一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：一、以锆酸钡为溅射靶材，以碳化硅纤维为基底材料，将锆酸钡磁控溅射沉积于碳化硅纤维表面，得到SiC_f/BaZrO3丝；二、以钛铝合金为溅射靶材，以SiC_f/BaZrO3丝为基底材料，将钛铝合金磁控溅射沉积于SiC_f/BaZrO3丝表面，得到纤维增强钛铝基复合材料前驱体。本发明专利技术制备工艺简单，生产效率高，可重复性强；本发明专利技术将锆酸钡作为阻隔层，可以有效地保护碳化硅纤维丝，并与碳化硅纤维丝和钛铝合金都具有良好的结合性，制备的纤维增强钛铝基复合材料前驱体高温热稳定性好，表现出良好的界面性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，具体涉及一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法。
技术介绍
航空、航天工业对于轻质、高强材料的需求大力推动了结构材料的不断发展。在这种条件下，钛基复合材料应运而生。然而钛基复合材料的性能仅能够满足600℃～700℃以下发动机部件的要求，由于界面反应加剧和基体性能大幅度下降等问题使得钛基复合材料不适于更高温度条件下的使用，限制了传统钛基复合材料的使用。钛铝(TiAl)合金相对于钛合金而言，在高温下具有更高的屈服强度、更好的抗蠕变扩散能力和更低的密度。这使得纤维增强TiAl基复合材料在高温环境下表现出更佳的性能，在航空发动机的高温部件上得到了应用。目前，国内的纤维增强钛铝基复合材料研发在基础研究和制备技术方面都远远落后于世界水平，特别是在新型高性能阻隔层的开发和制备技术方面差距更大。因此，迫切需要开发一种具有高稳定性新型阻隔层的前驱体制备技术，以解决高性能纤维增强钛铝基复合材料制备的技术问题。在制备纤维增强钛铝基复合材料的各种方法中，纤维涂层工艺是最具优势的纤维增强钛铝基复合材料的复合技术，该方法制备的复合材料纤维分布最均匀，材料的各项性能指标最佳。在纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备过程中，阻隔层起着保护碳化硅纤维和调节纤维与基体的热膨胀差异的作用，阻隔层的选择和制备方法是决定前驱体结构和性能的主要因素，不同的阻隔层类型以及结构差异影响其阻隔效果，对材料的使用温度以及使用寿命有着重要影响。阻隔层的选择主要考虑两点：(1)高温下热力学稳定，不与纤维丝和基体反应；(2)热膨胀系数介于纤维与基体之间。目前阻隔层采用的多为C涂层、AlN涂层、Al2O3涂层、TiB2涂层以及梯度涂层如C/Al2O3、C/AlN等，然而，这些涂层都会在高温下与钛合金基体发生反应，逐渐消耗阻隔层厚度，最终破坏到纤维丝，使材料失效。所以，为了提高材料的使用寿命，阻隔层的厚度都在1μm以上。西北有色金属研究院将La2Zr2O7应用于纤维增强钛基复合材料表现出良好的界面性能(专利CN201210355662.1)。然而，对于钛铝合金作为基体时，烧绿石结构的La2Zr2O7会在高温下与高铝含量的基体反应，生成LaAlO3和(La/Zr)O2，破坏界面结构，进而造成纤维损伤，材料失效。截止目前，还没有专门针对钛铝基的有效阻隔层的相关研究见诸报道。针对该种情况，专利技术人研究发现BaZrO3具有高熔点、相稳定性高、耐腐蚀以及与高温合金的结合力强的特点，而且其热膨胀系数介于纤维与钛铝合金基体之间，可以应用于纤维增强钛铝基复合材料前驱体中的阻隔层。应用BaZrO3作为阻隔层，纤维增强钛铝基复合材料可以在高温段(900℃～1000℃)有效地保护碳化硅纤维丝。BaZrO3阻隔层与碳化硅纤维丝和钛铝合金都具有良好的结合性，表现出良好的界面性能。然而截至目前，尚未发现有关采用磁控溅射技术制备BaZrO3阻隔层并将其应用于纤维增强钛铝基复合材料前驱体领域的研究见诸报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单、生产效率高、可重复性强的纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法。该方法将BaZrO3作为阻隔层，能够有效地保护碳化硅纤维丝，并与碳化硅纤维丝和钛铝合金都具有良好的结合性，界面紧密平整，高温热稳定性好；采用该方法制备的纤维增强钛铝基复合材料前驱体表现出良好的界面性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、制备SiC_f/BaZrO3丝：步骤101、将钛铝合金、锆酸钡和碳化硅纤维一起放入多靶磁控溅射仪的溅射室中，以锆酸钡为溅射靶材，以碳化硅纤维为基底材料；步骤102、对溅射室抽真空至真空度为1×10-5Pa～2×10-5Pa，将碳化硅纤维加热至450℃～470℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.2Pa～0.3Pa、溅射功率为75W～85W的条件下进行磁控溅射处理，使锆酸钡溅射沉积于碳化硅纤维表面，得到SiC_f/BaZrO3丝；步骤二、制备纤维增强钛铝基复合材料前驱体：步骤201、以步骤101中所述钛铝合金为溅射靶材，以步骤102中所述SiC_f/BaZrO3丝为基底材料；步骤202、将SiC_f/BaZrO3丝加热至450℃～470℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.6Pa～0.8Pa、溅射功率为100W～120W的条件下进行磁控溅射处理，使钛铝合金溅射沉积于SiC_f/BaZrO3丝表面，得到纤维增强钛铝基复合材料前驱体。上述的一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法，其特征在于，步骤101中所述钛铝合金为Ti-55Al合金、Ti-56Al-1.5V合金、Ti-48Al-2Cr-2Nb合金、Ti-52Al-2Ta合金、Ti-49Al-3Cr合金或Ti-48Al-2V合金。上述的一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法，其特征在于，步骤102中所述SiC_f/BaZrO3丝中锆酸钡的厚度为200nm～300nm。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术将BaZrO3作为阻隔层应用于纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备过程中，BaZrO3表现出良好的界面性能，可以有效地保护碳化硅纤维丝，而且与碳化硅纤维丝和钛铝合金都具有良好的结合性，界面紧密平整。2、本专利技术所制备的纤维增强钛铝基复合材料前驱体，在温度为900℃～1000℃的条件下真空热处理5h后，纤维增强钛铝基复合材料前驱体的界面未发生明显变化，说明本实施例制备的纤维增强钛铝基复合材料前驱体高温热稳定性好，具有良好的界面性能。3、本专利技术工艺简单，重复性好，而且使用的阻挡层材料BaZrO3成本低廉，能够实现纤维增强钛铝基复合材料的大规模制备。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。附图说明图1.为本专利技术实施例1制备的纤维增强钛铝基复合材料前驱体的截面形貌SEM照片。图2为本专利技术实施例1制备的纤维增强钛铝基复合材料前驱体的表面形貌SEM照片。具体实施方式实施例1本实施例纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法包括以下步骤：步骤一、制备SiC_f/BaZrO3丝：步骤101、将BaZrO3、Ti-56Al-1.5V合金和碳化硅纤维一起放入多靶磁控溅射仪的溅射室中，以BaZrO3为溅射靶材，以碳化硅纤维为基底材料；步骤102、对溅射室抽真空至真空度为1×10-5Pa，并将碳化硅纤维加热至450℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.3Pa、溅射功率为80W的条件下进行射频磁控溅射处理，使BaZrO3溅射沉积于碳化硅纤维表面，得到SiC_f/BaZrO3丝；所述SiC_f/BaZrO3丝中BaZrO3的厚度为200nm；步骤二、制备纤维增强钛铝基复合材料前驱体：步骤201、以步骤101中所述Ti-56Al-1.5V合金为溅射靶材，以步骤102中所述SiC_f/BaZrO3丝为基底材料；步骤202、将SiC_f/BaZrO3丝加热至450℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.8Pa、溅射功率为110W的条件下进行直流磁控溅射处理，使钛铝合金溅射沉积于SiC_f/Ba本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、制备SiC_f/BaZrO3丝：步骤101、将钛铝合金、锆酸钡和碳化硅纤维一起放入多靶磁控溅射仪的溅射室中，以锆酸钡为溅射靶材，以碳化硅纤维为基底材料；步骤102、将溅射室抽真空至真空度为1×10‑5Pa～2×10‑5Pa，将碳化硅纤维加热至450℃～470℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.2Pa～0.3Pa、溅射功率为75W～85W的条件下进行磁控溅射处理，使锆酸钡溅射沉积于碳化硅纤维表面，得到SiC_f/BaZrO3丝；步骤二、制备纤维增强钛铝基复合材料前驱体：步骤201、以步骤101中所述钛铝合金为溅射靶材，以步骤102中所述SiC_f/BaZrO3丝为基底材料；步骤202、将SiC_f/BaZrO3丝加热至450℃～470℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.6Pa～0.8Pa、溅射功率为100W～120W的条件下进行磁控溅射处理，使钛铝合金溅射沉积于SiC_f/BaZrO3丝表面，得到纤维增强钛铝基复合材料前驱体。

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、制备SiC_f/BaZrO3丝：步骤101、将钛铝合金、锆酸钡和碳化硅纤维一起放入多靶磁控溅射仪的溅射室中，以锆酸钡为溅射靶材，以碳化硅纤维为基底材料；步骤102、将溅射室抽真空至真空度为1×10-5Pa～2×10-5Pa，将碳化硅纤维加热至450℃～470℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.2Pa～0.3Pa、溅射功率为75W～85W的条件下进行磁控溅射处理，使锆酸钡溅射沉积于碳化硅纤维表面，得到SiC_f/BaZrO3丝；步骤二、制备纤维增强钛铝基复合材料前驱体：步骤201、以步骤101中所述钛铝合金为溅射靶材，以步骤102中所述SiC_f/BaZrO3丝为基底材料；步骤202、将...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，韩栋，毛小南，洪权，张伟，侯红苗，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61