一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。所述管轴件的Ti合金管壁中设有变角度SiCf/Ti基复合材料中间层，所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层包含三层以上的SiC纤维层，SiC纤维层内的SiC纤维轴向与管轴件轴向的夹角介于-90°～90°之间；本发明专利技术管轴件的纤维增强角度实现了变角度可调，变角度增强方式有效降低了管轴的各向异性程度，提高了复合材料管轴的扭曲刚度、横向刚度和抗冲击能力，有利于拓展SiCf/Ti基复合材料管轴件的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法
本专利技术涉及复合材料制备
，具体涉及一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法。
技术介绍
以连续SiC纤维增强Ti基复合材料(SiCf/Ticomposites,TMCs)为主要代表的金属基复合材料在航空发动机及其它航空、航天领域的应用潜力已明显呈现出急速上升的趋势，据美国航空航天及宇航总署的预测，未来航空发动机用材料中，Ti基复合材料约占45％，多种部件将使用TMCs。TMCs具有高比强度、高比刚度、良好的耐高温及抗蠕变、抗疲劳性能，是理想的高温轻质结构材料。现已研制的航空发动机TMCs部件代替原有Ti合金部件，减重效果可达30％～40％，并且其疲劳寿命及耐久性能都得将得到大幅提升。当前关于SiC纤维增强Ti基复合材料结构件的制备方法主要有箔-纤维-箔(FFF)法、涂敷基体的先驱带(MCM)法；基体涂敷的先驱丝(MCF)法。其中FFF法因制备工艺简单而应用最多，但是其缺点也非常明显，如Ti合金箔制备困难，复合材料中纤维排布不规则，应用领域仅限于板材等；MCM法在喷涂过程中高温高速的基体粒子可能造成纤维表面的损伤，并且设备价格昂贵也限制了它的推广使用；MCF法在近年来受各国研究者的青睐，它的优点是基体种类不受限制，纤维的体积分数可控，先驱丝易弯可编织，因此特别适合于制备形状复杂的部件。航空发动机及其它航空、航天领域中Ti合金薄壁管或长轴是应用较多的一类结构件，不同的服役环境决定了其不同的受力状态，其受力方向也不仅局限于沿结构件轴向或径向，例如从抗弯、抗扭性能，对偏轴向45°或135°的承载能力则要求更高，若SiC纤维沿这两个方向缠绕就能够显著增强该方向的力学能，因此SiC纤维多角度增强Ti基复合材料管轴件是非常具有实际意义的。然而，变角度的增强方向对纤维的缠绕工艺及整个TMCs管轴件的制备方法提出了新的考验。少数一些尚未公开发行的资料显示，通过数控缠绕机完成先驱丝90°多层缠绕，进而可以制备SiC纤维增强Ti基复合材料的简单轴件，然而这种构件的纤维增强角度垂直于构件轴向，其抗剪切及抗扭转性能极差，实际意义不大。如果利用精密缠绕机直接进行-90°～90°变角度单丝缠绕，理论上无法实现整层先驱丝的致密化，另外多股先驱丝胶粘连续制带的工艺也尚未取得突破。因此，通过精密缠绕机直接完成先驱丝多角度致密化缠绕制备TMCs管轴的工艺路线在目前是行不通的，亟需一种新方法来达到制备SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的目的。
技术实现思路
为了提高现有Ti合金管轴件的抗扭转、抗弯曲、抗疲劳等力学性能，并能满足不同服役条件下Ti合金管轴件的受力要求，本专利技术的目的在于提供一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件；本专利技术的另一个目的在于提供一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，该管轴件的Ti合金管壁中设有变角度SiCf/Ti基复合材料中间层，所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层包含三层以上的SiC纤维层，SiC纤维层内的SiC纤维轴向与管轴件轴向的夹角介于-90°～90°之间(不包含±90°)；所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层中SiC纤维的体积分数为10％～80％。所述SiC纤维层的层内及层间相邻SiC纤维之间被Ti合金隔离(SiC纤维之间不相互接触)；每一SiC纤维层内的所有SiC纤维轴向均相同，不同层内的SiC纤维轴向可以相同也可以不同。所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层垂直于管轴件轴向的截面为环形，变角度SiCf/Ti基复合材料中间层的周围完全被Ti合金包裹。上述SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的制备方法，包括以下步骤：(1)以清洁的连续SiC纤维为基材，Ti合金为靶材，采用磁控溅射技术制备圆度均匀的SiCf/Ti基复合材料先驱丝；磁控溅射工艺参数为：靶-基距离为10～150mm，溅射功率为200～4000W，溅射时间5～30h；(2)利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的条形单层板，先驱丝间用粘结剂连接，其中先驱丝单层板长度方向与其中的纤维轴向方向一致；该步骤中，将先驱丝排布成单层板的工艺为：精密绕线机转速为15转/分钟～30转/分钟；先驱丝间距为先驱丝直径的80-100％；先驱丝张力控制在1.29×10-3N·m～2.06×10-3N·m，所采用的粘结剂是将聚苯乙烯和二甲苯按照1:(5～10)的重量比混合并溶解制得；(3)将先驱丝单层板裁剪为平行四边形的缠绕板，其中：首层缠绕板紧密地卷裹在Ti合金内套管上，保证内套管外壁完全被包裹，无遗漏、无重叠，再利用罗纹粘纸固定住先驱丝缠绕板的两端。第二层缠绕板再紧密卷裹在首层缠绕板上，紧密地包裹在前一层缠绕板中未被罗纹粘纸覆盖的区域，同样保证缠绕区域无遗漏、无重叠，再利用罗纹粘纸固定该层缠绕板的两端；然后再按同样方式卷裹下一层，直至达到所需层数。其中，裁剪缠绕板时，平行四边形缠绕板的一组平行边与纤维轴向一致，缠绕板卷裹Ti合金内套管时，缠绕角度θ为-90°～90°之间，所述缠绕角度θ是该层缠绕板中纤维轴向与所述管轴件轴向的夹角，每层缠绕板的缠绕角度与该层缠绕板的平行四边形的锐角夹角α互为余角；首层缠绕板的规格可由如下公式(1)计算：L1＝L0/cosθ1，d1＝π·D0·cosθ1(1)；公式(1)中：L0为首层缠绕板卷裹Ti合金内管长度，L1为与纤维轴向一致的一组平行边长度，d1为首层缠绕板的宽度(即与纤维轴向一致的一组平行边之间的距离)，D0为Ti合金内管外径，θ1为首层缠绕板中纤维与管轴件轴向的夹角，即首层缠绕板的缠绕角度；第i层缠绕板的规格可由如下公式(2)计算：Li＝Li-1/cosθi(i＝2,3……n-1,n)，di＝π·Di-1·cosθi(i＝2,3……n-1,n)(2)；公式(2)中：Li-1为第i层缠绕板卷裹其前一层的长度，Li为与该层缠绕板中纤维轴向一致的一组平行边长度，di为第i层缠绕板的宽度(即与纤维轴向一致的一组平行边之间的距离)，Di-1为第i-1层缠绕板外径，θi为第i层缠绕板中纤维与管轴件轴向的夹角，即第i层缠绕板的缠绕角度。(4)缠绕板达到所需卷裹层数后，利用尼龙扎带分段箍住最外层的缠绕层，其中尼龙扎带使用间距10mm～20mm；(5)沿着最外层缠绕板的罗纹纸包裹区边界，利用截管器将全部缠绕层的两端头切断，依次去除各层缠绕层中的罗纹纸包裹部分，漏出Ti合金内管两端的外壁；(6)将两个Ti合金套管堵头分别套在Ti合金内管两端，再将上述整体缓慢塞进Ti合金外套管，装塞过程逐步拆除尼龙扎带，其中套管堵头长度等于Ti合金内管两端漏出外壁区域的长度，套管堵头壁厚为全部先驱丝缠绕层总厚度加0.05～0.1mm；(7)对复合材料管轴件进行高温真空热处理，去除先驱丝之间的粘结剂，再进行电子束密封，最后热等静压成型使内部先驱丝致密化。去除粘结剂在真空热处理炉中进行，真空加热至300～500℃，恒温60～180min即可。热等静压依据不同Ti合金套管及基体种类调整工艺参数，温度为850～950℃，压力为80～180MPa，恒温恒压时间为60～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，其特征在于：该管轴件的Ti合金管壁中设有变角度SiCf/Ti基复合材料中间层，所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层包含三层以上的SiC纤维层，SiC纤维层内的SiC纤维轴向与管轴件轴向的夹角介于‑90°～90°之间；所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层中SiC纤维的体积分数为10％～80％。

【技术特征摘要】
1.一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，其特征在于：该管轴件的Ti合金管壁中设有变角度SiCf/Ti基复合材料中间层，所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层包含三层以上的SiC纤维层，SiC纤维层内的SiC纤维轴向与管轴件轴向的夹角介于-90°～90°之间；所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层中SiC纤维的体积分数为10％～80％。2.根据权利要求1所述的SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，其特征在于：所述SiC纤维层的层内及层间相邻SiC纤维之间被Ti合金隔离。3.根据权利要求1所述的SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，其特征在于：每一SiC纤维层内的所有SiC纤维轴向均相同，不同层内的SiC纤维轴向相同或不同。4.根据权利要求1所述的SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，其特征在于：所述变角度SiCf/Ti基复合材料中间层垂直于管轴件轴向的截面为环形，变角度SiCf/Ti基复合材料中间层的周围完全被Ti合金包裹。5.根据权利要求1所述的SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)以连续SiC纤维为基材，Ti合金为靶材，采用磁控溅射技术制备圆度均匀的SiCf/Ti基复合材料先驱丝；磁控溅射工艺参数为：靶-基距离为10～150mm，溅射功率为200～4000W，溅射时间5～30h；(2)利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的条形单层板，先驱丝间用粘结剂连接，其中先驱丝单层板长度方向与其中的纤维轴向方向一致；(3)将先驱丝单层板裁剪为平行四边形的缠绕板，并依据所需层数将各缠绕板卷裹在Ti合金内套管上，其中：裁剪缠绕板时，平行四边形缠绕板的一组平行边与纤维轴向一致，缠绕板卷裹Ti合金内套管时，缠绕角度θ为-90°～90°之间，所述缠绕角度θ是该层缠绕板中纤维轴向与所述管轴件轴向的夹角，每层缠绕板的缠绕角度与该层缠绕板的平行四边形的锐角夹角α互为余角；(4)缠绕板达到所需卷裹层数后，利用尼龙扎带分段箍住最外层的缠绕板，其中尼龙扎带使用间距10mm～20mm；(5)将全部缠绕层的两端头切断并去除后，漏出Ti合金内套管两端的外壁；(6)将两个Ti合金套管堵头分别套在Ti合金内套管两端后，再将整体缓慢塞进Ti合金外套管，装塞过程拆除尼龙扎带，其中套管堵头长度等于Ti合金内套管两端漏出外壁区域的长度，套管堵头壁厚为全部先驱丝缠绕层总厚度加0.05～0.1mm；(7)对步骤(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉敏，张旭，杨青，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21