sic纤维增强钛基复合材料研究现状与展望

sic纤维增强钛基复合材料研究现状与展望内容摘要：

图 1 界面反应动力学曲线 [5] [5] 易形成缺 陷 ， 当反应层厚度大于临界值 时 ， 材料的性能 会降 低 ， 不同反应体系的临界厚度不 同 [3] ； 界面结合力 大小直接影响材料破坏形 式 ， 根据结合力的大 小 ， 将界 面分为弱界面结合和强界面结 合 ， 弱界面结合虽然有利 于提高轴向性 能 ， 但是横向性能也较 低 ， 成为限 制 S iCf / Ti 复合材料应用的一个因素 [23]。 疲劳性能 图 2 是 SiCf /T i 复合材料和基体钛合金在室温和 高温下的疲劳性 能 ， 由图可 知 ， 复合材料的疲劳性能明 显高于钛合 金 ， 特别是高温疲劳性 能 ， 在低周疲劳区域 （ LCF） 和高周疲劳区 域 （ HCF） 的疲劳强度至少比基体 材料提高 100％。 SiCf /Ti 复合材料典型的室温低周疲劳 性能 为 1800MPa/104 周 次。 600℃ 时 基体材 料的 疲劳强 度一般为 400MPa 左右 ， 而 SiCf/Ti 复合材料的疲劳强度 Dynamic curve of interface reaction 表 1 SiCf /Ti 复合材料力学性能 在 1800MPa 以上 [24]。 与基体材料相比较 ， SiCf /Ti 复合材料之所以具有很 高的疲劳强 度 ， 是因为疲劳裂纹扩展到纤 维 / 基体界面 上被阻 止 ， 从而降低了裂纹扩展速 度。 与室温条件下的 SiCf/Ti 复合材料相比 较 ， 在高温 时 ， 复合材料中纤维承 受的载荷提 高 ， 随着拉伸载荷的增 加 ， 纤维会不断发生 断 裂 ， 纤 维 / 基体界面不能像在室温条件下那样很好地 阻止裂纹扩 展 ， 因 此 ， 裂纹扩展速度比室温高很 多 ， 导致 高温疲劳寿命降 低。 同时在高温环境 下 ， 纤 维 / 基体界 面和表面的裂纹形成率会提 高 ， 也导致了高温疲劳寿命 降低 [25]。 纤维增强复合材料具有各向异 性 ， 沿纤维轴 向， SiCf/Ti 具有优良的拉伸性 能 ， 但是沿纤维横 向 ， 拉伸性 能却低于基体合金性 能。 沿不同方向的破坏机制不 同， 界面的作用也不 同。 沿纤维轴向拉伸时的应 力 应 变 响应曲线是非线性 的 ， 卸载后产生了持久变 形 ， 持久变 形来源于两个方 面 ： 基体塑性变形和界面滑 移。 横向 拉伸应 力 应变关 系 ， 大致分 为 3 个阶 段 ： 第一个线性 区 ， 基体发生了弹性变形 ， 纤维和基体界面完好 ； 第二个 图 2 SCS6/Timetal 834 在室温和 600℃ 时的 SN 曲线 [24] 线性区，界面发生了剥离；非线性区，基体发生了塑性变 形。 当拉伸方向与纤维呈一定角度时，拉伸机制是沿纤 维轴向和横向破坏机制的复合，随着角度由 0176。 变化到 90176。 ，拉伸强度逐渐降低 [22]。 纤维是 SiCf /Ti 复合材料的主要承载体 ， 一般纤维强 度越 高 ， 复合材料的强度越 高。 基体具有良好的塑性可 以提高纤维增强 S iCf/T i 的强度 ， 例如 Ti2AlNb 与 Ti3Al 相比 较 ， 有更好的室温塑 性 ， 因 此 SiCf/Ti2AlNb 的强 度 要高 于 SiCf/Ti3Al。 在制备过程 中 ， 在界面反应层中容 SN curve of SCS6/Timetal 834 at room temperature and 600℃ [24] 4 应用 高性 能 SiCf/Ti 复合材料可以大大提高航空航天领 域系统的整体性 能 ， 因 此 ， 在航空航天领域具有广阔的 应用前 景。 一般来 说 ， 目前飞机和发动机中采用钛合 金制造的结构具有采 用 SiCf/Ti 复合材料制造的潜在可 能 性 ， 从而达到降低结构重 量 、 提高结构性能的目 的。 SiCf/Ti 复合材料用来替代一部分高温合金结构 ， 可以在 材料 温度 T/℃ 弹性模量 E/GPa 拉伸强度 σb / MPa SCS6/Ti153 轴向 室温 206~244 1758~1903 427 214~240 1489~1820 横向 室温 125~178 408 427 110~138 325 Ti153 300 937 SCS6/Ti6Al4V 室温 215 1823 SCS6/Ti2AlNb 室温 190 1900 SCS6/IMI834 室温 220 2300 提升性能的同时大大降低结构重 量。 S iCf /Ti 复合材料 主要可以制造 5 类部件 ： 盘 、 环类 ， 叶片类 ， 轴 ， 杆类 ， 管， 框架类 ， 支撑类 [6]。 国外 ， 美国 在 IHPTET 计划中 ， 采 用 SCS6/Ti6Al4V 制备的发动机 第 4 级压气机 叶 环 ， 减重效果达 到 78%， 不仅能够满足所有性能要 求 ， 还使整台发动机的 造价降低 了 5 万美 元 ， 被誉为是航空发动机设计的革命 性突破。 英国的 罗 罗公司和德国航天航空中心也制备 了 SiC /Ti 复合材料整体叶 环 ， 并进行了台架试 验 [16， 22] ； f 与镍基合金相 比 ， 采 用 SiCf/Ti 复合材料制造的低压涡 扇发动机传动 轴 ， 减 重 30％ ， 刚度提 高 40％ ， 并能够经 受 105 周次试 验 ， 远远超过了设计要 求 ； 在 F119 发动 机 中 ， 前 3 级风扇叶片均为宽弦叶 片 ， 普惠公司正在研究 的 SiCf/Ti 复合材料风扇叶片是一种 用 SPF/DB 工艺制造 的重量 轻 、 刚度 大 、 耐冲击破坏强度高的空心风扇叶 片 ， 使发动机风扇级重量减 轻 14%。 日本公司制造 了 SiCf/。