| 单词 | 钛基复合材料 |
| 释义 | 【钛基复合材料】 是一种重要的金属基复合材料，由于具有强度高、重量轻、弹性模量大等性能，可望在航天飞行器、飞机制造工业及防腐材料中获得广泛的应用。钛基复合材料基体有钛合金与钛铝化合物两种。 Ti－6Al－4V合金是一种应用广的钛合金，具有良好的加工性能，当与碳化硅等纤维制备成钛基复合材料时，可以进一步提高强度，尤其是高温强度，而材料的密度、热膨胀系数并不提高。从而在航空、航天工业中，钛合金基复合材料成为比钛合金更适宜的结构材料。SiC纤维强化Ti－6Al－4V合金通常采用标准热等静压技术进行制备。将纤维均匀地环绕在合金薄片的周围，用粘结剂使其粘结起来，然后放入不锈钢套中。在真空条件下加热到400℃，除粘结剂、密封钢套。再在一定温度和压力下保持一段时间即可获得完全粘合的复合材料。日本曾利用钛或钛合金的自身氧化和与碳粉的反应制备了碳化钛晶须强化钛基复合材料。该方法是将钛或钛合金在氧化气氛中加热至600～700℃。由于其表面的氧化，形成了TiO2层，然后将其与碳粉等混合，在加入一定量的无水氯化铁情况下加热到1100～1400℃，TiO2变成TiC，这样钛和钛合金表面就形成了TiC晶须，将其成型、烧结，即获得均匀的TiC晶须强化的钛基复合材料。这种材料具有极好的耐热性和耐腐蚀性。另外一种钛基复合材料的制备方法是：钛合金与5%～50%的氮化硅晶须混合后，将混合材料在一定温度、压力下(如1200C、1．96×105Pa／3h)的真空气氛中进行热等静压。此方法获得的材料抗高温性能好，且具有高强度、高硬度和良好的加工性能。美国的一家公司在传统的冷、热等静压技术的基础上，成功地开发了将新型钛基复合材料加工成净形零件的方法，即商业上的Cerma Ti，其加工方法实际上和整体合金加工方法一样，只是其中掺入了一些TiC颗粒。Cerme Ti－10(Ti－6Al－4V合金基+10%TiC)的杨氏模量在室温下提高了15%，并一直保持到650℃；强度和刚性提高了10%，高温强度和刚度的改善使钛基复合材料的使用温度极限比Ti－6Al－4V合金提高了大约110℃，其室温断裂韧性K1c值为28MPamm1／2。Cerme Ti－15锻造Ti－6A1－4V合金的蠕变和应力断裂试验结果表明：在540℃，前者的典型性能比后者提高一个数量级。Cerme Ti的疲劳性能也与热等静压Ti－6A1－4V合金铸件相当。另外，通过提高或降低增强剂的含量可使性能满足特殊用途。Cerme Ti预成型件能够进行挤压或锻造加工，被制成原型零件包括圆顶的火箭壳体、导弹鳍板和飞机发动机的预成型坯料·等。据知，已成功地挤压成TiC含量达20%、锻造性能良好的重量达5．5kg的Cerme Ti－20预成型零件的锻造坯块。罗森撒尔等发明了一项制备钛基复合材料的专利。所使用的钛合金有：Ti－15V－3Cr－3Sn－3Al、Ti－6Al－2Sn－4Zr6Mo、Ti－6Al－4V、Ti－5Al－6Sn－1Mo－0．25Si；钛铝化合物有：Ti－14Al－20Nb－3V－5Mo、Ti－14Al－25Nb、Ti38Al、Ti－32Al－1．5V－0．1C；纤维强化相有B、B4C、TiB2、Si4、Al2O3、Si3N4、W丝、Mo丝。专利中介绍了几类复合材料，实际上是4种基本层不同的组合：钛合金层、钛铝化合物层、纤维层及纤维强化钛铝化合物层。纤维强化钛铝化合物是用气相沉积和阴极电弧法在纤维表面镀上钛铝化合物而制备成的。根据不同的性能要求，将这4种基本层进行一定的组合，在一定温度、压力下进行热等静压(如35MPa、962C／h)即可得到所需的复合材料。此方法获得的复合材料不仅具有较好的室温综合机械性能，而且具有较好的高温强度和刚度，也改善了基体的断裂性能。基体与强化纤维之间的反应会影响材料的机械性能。研究表明，反应层存在一个临界厚度，反应层低于该厚度时，对强度没有损害。当脆性相反应层的厚度超过临界厚度时，强度下降与反应层的厚度的平方根成正比。实验得出了反应层的厚度X与在给定温度下作用时间t的关系： X=Kt1／2 (1)式中K是反应常数，K与扩散系数D的关系： K=(2D)1／2 (2)可见，反应常数K与温度的关系符合阿雷尼乌斯关系。(1)式关系适应于B／Ti、SiC／Ti、Borsic／Ti，利用(1)式对于一定的基体与强化纤维来说，在一定温度下，通过控制反应作用时间可以控制反应层厚度。不同复合材料的反应临界厚度不同。不同的基体与强化纤维之间有效活化能不同，可以通过对基体或强化纤维适当的处理来减小其活化能，从而减慢反应速度，降低反应层厚度。 复合材料的界面结构直接决定材料的性能。在复合材料的研究中，由于钛基体和强化纤维硬度差异较大，使试样的抛光、腐蚀等制备过程都存在一定的困难。将SiC／Ti－6Al－4V水淬试样采用一系列320号粒度的抛光纸抛光后经30．6μm的金属粘结金刚石抛光轮抛光。该方法制备的试样在纤维和基体之间没有凹凸现象。腐蚀剂为10%HF+5%HNO3+85%H2O，腐蚀20s。这种腐蚀液强烈地浸蚀基体、中等地腐蚀反应层，而对纤维没有作用。钛铝化合物具有良好的抗氧化性和环境腐蚀作用，高熔点和较低的密度，因而适合制造先进的航空航天飞行器构件。但是这类材料低温塑性差，高温强度低，从而限制了其应用。在SiC纤维强化Ti－14Al－25Nb复合材料的制备中，将钛铝化合物粉末与斯托达德溶液混合，加热混合物，除去过剩的斯托达德，然后将基热压到所需的厚度，可以制备出钛铝化合物粉末布。SiC纤维的直径为140μm，具有富碳保护层。富碳层通过修复纤维表面损伤，使纤维强度不损失。富碳层作为损失材料，在制造过程中与基体发生反应，保护了内层纤维的完整性。将这种碳化硅纤维按所需的纤维间的布置绕制在芯子上，喷上粘结剂，干燥、切割。从芯子上取出即得到所需要的纤维编织物。截取适宜的粉末布和纤维物交错层叠在一起，将这组合件在真空条件下加热，除去粘结剂、热压。热压参数可以调节，以便获得基体与纤维间反应性最小的致密的复合材料。另一种制备钛铝化合物基复合材料的方法是电弧喷涂和等离子喷涂法。这项技术是：往芯子上绕制纤维，然后喷涂基体材料层。喷涂上去的基体材料与纤维机械地结合在一起，形成单层的复合材料。在以上过程中不使用任何粘结剂。因此，消除了对基体的污染。在除去芯子后，将单层薄带切成一定形状，再按照所需的方向堆置在一起，固结以后获得所需要的复合材料。也可在单层复合材料上再绕制另外一层纤维，接着喷涂基体材料直到获得所需要的复合材料为止。采用快速凝固等离子沉积方法加工钛铝化合物基复合材料。基体是一种用等离子电弧法制成的粉末。熔化的液滴立即沉入螺旋缠绕在一个大直径圆筒上的强化纤维中，里边的真空室使其快速凝固成固体。通过旋转及平移圆筒，可以在纤维之间及纤维上面涂有基体材料的单片带材，将其切开并从圆筒上取下，堆叠在一起再热压成多层复合材料。目前已用该方法制备成TiAl基复合材料，并正在开发TiB2、TiC纤维。日本采用氮气中的燃烧反应工艺开发了TiAl基复合材料。其工艺为：将TiAl粉按TiAl的化学计量比进行混合，再将混合粉在140MPa压力下压制成粉体，将其放入石英管中，以充分真空脱气后充入氮气。在氮气氛中于1275℃保温5min，使原料粉末燃烧发生反应，制备成烧结体。再将其在氩气氛中进行电弧熔炼后制成约40g的圆锭。烧结体的组成是TiAl、Ti2A1、Ti2AIN。经过组织鉴定为：基体是Ti2Al，弥散强化相是Ti2Al、Ti3AlN(30%)。这种复合组织经电弧熔炼后大体保持原状，但强度得到显著提高。再通过氮化物弥散强化后，这种TiAl基复合材料的屈服强度达1000MPa，但断裂应力是Ti-Al的一半。采用一种原位工艺也获得了TiAl基复合材料，加热陶瓷和金属粉末的混合物使其相互反应，形成强化颗粒，该产品可以锻造和挤压。美国成功地开发了不连续纤维强化钛铝化合物基复合材料生产工艺，即XD铸造法，运用这种工艺可以在钛铝化合物基体内形成TiB2等细微和均匀分布的第2相粒子。借助粒子的尺寸、几何形状和体积分数可以改善复合材料的性能。细微的粒子可以提高抗拉强度，而较大的不对称形状的又能改善蠕变性能。这种复合材料能铸造成各种形状的零件而不破坏其增强剂，锭重可达115kg，可挤压成型材、锻件和轧制板材等精加工产品。应用此方法研制出含有75V%TiB2的Ti－45wt／Al基复合材料，在挤压和热处理后，其屈服强度为427MPa、抗拉强度为600MPa，在794℃的延伸率为20%。冲击波固结法也可用来制备钛基复合材料。将TiAl粉末和SiC粉末混合，放入一圆盘状不锈钢容器内，真空密封。通过爆破产生的高压使容器内的混合物挤压固结、成型。用此方法制备了含35V%SiC的Ti－48at%Al基复合材料。对SiC(CVD)／Ti－14Al－25Nb复合材料的界面结构进行了研究，结果为：反应层厚度约为2．2～3．1μm，反应层内含有(Ti、Nb)C(1－x)和(Ti、Nb、Al)5Si2含有(Ti、Nb)2AlC和(Ti、Nb、Al)6Si3在反应层周围有一层含贪β-SiC层。在研究SiC／Ti－48at%Al复合材料界面时发现：在界面反应层内有Ti5Si3、Al3Ti、Ti5Si4、TiC等。反应层中相的形成不仅和基体材料、强化剂有关，还决定于制备参数和加工工艺。当前，钛基复合材料在航天飞行器和飞机制造工业中最有实际应用。在国内也进行了一些钛基复合材料探索性的研究工作，应该密切注视国外的发展新动向，努力开发中国的钛基复合材料，为航空航天工业等提供更有效的新型材料。SiCTi－6Al－4V复合材料的综合性能较好，应该给予较多重视。SiC或TiC颗粒强化钛基复合材料，制造方法可用现有的设备，性能也较好，能够优先研制。另外在钛基复合材料制备过程中，由于制备技术的限制，约束了材料性能的发挥，提高了材料的成本，但是相信随着科学技术的进步，性能优越的钛基复合材料将会越来越获得人们的重视。(北京有色金属研究总院董桑林撰) |
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