一种涂层改性铌纤维增强钛铝基复合材料的制备方法技术

一种涂层改性铌纤维增强钛铝基复合材料的制备方法，利用阴极微弧沉积技术在钛铌纤维表面沉积Al2O3涂层，通过浆料成型的粉末冶金技术实现包含涂层的钛铌纤维与钛铝基体的冶金结合，得到涂层改性钛铌纤维增强钛铝基复合材料，本发明专利技术制备的涂层能够有效阻碍元素扩散，使钛铌纤维增强钛铝基复合材料的界面反应被完全抑制，并且通过合理控制浆料成型工艺参量，保证了钛铌纤维增强钛铝基复合材料制备过程中的纤维表面脆弱的陶瓷涂层的完整性不被破坏，且高效地实现了纤维与基体的冶金结合。省去了现有技术中繁琐的氧化物预制绝缘层的制备步骤，明显简化了涂层制备工序，提高了生产效率。产效率。产效率。

【技术实现步骤摘要】
一种涂层改性铌纤维增强钛铝基复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料制备领域，具体是一种表面沉积有抑制反应涂层的铌纤维增强钛铝基复合材料浆料成型的方法。

技术介绍

[0002]纯金属铌纤维具有较高的抗拉强度、优异的塑性和韧性、与钛铝基体相近的热膨胀系数等特点，将其作为增强体引入钛铝合金是实现钛铝合金强韧化的有效手段。铌纤维增强钛铝基复合材料制备过程中，由于温度和压力较高，钛铝基体与铌纤维间的反应活性增加，会造成基体/纤维间严重的界面反应，从而生成复杂的反应产物，而这些反应产物多具备硬、脆特点，会对复合材料的力学性能产生损害；同时剧烈的界面反应还会引起纤维损伤，降低纤维性能，造成纤维和界面的热稳定性极差，从而在受载过程中加速材料失效。除此之外，铌纤维增强钛铝基复合材料的服役条件为高温环境(＞700℃)，长时间的服役也会使反应界面厚度的增加。增厚的反应界面将导致应力集中，诱发裂纹在界面处萌生，大大提升复合材料服役过程中断裂失效的风险。因此，阻隔元素扩散，抑制界面反应的发生，是保证铌纤维增强钛铝基复合材料性能稳定性的关键。
[0003]纤维表面涂层改性是控制界面反应，确保界面及纤维结构稳定性的有效手段。涂层可以作为纤维与基体间的隔离层，阻止纤维与基体直接反应，有助于降低界面结合强度，提高界面及纤维的稳定性。
[0004]在公开号为CN106245318A的专利技术创造中公开了一种制备碳纤维表面二氧化钛涂层的方法。该专利技术主要利用溶胶
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凝胶法，通过多次进行纤维表面处理及溶液PH值调节获得二氧化钛涂层，从而有效地缓解了界面处的应力集中，进而提高复合材料的力学性能。文献“Preparation and oxidation behavior of a double
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layer coating for three
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dimensional braided carbon fiber.Surface&Coatings Technology,298(2016):58
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63.”中，Wang等采用溶胶
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凝胶法在三维编织碳纤维表面制备了PyC
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SiC/SiO2双层复合涂层，涂层在保证C纤维强度的前提下有效地提高了纤维的抗氧化性能。然而，溶胶
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凝胶法制备涂层时，涂层溶液的浓度和PH值不易控制，工序繁杂，并且溶液与金属纤维润湿性不好，导致涂层孔隙率高且厚度极不均匀。
[0005]在公告号为CN109608208B的专利技术专利中公开了一种多层界面涂层的制备方法。该工艺主要是利用气相沉积法在SiC纤维表面多次、交替沉积SiBN和Si3N4，从而获得(SiBN/Si3N4)n多层复合涂层，这种涂层能同时实现低、高温氧化防御作用。文献“两种不同涂层的钛纤维增强钛铝基复合材料.中国有色金属学报,6(4)(1996):110
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114.”中，何玉贵等采用气相沉积方法在钛纤维表面沉积了2.65μm的Al2O3涂层，其与钛铝基体的反应层厚度由30μm减小至20μm。但是气相沉积法对设备真空度要求高，而且沉积速率十分缓慢，不适用于大批量纤维涂层的制备。文献“Enhancing the electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon
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fiber reinforced cement paste by coating the carbon fiber with nickel.Journal of Building Engineering,41(2021):102757.”中，Zhang等
采用化学镀在C纤维表面制备了Ni层，复合时与Al基体形成渗层，避免了纤维/基体不润湿现象；但是化学镀法只适用于金属涂层的制备。另外，目前有关纤维表面涂层沉积的研究多集中于碳化硅、碳纤维等，关于铌表面涂层沉积的研究较少。如文献“Ductile reinforcement toughening ofγ
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TiAl:effect of debonding and ductility.Acta Metallurgica et Materialia,38(8)(1990):1491
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1502.”中，H.E.Deve等采用气相沉积在薄铌板表面沉积了2μm厚的Al2O3涂层，界面处脆性的σ相基本被抑制。但是该研究局限于尺寸较大的铌板材，且是二维平面涂层沉积。鉴于铌纤维尺寸较小(直径为200μm)且需要涂层的360
°
均匀包覆，与板材表面的沉积完全不同。此外由于气相沉积过程中汽化粒子动能低，使得所获涂层稳定性差、与纤维和基体结合较弱、涂层孔隙率高等，这些问题限制了气相沉积法在涂层制备上的进一步发展和使用。故已有研究无法为铌纤维表面的涂层沉积提供参考。
[0006]文献“Plasma electrolytic deposition ofα
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Al2O
3 on TiNb fibres and their mechanical properties.Ceramics International，47(2021):32915
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32926.”中介绍了运用微弧氧化叠加阴极微弧沉积的两步法在钛铌纤维表面制备Al2O3涂层，并研究了沉积电压与沉积时间对涂层的影响。但是其过程需要对纤维进行多次进行表面处理，步骤繁琐，成本较高。并且文章中所述的沉积电压与沉积时间与特定设备的关联性较大，并非影响涂层特性的普适性要素。而更具普适性的纤维内电流密度，以及对涂层质量影响极大的电解液温度，在上述文章中并未提及。不仅如此，纤维表面涂层沉积仅仅是控制复合材料界面反应的前提，如何保证涂层在后续制备复合材料的过程中不发生破碎、溶解等，上述研究并未给出具体参考。
[0007]综上所述，现有关纤维表面涂层处理的方法，如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶凝胶法、化学镀等，均存在周期长、成本高，涂层类型及均匀性受限等问题，有报道的微弧氧化+阴极微弧技术也存在步骤繁琐，电压控制不具备普适性等问题。除此之外，在后续制备复合材料的真空热压的过程中，如何保证纤维表面涂层在压力和高温条件下稳定存在，不发生高温溶解、破碎，也是保证复合材料具备稳定性能的关键，但是并未有相关研究的报道。因此，有必要提出一种经济高效的复合材料制备技术，实现铌纤维与钛铝基体间的界面改性优化，阻隔复合材料在高温成型和后续高温服役过程中的元素扩散，抑制界面反应，消除有害的界面反应产物，从而使其发挥更大的工程应用价值。

技术实现思路

[0008]为克服现有技术中存在的铌纤维增强钛铝基复合材料中铌纤维与钛铝基体界面反应产物复杂，界面反应层过厚，反应界面诱发复合材料力学性能恶化的问题，本专利技术提出了一种涂层改性铌纤维增强钛铝基复合材料的制备方法。
[0009]本专利技术的具体过程是：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涂层改性铌纤维增强钛铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体过程是：步骤一，制作坯件；步骤二，阴极微弧法制备铌纤维表面的Al2O3涂层；取长度为270cm、直径为200μm的铌纤维，将该铌纤维单向、均匀地缠绕在铜框架上，使该铌纤维将该铜框架包裹；将包裹有铌纤维的铜框架烘干；得到坯件；以得到的坯件作为高频电源的阴极，以不锈钢片作为高频电源的阳极进行Al2O3涂层沉积；具体过程如下：通过盐浴炉调节电解液温度，将电解液温度保持在20℃～40℃；将所述高频电源的阴极与高频电源的阳极浸没至恒温电解液中；启动阴极微弧高频脉冲电源，使电流密度为10A/dm2‑
20A/dm2，通电时间为4min，占空比为20％；通电结束后将该阴极取下放入烘箱，在60℃下保温10min烘干，得到表面包覆有Al2O3涂层的铌纤维；步骤三，铌纤维增强钛铝基复合材料预制体的制备：将有机粘结剂与钛铝合金粉末混合均匀，得到粉末混合物；所述有机粘结剂与钛铝合金粉末的质量比为1:6；向粉末混合物中加入丙酮，并搅拌均匀，得到钛铝合金浆料；所述粉末混合物与丙酮的质量比为1:1；利用毛刷将得到的所述钛铝合金浆料均匀涂覆在所述坯件上；涂覆厚度为3mm；在大气下静置2h待丙酮完全挥发，得到正方形预制体板；通过电火花线切割将预制体板剪裁为圆盘，得到第一个缠绕有铌纤维的预制体圆盘；步骤四，制备其余各预制体盘：重复上述步骤一到步骤三的过程，获得多个缠绕有铌纤维的预制体圆盘；步骤五，预制体盘装模及冷压处理：将得到的多个预制体圆盘装入石墨模具中，模压，得到装填有预制体盘的石墨模具；步骤六，制备铌纤维增强钛铝基复合材料：对得到的内部装填有预制体盘的石墨模具进行真空热压；所述真空热压炉的升温过程采用三段升温方式，具体过程为：第一段升温：以10℃/min的升温速率使真空热压炉从室温升温至500℃；在500℃保温30min；保温结束后开始第二段的升温；第二段升温：以10℃/min的升温速率使真空热压炉从500℃升温至900℃；在900℃保温10min；保温结束后开始第三段的升温；第三段升温：以5℃/min的升温速率使真空热压炉从900℃升温至1150℃；在1150℃保温5min，保温结束后，真空热压炉的升温过程结束；当所述真空热压炉的升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡锐，周咪，李劲光，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：