一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法，空心轴由三部分组成：1，空心轴的内壁Ti合金；2，SiC纤维增强钛基复合材料区域；3，轴的外壁Ti合金。通过在内壁的外表面加工出一系列的螺旋状钛合金棱这一巧妙设计，实现了将SiC纤维沿轴向呈一定角度(30‑45°)螺旋式的排布方式。由于轴工作时主要承受扭转应力，而这种排布方式有利于轴工作时发挥纤维在轴向的最大抗拉强度，从而显著提升轴的使用性能；本发明专利技术解决了SiC纤维在轴类零件的排布问题和成形制备技术，实现了SiC纤维增强钛基复合材料在轴类零件的制造。

A hollow shaft of SiC fiber reinforced titanium matrix composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法
本专利技术属于金属基复合材料领域，涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法。一种SiC纤维增强钛基复合材料零部件的制备技术，即使用纤维涂层法结合热等静压技术制备航空航天等领域使用的空心轴类零件。
技术介绍
目前传动轴类部件主要有两种：1.单一材料的实心轴，其形状简单，制造方法简单。但由于该类零件的中芯部区域在整体重量中占有相当的比重，且芯部区域提供的扭矩较小，所以使用此类轴会加大材料的重量，降低飞机、汽车等的有效载重；2.单一材料的空心轴，此类轴有效克服了实心轴重量大的缺点，而且可以通过增大轴的直径来提高传动轴的输出扭矩。此外，使用空心轴还能避开外界激励响应的频率,防止共振。但是，随着材料科学与技术的发展，人们对航空航天、汽车、船舶等领域用材提出了越来越高的要求，如，进一步降低重量，进一步提高强度等，这使得传统的空心轴类也难以满足要求。SiC纤维增强钛基复合材料是一种新型的轻质高强结构材料，在航空航天、汽车、船舶等发动机上有广泛的应用前景，从而提高发动机的推重比。目前SiC纤维增强钛基复合材料的制备技术主要包括箔-纤维-箔(Foil-fiber-foil，通常简写为FFF)法和纤维涂层法(也可称为基体涂层纤维法)。FFF法工艺简单，但不能制备形状复杂的零部件，也不易使纤维均匀分布。纤维涂层法是将钛合金通过物理气相沉积法或液相法先涂覆到纤维表面，然后将有钛合金涂层的纤维堆垛或缠绕起来，再经过热压或热等静压成形。纤维涂层法可制备形状复杂的零部件，且纤维体积分数可控，纤维在基体中的排布也很均匀，因而是一种最受欢迎的制备技术。近年来，新的SiC纤维增强钛基复合材料制备技术也得到了发展。如在专利CN107815625A“一种SiC纤维增强钛基复合材料的制备方法及产品”中，介绍一种采用细丝SiC纤维(直径在10-15μm)作为增强体，并在纤维表面引入Al2O3涂层作为保护涂层，使用液态钛合金进行真空压力浸渍制备SiC纤维增强钛基复合材料及产品的技术。但该方法所用纤维的强度较低，且氧化铝涂层易于开裂，致使高温下界面反应会比较严重，从而进一步降低纤维的强度。此外，该方法得到的复合材料很难使基体致密化，且不易使纤维均匀分布。进一步地，该液态法不适合SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备。又如，在专利CN106756649A“一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法”中，采用激光熔覆手段将钛合金丝材沉积到SiC纤维、叠层铺设的纤维布或纤维增强体上，包括板材、环件等结构，从而完成钛合金与纤维的复合成形。但该专利并没有指出如何铺设或固定SiC纤维来制备形状复杂的零件，也不适合做空心轴这类需要缠绕纤维的形状复杂的零件。总之，目前有关直径100μm左右的粗SiC纤维增强钛基复合材料在空心轴的设计和制备技术方面还未见相关报道。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法，解决如何实现SiC纤维增强钛基复合材料空心轴类零件的关键制备技术。技术方案一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于包括内壁7、外壁3与中间区域；内壁1和外壁3为钛合金，中间区域为SiC纤维增强钛基复合材料2；所述内壁1的钛合金的外表面，与SiC纤维增强钛基复合材料2衔接的界面设有沿轴向呈角度螺旋式排布的一系列钛合金棱6；所述SiC纤维增强钛基复合材料2沿钛合金棱6呈角度螺旋式排布。所述SiC纤维增强钛基复合材料2的基体与内壁1和外壁3的钛合金相同。所述SiC纤维增强钛基复合材料2的预制体上设有钛合金涂层，钛合金涂层厚度为20～40μm。所述钛合金棱的角度为30-45°。所述钛合金棱的厚度为0.8～1.4mm。所述钛合金棱的水平间距为5～10mm。所述SiC纤维直径约为100μm。所述SiC纤维为化学气相沉积法制备的钨芯β-SiC纤维，其表面有2-4μm厚的热解碳涂层。一种所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用物理气相沉积法将钛合金涂覆到连续SiC纤维表面；涂层厚度为20～40μm；步骤2：用与SiC纤维表面钛合金涂层相同的钛合金加工出轴的外壁3和内壁7，轴内壁的外表面加工出一系列角度为30-45°的螺旋状钛合金棱边6，将轴内壁7套入轴外壁3中；步骤3：将步骤1中所得的有钛合金涂层的SiC纤维5剪切成制备轴所需要的片段若干，并将这些有钛合金涂层的纤维5并排在一起，然后将其填入轴内壁7的外表面所预留的所有凹槽内；步骤4：对内壁7和外壁3之间的SiC纤维增强钛基复合材料区域2进行真空封焊，得到轴的预制体；步骤5：采用热等静压工艺对步骤4所完成的轴的预制体进行高温热压成形，得到轴的毛坯件；步骤6：对毛坯件进行机械精加工，得到所需尺寸的SiC纤维增强钛基复合材料空心轴。所述步骤4的真空封焊采用真空电子束焊工艺技术，将轴内壁7与外壁3之间的部分抽到1.0×10-3Pa以上的高真空后，采用与空心轴相同的钛合金材料8进行堆焊；或将轴内壁与外壁之间先用钛合金通过氩弧焊封住，但须留一个直径约为3-6mm的小孔，该小孔通过氩弧焊连接一个钛合金管，用于连接抽真空的设备进行抽真空，当轴内壁与外壁之间的区域为1.0×10-3Pa以上的高真空时，将钛合金管通过电阻焊进行密封。所述步骤5热等静压工艺根据具体钛合金的种类或牌号而定，温度控制在800-1100℃之间，热压压力为100-150MPa，时间为1-3小时。有益效果本专利技术提出的一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴及制备方法，针对航空航天等领域对轻质高强结构材料的要求，我们采用高强度、低密度的W芯SiC纤维作为增强体(纤维直径约为100μm，外层有2-4μm厚的热解碳涂层)，对低密度钛合金的空心轴进行增强，这样既能保证合金的轻量化优势，又可以在轻质的基础上进一步提高材料的强度。如表1所示为Ti-6Al-4V(TC4)合金与SiC纤维的物理性能对照数据。可见，高强度和高弹性模量的SiC纤维将使制备而成的SiC纤维增强钛基复合材料也具有高的强度和模量，但SiC纤维增强钛基复合材料的力学性能具有明显的各向异性，在沿着纤维轴向方向的强度和模量最高，而垂直于纤维方向的最弱。因此，如果将SiC纤维增强钛基复合材料用于制备相关承载零部件，则需要根据零件的受力特征来排布纤维，尽量使纤维轴向平行于零件的最大受力方向。表1TC4合金与SiC纤维的物理性能对照表SiC纤维增强钛基复合材料由于其高比强度和高比模量，可以用于制造轻质高强的结构件，其中用于制造空心轴类零件就是其典型的应用。但由于SiC纤维的刚度高，直径大，不易于编织，而且，如何进行SiC纤维的有效排布，如何实现空心轴的最终成形，是实现SiC纤维增强钛基复合材料在轴类零件中使用的一大难题。专利技术效果：SiC纤维增强钛基复合材料的强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于包括内壁(7)、外壁(3)与中间区域；内壁(1)和外壁(3)为钛合金，中间区域为SiC纤维增强钛基复合材料(2)；所述内壁(1)的钛合金的外表面，与SiC纤维增强钛基复合材料(2)衔接的界面设有沿轴向呈角度螺旋式排布的一系列钛合金棱(6)；所述SiC纤维增强钛基复合材料(2)沿钛合金棱(6)呈角度螺旋式排布。/n

【技术特征摘要】
1.一种SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于包括内壁(7)、外壁(3)与中间区域；内壁(1)和外壁(3)为钛合金，中间区域为SiC纤维增强钛基复合材料(2)；所述内壁(1)的钛合金的外表面，与SiC纤维增强钛基复合材料(2)衔接的界面设有沿轴向呈角度螺旋式排布的一系列钛合金棱(6)；所述SiC纤维增强钛基复合材料(2)沿钛合金棱(6)呈角度螺旋式排布。


2.根据权利要求1所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述SiC纤维增强钛基复合材料(2)的基体与内壁(1)和外壁(3)的钛合金相同。


3.根据权利要求2所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述SiC纤维增强钛基复合材料(2)的预制体上设有钛合金涂层，钛合金涂层厚度为20～40μm。


4.根据权利要求1或2所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述钛合金棱的角度为30-45°。


5.根据权利要求1或2所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述钛合金棱的厚度为0.8～1.4mm。


6.根据权利要求1或2所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述钛合金棱的水平间距为5～10mm。


7.根据权利要求7所述SiC纤维增强钛基复合材料空心轴，其特征在于：所述SiC纤维为化学气相沉积法制备的钨芯β-SiC纤维，其表面有2-4μm厚的热解碳涂层。


8.一种权利要求1～7所述任一项SiC纤维增强钛基复合材料空心轴的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗贤，杨延清，朱玉然，王友其，陈彦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61