中所得复合材料的扫描电子显微照片，其中，a图是制备态sicf/c/γ-tial复合材料的扫描电子显微照片，b图是制备态sicf/c/mo/γ-tial复合材料的扫描电子显微照片，c图是900℃热暴露200h的sicf/c/γ-tial复合材料的扫描电子显微照片，d图是900℃热暴露200h的sicf/c/γ-tial复合材料的扫描电子显微照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明在有c涂层的sic纤维表面溅射沉积一层纯mo涂层，溅射沉积过程不会像化学气相沉积那样因为高温暴露而降低纤维强度及表面质量，且该方法经济可行，易于制备。此外，mo涂层在减缓界面反应的同时涂层本身也有良好的热稳定性；mo元素作为ti合金的β相稳定元素能够使sic纤维增强tial基复合材料在界面附近生成更多的β-ti，塑性较好的β-ti可以减缓界面处的热残余应力，进而提高复合材料的力学性能。

本发明采用箔-纤维-箔法或者纤维涂层法制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料，制备流程如图1所示。所述的箔-纤维-箔法即用交替叠放的tial基合金箔材和mo涂层sic纤维在真空热压炉内通过高温高压制备复合材料的方法；所述的纤维涂层法是指在已有mo涂层的sic纤维上继续沉积一层tial合金涂层，在模具中将制备好tial合金涂层的sic纤维紧密堆垛后通过高温高压制备复合材料的方法。两种制备方法中的mo涂层sic纤维是指采用磁控溅射沉积技术在已有c涂层的sic纤维表面均匀沉积0.5-2μm厚的mo金属涂层制备得到的纤维，其中c涂层厚度为2-4μm，利用化学气相沉积工艺制备，c涂层的作用是进一步提高纤维力学性能，保护纤维不易受损伤。

本发明中箔-纤维-箔法制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料主要是通过以下几个步骤实现的：

(1)采用化学气相沉积工艺(cvd)在sic纤维表面制备一层2-4μm的c涂层；

(2)然后采用磁控溅射沉积工艺(pvd)在已有c涂层的sic纤维表面均匀沉积0.5-2μm厚的mo金属涂层；

(3)将tial基合金用电火花线切割的方法加工成长50mm、宽10mm、厚度为300μm的箔材，并通过机械研磨将厚度减薄为150-200μm；

(4)将(2)(3)步骤中制备得到的mo涂层sic纤维与tial基合金箔材采用一层箔材一层纤维的方法在模具中整齐叠放，放入真空热压炉中通过高温高压制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料；

(5)将制备得到的复合材料用电火花线切割的方法沿垂直于纤维方向切割成块，将一部分试样分别放入不锈钢管中在真空封焊设备上进行封焊，封焊完成后将钢管放入箱式电阻炉中进行热暴露处理，模拟复合材料在高温下的组织演变规律。

本发明中纤维涂层法制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料主要是通过以下几个步骤实现的：

(1)采用化学气相沉积工艺(cvd)在sic纤维表面制备一层2-4μm的c涂层；

(2)采用磁控溅射沉积工艺(pvd)在有已c涂层的sic纤维表面均匀沉积0.5-2μm厚的mo金属涂层；

(3)然后在步骤(2)中获得的带有c、mo涂层的sic纤维上采用磁控溅射沉积技术(pvd)继续制备一层50-200μm的tial合金涂层；

(4)将制备好带有c、mo以及tial合金涂层的sic纤维紧密堆垛在模具内，然后将模具放入真空热压炉中在高温高压下制备mo涂层sic纤维增强tial基复合材料；

(5)将制备得到的复合材料用电火花线切割的方法沿垂直于纤维方向切割成块，将一部分试样分别放入不锈钢管中在真空封焊设备上进行封焊，封焊完成后将钢管放入箱式电阻炉中进行热暴露处理，模拟复合材料在高温下的组织演变规律。

实施例1

(1)首先采用直流电加热化学气相沉积(cvd)装置在sic纤维表面制备出如图2所示的热解c涂层1，厚度为2μm；

(2)将已有c涂层的sic纤维缠绕在溅射仪溅射使用的转笼上，缠绕过程中确保纤维之间没有搭接。缠绕好纤维后将转笼放入jgp-560a型高真空矩形靶磁控溅射仪进行mo涂层的制备，溅射工艺参数为875w/0.63pa/40min，制备效果如图2所示，且mo涂层2的厚度为1.3μm。溅射完毕后将纤维取出，将其切割成长100mm的小段后真空保存以备使用；

(3)将名义成分为ti-21al-29nb(at％)的ti2alnb基合金用电火花线切割的方法加工出长50mm、宽10mm、厚度为300μm的箔材5片，放入丙酮溶液中用超声波清洗30min去除箔材表面油污后，用机械研磨的方法去除箔材表面的氧化物并减小箔材厚度至150-200μm。最后将箔材放入kroll试剂(5％hf、10％hno3、85％h2o)中浸泡3min后取出再放入无水乙醇中进行超声波清洗30min后烘干，并将箔材放入干燥箱中保存以备使用；

(4)将步骤(2)制备得到的mo涂层sic纤维用传统的mo丝编织法编织出长100mm,宽10mm，间隔0.1mm的4层纤维后与步骤(3)中得到的ti2alnb基合金箔材按照一层箔材一层纤维的顺序在模具中整齐叠放；

(5)然后将叠放好箔材和纤维的模具放入zkg-13型真空热压炉中，热压工艺参数为980℃/70mpa/100min，制备完成后随炉冷却至室温，即得到mo涂层sic纤维增强ti2alnb基复合材料。该复合材料的制备态sem扫描照片如图3b所示，相比于图3a中没有mo涂层的ti2alnb基复合材料，由于mo涂层的引入，使得纤维附近的基体生成了一层明显的环状β-ti，塑性较好的β-ti能够有效缓解界面的残余热应力。

用电火花线切割的方法沿垂直于纤维方向取厚度为2mm试样并放入内径8mm外径10mm的不锈钢管中在真空封焊设备上进行封焊，将样品封焊在真空度高于10^-4pa以上的真空环境下，封焊完成后将带有试样的钢管放入箱式电阻炉中进行700℃、800℃、900℃以及1000℃下100和200h的真空热暴露处理，模拟复合材料在高温下的组织演变规律。对比图3c和3d可以看出，在高温环境下，有mo涂层的sic纤维增强ti2alnb基复合材料的界面更为稳定。

实施例2

(1)首先采用直流电加热化学气相沉积(cvd)装置在sic纤维表面制备出如图2所示的热解c涂层1，厚度为2μm；

(2)将已有c涂层的sic纤维缠绕在溅射仪溅射使用的转笼上，缠绕过程中确保纤维之间没有搭接。缠绕好纤维后将转笼放入jgp-560a型高真空矩形靶磁控溅射仪进行mo涂层的制备，溅射工艺参数为875w/0.63pa/40min，制备效果如图2所示，且mo涂层2厚度为1.3μm。溅射完毕后将纤维取出，将其切割成长100mm的小段后真空保存以备使用；

(3)待mo涂层溅射完毕后，将mo金属靶材取出，更换名义成分为ti-43al-9v(at％)的γ-tial合金靶材，继续在mo涂层上沉积一层γ-tial合金涂层。溅射功率为600w，溅射气压为0.8pa，当sic纤维表面的γ-tial合金涂层达到80μm后，停止溅射取出纤维；

(4)将制备好带有c、mo以及γ-tial合金涂层的纤维切割成长度为100mm小段后密集堆垛在模具内，注意在模具上下左右垫上氧化铝陶瓷垫片，防止在热压过程中复合材料与模具粘结；

(5)然后将模具放入zkg-13型真空热压炉中，工艺参数为1150℃/150mpa/40min，制备完成后随炉冷却至室温，即得到mo涂层sic纤维增强γ-tial基复合材料。该复合材料的制备态sem扫描照片如图4b所示，相比于图4a中没有mo涂层的γ-tial基复合材料，其反应层的厚度要明显薄一些，说明mo涂层起到了减缓界面反应的作用。

用电火花线切割的方法沿垂直于纤维方向取厚度为2mm试样并放入内径8mm外径10mm的不锈钢管中在真空封焊设备上进行封焊，将样品封焊在真空度高于10^-4pa以上的真空环境下，封焊完成后将带有试样的钢管放入箱式电阻炉中进行700℃、800℃、900℃以及1000℃下100和200h的真空热暴露处理，模拟复合材料在高温下的组织演变规律。对比图4c和4d，可以看出有mo涂层的sic纤维增强γ-tial基复合材料界面热稳定性要明显好于没有mo涂层的复合材料。