一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法技术

技术编号：40485331 阅读：9 留言：0更新日期：2024-02-26 19:17

本发明专利技术公开了一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1：将带有保护涂层的SiC纤维缠绕至磁控溅射设备的转轮上，用TC4、TC17型钛合金靶材平行放置于SiC纤维的内、外两侧；S2：向溅射室里通入纯氩气和氩/氧混合气，当溅射室内的压力达到0.5～2Pa时，开启所有靶材进行溅射沉积，当沉积厚度达到2～5μm时，关闭氩/氧混合气；S3：继续通入纯氩气，再次沉积2～10μm厚度；S4：重复S2和S3，直至钛合金沉积层厚度达到20～45μm停止，取出钛合金先驱丝并裁剪成束，再将密封后毛坯件进行热等静压成型。本发明专利技术制备方法可以获得具有等轴组织、片层组织和双态组织基体的钛基复合材料，可以实现强化效果。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钛基复合材料的制备方法，具体为一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备领域。

技术介绍

1、连续sic纤维增强钛基(sicf/ti)复合材料具有低密度、高比强度和比刚度、耐高温、抗蠕变、抗疲劳等优势，在航空航天领域具有重要的应用前景，如航空发动机涡轮轴和整体叶环等。

2、目前sicf/ti复合材料主要由箔压法和纤维涂层法两种制备方法。箔压法是将定向排列的sic纤维和钛合金箔交替放置至所需厚度，然后通过热压成型值得，箔压法适合板类复合材料构件成型，但是在热压过程中纤维丝经常发生移动，容易产生缺陷；纤维涂层法是首先采用磁控溅射在sic纤维上沉积一层钛合金涂层，制备出复合材料先驱丝，然后采用热等静压将先驱丝进行致密化成型。纤维涂层法制备的复合材料结构中纤维排列形态容易控制，纤维结构缺陷较少，应用更为广泛，适用于轴类和环类构件成型。

3、需要强调的是，钛合金基体组织可以对sicf/ti复合材料的力学性能产生重要影响。常规钛合金材料不同的组织结构可以不同的性能，如等轴组织、片层组织和双态组织等。在(α+β)相区进行热加工可以获得等轴组织，合金具有良好的塑性和强度匹配；在β相区进行热加工可以获得片层组织，合金断裂韧性较高且抗裂纹扩展能力强，适合要求损伤容限高的场景。

4、根据不同的应用需求，同一种钛合金可以通过调整热加工工艺和热处理工艺，来获得不同的组织结构。sicf/ti复合材料通过热压或者热等静压成型，其成型温度需要综合考虑钛合金基体变形能力和界面反应

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，以解决现在该类复合材料制备时出现的基体组织的调控困难，且组织结构单一，无法满足高塑性、高损伤容限等不同应用场景，以及缺少合适的强化方法的问题。

2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：

3、一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，在氩/氧混合气和纯氩气交替的氛围下，采用磁控溅射制备不同含氧量的复合材料先驱丝，将先驱丝通过热等静压成型制备成连续sic纤维增强钛基复合材料，具体包括以下步骤：

4、s1：将带有保护涂层的sic纤维缠绕至磁控溅射设备的转轮上，一对或多对(α+β)型钛合金靶材平行放置于sic纤维的内、外两侧，将磁控溅射设备抽真空至压强低于1×10～3pa；

5、s2：向溅射室里通入纯氩气和氩/氧混合气，调节氧分压与氩分压比值范围至0.002～0.02，当溅射室内的压力达到0.5～2pa时，开启所有靶材进行溅射沉积，当沉积厚度达到2～5μm时，关闭氩/氧混合气；

6、s3：继续通入纯氩气，将氩/氧混合气完全排出，并使溅射室内压力维持在0.5～2pa范围内，继续进行溅射沉积，再次沉积2～10μm厚度；

7、s4：反复重复s2和s3，直至钛合金沉积层厚度达到20～45μm，停止所有靶材溅射，并在纯氩气保护氛围下进行冷却，当溅射室温度低于100℃时，取出钛合金先驱丝并裁剪成束，将制得的钛合金先驱丝放入钛合金包套中，进行真空密封，再将密封后毛坯件进行热等静压成型；步骤s2和步骤s3的沉积厚度之比为0.2～0.4时，所得连续sic纤维增强钛基复合材料的钛合金基体为片层组织；步骤s2和步骤s3的沉积厚度之比为0.5～1.1时，所得连续sic纤维增强钛基复合材料的钛合金基体为双态组织；步骤s2和步骤s3的沉积厚度之比为1.2～1.5时，所得连续sic纤维增强钛基复合材料的钛合金基体为等轴组织。

8、优选的，步骤s1中(α+β)型钛合金为tc4钛合金或tc17钛合金。

9、优选的，当步骤s2和步骤s3的沉积厚度之比为0.2～0.4时，步骤s2的氧分压与氩分压比值范围为0.002～0.006；当步骤s2和步骤s3的沉积厚度之比为0.5～1.1时，步骤s2的氧分压与氩分压比值范围为0.007～0.01；当步骤s2和步骤s3的沉积厚度之比为1.2～1.5时，步骤s2的氧分压与氩分压比值范围为0.011～0.02。

10、优选的，步骤s2中的氩/氧混合气中氧气所占体积分数为0.5％～5％。

11、优选的，步骤s2和步骤s3中的溅射温度为450～550℃，溅射偏压为-350～-750v。

12、本专利技术制备方法的有益效果为：

13、(1)对于同一种钛合金基体，本专利技术可以获得具有等轴组织、片层组织和双态组织基体的钛基复合材料，不同组织对应着不同的力学性能，这扩展了sicf/ti复合材料的应用范围。

14、(2)本专利技术将少量的氧元素均匀的添加到钛合金基体中，可以实现强化效果，且基本不损伤复合材料的塑性，提升了sicf/ti复合材料的力学性能。

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【技术保护点】

1.一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，在氩/氧混合气和纯氩气交替的氛围下，采用磁控溅射制备不同含氧量的复合材料先驱丝，将先驱丝通过热等静压成型制备成连续SiC纤维增强钛基复合材料，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中(α+β)型钛合金为TC4钛合金或TC17钛合金。

3.根据权利要求1或2所述的一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，当步骤S2和步骤S3的沉积厚度之比为0.2～0.4时，步骤S2的氧分压与氩分压比值范围为0.002～0.006；当步骤S2和步骤S3的沉积厚度之比为0.5～1.1时，步骤S2的氧分压与氩分压比值范围为0.007～0.01；当步骤S2和步骤S3的沉积厚度之比为1.2～1.5时，步骤S2的氧分压与氩分压比值范围为0.011～0.02。

4.根据权利要求1所述的一种基体组织可调的纤维增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中的氩/氧混合气中氧气所占体积分数为0.5％～5％。