連續(xù)SiC纖維增強金屬基復合材料研究進展

李佩桓，張　勇，王　濤，張亞洲，李　釗，賈崇林，曲選輝

(1 北京科技大學 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2 北京航空材料研究院，北京 100095)

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連續(xù)SiC纖維增強金屬基復合材料研究進展

李佩桓1,2，張勇2，王濤2，張亞洲2，李釗2，賈崇林2，曲選輝1

(1 北京科技大學 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2 北京航空材料研究院，北京 100095)

SiC纖維增強金屬基復合材料具有高的比強度、比剛度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異的綜合性能，在實際應用中具有廣闊的前景。本文主要總結(jié)了SiC纖維增強金屬基復合材料的研究進展，分別闡述了SiC纖維增強鋁基、鈦基、銅基、鎳基復合材料存在的問題、解決辦法及應用現(xiàn)狀。最后指出了限制復合材料實際應用的幾點因素，包括：成本問題、界面問題、各向異性以及缺少質(zhì)量檢測評估體系。

SiC纖維；金屬基復合材料；研究現(xiàn)狀；性能；應用

SiC纖維增強金屬基復合材料是將基體合金較高的塑性、成型性和損傷容限與SiC纖維的高強度、高剛度、耐高溫和抗腐蝕性相結(jié)合來提高復合材料的綜合力學性能[1,2]。其中SiC纖維為主要的承載組分，可有效提高基體材料的高溫使用性能，并減輕材料的質(zhì)量。金屬基體的主要作用則是與增強體良好結(jié)合，保證增強體的性能得以充分發(fā)揮。此類材料的性能具有可設(shè)計性，可以根據(jù)實際需求調(diào)整增強相與基體的比例、結(jié)合方式，從而對材料性能進行調(diào)整。由于SiC纖維增強金屬基復合材料具有鮮明的性能特點及優(yōu)勢，現(xiàn)已替代了大量的傳統(tǒng)材料，在航空航天等領(lǐng)域得以應用[3]。目前國內(nèi)外已有許多的研究機構(gòu)和人員對SiC纖維增強金屬基復合材料開展了研究[4—7]，包括連續(xù)SiC纖維增強鋁合金、鈦合金、銅合金以及高溫合金的金屬基復合材料，與基體材料相比，性能取得了顯著提升，其中部分研究成果已取得了實際應用。本文主要對連續(xù)SiC纖維增強金屬基復合材料的制備方法及各自優(yōu)缺點進行了介紹，并分別針對SiC纖維增強鋁基、鈦基、銅基、鎳基復合材料的應用前景、研究現(xiàn)狀以及仍需解決的問題進行了分析總結(jié)。

1　SiC纖維概況

連續(xù)SiC纖維是一種多晶陶瓷纖維，具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、防老化和力學性能優(yōu)良等特性，由于其出色的性能被稱為21世紀航空航天及高技術(shù)領(lǐng)域應用的新材料，并廣泛應用于增強聚合物基、金屬基和陶瓷基復合材料[8,9]。SiC纖維的制備方法主要有4種：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、活性碳纖維轉(zhuǎn)化法和超微細粉燒結(jié)法?，F(xiàn)在使用最廣泛、用于生產(chǎn)高性能SiC纖維的方法為先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和化學氣相沉積法。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備SiC纖維是使用有機碳化硅化物為原料，通過添加催化劑，加熱縮聚形成以硅-碳為主鏈的碳化硅高聚物，然后再將其溶解抽絲，經(jīng)預氧化和碳化處理后得到SiC纖維[10]。后來又對制備工藝進行了優(yōu)化，通過采用電子束輻照、高溫燒結(jié)，引入其他元素或者氮化處理來使纖維中C/Si原子比更接近化學計量組成，纖維的使用溫度及性能得以大幅度提升。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制得的SiC纖維的主要優(yōu)點是產(chǎn)量大、制造成本低以及其直徑細的特性而利于編織，主要用于增強陶瓷基復合材料，也有少量研究將其用于增強低熔點金屬基復合材料。

化學氣相沉積法制造的SiC纖維是用硅烷氣體和氫氣的混合物反應在W絲或C絲載體上沉積得到的復合結(jié)構(gòu)纖維。CVD碳化硅纖維是大直徑纖維(>100μm)，其表面光滑，直徑均勻，具有很高的室溫拉伸強度和拉伸模量、較低的密度、良好的高溫性能以及抗腐蝕、抗蠕變、抗輻射等一系列優(yōu)點[11]。CVD碳化硅纖維與先驅(qū)體法碳化硅纖維相比具有更高的強度、更好的韌性以及更高的抗蠕變性能。為制備金屬基復合材料的主要增強相[12]。本文中所介紹的復合材料所采用的增強相均為CVD法制備的連續(xù)SiC纖維。

表1給出了不同牌號SiC纖維的典型性能對比[2]。目前，采用CVD方法制備SiC纖維的公司主要有[13]：美國的Textron Systems公司(其產(chǎn)品為SCS牌號的SiC(C芯)纖維系列產(chǎn)品);英國的DERA Sigma公司(其產(chǎn)品為Sigma纖維(W芯)，商品牌號為SM系列);中國的中科院金屬所(W芯)、北京航空材料研究院(W芯)和中國科學院山西煤炭化學研究所(C芯)。

表1　各類SiC纖維的性能對比[2]Table 1　Performance comparison of different SiC fibers[2]

2　SiC纖維增強金屬基復合材料

SiC纖維可用于增強多種金屬合金材料。用于450℃以下的輕金屬基體，如鋁、鎂合金基體；用于450～700℃的鈦合金基體，以及鈦合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鈦鋁系金屬間化合物；用于更高溫度的復合材料金屬基體：鎳基合金。使用SiC纖維對金屬合金基體進行增強不僅可以有效提高其力學性能，而且可以使材料的工作溫度提高約100～200℃。

對于不同基體的復合材料，增強纖維與基體間的界面問題是復合材料研究過程中最大的難點，若界面問題能夠取得改善，復合材料的性能將會有顯著的提升。一般來講，界面處可能存在的問題主要包括：界面反應嚴重、界面潤濕性差、界面結(jié)合能力差以及由于熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生熱應力導致的缺陷。相應的改善界面狀態(tài)的措施主要有：增大結(jié)合壓力，延長結(jié)合時間，以期降低結(jié)合溫度，減弱界面反應；使用涂層來改善界面情況，阻止界面反應或增強界面潤濕性，緩解因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應力，并獲得理想的界面結(jié)合強度；通過在基體中添加合金元素來削弱基體界面反應傾向。

在制備SiC纖維增強金屬基復合材料的過程中還需考慮的一個重要問題是復合材料使用過程中的穩(wěn)定性，在高溫使用條件下可能會產(chǎn)生：界面組元間的界面反應、熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應力以及載荷條件下的微裂紋。這就要求纖維與基體界面處于穩(wěn)定狀態(tài)，即界面各組元處于熱力學平衡態(tài)或保持緩慢的反應速率，在長時間使用溫度條件下幾乎無明顯界面反應發(fā)生。而且在殘余應力、載荷的作用下，界面性能不產(chǎn)生顯著下降及生成裂紋。

理想的SiC纖維增強金屬基復合材料需滿足以下條件：①理想的力學性能；②基體中纖維有規(guī)律的分布；③理想的基體微觀組織；④盡量避免纖維的損傷；⑤較小的界面反應；⑥界面孔隙完全閉合； ⑦界面處于熱力學穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1SiC纖維增強金屬基復合材料的制備方法

有多種工藝方法都可以用于制備金屬基復合材料，適用工藝大體可分為液相法和固相法兩類。液相法主要是指在制備過程中，當基體與纖維相接觸時，基體至少是處于部分熔化的狀態(tài)。制備時，先把纖維增強相預制成型，然后將基體熔體傾入，在無壓力或小壓力下使其浸滲到纖維間隙而達到復合化的目的。有時也對固液混合體施以高壓，減少疏松、縮孔等缺陷[14]。一般來講，這種工藝有利于嚴密的界面接觸，從而產(chǎn)生較強的鍵合力。但由于制備過程中的高溫高壓，會導致生成脆性的界面反應層，因此一般用于制備基體熔點較低的復合材料，如鋁基復合材料。

固相法是制備連續(xù)纖維增強金屬基復合材料最常使用的方法，并已發(fā)展了多種工藝，如箔-纖維-箔法、等離子體噴涂法、粉漿涂覆法、粉末布法及纖維涂層法等。其中箔-纖維-箔法(Foil-Fiber-Foil, FFF)和纖維涂層法(Matrix Coated Fiber, MCF)與其他制備方法相比具有明顯的優(yōu)勢，制備出的復合材料性能更加優(yōu)異，為主要使用的制備方法。

箔-纖維-箔法是制備纖維增強金屬基復合材料最早開始使用的方法。首先，用金屬絲將纖維進行編織，然后將其與金屬箔疊層放置后通過熱壓的方法制得復合材料，制備流程示意圖如圖1所示[15]。使用FFF法可簡單易行地制備出平板類復合材料。FFF法雖然有微觀組織可控、化學成分準確、雜質(zhì)含量低等優(yōu)點，但其缺點也很明顯：合金箔價格高；纖維需進行編織從而易受損傷；所制備的復合材料中纖維分布難以均勻；界面處易產(chǎn)生開裂；復雜形狀零部件制備困難等。美國FMW公司在FFF法基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，使用絲材或粉末來代替箔材，將絲材與纖維交替排列或?qū)⒎勰┲瞥杀∧ず笈c纖維交替排布(即粉末布法)，之后再進行熱壓，可使成本降低約80%。

圖1　FFF法制備纖維增強金屬基復合材料示意圖[15]Fig.1　Sketch of fiber reinforced metal matrix composites preparation by FFF[15]

纖維涂層法是采用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)或電子束蒸發(fā)沉積(Electronic Beam Evaporate Deposition, EBED)等方法將基體合金涂覆在纖維表面，然后將有涂層的纖維束集起來，通過真空熱壓或熱等靜壓的方法進行致密化，示意圖如圖2所示[16]。這種方法生產(chǎn)的復合材料致密性好，纖維分布均勻，而且通過控制基體涂層厚度可以對復合材料中纖維的體積分數(shù)進行控制，可制備高纖維體積分數(shù)的復合材料，是目前廣泛采用的一種方法。而且此方法特別適用于制備難以獲得基體箔材的復合材料，可采用單絲纏繞制備出環(huán)形件、盤件、軸類零件、管類等零件。

圖2　纖維涂層法制備連續(xù)纖維金屬基復合材料示意圖[16]Fig.2　Sketch of fiber reinforced metal matrix composites preparation by MCF[16]

等離子體噴涂法與涂層熱壓法類似，區(qū)別主要為沉積基體時采用的是等離子噴涂的方法將基體熔融質(zhì)點以高速沉積于纖維表面。雖然等離子噴涂成本更低，但是由于噴涂過程中熔融的基體液滴會對纖維的性能產(chǎn)生顯著損傷，且等離子噴涂產(chǎn)生的是非均勻微觀組織，基體成分不均勻，從而導致制得的復合材料性能不理想，因此應用較少。

粉末涂層預處理是一種低成本制備SiC纖維增強復合材料先驅(qū)絲的方法[17]。該工藝是將基體粉末與膠黏劑混合制成漿料，然后在纖維表面涂層、烘干，制備成先驅(qū)絲，再將先驅(qū)絲制成預制體，進行除膠熱壓。此類方法由于粉末涂覆均勻性較難控制，漿料中膠黏劑難以完全排凈，因此制備出的復合材料性能與其他方法相比有一定的差距，若想實際應用于生產(chǎn)復合材料還需進行優(yōu)化。

必須指出，選擇正確的工藝方法，對于商業(yè)化的潛力及零件的微觀組織和性能都是至關(guān)重要的。具體選擇時需要考慮以下4點[18]：(1)增強體在金屬基體中的均勻分布；(2)制造過程不造成增強體和金屬基體原有性能下降；(3)制造過程中應避免各種不利反應發(fā)生；(4)制造方法應適合于批量生產(chǎn)，盡可能直接制成接近最終形狀尺寸的零件。

2.2SiC增強鋁基復合材料

以鋁及鋁合金作為基體、B纖維作為增強相的復合材料是最早開始研究的一類復合材料，并取得了顯著的成果。后來隨著SiC纖維的發(fā)展，由于其具有更優(yōu)異的性能，研究人員逐步采用SiC纖維替代B纖維用作增強相。鋁及鋁合金基體性能在400～500℃時便有較大衰減，不適合在更高溫度下使用，所以SiC纖維增強鋁合金主要用于制備使用溫度不超過500℃的部件，如飛機、導彈結(jié)構(gòu)件以及發(fā)動機構(gòu)件[19]。美國軍方發(fā)展了多種SiCf/Al復合材料構(gòu)件，如飛機用Z型材和整體壁板、戰(zhàn)術(shù)火箭翼片、榴彈炮工字梁、輕型便橋的下桁架和桁架中柱等[1]。戴維泰勒艦船研究和發(fā)展中心對熱模壓制備的SiCf/6061Al復合材料的耐蝕性進行了研究[20]，在海上大氣、海洋濺濕/浪花、交替的潮汐浸漬以及過濾的海水浸漬條件下，進行了60～365天的實驗，結(jié)果顯示，SiCf/Al復合材料呈現(xiàn)出優(yōu)于基體合金的耐腐蝕性。

在SiC纖維增強鋁基復合材料中，超過500℃時材料中Al，C元素會因擴散而發(fā)生反應，生成Al4C3脆性相，且反應速率隨溫度升高而變快。而SiC纖維增強鋁合金的試樣制備溫度往往超過500℃，因此在界面中存在由Al，C生成的化合物脆性相。冀鸰等[21]采用近熔態(tài)擴散新工藝制備了SiCf/Al基(含2.5%Mg)復合材料，首先，將鋁箔與纖維進行短時真空熱壓，使纖維與基體充分接觸。然后，提高溫度至Al-Mg合金固-液線之間保溫，使基體處于半熔化狀態(tài)。最后，再次進行真空熱壓以消除孔洞等缺陷。此方法由于壓力低、時間短，有利于減緩界面擴散反應發(fā)生，且在保溫過程中，由于基體處于部分熔融狀態(tài)，Mg在纖維附近產(chǎn)生偏聚，并與Al箔表面原先存在的Al2O3惰性薄膜層發(fā)生反應，生成細小MgO顆粒，從而使C的擴散受阻，抑制了脆性相Al4C3的產(chǎn)生，界面處反應得以抑制。朱祖銘等[22]分別采用雙涂層和梯度涂層對SiCf/Al界面進行改善。發(fā)現(xiàn)C-BN雙涂層和C-Si梯度涂層均可起到阻止Al向界面內(nèi)層擴散，防止脆性相生成，保護纖維的作用。除通過添加界面涂層來阻擋界面反應外，還可通過在基體中添加合金元素來減緩界面反應，對SiCf/Al復合材料，在基體中添加硅元素可以抑制SiC在更高溫度下與固態(tài)或液態(tài)鋁之間的反應，改善相容性[23]。Yun等[24]制備出使用碳化硅纖維增強的6061鋁合金基復合材料，在碳化硅體積分數(shù)為34%時，室溫抗拉強度為1034MPa，彈性模量為172GPa，抗壓強度高達1896MPa，壓縮模量為186GPa，接近理論值，性能與鋁合金相比有極大提高。Chen等[25]采用纖維頂出法對FFF法制備的SiCf/7075Al復合材料的界面結(jié)合強度進行了研究。結(jié)果表明，纖維的拔出過程主要分為兩個階段：①彈性變形;②纖維與基體間產(chǎn)生滑動，最終于界面處脫粘。界面結(jié)合強度與復合材料的最終性能成正比關(guān)系，一定溫度的退火處理可有效提高界面結(jié)合強度。

SiC纖維增強鋁合金復合材料與鋁合金相比在力學性能及使用溫度上有較大的提高，但在600℃條件下，鋁合金仍保持較理想性能，且出于成本考慮，SiC纖維增強鋁合金在實際應用中使用空間較小，僅在部分航空航天、軍工等特定條件下使用。

2.3SiC增強Cu基復合材料

Cu基復合材料已有近50年的研究歷史，隨著SiC纖維的出現(xiàn)，開展了大量SiC纖維增強Cu基復合材料的研究工作。與傳統(tǒng)Cu合金相比，Cu基復合材料的使用溫度有了大幅度提升，可達550℃，且具有更為優(yōu)異的力學性能，再加上Cu合金基體自身優(yōu)異的導熱導電能力，在電力設(shè)備、核聚變反應堆等方面有廣闊的應用前景。歐洲近幾年已立項開展將SiC纖維增強Cu基復合材料應用于散熱片的研究[26]。制備SiC纖維增強Cu基復合材料最大的難點是SiC纖維與Cu基體之間既無界面反應又不互相潤濕，導致纖維/基體界面結(jié)合強度很低，因此復合材料力學性能很差?，F(xiàn)有的研究結(jié)果均采用添加中間涂層的方法來增強其界面結(jié)合強度，并獲得了較為理想的結(jié)果。

Luo等[27,28]在SiC纖維增強Cu基復合材料的研究上做了大量工作。分別報道了用Ni和Ti做涂層的SiCf/Cu復合材料。在以厚度為2μm的Ni作為界面涂層的研究中，拉伸實驗結(jié)果表明，與無涂層復合材料相比，含Ni涂層的復合材料在700℃熱等靜壓，拉伸強度僅有少量提高，而在800℃下熱等靜壓拉伸性能反而有所下降。主要原因是Ni涂層與SiC纖維發(fā)生了劇烈的化學反應，生成Ni-Si脆性化合物，并在界面處生成孔隙，從而導致SiC纖維性能急劇下降。在以Ti作為中間涂層的研究中，Ti涂層可以起到良好的改善界面結(jié)合強度的作用。在840℃下進行熱等靜壓制備出的復合材料具有最優(yōu)異的力學性能，可達理論強度的90%。復合材料中Ti涂層的厚度為0.1～0.5μm時，復合材料具有最為優(yōu)異的力學性能和熱傳導性。

Peters等[26]使用纖維涂層法制備了不同體積分數(shù)SiC纖維增強的CuCrZr基復合材料，涂層材料為厚度0.2μm的Ti涂層。通過纖維頂出實驗對復合材料的界面結(jié)合強度進行了測試，添加涂層后，界面強度由無涂層時的4MPa提高到了54MPa，顯著改善了界面結(jié)合情況。在SiC纖維體積分數(shù)為10%，15%，30%的情況下復合材料的拉伸性能分別為500，800，1100MPa，而原基體拉伸性能僅為500MPa。因此利用SiC纖維做增強相，對CuCrZr合金性能起到了大幅提升的效果。

Kimmig等[29,30]采用原位生成TiC的方法制備了TiC涂層。首先，使用磁控濺射在含有C涂層的SiC纖維表面沉積厚度為200nm的Ti。然后，沉積500nm的Cu用于防止Ti涂層表面氧化。最后，將Cu基體使用電鍍法沉積于預制纖維上。將先驅(qū)絲在550℃下熱處理，可使C與Ti之間發(fā)生反應生成TiC阻擋層。之后將先驅(qū)絲裝入包套進行熱等靜壓，對制備出的復合材料進行性能測試，當纖維體積分數(shù)為37.6%時，復合材料拉伸性能可達1246MPa，與基體合金相比有很大的提高。在550℃進行保溫400h熱處理，熱處理前后無明顯變化，界面穩(wěn)定性較好。由于與Cu合金基體相比，纖維的導熱導電能力可以忽略不計，因此復合材料的導熱導電性會有所下降，對復合材料的熱導率進行了理論計算，當纖維體積分數(shù)為40%時，復合材料導電性下降9%，但仍滿足實際使用要求。

對于SiC纖維增強Cu基復合材料，通過添加中間涂層可以顯著改善界面結(jié)合強度。通常都是采用碳化物形成元素作為界面涂層材料，使其與SiC纖維表面的C涂層發(fā)生反應來增強基體與纖維之間的結(jié)合能力。但是，涂層與纖維之間元素互擴散生成的界面反應層往往會導致纖維的性能產(chǎn)生顯著損傷，而這對于復合材料的最終性能是極其不利的。因此，在增強界面結(jié)合的同時如何使纖維保持理想的力學性能，是今后工作中仍需進行優(yōu)化的內(nèi)容。

2.4SiC增強Ti基復合材料

連續(xù)SiC纖維增強鈦基復合材料(Titanium Matrix Composite, TMC)在航天、航空領(lǐng)域有著非常廣闊的應用前景，如在高推比渦輪發(fā)動機中采用SiCf/Ti基復合材料制造服役溫度不超過600～800℃的結(jié)構(gòu)件，可使減重效果達50%[31,32]。近年來，部分SiCf/Ti已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，如美國國防部和NASA資助建立了SiCf/Ti生產(chǎn)線，為單級直接進入軌道航天飛機提供蒙皮、支撐衍梁和加強筋等構(gòu)件[33]。國外還制備出了鈦基復合材料整體葉環(huán)，在減重、承受環(huán)向載荷方面具有明顯的優(yōu)點[34]。

在鈦合金基體的選擇上，α，β，α+β型合金均可作為基體材料使用。但從制備加工和使用溫度角度考慮，通常采用β和α+β型合金作為基體[35,36]，如Ti-6Al-4V，Ti-15V-3C。Ti-Al金屬間化合物(如Ti3Al，Ti2AlNb)在高溫下具有較高力學性能及抗腐蝕、抗氧化能力，且使用溫度與Ti合金相比可提高100℃，也是做基體的理想材料。采用不同鈦合金、金屬間化合物做基體，界面反應程度及界面反應產(chǎn)物均有所差異。

SiC纖維增強Ti合金復合材料是研究最多、最廣的SiC/金屬基復合材料，針對纖維與基體之間的界面問題，可查閱到大量的文獻資料。Lu等[37]為了掌握SiCf/Ti的界面擴散機理，以純Ti作為基體材料，對SiC纖維/Ti之間的界面反應進行了研究。界面反應產(chǎn)物主要包括Ti3SiC2，TiCx和Ti5Si3Cx。在界面反應初期，產(chǎn)物主要為TiCx和Ti5Si3Cx，隨著界面擴散的不斷進行，界面反應區(qū)成分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終形成的界面反應層從SiC到Ti基體依次為Ti3SiC2，Ti5Si3Cx，TiCx+Ti5Si3Cx。反應層厚度隨熱處理溫度的升高、時間的延長成指數(shù)關(guān)系增長。Zhang等[38]使用涂層熱壓法制備出SiCf/Ti-43Al-9V復合材料，同樣對界面反應區(qū)域進行了研究，由于基體材料的不同，界面反應產(chǎn)物也有所差異。透射電鏡結(jié)果顯示，界面反應主要發(fā)生在SiC纖維表面的C涂層與基體之間，界面反應層主要有3種反應產(chǎn)物，從C涂層到基體依次為TiC，Ti2AlC和(Ti,V)5(Si,Al)3。蔡杉等[39]采用BC13及CH4作為CVD涂層工藝反應氣體，在SiC纖維表面沉積出光滑致密、厚度為2～3μm的富碳B4C涂層，并分別以有無涂層的纖維作為增強體制備了SiCf/Ti基復合材料，經(jīng)過測定可知添加涂層的復合材料性能大幅提升，且涂層可以有效阻隔SiC纖維與Ti基體之間的界面反應。富碳B4C涂層的纖維增強Ti基復合材料的σb達到1105～1630MPa，而不帶涂層的復合材料強度僅為600MPa左右。楊銳等[17]使用纖維涂層法利用富C涂層的SiC纖維制備出SiCf/Ti-6Al-4V棒材和環(huán)形件樣品：環(huán)形件外徑210mm，內(nèi)徑140mm，厚19mm，纖維沿環(huán)形件內(nèi)緣增強；棒材長410mm，纖維縱向增強。富C涂層SiC纖維的界面結(jié)合強度為118MPa，為較理想的弱結(jié)合界面，發(fā)揮了控制界面反應、保護纖維強度和有效傳遞載荷的雙重功能。其中，纖維體積分數(shù)為40%的SiCf/Ti-6Al-4V復合材料的室溫抗拉強度大于1600MPa，700℃抗拉強度大于1000MPa。當纖維體積分數(shù)達60%時，SiCf/Ti-6Al-4V復合材料的700℃抗拉強度可達1500MPa。用于替代鈦合金部件可同時實現(xiàn)減重和增強的雙重目標。

張偉等[40]使用FFF法制備出SiCf/Ti-43Al-9V復合材料，并對基體材料的顯微組織進行了研究。基體Ti-43Al-9V合金的微觀組織構(gòu)成主要是γ相，還有少量α2相和B2相。與原始顯微組織相比，基體組織明顯細化且呈等軸狀分布，晶粒大小約8μm，靠近界面反應層有一層厚度為2～4μm的γ相組織，離纖維較遠處的基體為α2/γ片層組織和γ晶粒的混合組織，且有B2相沿晶界析出。具有這種組織的TiAl合金強度、塑性及高溫抗氧化性均較好。

針對SiC纖維增強Ti基復合材料，國內(nèi)外已有較多的研究，已較為成熟。如何將其工業(yè)化生產(chǎn)，降低成本，提高合格率，由實驗室發(fā)展至實際應用將是下一步研究關(guān)鍵。圖3所示為英國羅-羅公司(R-R公司)生產(chǎn)的SiCf/Ti基復合材料葉環(huán)[41]，已成功進行了零件實驗。國內(nèi)也有多家單位針對SiC纖維增強Ti基復合材料進行了研究，并取得了良好的研究成果[42,43]。

圖3　R-R公司生產(chǎn)的SiCf/Ti基復合材料葉環(huán)[41]Fig.3　SiCf/Ti composite bling prepared by R-R company[41]

2.5SiC增強Ni基復合材料

隨著航空業(yè)的飛速發(fā)展，高推重比發(fā)動機對渦輪盤性能也有著更高的要求，傳統(tǒng)的渦輪盤用高溫合金已經(jīng)無法滿足高推重比航空發(fā)動機使用溫度高和輕量化的要求，需要開發(fā)新型渦輪盤材料。SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料可有效降低質(zhì)量、提升性能，是新一代航空材料的理想選擇。自20世紀70年代起，國外對SiC纖維增強鎳基合金進行了大量的研究開發(fā)，但已有文獻主要都集中在基礎(chǔ)性研究上，在復合材料的制備、性能、涂層選擇等方面涉及較少。這一方面可能是由于敏感技術(shù)的消息封鎖，另一方面也可能是由于主要問題仍未得以解決。對于SiC纖維增強鎳基合金，現(xiàn)在主要面臨兩個問題：一是由于纖維與Ni合金基體之間發(fā)生嚴重的界面反應，導致性能較差；二是由于纖維與Ni基體的熱膨脹系數(shù)的差異在界面處造成很大的殘余應力，從而引發(fā)界面及纖維的斷裂。

SiC纖維與鎳基合金之間的界面反應是影響復合材料性能的主要因素。SiC纖維與鎳基合金在高溫下反應極其劇烈，且可持續(xù)不斷反應，直至將SiC全部消耗。SiC纖維作為脆性陶瓷纖維，對缺陷十分敏感，一旦纖維與基體發(fā)生反應，將導致纖維性能的急劇下降。Fujimura等[44]制備了SiCf/Ni的擴散偶，發(fā)現(xiàn)在界面反應過程中，SiC首先裂解成C和Si，緊接著裂解出的Si與Ni反應生成Ni2Si，裂解出的C則形成石墨層，與Ni2Si交替排布。Wang等[45]對其進行了進一步的研究，發(fā)現(xiàn)在反應擴散過程中，Ni的擴散速率要遠遠大于Si的擴散速率，因此界面反應的過程主要是Ni向SiC中擴散發(fā)生反應的過程。在高溫合金中，Cr是固溶強化元素，并主要起到防氧化、防腐蝕的作用，因此有著較高的含量。而Cr與SiC之間也會發(fā)生劇烈的界面反應，Park等[46]將Cr沉積在SiC表面，并進行1000℃熱處理，對界面反應區(qū)進行研究,發(fā)現(xiàn)了復雜的界面反應層，界面反應產(chǎn)物依次為τ(Cr5Si3C)/Cr3Si/Cr7Si3/Cr23C6。Li等[47]在對SiC與高溫合金的界面反應研究中發(fā)現(xiàn)，界面反應的產(chǎn)物主要包括Ni2Si，C，Ni5Cr3Si2及Cr3Ni2SiC，表明高溫合金中與SiC纖維發(fā)生反應的元素主要為Ni與Cr，還發(fā)現(xiàn)Ni與SiC反應的程度要遠大于Cr，因此反應層厚度及元素擴散距離有所差距，導致反應層主要分為兩層，如圖4所示。一層為Ni與SiC反應生成的Ni2Si及石墨，厚度大于10μm；另外一層為富Cr的反應層，反應產(chǎn)物主要為Cr23C6，厚度大約為4μm。

圖4　SiC纖維/鎳基高溫合金復合材料截面SEM照片F(xiàn)ig.4　Cross section SEM image of SiC fiber reinforced nickle based superalloy composite

基于以上存在的主要問題，唯有通過在纖維與基體之間添加涂層的方法才能有效改進復合材料的性能。而在SiCf/Ni體系中對涂層材料的選擇極其苛刻，這是由于鎳具有較高的活性，與一般的惰性金屬、金屬化合物等在高溫下極易生成固溶體，從而使其無法起到阻擋作用，只有與基體完全不反應的惰性氧化物、碳氮化物才可能起到有效的防護作用。Samsonov等[48]針對涂層材料做了大量實驗。研究發(fā)現(xiàn)Ti2B，Si3N4和BNC在高溫下與高溫合金會發(fā)生反應，因此不是涂層材料的合適選項；Al2O3與鎳基合金之間不發(fā)生潤濕，潤濕角大約在97°～115°之間，但是金相照片顯示存在一個厚度為2μm的過渡區(qū)，這是因為Ni會首先與Al2O3發(fā)生反應生成NiO，之后又與Al結(jié)合生成NiAl2O4。Karpinos等[49]的研究同樣證實，使用Al2O3作為SiC纖維與Ni-Cr合金的中間涂層，使用溫度不能超過1000℃，否則將會發(fā)生極其劇烈的界面反應。Larkin等[50]使用CVD工藝在SiC纖維表面制備了Y2O3涂層，采用反應燒結(jié)制備出SiCf/Ni3Al復合材料。結(jié)果表明，當Y2O3涂層厚度大于0.6μm時，可以起到阻擋界面反應的效果，但涂層局部有脫落現(xiàn)象發(fā)生。本課題組針對SiCf/鎳基高溫合金的涂層材料也做了大量工作，先后制備了C-Ti3Al，C-W，C-TiC，C-TaC等復合材料，但最終結(jié)果都不是很理想，未能起到有效阻擋界面反應的作用。

基于已有的研究結(jié)果，現(xiàn)在仍亟須解決的問題是挑選出合適的涂層材料來改善界面問題，并制備出高質(zhì)量、不易脫落、均勻分布于纖維表面的涂層。

3　結(jié)束語

連續(xù)SiC纖維增強金屬基復合材料具有高的比強度、比剛度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點，且與傳統(tǒng)金屬材料相比，密度明顯降低。由于具有優(yōu)異的綜合性能，使得其在先進武器、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。已有應用實例包括：(1)英國R-R公司制備的新型SiCf/Ti合金復合材料整體葉環(huán)，將取代F136發(fā)動機的升力風扇整體葉盤，可使構(gòu)件質(zhì)量降低37%、使用溫度提高10%、轉(zhuǎn)速提高15%[41,51]；(2)美國GE公司研制的SiCf/Ti合金復合材料低壓渦輪軸，其中SiC纖維沿軸向呈45°纏繞，可使渦輪軸承受更高扭矩，替代鋼制渦輪軸可大幅降低構(gòu)件質(zhì)量[51]；(3)國內(nèi)中科院金屬所成功制備出了SiCf/Ti-6Al-4V棒材、環(huán)形件樣品[17]及使用復合材料對截面進行加強的矩形管道[52]。

就目前來看，SiCf/金屬基復合材料的實際應用情況與其優(yōu)異性能所具有的潛力是不相稱的，雖然關(guān)于連續(xù)SiC纖維增強金屬基復合材料性能、組織、機理、界面問題等方面的研究報道很多，但是實際應用的案例卻很少。造成這一現(xiàn)狀的原因是多方面的，主要包括：(1)成本問題。除連續(xù)SiC纖維自身價格較高以外，整個復合材料的制備過程還需經(jīng)過多道工藝處理，技術(shù)難度大，生產(chǎn)效率低。(2)界面問題。這是制備復合材料需要考慮的關(guān)鍵問題，而往往SiC纖維與金屬基體之間會存在界面結(jié)合能力差、發(fā)生界面反應、熱膨脹系數(shù)不匹配等問題。需尋找新型的涂層材料，使得界面具有良好的結(jié)合強度，又不與纖維、基體之間發(fā)生反應，保證材料具有穩(wěn)定的性能；(3)連續(xù)纖維增強金屬基復合材料由于其特殊的組織結(jié)構(gòu)，具有很強的各向異性。而這也使其只能制備成直線型、平面型或圓周型的零件。形狀上的局限，也限制了它的應用范圍；(4)欠缺完整質(zhì)量性能評估體系。在產(chǎn)品的實際應用中，金屬基復合材料的實際應用一定是在工作環(huán)境極其惡劣的關(guān)鍵部位，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，都有可能導致致命的結(jié)果。因此需要有一個完整的產(chǎn)品質(zhì)量評估體系，只有通過檢測、評估的合格產(chǎn)品才能進入實際應用。

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Research Progress on Continuous SiC Fiber Reinforced Metal Matrix Composite

LI Pei-huan1，2,ZHANG Yong2,WANG Tao2,ZHANG Ya-zhou2,LI Zhao2,JIA Chong-lin2,QU Xuan-hui1

(1 Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Metal matrix composites, reinforced with continuous SiC fiber, offer attractive combinations of high specific strength, specific stiffness and elevated temperature performance and are currently being considered for a range of broad prospective applications. The recent research development on SiC fiber reinforced metal matrix composite was reviewed. The key problems, solutions and application of SiC/Al, SiC/Ti, SiC/Cu, SiC/Ni composites were summarized separately. Finally, the limiting factors in the application of the metal matrix composites were point out: cost issues, interfacial problems, anisotropy of composites and lack of systematic quality estimate.

SiC fiber;metal matrix composite;research status;property;application

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.019

TB331

A

1001-4381(2016)08-0121-09

2014-05-08;

2015-11-05

曲選輝(1960-)，男，教授，博士生導師，主要從事先進粉末冶金材料與技術(shù)的研究，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)學院路30號北京科技大學新材料技術(shù)研究院(100083)，E-mail：quxh@ustb.edu.cn