一种SiCf／Ti2AlNb异质芯材增强TC17复合材料及制备方法

本发明涉及连续碳化硅纤维增强钛基复合材料和复合材料领域，具体为一种连续sic纤维增强ti2alnb(sicf/ti2alnb)异质芯材增强tc17复合材料及制备方法。

背景技术：

1、tc17耐高温钛合金具有低密度与耐疲劳、强度高、耐磨损和抗氧化的良好结合，成为推重比大于10的航空发动机，压气机叶片和飞盘的候选材料。tc17合金最高使用温度为427℃，为了提高tc17材料的耐高温性能，通常为采用复合材料的方式来提高tc17合金的耐高温性能。当前较为成熟且有效提高tc17合金高温性能的方法为通过连续sic纤维增强tc17合金，制备成sicf/tc17复合材料，制备成的sicf/tc17在400～500℃高温拉伸强度大约为1300mpa，tc17合金在400～500℃高温拉伸强度大约为600mpa。显然，通过sic纤维增强的tc17合金高温强度明显提高。

2、近年，随着全球航空航天领域的发展，对tc17合金的服役要求更为严格，尤其是高温强度。目前已有方法为通过增加sic纤维体积分数来提高tc17的耐高温性能，由于该种方法将极大的增加材料成本并提高材料脆性，该方法一般不被采用。

3、根据上述，如何低成本提高tc17或者sicf/tc17的高温强度，将成为拓宽tc17材料适用范围和使用领域的关键。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明目的在于提供一种sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料及制备方法，解决了现有技术中tc17或者sicf/tc17材料在高温条件下强度过低的问题，有效提高了tc17及sicf/tc17的高温使用强度，且成本较低。

2、本发明的技术方案是通过下述方式实现的：

3、一种sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，选用sicf/ti2alnb复合材料为异质芯材，选用tc17合金为包套，通过异质芯材sicf/ti2alnb复合材料增强tc17合金，制备成sicf/ti2alnb/tc17复合材料。

4、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，sic纤维的体积分数占sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料总体积分数的40～55％。

5、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，按原子百分比计，ti2alnb合金成分为al：22～25，nb：24～26，ti：余量。

6、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，tc17合金包套组织为网篮组织，包套外径为3～4mm，厚度为0.3～0.65mm，孔径为2.4～2.7mm。

7、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，通过磁控溅射方法将ti2alnb合金溅射到sic纤维上，制备成先驱丝，将先驱丝裁剪至长度短于包套长度4～6mm，装入到tc17合金包套中，且先驱丝与tc17合金包套紧密接触，采用热等静压工艺实现sicf/ti2alnb异质芯材和包套的良好结合。

8、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，热等静压工艺为：抽真空使热等静压设备内部压强低于2×10-2mpa，以4～7℃每分钟的升温速率升温至900～940℃、在130～150mpa压力下保温保压3～5h，之后随炉冷却至280～320℃、130～150mpa保温保压0～2h，然后随炉冷却至室温。

9、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，优选的，热等静压工艺为：抽真空使热等静压设备内部压强低于2×10-2mpa，以4～7℃每分钟的升温速率升温至920℃、在130～150mpa压力下保温保压4h，之后随炉冷却至300℃、130～150mpa保温保压1h，然后随炉冷却至室温。

10、所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，采用真空电子束将包套冒口焊合，包套冒口材料与包套材料均为网篮组织的tc17合金。

11、本发明的设计思想是：

12、本发明通过选取耐高温并具有较高强度的sicf/ti2alnb异质芯材作为tc17合金的增强体，并选用网篮组织的tc17包套和合适的热等静压工艺以实现复合材料和包套的良好结合强度和适当的反应程度，获得室温中强、高温高强的复合材料。

13、具体为该发明的主要设计思想为复合材料具有tc17低密度、耐疲劳、耐磨损和抗氧化性能同时，兼具sicf/ti2alnb异质芯材的高温强度特点。为了保证两种材料的结合，探索了一种良好的热处理制度。该热处理制度实现了sicf/ti2alnb异质芯材与tc17包套间界面适中的结合强度，对裂纹扩展起到阻碍作用。并且该热处理制度实现了sicf/ti2alnb异质芯材中ti2alnb具有耐高温和塑性好的b2和o组织，以及tc17包套具有耐高温和抗疲劳的网篮组织共存。

14、本发明的优点及有益效果是：

15、1、本发明得到的复合材料高温强度明显提高，sicf/ti2alnb/tc17复合材料450℃强度可达1850mpa。

16、2、本发明得到的复合材料室温强度优异，sicf/ti2alnb/tc17室温强度可达1696mpa。

17、3、本发明制备的sicf/ti2alnb/tc17与通过增加sic纤维体积分数提高tc17合金高温强度方法相比，成本显著降低。

18、4、本发明复合材料可更广泛用于航空航天以及交通运输业。

技术特征：

1.一种sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，其特征在于，选用sicf/ti2alnb复合材料为异质芯材，选用tc17合金为包套，通过异质芯材sicf/ti2alnb复合材料增强tc17合金，制备成sicf/ti2alnb/tc17复合材料。

2.按照权利要求1所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，其特征在于，sic纤维的体积分数占sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料总体积分数的40～55％。

3.按照权利要求1所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，其特征在于，按原子百分比计，ti2alnb合金成分为al：22～25，nb：24～26，ti：余量。

4.按照权利要求1所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料，其特征在于，tc17合金包套组织为网篮组织，包套外径为3～4mm，厚度为0.3～0.65mm，孔径为2.4～2.7mm。

5.一种权利要求1至4之一所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，其特征在于，通过磁控溅射方法将ti2alnb合金溅射到sic纤维上，制备成先驱丝，将先驱丝裁剪至长度短于包套长度4～6mm，装入到tc17合金包套中，且先驱丝与tc17合金包套紧密接触，采用热等静压工艺实现sicf/ti2alnb异质芯材和包套的良好结合。

6.按照权利要求5所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，其特征在于，热等静压工艺为：抽真空使热等静压设备内部压强低于2×10-2mpa，以4～7℃每分钟的升温速率升温至900～940℃、在130～150mpa压力下保温保压3～5h，之后随炉冷却至280～320℃、130～150mpa保温保压0～2h，然后随炉冷却至室温。

7.按照权利要求5所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，其特征在于，优选的，热等静压工艺为：抽真空使热等静压设备内部压强低于2×10-2mpa，以4～7℃每分钟的升温速率升温至920℃、在130～150mpa压力下保温保压4h，之后随炉冷却至300℃、130～150mpa保温保压1h，然后随炉冷却至室温。

8.按照权利要求6或7所述的sicf/ti2alnb异质芯材增强tc17复合材料的制备方法，其特征在于，采用真空电子束将包套冒口焊合，包套冒口材料与包套材料均为网篮组织的tc17合金。

技术总结
本发明涉及连续碳化硅纤维增强钛基复合材料和复合材料领域，具体为一种连续SiC纤维增强Ti2AlNb(SiCf/Ti2AlNb)异质芯材增强TC17复合材料及制备方法。选用连续SiC纤维增强Ti2AlNb基复合材料为异质芯材，选用TC17合金为包套，通过异质芯材SiCf/Ti2AlNb复合材料增强TC17合金。采用热等静压工艺实现SiCf/Ti2AlNb异质芯材和TC17包套的良好结合，得到的SiCf/Ti2AlNb/TC17复合材料室温强度可达1690MPa，450℃高温强度可达1850MPa。本发明有效的提高TC17和SiCf/TC17材料的高温强度，高温强度约提高500～1100MPa。

技术研发人员：王玉敏,甘致聪,张旭,杨丽娜,杨锐
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12