SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的研究進(jìn)展

牛西茜，李昕瑩，李佩澤，陳 萍

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

引言

鎳基高溫合金具有良好的耐熱強(qiáng)度，良好的塑性，抗高溫氧化和燃?xì)飧g能力，抗疲勞性能以及長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性。在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，主要應(yīng)用在導(dǎo)向葉片、燃燒室、渦輪盤(pán)和渦輪葉片；在航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上，主要用在渦輪盤(pán)，此外還有發(fā)動(dòng)機(jī)軸、燃燒室隔板、渦輪進(jìn)氣導(dǎo)管以及噴灌等[1]。鎳基高溫合金作為制備發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料，有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，但其也具有較大的缺點(diǎn)，這些都限制了航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。Ni合金基復(fù)合材料具有良好的高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性，作為新型金屬基復(fù)合材料有望替代傳統(tǒng)Ni基高溫合金，用于制造航空、航天、艦船及工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中重要受熱部件[2]，低密度、高強(qiáng)度的鎳基復(fù)合材料是符合高溫合金材料發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)重要方向。

連續(xù)SiC纖維是一種高性能的纖維增強(qiáng)相，具有高比強(qiáng)度、高比模量、高溫抗氧化性、優(yōu)異的耐燒蝕性能和耐熱沖擊性能等優(yōu)點(diǎn)[3]，其力學(xué)性能可保持到1 200℃，特別SiC纖維已經(jīng)用于增強(qiáng)Al、Cu、Ti及Ti合金等金屬基復(fù)合材料[4-8]，其中發(fā)展最好的SiC纖維增強(qiáng)鈦基合金使用溫度能達(dá)到650℃以下，成功應(yīng)用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪部件[9]和航天飛機(jī)提供剛性蒙皮、支撐衍梁、加強(qiáng)筋等構(gòu)件[10]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的研制處于初始階段，開(kāi)發(fā)此類(lèi)材料面臨著嚴(yán)重的界面問(wèn)題[2]，本文主要對(duì)連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的發(fā)展歷程進(jìn)行介紹，并綜合現(xiàn)有資料針對(duì)此類(lèi)材料存在的界面問(wèn)題、界面問(wèn)題改善方法及仍需解決的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)。

1 SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的發(fā)展

鎳基高溫合金復(fù)合材料的制造和使用溫度較高，需要高溫下有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性的增強(qiáng)體，如碳化硅、氧化鋁、碳化硼和碳纖維等，但是近年來(lái)能夠得到的關(guān)于此類(lèi)復(fù)合材料的公開(kāi)研究資料很少。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于顆粒和纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料開(kāi)展了一些研究，顆粒增強(qiáng)、特別是納米顆粒增強(qiáng)Ni基合金取得了進(jìn)展[11-13]，但纖維增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能明顯高于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。Mileiko等人[14-15]進(jìn)行了大量有關(guān)Ni合金基復(fù)合材料的研究，包括定向凝固技術(shù)制備的定向共晶Ni基復(fù)合材料、陶瓷纖維Ni基復(fù)合材料和金屬絲增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料等，得到了良好的高溫性能和比強(qiáng)度，但定向共晶Ni基復(fù)合材料和金屬絲增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)減重的效果。Al2O3纖維具有良好的高溫性能，藍(lán)寶石（α-Al2O3）纖維Ni基復(fù)合材料在1000℃以上使用時(shí)具有優(yōu)勢(shì)[16-17]，但這種纖維也存在著成本高、比重較大的缺點(diǎn)。萬(wàn)喜偉等人[18]開(kāi)展了碳纖維增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的研究，碳纖維有比重小、力學(xué)性能高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是600℃以上C在Ni中有一定固溶度，Ni的催化作用會(huì)使碳纖維在高溫下再結(jié)晶，性能下降，得到的復(fù)合材料碳纖維易被氧化，高溫性能較差，需要防護(hù)涂層保護(hù)纖維。由于碳纖維直徑小，很難再絲束上獲得均勻涂層，Xu等人[19]在碳纖維表面鍍銅可以一定程度解決碳纖維和Ni之間界面問(wèn)題，但力學(xué)性能提高較少，且不易在較高溫度下使用。

連續(xù)SiC纖維是一種具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕并具有優(yōu)異電磁波吸收特性的多晶高性能陶瓷纖維，可用作高耐熱、耐氧化材料和聚合物基、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料的高性能增強(qiáng)纖維[20]，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，發(fā)展航空航天的關(guān)鍵材料。SiC纖維用于增強(qiáng)鎳基高溫合金，將顯著提高材料的比剛度和比強(qiáng)度，降低構(gòu)件的重量，滿(mǎn)足渦輪盤(pán)等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的要求。但是，SiC纖維和Ni合金之間存在著嚴(yán)重的界面反應(yīng)[21]。

1976年，GE公司[22]和NASA[23-24]最早針對(duì)SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料進(jìn)行了研究。NASA針對(duì)SiC纖維與鎳基沉淀硬化、鎳基固溶強(qiáng)化、鎳基高溫合金等材料復(fù)合過(guò)程中界面反應(yīng)問(wèn)題及解決方案進(jìn)行了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)在復(fù)合過(guò)程中幾種材料均發(fā)生了劇烈的界面反應(yīng)，出現(xiàn)了纖維開(kāi)裂等現(xiàn)象，并且由于反應(yīng)產(chǎn)物的生成基體材料也轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈园l(fā)現(xiàn)，SiC與Ni、Co、Fe基高溫合金本質(zhì)上不相容。通過(guò)添加磁控濺射HfC涂層后復(fù)合材料的穩(wěn)定性得到提升，但效果仍不理想，涂層會(huì)造成纖維的損傷，降低材料的拉伸性能。GE公司也對(duì)SiC纖維與鎳基高溫合金的復(fù)合問(wèn)題進(jìn)行了嘗試和探究，同樣發(fā)現(xiàn)幾種體系高溫合金均和SiC纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，纖維與基體間的相容性問(wèn)題不容忽視。

目前，國(guó)內(nèi)幾家單位也針對(duì)SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料開(kāi)展了相關(guān)研究，目前尚處于探索階段，主要集中于界面反應(yīng)的抑制。

2 SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的界面問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道都指出，限制SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題是界面反應(yīng)問(wèn)題。

在界面的物理相容性方面：金屬基復(fù)合材料的界面的內(nèi)應(yīng)力和界面的熱應(yīng)力共同構(gòu)成了復(fù)合材料界面的殘余應(yīng)力，當(dāng)基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)之差較大時(shí)，界面的殘余應(yīng)力較高。SiC的熱膨脹系數(shù)約為4.710-6/℃，鎳基高溫合金熱膨脹系數(shù)大約為（11.8～18.7）10-6/℃，二者之間的膨脹系數(shù)差異較大，在高溫制備后在復(fù)合材料的界面處存在著很大的殘余應(yīng)力。界面殘余應(yīng)力較大時(shí)，將會(huì)引發(fā)復(fù)合材料制備和服役過(guò)程中材料界面裂紋和缺陷的萌生，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低。

在化學(xué)相容性方面：在高溫下，SiC不僅與鎳合金發(fā)生持續(xù)不斷地劇烈反應(yīng)，還能和高溫合金中的Cr、Al、Ti、Mo等其他合金元素發(fā)生反應(yīng)[25-26]，SiC纖維和Ni基高溫合金在高溫下的劇烈反應(yīng)，造成纖維的損傷，引起纖維力學(xué)性能下降甚至失效。

3 SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的界面改善方法

目前，控制SiC纖維和基體固相反應(yīng)主要通過(guò)設(shè)置擴(kuò)散阻擋層、研制低活性的基體和采用控制復(fù)合材料界面反應(yīng)的制備技術(shù)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Jackkson等人[27]研究了SiC/Ni-Cr-Al界面的固相反應(yīng)，合金元素Cr、Al的添加，將會(huì)參與SiC的反應(yīng)形成金屬反應(yīng)區(qū)，并在界面處形成阻擋層，增加了Ni原子向SiC內(nèi)部擴(kuò)散的阻力，能有效抑制SiC/Ni界面固相反應(yīng)，降低反應(yīng)速率。江河等人研究發(fā)現(xiàn)，在高溫下Ni與SiC纖維的反應(yīng)趨勢(shì)極強(qiáng)，復(fù)合材料需要在較高溫度下制備，很難通過(guò)元素添加等方式對(duì)界面反應(yīng)情況進(jìn)行改善從而阻止Ni與SiC的反應(yīng)。

纖維涂層處理是目前適用最廣、最為有效的手段。對(duì)于SiC/Ni合金界面來(lái)說(shuō)，在高溫下發(fā)生劇烈反應(yīng)，對(duì)界面結(jié)構(gòu)和性能影響較大。因此，設(shè)置擴(kuò)散阻擋涂層，以阻止和延遲界面處原子互擴(kuò)散和界面反應(yīng)，是SiC纖維增強(qiáng)Ni合金基復(fù)合材料必須采取的手段。

在國(guó)外的相關(guān)報(bào)道中，Samsonov等人[28]研究發(fā)現(xiàn)SiC和Ni-Cr基合金在高溫下劇烈反應(yīng)，TiN和Al2O3涂層和基體基纖維相容，能起到阻擋擴(kuò)散的作用，Si3N4和BNC涂層不適合在高溫下使用。Karpinos等人[29]選取Al2O3作為SiC纖維和Ni-Cr基體的擴(kuò)散阻擋層，結(jié)果顯示Al2O3涂層抑制了SiCf/Ni-Cr合金之間元素?cái)U(kuò)散。

在國(guó)內(nèi)研究中，林海濤等人[30]利用電弧離子鍍方法在SiC纖維表面沉積Al2O3涂層，研究了Al2O3在SiCf/Ni界面處的阻擋效果，結(jié)果表明，Al2O3涂層具有一定的阻擋效果，可以在一定程度上阻擋Ni和SiC纖維的反應(yīng)。張露等人[31]利用溶膠凝膠法在SiC纖維表面沉積Y2O3涂層，結(jié)果表明Y2O3涂層嚴(yán)重影響SiC纖維的強(qiáng)度，由于Y2O3比較脆，在升溫過(guò)程中，涂層表面呈現(xiàn)開(kāi)裂脫落現(xiàn)象。利用磁控濺射制備的Al2O3涂層均勻致密，能有效地阻擋SiC和Ni界面之間的元素?cái)U(kuò)散和反應(yīng)。李佩桓[32]和WANG[33]等人通過(guò)在熱等靜壓條件下，制備了SiC纖維增強(qiáng)GH4738基復(fù)合材料和SiC纖維增強(qiáng)Ni-Fe基復(fù)合材料，然而直接復(fù)合后的界面反應(yīng)十分劇烈，李佩桓而后又嘗試了通過(guò)添加Ti3Al、TiC、Y2O3等涂層抑制界面反應(yīng)，但在熱等靜壓過(guò)程中，Ti3Al涂層會(huì)和基體發(fā)生互擴(kuò)散，TiC涂層會(huì)在發(fā)生剝落，Y2O3涂層能有效抑制界面反應(yīng)，但界面結(jié)合力低，不能有效傳遞載荷，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。張國(guó)興等[34]在SiC纖維增強(qiáng)GH4169復(fù)合材料的制備過(guò)程中嘗試了C涂層、Ti涂層、Al2O3涂層，研究發(fā)現(xiàn)C涂層、Ti涂層不能阻止GH4169與SiC纖維的界面反應(yīng)；通過(guò)射頻反應(yīng)濺射沉積的涂層與SiC纖維表面C涂層結(jié)合良好，但在帶Al2O3涂層的SiC纖維增強(qiáng)GH4169合金制備過(guò)程中纖維局部受到侵蝕，而未破壞的Al2O3涂層能阻止界面反應(yīng)，保持涂層的致密完整性是阻止界面反應(yīng)的關(guān)鍵，因此需進(jìn)一步探索梯度涂層的效果。ZHANG[36]通過(guò)添加復(fù)合擴(kuò)散阻擋層Al/Al2O3分別制備SiC纖維增強(qiáng)Ni-Cr-Al合金和SiC纖維增強(qiáng)GH4169高溫合金，涂層能有效抑制界面處元素的互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，界面殘余應(yīng)力降低，但基體Ni-Cr-Al的抗氧化性能和抗腐蝕性能尚不足，無(wú)法適用于高溫環(huán)境，SiC纖維增強(qiáng)GH4169高溫合金復(fù)合材料僅限于制備，其力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性未進(jìn)一步檢測(cè)，仍存在涂層會(huì)降低纖維增強(qiáng)效果的可能性。

基于已有的研究，關(guān)于SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金的界面涂層的研究有了一些進(jìn)展，但仍未有報(bào)道能制備出高質(zhì)量、不易脫落的涂層的同時(shí)，且獲得力學(xué)性能良好的復(fù)合材料。

4 結(jié)語(yǔ)

SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料由于耐熱性好、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α５湍壳皝?lái)看，該材料的發(fā)展困難很大，目前的研究基本都處于界面機(jī)理研究、界面涂層的研究、材料的制備等探索階段，界面反應(yīng)問(wèn)題仍舊是制約SiC纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，如何得到穩(wěn)定可靠且滿(mǎn)足使用需求的界面涂層體系還亟須進(jìn)一步研究解決。