摘要: 系统介绍了钛基复合材料的最新研究和发展,涉及非连接颗粒增强和连续纤维增强两大类钛基复合材料。
关键词: 钛基复合材料;颗粒增强;连续纤维增强;非连续颗粒增强
中图分类号:TQ16文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0710029-01
钛基复合材料(TMCs)以其高的比强度、比刚度和抗高温特性而成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料。TMCs材料的研究始于70年代。80年代中期,美国航天飞机(NASP)和整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)以及欧洲、日本同类发展计划的实施,给TMCs材料发展提供了很好的机遇和巨大的资金保证,从而促进了TMCs材料的发展,使之成了80年代材料科学领域的热点。TMCs可简单分为两大类:非连续颗粒增强和连续纤维增强钛基复合材料。研究重点主要集中在5个方面:1)钛基体和增强剂的选择;2)TMCs制造方法和加工工艺的研究;3)强化剂与基体界面反应特性和扩散障碍涂层;4)性能评价和实验方法;5)应用领域的开拓。
今年来,TMCs的发展虽然很快,但仍是一种新型昂贵的材料并尚处于发展之中。尤其是冷战结束以后,由于缺乏对宇航、军事项目长期巨额资金的支持,使TMCs的研究与发展开始降温。其目标转向工程应用,发展低成本颗粒增强的钛基复合材料成为当今一种重要趋势。
1 不连续纤维增强钛基复合材料蠕变形变与断裂
复合材料与基体合金的蠕变应力指数和激活能是一致的,这意味着复合材料蠕变机制与基体合金是相同的。在低应力阶段,激活能与Ti的自扩散激活能相近,应力指数与错位攀移控制蠕变应力指数一致,错位结构也是典型的,形成了胞状结构。因此可以肯定,在低应力阶段,复合材料与基体合金一样,蠕变由错位攀移速率控制。从金相观察发现在高应力阶段,界面空洞较多,因此,可以认为界面损失是高应力阶段蠕变的控制因素。颗粒和晶须大量自身开裂,也发生大量界面开裂。基体合金呈晶蠕变断裂形貌,而复合材料的集体呈穿晶韧窝断裂形貌。
2 连续纤维增强钛基复合材料
2.1 用于增强钛合金的连续粗纤维
在钛基复合材料目前常采用的三种增强体类型中,连续粗纤维增强方式在力学性能方面显示出特有的优越性,与颗粒、晶须或短纤维增强相比,它同时兼有高的刚性、高的强度和高的韧性,在未来高性能飞机、航空发动机和航天飞机上有着广阔的应用前景。
纤维/钛合金中的增强组元纤维是承受外界载荷的主体。在给定纤维含量的情况下,粗纤维可以增加其间的距离,从而有利于降低纤维在高温复合固结过程中产生径向裂纹倾向和充分发挥钛基体的韧性作用。目前化学气相沉积方法(CVD)制备的粗纤维都存在一定的残余应力,而且考虑到经济性,增强钛合金的连续纤维直径以0.12-0.15mm为宜。
经过可能用于钛基复合材料的连续纤维如SiC、Borsic(硼纤维表面涂SiC层)和B4C-B等评定后发现,美国Textron公司生产的SCS-6纤维是目前钛基复合材料最理想的增强体。
2.2 纤维/合金制造技术
与钛合金相比,纤维/钛合金具有高的强度性能和使用温度,比强度、比模量则分别提高约50%和100%。它的强度性能主要受高温复合成型过程中纤维与钛合金基体的反应,显微组织结构稳定性和内部残余应力等因素的影响。目前阻碍纤维钛合金大量进入空间技术市场的主要原因是材料制造工艺复杂和价格昂贵。在它的发展过程中,高强度高模量连续碳化硅粗纤维的起到了很大的推动作用。
纤维/钛合金的制造过程大体上可分为纤维和基体交替叠层预制件的制备和复合固结成形等两大部分。预制件的制备方法有粉末布工艺、真空等离子喷涂工艺和纤维-箔材交替铺层等。前两种工艺要求基体钛合金粉末的纯度高,但钛合金粉末表面往往存在一薄氧化层,容易引起高温固结过程中对复合材料的污染,加之工艺复杂,成本高,使用上受到限制。因此目前常采用纤维-钛箔两者的交替铺层数月。单向增强SiC纤维有事采用钛丝进行横向编织。特别是后两种工艺可以直接成形复合材料零件坯料,故在生产上广为采用。值得指出的是,真空热压工艺实现预制件复合固结的原因是钛合金在一定温度与压力作用下,产生超塑性成形和扩散连接的综合效应。
2.3 连续纤维增强钛基复合材料的超塑性变形
日本研究人员研究了溅射法制备的复合材料的超塑性成型特性及其中的空隙现象。他们采用的基体是富的 钛合金SP-700。温度低于800℃,SP-700会表现出良好的超塑性。基体合金箔的名义厚度为150 ,增强剂为CVD法制备的连续SiC涂层,涂层均匀分散于纤维碳基体上。溅射预成型时将SCS-6纤维缠绕至一直径为500mm的鼓上,将氩气雾化法制备的直径小于150 的SP-700颗粒等离子溅射至纤维上。SP-700箔和溅射预成型的SCS-6纤维采用箔-纤维-箔法制成4层(SiC同方向)的SCS-6/SP-700复合材料。
溅射预成型法制备的复合材料的纤维间距比用编织网法制备的复合材料的纤维间距均匀得多,也很少发现间距很近的纤维。溅射复合材料表现出空洞引起的超塑性,其延伸率比编织复合材料的大得多。超塑性变形的SCS-6/SP-700中形成的空洞的临界应力可能取决于纤维/基体的界面强度。
3 应用前景
钛基复合材料是一种先进的高性能结构材料,在未来的航空航天技术上有着强大的应用潜力。对于这样一项高难度,长远而带有方向性的高技术。我们必须给予足够的重视。可以认为,这种材料的成功应用将是复合材料领域内的一个重大突破性进展。
参考文献:
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