SiC_%28f%29_TC17复合材料制备方法对界面反应层 生长动力学的影响.pdf

SiCf/TC17 复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响王敏涓1,2,李虎1,2,李四清1,2,王宝1,2,黄旭1,2,黄浩1,2*（1中国航发北京航空材料研究院，北京100095；2中国航空发动机集团先进钛合金重点实验室，北京100095）摘要：连续 SiC 纤维增强钛基复合材料（SiCf/Ti 复合材料）具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiCf/Ti 复合材料可采用箔压法（FFF）和基体涂层法（MCF）进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用 FFF 和 MCF 分别制备 SiCf/TC17 复合材料。对两种工艺制备的SiCf/TC17 复合材料在高温下（800900）进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下 MCF 法制备的 SiCf/TC17 复合材料界面反应速率大于 FFF 法制备的复合材料，前者的反应速率因子 k0为 4.942103m/s1/2，反应激活能 Q 为 276.3kJ/mol，后者的界面反应速率因子 k0为 8.149103m/s1/2，反应激活能 Q 为 291.7kJ/mol。这是由于 MCF 法制备的钛合金基体具有更微小的相组织，具有较小的反应激活能，在高温下具有更高的元素扩散速率。关键词：SiCf/Ti 复合材料；箔压法；基体涂层法；反应动力学doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000213中图分类号：TB333文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)04-0068-08Investigation on the influence of SiCf/TC17 composites preparation method ongrowth kinetics of interfacial reactive layerWANGMinjuan1,2,LIHu1,2,LISiqing1,2,WANGBao1,2,HUANGXu1,2,HUANGHao1,2*（1.AECCBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China；2.KeyLaboratoryofAdvancedTitaniumAlloys,AeroEngineCorporationofChina,Beijing100095,China）Abstract:Continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composite（SiCf/Ti composite）has good specific strength andcomprehensivemechanicalproperties,itisalightweighthightemperaturestructuralmaterialthatattractsmuchattentioninthenewgenerationofequipmentdevelopment.SiCf/Ticompositescanbepreparedbythemethodsoffoilfiberfoil（FFF）andmatrixcoatingfiber（MCF）.Inordertocomparetheeffectsofthetwomethodsonthegrowthofinterfacialreaction,SiCf/TC17compositeswerepreparedbyFFFandMCFrespectively.Bystudytheinterfacialreactionlayerthicknessofcompositespreparedbythetwoprocessesafterthermalexposureatthetemperaturefrom800to900,themicrostructureandthethicknessofinterfaciallayerwereanalyzedbyscanningelectronmicroscope,furthertheinterfacialreactionrateathightemperaturewasobtained,andtheinterfacialreactionkineticparametersofdifferentmaterialswereattained.TheresultsshowedthattheinterfacialreactionrateofSiCf/TC17compositepreparedbyMCFmethodwashigherthanthatofthecompositespreparedbyFFFmethodatthesametemperature.Theinterfacialreactionratefactork0is4.942103m/s1/2and8.149103m/s1/2forthecompositespreparedbyMCFandFFFmethod,respectively.Additionally,thereactionactivationenergyQis276.3kJ/moland291.7kJ/molforthose,respectively.ThisisbecausethetitaniumalloymatrixpreparedbyMCFmethodhassmallerphasestructureandhigherelementdiffusionrateathightemperature.Therefore,thecompositepreparedbyMCFhaslowerreactionactivationenergyathightemperature.Key words:SiCf/Ticomposite；foilfiberfoil；matrixcoatingfiber；reactionkinetic2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第4期第6875页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.4pp.6875 连续 SiC 纤维增强钛基（SiCf/Ti）复合材料是采用连续 SiC 纤维为增强体，以钛合金作基体的复合材料，因其具有高比强度、高比刚度、高比模量以及良好的抗疲劳和抗蠕变的特性，是目前广受关注的高温轻质结构材料1-4。当用作发动机叶环时，相比镍基合金叶盘可减重约 70%，用作飞行器蒙皮时可提高构件的使用刚度等。SiCf/Ti 复合材料可在400800 的温域内长时使用5，在1000时短时使用6，因此在航空航天领域具有广泛的应用前景。SiCf/Ti 复合材料及构件根据其形状特点、性能及设计要求等可采用不同的成型工艺，包括箔压法（foil-fiber-foil，FFF）1-2、基体涂层法（matrixcoatedfiber，MCF）7和粉末浆料法等，每种成型工艺各有优势和弊端。箔压法是采用箔-纤维交替排列后再采用热压工艺实现致密化，该方法简单易行，但纤维间距及体积分数不易控制，同时部分金属的箔材制备成本较高，因此箔压法在成型工艺上存在一定局限性，但由于采用该方法制备的复合材料成型时体积收缩较小，因此有利于成型过程中实现对构件内部复合材料形状及尺寸的控制，故 FFF 在实际构件研制时仍是一种值得探索的方法。目前较为常用的成型方法为基体涂层法，即通过物理气相沉积的方法在 SiC 纤维表面涂覆钛合金，然后根据构件形状特点制备为毛坯件，经真空封装后通过热等静压的方式实现构件的致密化。该方法可有效调控纤维体积分数，且制备的复合材料中纤维排布均匀，可避免因纤维碰撞接触而引起的内部缺陷，有利于提高材料的综合力学性能，该方法可在多类型构件上实施，因此获得了广泛的应用。粉末浆料法因粉末涂覆不易控制厚度，且含有有机溶剂，因此在实际应用中存在一定的局限。由于 SiCf/Ti 复合材料由两种材料复合而成，均需在高温下成型，SiC 纤维和钛合金之间不可避免发生界面反应。为避免严重的界面反应，通常加入惰性涂层，如 C 涂层8-9、TiC 涂层10等。高温成型时通过惰性涂层与钛合金之间的相互作用形成界面反应层，同时在高温服役环境下反应层会进一步发展，因此 SiCf/Ti 作为高温结构材料，其界面在热环境服役条件下的长时热稳定性表现更为重要。目前 Dudek 等研究了SiCf/IMI834 复合材料在800/500h 及700/2000h 条件下界面反应层热稳定性11。Yang 等研究了SCS-6/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo 在700 和800长时热暴露条件下的界面反应层热稳定性12。L等对比研究了 SiCf/Ti2AlNb 和 SiCf/super2复合材料长时热暴露时界面动力学及元素扩散问题13。Rabeeh 等通过研究箔压法制备钛基复合材料，发现可以通过调节热处理的温度和时间控制基体或界面反应层结构14。但对于采用同种钛合金基体制备 SiCf/Ti 复合材料时，缺乏同一基体材料在不同制备工艺条件下反应层热稳定性的对比，因此在SiCf/Ti 复合材料实际制备过程中缺乏用于工艺调整的数据参考。为了更好地进行不同工艺的 SiCf/Ti 复合材料热稳定性对比，本工作详细对比箔压法和基体涂层法制备的 SiCf/TC17 复合材料在不同温度下界面反应层的生长规律，研究制备工艺对反应层生长动力学的影响。1 实验及方法1.1 材料制备实验所用 SiC 纤维为北京航空材料研究院自制的 CVDSiC 纤维，直径约为 100m，SiC 纤维外层包含厚度 23m 的碳涂层。采用箔压法和基体涂层法制备 SiC 纤维增强 TC17 复合材料，所用的 TC17 锻件和靶材均为北京航空材料研究院制备的 TC17 靶材，名义成分为 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（质量分数/%）。图 1 为不同方法制备复合材料示意图，箔压法制备 SiCf/TC17 方法如图 1（a）所示，即采用 0.5mm 厚的 TC17 箔材和 SiC 纤维布交替铺放至 TC17 包套中，制备为复合材料毛坯，记为 f-SiCf/TC17；基体涂层法制备 SiCf/TC17 方法如图 1（b）所示，即采用磁控溅射设备将 TC17 涂层沉积于 SiC 纤维表面，制备为 TC17 先驱丝，将成束的 TC17 先驱丝裁剪后置入相应的 TC17 套筒中制备为 SiCf/TC17 复合材料，记为 c-SiCf/TC17。将两种方法制备的 SiCf/TC17 经电子束封装后经 920/120MPa 保温保压 2h 实现致密化成型，制备 SiCf/TC17 复合材料毛坯。将制备的 f-SiCf/TC17 和 c-SiCf/TC17 分别切成 1mm 厚的薄片，经超声清洗后采用石英管进行高真空封装。将封装后的试样 f-SiCf/TC17 和 c-SiCf/TC17 在 800 分别经 36、100、144h 和 196h热处理，850 经 36、64、100h 和 144h 热处理，900 经 16、64、100h 和 144h 热处理并空冷至室温。经过热处理的试样薄片镶嵌为金相后，经过磨抛并腐蚀后制备为金相试样。第4期SiCf/TC17 复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响691.2 材料测试及分析将制备的金相试样采用扫描电镜（TESCANCLARAGMU）观察复合材料的微观形貌，并测量反应涂层厚度；采用能谱仪（UltimMax65EDS）对界面反应层进行成分分析。2 结果与讨论2.1 基体涂层法和箔压法制备的 SiCf/TC17 复合材料微观形貌图 2 为采用箔压法和基体涂层法制备的 SiCf/TC17 复合材料微观结构。从图 2 可以看出，基体涂层法制备的复合材料相比箔压法