鈦基復合材料加工前言

在現有的基礎上提高高溫鈦合金的使用溫度存在著較大的困難，難以滿足日益苛刻的綜合性能要求。于是，鈦合金向鈦材料的新一族——鈦基復合材料(TMCs)發展的轉移趨勢也應運而生。近年來，由于其相對鈦合金更為優異的綜合性能，鈦基復合材料引起人們廣泛關注。鈦基復合材料的種類

鈦基復合材料主要分為兩大類：連續纖維增強鈦基復合材料和顆粒增強鈦基復合材料。早期研究的主要領域是以碳化硅纖維增強的鈦基復合材料，可顯著提高基體合金的機械性能，但纖維增強鈦基復合材料受到以下幾個因素的制約：碳化硅纖維價格昂貴、加工工藝復雜、各向異性。此外，鈦基復合材料中SiC纖維與鈦基體熱膨脹系數相差較大，容易在制備和服役過程中產生較大的熱應力，且在高溫條件下與鈦基體發生界面反應而生成TiCx、Ti5Si3(C)等產物，嚴重影響復合材料的性能。上述幾個因素嚴重地限制了連續纖維增強鈦基復合材料的應用。最近，以外加或原位生成的非連續增強鈦基復合材料因其制備和加工工藝與鈦合金相似，成本與鈦合金材料接近，可望在航空航天和軍工領域的許多高溫結構中獲得實際應用。低密度、高模量和高強度的陶瓷顆粒或短纖維加入鈦合金基體中，可顯著提高材料的比模量、比強度和蠕變性能，進一步提高它的使用溫度，以滿足高溫鈦合金不斷發展的需要。因此，非連續增強鈦基復合材料是目前的重要研究方向。此外，陶瓷增強相可顯著提高基體合金的耐磨性，結合鈦合金耐腐蝕的優點，滿足航空航天和軍工領域對材料耐磨、耐蝕的要求。SiC纖維增強鈦基復合材料簡要介紹成型方法性能特點發展展望CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS主要目錄

簡要介紹

SiC纖維增強鈦基復合材料SiC纖維增強鈦基復合材料是以SiC纖維為增強相以鈦（或鈦合金）為基體的新型復合材料，具有高比強度、高比剛度、高的蠕變及疲勞性能，為基體鈦合金所無法比擬，因而可在更高溫度使用。纖維增強鈦基復合材料在航空航天領域中有廣闊應用前景，可大大減輕飛行器的結構重量，提高飛行器的工作效率。近20年來材料工作者對其進行了深入的研究，并取得了突破性進展

簡要介紹SiC纖維增強鈦基復合材料圖1SiCf/TC4復合材料空心整體結構圖2件采用箔材刻槽法制備的復合材料的橫斷面

簡要介紹

SiC纖維增強鈦基復合材料制備工藝SiC纖維增強的制備過程分為復合和壓實2個過程。鈦的化學性質活潑，鈦合金在高溫下可以和大多數增強纖維發生化學反應，生成有害的界面反應物導致復合材料力學性能下降，故只能用固相法制備。目前SiC纖維增強鈦基復合材料的制備技術主要有：等離子噴涂法(MCM)纖維增強和纖維涂層法(MCF)。常用的固化壓實技術有熱等靜壓(HIP)和真空熱壓(VHP)2種。123成型方法

等離子噴涂法(MCM)纖維涂層法(MCF)SiC纖維增強法的其他制備工藝1成型方法

等離子噴涂法(MCM)該工藝用等離子噴槍把熔融或者接近熔融狀態的鈦合金以微米級顆粒噴向纏繞有纖維的轉輪上，將冷凝之后形成的單層薄帶切割下來，多層疊放，然后熱壓或熱等靜壓制成復合材料。該方法用熔融的鈦合金基體固定增強纖維，克服了FFF法纖維不易固定的缺點，固壓成型后纖維分布均勻。但由于熔融鈦合金溫度高，與纖維接觸時會發生界面反應。在用該工藝制備SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中發現：前者在界面處生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面處生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了復合材料的性能。1成型方法

等離子噴涂法(MCM)優點：克服了FFF法纖維不易固定的缺點，固壓成型后纖維分布均勻。缺點：由于熔融鈦合金溫度高，與纖維接觸時會發生界面反應；在用該工藝制備SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中發現：前者在界面處生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面處生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了復合材料的性能。2成型方法

纖維涂層法(MCF)圖5MCF法制備FTMCs的示意圖2成型方法

纖維涂層法(MCF)

用纖維涂層法可以獲得最佳的纖維分布。該工藝用物理氣相沉積法(PVD)把基體合金作為涂層材料，均勻地涂在單根纖維上，然后將基體涂層纖維捆綁、排布、封裝后熱壓或熱等靜壓成形，如圖4所示。2成型方法

纖維涂層法(MCF)優點：①具有極好的纖維分布，無接觸聚集，只要纖維之間間距在30um以上，材料就不會因熱應力而造成裂紋；②成型工藝不像FFF法那樣要求嚴格；③纖維／基體界面區沒有或幾乎沒有被擾亂；④低的離群性；⑤原則上幾乎任何合金都可作基體；⑥不需要箔材和粉冶材料；⑦MCF適于用單絲纏繞制取環、盤和管材，其他方法成本很高且成形件性能較低；⑧纖維的體積含量可高達80％；⑨金屬涂層保護了陶瓷纖維在加工處理和成型工藝中不被破壞。3成型方法

SiC纖維增強法的其他制備工藝

纖維增強法的其他制備技術包括墊布工藝，漿料帶鑄造法等。近年來又開發出超塑性成形／擴散連接(SPF／DB)工藝制備纖維增強法的混雜結構技術。此技術制備SiC／Ti-15-3復合材料時，并非溫度越高越利于鈦基復合材料的擴散連接，在較低溫度下，利用超塑性變形可以提高復合材料質量。性能特點

纖維增強鈦基復合材料的機械性能

法國宇航中心(ONERA)所制成的復合材料性能顯示，3種材料：SMll40+/Ti-6242，SMll40+Ti2AlNb和SMll40+/Ti2AlNbSi的彈性模量相似，SMll40+／Ti-6242的拉伸強度高于SMll40+/Ti2AlNb，而SMll40+/Ti2AlNbsi的拉伸強度最低。（見表一）性能特點

纖維增強鈦基復合材料的抗氧化性能Vassel等人在對SM1140/Ti-6242和SMll40+/Ti2AlNb的基體材料進行氧化實驗時得出，在600℃，700℃下，這2種基體材料的氧化動力學曲線服從拋物線規律，即△m/s=K1/2t，K為氧化動力常數，f為時間，△m/s為氧化增重。從表2可以得出2種六方晶型的合金Ti-21Al-27Nb和Ti-23Al-25Nb-0．35Si的氧化動力學基本相似．但其抗氧化性能明顯優于Ti-6242合金。性能特點

纖維增強鈦基復合材料的界面反應Vassel等人對SMll40+/Ti-6242和SMll40+／Ti2AlNb復合材料的橫斷面組織研究得出，基體和增強纖維具有良好的復合界面，纖維和基體在復合過程中有金屬間化合物等脆性相生成，這種生成物可能成為裂紋源，從而對材料的蠕變、拉伸、疲勞等性能產生影響。表3列出3種復合材料的界面厚度和反應產物，其中2種六方晶系基體由3種相組成：O相(Ti2AlNb)，β(有序相，β2)和α相(Ti3Al，DO19)。圖6復合材料中纖維和基體的界面性能特點

纖維增強鈦基復合材料的界面反應發展展望

纖維增強鈦基復合材料在航空發動機上有廣泛的應用前景，目前國際上廣泛使用的為美國生產的SCS一6SiC纖維及英國的SMl240SiC纖維，SCS-6纖維是用化學氣相沉積(CVD)將SiC沉積在碳芯上，其外表面有一層3um的碳涂層，經過改進CVD工藝，SCS—ULTRA和SCS一9A具有更加優異的性能。英國生產的SiC纖維為鎢芯結構，外表面具有C／TiB2雙涂層，但無論是抗拉強度還是熱穩定性均不及SCS系列纖維。圖6采用大量鈦基復合材料的通用公司F119發動機試車發展展望

纖維增強鈦基復合材料因其高比強、高比模量、好的尺寸穩定性和高溫強度是航天工業中結構件的候選材料，到目前為止，已對其復合方法、強化纖維與基體合金、損傷評價技術等方面進行了深入的研究。混合