SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料空心結(jié)構(gòu)成形研究

趙 冰，廖金華，侯紅亮，李志強(qiáng)，白秉哲

(1.清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京100081，E-mail:zhao6833@163.com; 2.北京航空制造工程研究所，北京100024)

SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料空心結(jié)構(gòu)成形研究

趙 冰1，2，廖金華2，侯紅亮2，李志強(qiáng)2，白秉哲1

(1.清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京100081，E-mail:zhao6833@163.com; 2.北京航空制造工程研究所，北京100024)

采用箔材刻槽法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(SiCf/Ti)面板，通過分析不同復(fù)合工藝參數(shù)條件下的纖維/基體界面和基體微觀組織，獲得了優(yōu)化的制備工藝：925℃/100 MPa/1 h.利用SiCf/Ti復(fù)合材料沿垂直纖維方向具有大變形的能力，將超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)(SPF/DB)與SiCf/Ti復(fù)合材料的復(fù)合技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)過熱壓復(fù)合、熱成形、超塑成形3個(gè)工藝過程，制備了SiCf/Ti復(fù)合材料的空心結(jié)構(gòu)，并對(duì)空心結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了微觀組織分析，驗(yàn)證了工藝的可行性.

連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料;SPF/DB;箔材刻槽法;空心結(jié)構(gòu);熱壓復(fù)合

連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有單一合金所沒有的優(yōu)良的綜合性能，強(qiáng)度達(dá)到1600～2300 MPa，剛度約為 200 GPa，而密度則小于4.0 g/cm3，是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)(15～20)理想的結(jié)構(gòu)材料［1－3］.在美國、歐洲新一代的高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)上，風(fēng)扇葉片采用SiCf/Ti復(fù)合材料制造來替代鈦合金空心結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步減重14%，而剛度、疲勞性能、抗沖擊性能得到很大提高［2］.GE［4］公司采用超塑成形/擴(kuò)散鏈接(SPF/DB)工藝制備了SiCf/Ti復(fù)合材料的空心風(fēng)扇葉片，這種葉片是一種空心帶筋條結(jié)構(gòu).美國空軍航空動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室［5］、P＆W公司和R＆R公司也相繼采用箔－纖維－箔方法［6］，開發(fā)了SiCf/Ti6Al4V復(fù)合材料空心風(fēng)扇葉片;Takeshi Yamada等［7］在對(duì)SiCf/ SP－700復(fù)合材料超塑性研究的基礎(chǔ)上，分別采用箔－纖維－箔和等離子噴涂方法制備了實(shí)心SiCf/Ti復(fù)合材料葉片;德國DLR［8］公司采用磁控濺射物理氣相沉積法(MS－PVD)制備了空心、實(shí)心葉片，并開發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，減輕了在成形過程中對(duì)復(fù)合材料的損傷，但這種空心葉片是非空心帶筋條結(jié)構(gòu).

國內(nèi)對(duì)SiCf/Ti復(fù)合材料的研究主要集中在界面分析及靜態(tài)力學(xué)性能測試［9］，針對(duì)SiCf/Ti復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)的制備及其性能評(píng)估的研究報(bào)道較少［10］.本文采用箔材刻槽法制備SiCf/TC4復(fù)合材料，通過對(duì)界面和基體組織分析，來優(yōu)化復(fù)合工藝參數(shù)，在最佳工藝參數(shù)條件下制備復(fù)合材料面板，采用熱成形、SPF/DB工藝，通過4個(gè)工藝熱循環(huán)制備了SiCf/TC4復(fù)合材料的復(fù)雜空心整體結(jié)構(gòu)件，并對(duì)結(jié)構(gòu)件的組織、性能進(jìn)行了評(píng)估.這對(duì)于我國開發(fā)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)具有理論意義和實(shí)際指導(dǎo)作用.

1 材料、工藝方法和設(shè)備

1.1 材料

采用連續(xù)國產(chǎn)SiC纖維作為增強(qiáng)體，利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備，鎢芯，表面有一層碳涂層，為粒狀多晶結(jié)構(gòu)，性能及其與國外SCS－6纖維的對(duì)比見表1［5］，兩種纖維的微觀組織如圖1(a)所示.

表1 CVD SiC纖維性能對(duì)比

SiCf/Ti復(fù)合材料的基體采用TC4合金箔材，厚度為0.1 mm，TC4箔材經(jīng)多道次軋制、熱處理，再結(jié)晶退火在低于相變溫度以下進(jìn)行，以消除軋制造成的加工硬化和變形織構(gòu)，獲得均勻、穩(wěn)定的組織和良好的性能.圖1(b)是TC4箔材的原始組織，主要是等軸組織，β相細(xì)小，不連續(xù)，晶粒尺寸小于10 μm.

圖1 原材料微觀組織

采用箔－纖維－箔方法制備復(fù)合材料，需要使用臨時(shí)粘接劑固定纖維.臨時(shí)粘接劑會(huì)對(duì)SiCf/Ti復(fù)合材料性能產(chǎn)生顯著影響，因此，臨時(shí)粘接劑需要滿足以下要求:1)在液態(tài)時(shí)黏度低，以便于均勻地涂敷在纖維布上;2)固化速度快;3)具有低溫受熱揮發(fā)或分解的特性，殘留物少，可以完全去除.

試驗(yàn)中采用聚甲基丙烯酸甲酯(PPMA)作為臨時(shí)粘接劑，溶劑選用丙酮，PMMA與丙酮的最佳配比為1∶9(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%).圖2是除膠后的鈦合金表面，分解殘余物不到1%，可以滿足復(fù)合材料對(duì)膠的要求.

圖2 PMMA經(jīng)過300～350℃/4 h除膠后的效果

1.2 制備工藝方法

采用箔－纖維－箔方法制備SiCf/TC4復(fù)合材料，這種方法將纖維布和TC4箔材疊層后，封裝在包套中，經(jīng)過熱壓或熱等靜壓制備出SiCf/ TC4復(fù)合材料面板.箔－纖維－箔方法具有工藝簡單，對(duì)設(shè)備要求低，效率高，可以制備大尺寸構(gòu)件，但也存在纖維排布不均勻，纖維百分?jǐn)?shù)低等不足.為了克服箔－纖維－箔方法存在的不足，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，通過在箔材表面蝕刻出凹槽，將纖維排布到凹槽中，然后，疊層后進(jìn)行熱壓或熱等靜壓，這樣在復(fù)合過程中，由于有凹槽對(duì)纖維起到了限制作用，可以獲得均勻的纖維排布.纖維百分?jǐn)?shù)取決于凹槽間距.同時(shí)，箔材表面的一部分基體被蝕刻，纖維百分?jǐn)?shù)也得到了提高.箔材刻槽法的原理如圖3所示，刻槽后的箔材表面如圖4所示.箔材刻槽法制備復(fù)合材料面板包括以下幾個(gè)步驟:箔材刻槽、箔材化洗、纖維排布、臨時(shí)粘接劑涂覆、箔材與纖維布疊層、熱壓或熱等靜壓等.

圖3 箔材刻槽法原理

圖4 刻槽后的箔材表面

SiCf/TC4復(fù)合材料的纖維百分?jǐn)?shù)為14.7%～25%，復(fù)合工藝參數(shù)見表2.在不同工藝參數(shù)條件下復(fù)合的SiCf/TC4面板上切取試片，制備成SEM試件，進(jìn)行界面和基體微觀組織分析，從而獲得最佳工藝參數(shù).

這部小說深得張愛玲的喜愛，她雖然在1950年就完成書稿，但是卻經(jīng)過近30年不斷修改，直到1978年才將這篇小說和其他兩個(gè)小故事《相見歡》、《浮花浪蕊》結(jié)集成《惘然記》出版。張愛玲在卷首語寫道：“這個(gè)小故事曾經(jīng)讓我震動(dòng)，因而甘心一遍遍修改多年，在改寫的過程中，絲毫也沒有意識(shí)到三十年過去了，愛就是不問值不值得?！?/p>

表2 復(fù)合工藝參數(shù)

1.3 空心結(jié)構(gòu)制備和分析

在最佳工藝參數(shù)條件下制備SiCf/TC4復(fù)合材料面板，將SPF/DB工藝和復(fù)合材料的復(fù)合工藝相結(jié)合，制備出SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)件上切取試件，進(jìn)行微觀組織分析.在與空心結(jié)構(gòu)制備工藝過程相同的工藝條件下，制備復(fù)合材料試件，進(jìn)行拉伸和疲勞性能測試，來評(píng)價(jià)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的性能.

1.4 模具、設(shè)備

SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)件在100噸真空SPF/DB設(shè)備上制備.采用鉬模具用于SiCf/ TC4復(fù)合材料的真空熱壓復(fù)合，尺寸為150 mm× 69 mm.室溫和高溫拉伸試驗(yàn)采用MTS試驗(yàn)機(jī)，疲勞拉伸試驗(yàn)采用Instron疲勞試驗(yàn)機(jī).

2 SiCf/TC4復(fù)合材料空心結(jié)構(gòu)成形與分析

2.1 復(fù)合工藝參數(shù)優(yōu)化

圖5是采用箔材刻槽法制備的復(fù)合材料橫斷面圖片.由圖5可知，復(fù)合材料中的纖維分布均勻、規(guī)則.可見，箔材刻槽法可以解決箔－纖維－箔方法中纖維排布均勻性的問題.

圖5 采用箔材刻槽法制備的復(fù)合材料的橫斷面

纖維/基體界面在SiCf/Ti復(fù)合材料中具有重要作用，優(yōu)化復(fù)合工藝參數(shù)主要是為了獲得最佳的界面結(jié)合.圖 6是在工藝參數(shù)為:925℃/ 100 MPa/60 min時(shí)的纖維/基體界面.由圖6可知，界面反應(yīng)層厚度為0.39～0.69 μm，殘余碳涂層厚度約為3 μm，反應(yīng)層厚度薄而均勻，不存在界面缺陷和纖維損傷.可見，在該工藝參數(shù)條件下制備復(fù)合材料面板，可以獲得良好的界面結(jié)合.

圖6 纖維/基體界面

圖7是纖維/基體界面的成分線掃描圖片，可以看到，在反應(yīng)層區(qū)域，C、Ti元素的擴(kuò)散非常顯著，因此，可以推斷界面反應(yīng)產(chǎn)物主要是TiC，界面反應(yīng)主要是由C和Ti反應(yīng)生成TiC.

圖7 纖維/基體界面的成分線掃描

圖8是SiCf/TC4復(fù)合材料的界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線，可以看到，在600℃，隨著熱處理時(shí)間由0 h增至64 h，界面反應(yīng)層厚度由0.64 μm增加到1.92 μm，反應(yīng)層厚度變化顯著.可見，采用SiCf/TC4復(fù)合材料制備的空心整體結(jié)構(gòu)在高溫條件下的穩(wěn)定性并不是很好.

圖8 SiCf/TC4界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(600℃)

2.2 制備工藝過程

在SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)中，靠近輪盤部分的根部受力最惡劣，為了節(jié)省復(fù)合材料，對(duì)空心結(jié)構(gòu)采用局部增強(qiáng)的方式.

圖9是SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)的成形工藝過程.復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)的成形工藝過程主要分為4個(gè)階段.

1)復(fù)合材料面板的復(fù)合.采用箔材刻槽法制備出用于局部增強(qiáng)的SiCf/TC4復(fù)合材料面板，復(fù)合工藝參數(shù)為:925℃/100 MPa/60 min，復(fù)合后的面板纖維體積分?jǐn)?shù)約為25%.

3)熱成形.將擴(kuò)散連接后的預(yù)制件放入熱成形模具，使預(yù)制件扭轉(zhuǎn)成形，并與熱成形模具貼合，熱成形工藝參數(shù)為:880℃/25 MPa/60 min.

4)超塑成形.將經(jīng)過熱成形的預(yù)制件放入超塑成形模具，在芯板和面板之間通入氬氣，將面板和芯板吹開，由于在芯板表面未涂止焊劑的部分已經(jīng)與面板擴(kuò)散連接在一起，面板成形的同時(shí)會(huì)帶動(dòng)芯板發(fā)生變形，從而成形出空心帶筋條的結(jié)構(gòu).超塑成形的工藝參數(shù)為:925℃/5 MPa/ 90 min.

圖9 SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)的成形工藝過程

圖10 止焊劑涂覆圖形

對(duì)預(yù)制件經(jīng)過后續(xù)的機(jī)械、化洗加工后，制備出SiCf/TC4復(fù)合材料的空心整體結(jié)構(gòu)，如圖11所示.

圖11 SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)件

2.3 纖維/基體界面分析和基體組織分析

圖12是SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)件的橫斷面，中間部分是復(fù)合材料，兩面是鈦合金.由圖12可知，纖維的分布比較均勻，纖維/基體界面、基體/基體結(jié)合良好，沒有明顯的缺陷.

圖12 SiCf/TC4復(fù)合材料模擬件面板橫斷面

圖13是鈦合金與復(fù)合材料面板擴(kuò)散連接界面，圖14是面板與鈦合金芯鈑的擴(kuò)散連接界面.由圖13，14可知，擴(kuò)散連接界面附近的區(qū)域，晶粒分布均勻、晶粒長大不明顯，擴(kuò)散界面上無擴(kuò)散缺陷，擴(kuò)散焊合率達(dá)到95%以上，擴(kuò)散連接質(zhì)量良好.

圖13 鈦合金面板與復(fù)合材料面板擴(kuò)散連接界面

圖14 面板與鈦合金芯鈑的擴(kuò)散連接界面

圖15是復(fù)合材料中箔材的擴(kuò)散連接界面.由圖15可知，復(fù)合材料的復(fù)合質(zhì)量較好，基體完全包覆纖維，箔材之間的擴(kuò)散連接良好，焊合率接近100%，幾乎沒有復(fù)合空洞及缺陷.

圖15 復(fù)合材料中箔材的擴(kuò)散連接界面

圖16是SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)件中復(fù)合材料的纖維/基體.對(duì)比剛復(fù)合后的復(fù)合材料的反應(yīng)層和結(jié)構(gòu)件成形后復(fù)合材料的反應(yīng)層，反應(yīng)層厚度從0.47 μm增加到1.50 μm左右，而纖維的碳涂層剩余1.50～2.0 μm，纖維性能得到很好的保留，可以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的增強(qiáng)作用，這說明采用4個(gè)熱循環(huán)制備SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)是可行的.

圖16 復(fù)合材料中纖維/基體界面

2.4 力學(xué)性能測試

圖17是SiCf/TC4復(fù)合材料在室溫時(shí)的力學(xué)性能，可以看到，SiCf/TC4復(fù)合材料的室溫極限拉伸強(qiáng)度≥1320 MPa，最高拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1448.6 MPa.在纖維百分?jǐn)?shù)為25%左右時(shí)，測得的力學(xué)性能接近于國外性能數(shù)據(jù)，但還需要進(jìn)一步提高纖維和制備工藝的穩(wěn)定性.TC4合金經(jīng)過相同的 SPF/DB工藝后，極限拉伸強(qiáng)度為890 MPa，與TC4合金相比較，復(fù)合材料的強(qiáng)度提高了48%～63%，而質(zhì)量則進(jìn)一步降低.由圖17可知，SiCf/TC4復(fù)合材料的彈性模量在177～218 GPa，與TC4基體相比較，提高了將近一倍甚至更多.

TC4合金經(jīng)過相同的 SPF/DB工藝后，在600℃時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度為500 MPa，而 SiCf/ TC4復(fù)合材料在600℃時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度達(dá)到了910 MPa，接近于TC4基體的兩倍.可見，與基體鈦合金相比較，SiCf/TC4復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度的下降較少，這與纖維的力學(xué)性能隨溫度的下降較小有關(guān).

在室溫條件下、平均應(yīng)力為σm=800 MPa，應(yīng)力比為R=0.1，頻率為f=5～10 Hz的條件下，復(fù)合材料的疲勞周次達(dá)到34274次，比鈦合金基體提高了43.5%.

采用SiCf/TC4復(fù)合材料制造高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中的高速空心轉(zhuǎn)子部件，不僅可以大大提高部件的力學(xué)性能，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，更重要的是能夠顯著提高結(jié)構(gòu)剛度，有效地控制高速轉(zhuǎn)子部件頂端發(fā)生顫振現(xiàn)象.

圖17 SiCf/TC4復(fù)合材料在室溫和600℃時(shí)的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1)采用箔材刻槽法可以獲得更均勻的纖維排布，克服了普通箔－纖維－箔方法的纖維均勻性較差的不足.

2)采用復(fù)合材料熱壓或熱等靜壓+擴(kuò)散連接+熱成形+超塑成形4個(gè)熱循環(huán)工藝制備SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)是可行的.4個(gè)熱循環(huán)工藝的工藝參數(shù)分別為:925℃/100 MPa/ 60 min，925℃/4 MPa/60 min，880℃/25 MPa/ 60 min，925℃/5～7.5 MPa/90 min.

3)在 SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)件中，界面反應(yīng)層厚度約為2.0 μm.面板與芯板、箔材與箔材之間獲得了良好的擴(kuò)散連接界面.

4)對(duì)經(jīng)過與SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)件經(jīng)過相同熱循環(huán)工藝的復(fù)合材料試件進(jìn)行性能測試，室溫Rm最高達(dá)到1448.6 MPa，室溫彈性模量最高達(dá)到218 GPa.在600℃時(shí)，Rm最高達(dá)到910 MPa.在室溫、σm=800 MPa、R=0.1、f= 5～10 Hz的條件下，復(fù)合材料的疲勞周次達(dá)到34274次，比鈦合金基體提高了43.5%.

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The fabrication of hollow structure of SiC fiber reinforced titanium matrix composite

ZHAO Bing1，LIAO Jin-hua2，HOU Hong-liang2，LI Zhi-qiang2，BAI Bing-zhe1
(1.School of Materials Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100081，China，E-mail:zhao6833@163.com; 2.AVIC Beijing Aeronautical Manufacture Technology Research Institute，Beijing 100024，China)

The grooved-foil process is adopted to fabricate SiCf/Ti composite panel.The fiber to matrix interfaces and the matrix of the composites，prepared under different processing parameters，are analyzed，so that the optimum process parameters of temperature 925℃，pressure 100 MPa and holding one hour are obtained.Since the SiCf/Ti composite has superplastic property along the fiber direction，a SiCf/Ti composite monolithic with hollow structure is fabricated by consolidation，hot forming，Superplastic Forming(SPF)in sequence.And the feasibility of forming process was verified by investigating the microstructure and mechanical properties of the hollow structure.

fiber reinforced titanium composite;SPF/DB;grooved-foil process;hollow monolithic structure; hot pressing

TB331 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)02－0028－06

2010－04－08.

趙 冰(1975－)，男，博士，高工;

白秉哲(1949－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 呂雪梅)