钛基复合材料的应用.docx

钛基复合材料的应10 级金属（ 1）班刘超凡1007024101钛基复合材料的应用在现有的基础上提高高温钛合金的使用温度存在着较大的困难， 难以满足日 益 苛刻的综合性能要求于是，钛合金向钛材料的新一族 钛基复合材料仃MCs)发展的转移趋势也应运而生近年来，由于其相对钛合金更为优异的综 合性能，钛基复 合材料引起人们广泛关注目前，钛基复合材料最重要、 最有潜力的应用领域之一是在航空航天结构材 料 以及航空航天发动机材料 为提高高温钛合金的性能及使用温度， 钛基复合材 料应 该具有高比强度、高比模量，更为重要的是，应在高温条件下有高的强度、 优异的抗 蠕变性能、 可靠的热稳定性、 抗氧化性以及高的疲劳强度 为争夺钛材 料的技术 和市场优势，世界各国纷纷开始进行了钛合金复合材料的开发研究钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚硬陶瓷增强体的一种复合材 料 它把金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更 高的剪切 强度和压缩强度以及更好的高温力学性能 TMCs 极具吸引力的物理性 能和力学性 能，诸如高模量、高强度、抗氧化，已经许多研究证明钛基复合材料的研究开始于70年代，在80年代中期，美国航天飞机(NASP) 和整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)以及欧洲、日本的同类发展计划的实施推动 了钛基复合材料的发展。

例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC/Ti- 6Al-4V 复合材料，用作半球形火箭壳、导弹尾翼和飞机发动机零件日 本丰田公司 利用粉末冶金法制备了 TiB短纤维增强Ti-7Mo-4Fe-2AI-2V复合材料，成功应用在 丰田引擎中，作为进气、出气阀的材料在航天航空、军用和民 用领域获得实际应 用，体现出研究和开发钛基复合材料的重要价值钛基复合材料主要分为两大类： 连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基 复 合材料 早期研究的主要领域是以碳化硅纤维增强的钛基复合材料， 可显著提 高基 体合金的机械性能， 但纤维增强钛基复合材料受到以下几个因素的制约： 碳 化硅纤 维价格昂贵、加工工艺复杂、各向异性此外，钛基复合材料中 SiC 纤维 与钛基体 热膨胀系数相差较大， 容易在制备和服役过程中产生较大的热应力， 且 在高温条件 下与钛基体发生界面反应而生成TiCx、Ti5Si3(C)等产物，严重影响复合材料的性 能上述几个因素严重地限制了连续纤维增强钛基复合材料的应最近，以外加或原位生成的非连续增强钛基复合材料因其制备和加工工艺与 钛 合金相似， 成本与钛合金材料接近， 可望在航空航天和军工领域的许多高温结 构中 获得实际应用。

低密度、高模量和高强度的陶瓷颗粒或短纤维加入钛合金基 体中， 可显著提高材料的比模量、 比强度和蠕变性能， 进一步提高它的使用温度， 以满足 高温钛合金不断发展的需要 因此，非连续增强钛基复合材料是目前的重 要研究方 向 此外， 陶瓷增强相可显著提高基体合金的耐磨性， 结合钛合金耐腐 蚀的优 点，满足航空航天和军工领域对材料耐磨、耐蚀的要求近年来,TMCs的发展虽然很快，但仍是一种新型昂贵的材料并尚处于发展之 中，尤其是冷战结束以后 , 由于缺乏对宇航、军事项目长期巨额资金的支持 , 使 TMCs的研究与发展开始降温，其目标转向工程应用,发展低成本颗粒增强的钦基 复合材料成为当今一种重要趋势一） 不连续纤维钛基增强复合材料形变与断裂复合材料与基体合金的蠕变应力指数和激活能是一致的 , 这意味着复合材 料蠕 变机制与基体合金是相同的在低应力阶段，激活能与Ti的自扩散激活能相近，应 力指数与错位攀移控制蠕变应力指数一致 , 错位结构也是典型的 , 形成 了胞状结 构，因此可以肯定 , 在低应力阶段 , 复合材料与基体合金一样 , 蠕变由 错位攀移速 率控制从金相观察发现在高应力阶段 , 界面空洞较多 , 因此 , 可以 认为界面损失 是高应力阶段蠕变的控制因素。

颗粒和晶须大量自身开裂 , 也发生 大量界面开裂 基 体合金呈晶蠕变断裂形貌 , 而复合材料的集体呈穿晶韧窝断裂 形貌二）连续纤维增强钛基复合材料2.1 用于增强钛合金的连续粗纤维 在钛基复合材料目前常采用的三种增 强体类型中 , 连续粗纤维增强方式在 力学性能方面显示出特有的优越性 , 与颗粒、 晶须或短纤维增强相比 , 它同时兼 有高的刚性，高的强度和高的韧性 , 在未来高性 能飞机、航空发动机和航天飞机 上有着广阔的应用前景纤维 /钛合金中的增强组元纤维是承受外界载荷的主体 在给定纤维含量的 情况 下 , 粗纤维可以增加其间的距离 , 从而有利于降低纤维在高温复合固结过程 中产生 径向裂纹倾向和充分发挥铁基体的韧性作用目前化学气相沉积方法 (C VD) 制备的 粗纤维都存在一定的残余应力 ,而且考虑到经济性 ,增强钛合金的 连续纤维直径以 0.12 一 0. 15nm 为宜经过可能用于钛基复合材料的连续纤维 如 SI C 、 Bor sic(硼纤维表面涂sic层)和B4C — B等评定后发现,美国Textron公司生产的 SCS— 6纤维是目前钛基复合材料最理想的增强体2.2 纤维 /合金制造技术与钛合金相比 , 纤维/钛合金具有高的强度性能和使用温度 , 比强度、比模量 则 分别提高约 50 %和 10 % 。

它的强度性能主要受高温复合成型过程中纤维与 钦合金 基体的反应 , 显微组织结构稳定性和内部残余应力等因素的影响 目前阻 碍纤维钛 合金大量进入空间技术市场的主要原因是材料制造工艺复杂和价格昂 贵 在它的发展 过程中 , 高强度高模量连续碳化硅粗纤维的起到了很大的推动作 用纤维/钛合金的制造过程大体上可分为纤维和基体交替叠层预制件的制备和 复合 固结成形等两大部分 预制件的制备方法有粉末布工艺、 真空等离子喷涂工 艺和纤 维一箔材交替铺层等， 前两种工艺要求基体钛合金粉末的纯度高 , 但钛合 金粉末表 面往往存在一薄氧化层 , 容易引起高温固结过程中对复合材料的污染 , 加之工艺复 杂 , 成本高, 使用上受到限制因此目前常采用纤维一钛箔两者的交 替铺层数目 . 单 向增强Sic纤维有事采用钛丝进行横向编织，特别是后两种工艺可以直接成形复合 材料零件坯料 , 故在生产上广为采用值得指出的是 , 真空热压工艺实现预制件复合固结的原因是钛合金在一定 温度 与压力作用下 , 产生超塑性成形和扩散连接的综合效应2.3 连续纤维增强钛基复合材料的超塑性变形日本研究人员研究了溅射法制备的复合材料的超塑性成型特性及其中的空 隙现象。

他们采用的基体是富B的a十阶金SP-700温度低于80 0, SP -700会表 现 出良好的超塑性溅射预成型法制备的复合材料的纤维间距比用编织网法制备的复合材料的 纤维 间距均匀得多 , 也很少发现间距很近的纤维 溅射复合材料表现出空洞引起 的超塑 性 , 其延伸率比编织复合材料的大得多， 超塑性变形的 SCS-6/ SP -70 0 中 形成的 空洞的临界应力可能取决于纤维 /基体的界面强度钛基复合材料是一种先进的高性能结构材料 , 在未来的航空航天技术上有 着强 大的应用潜力对于这样一项高难度 , 长远而带有方向性的高技术，我们必 须给予足 够的重视 可以认为 , 这种材料的成功应用将是复合材料领域内的一个 重大突破性 进展。