[发明专利]一种纤维增强钛基复合材料前驱体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种纤维增强钛基复合材料前驱体的制备方法。

背景技术

纤维增强钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量，良好的耐高温及抗蠕变、疲劳性能，可在高于600℃的环境下使用，被认为是下一代高推重比航空发动机的关键材料。目前，国内的纤维增强钛基复合材料研发在基础研究和制备技术方面都远远落后于世界水平，特别是在新型高性能阻隔层的开发和制备技术方面差距更大，因此，迫切需要开发具有高稳定性新型阻隔层的前驱体制备技术为途径解决高性能纤维增强钛基复合材料制备的技术问题。

在制备纤维增强钛基复合材料的各种方法中，纤维涂层工艺是最具优势的纤维增强钛基复合材料的复合技术，即采用磁控溅射制备“纤维/阻隔层/钛合金基体”结构的纤维增强钛基复合材料的前驱体，该工艺制备的复合材料纤维分布最均匀，材料的各项性能指标最佳。在前驱体的制备过程中，阻隔层起着保护碳化硅纤维和调节纤维与基体的热膨胀差异的作用，阻隔层的选择和制备方法是决定前驱体结构和性能的主要因素，不同的阻隔层类型以及结构差异影响其阻隔效果，对材料的使用温度以及使用寿命有着重要影响。

阻隔层的选择主要考虑两点：（1）高温下（高温指温度为700℃～900℃）热力学稳定，不与纤维丝和基体反应；（2）热膨胀系数介于纤维与基体之间。目前阻隔层采用的多为C涂层、AlN涂层、Al₂O₃涂层、TiB₂涂层以及梯度涂层如C/Al₂O₃、C/AlN等，然而，这些涂层都会在高温下与钛合金基体发生反应，逐渐消耗阻隔层厚度，最终破坏到纤维丝，使材料失效。所以，为了提高材料的使用寿命，阻隔层的厚度都在1μm以上。

La₂Zr₂O₇是一种热障涂层材料，具有高熔点、相稳定性高、耐腐蚀以及与高温合金的结合力强的特点，而且其热膨胀系数介于纤维与钛合金基体之间，可以应用于纤维增强钛基复合材料前驱体中的阻隔层。应用磁控溅射制备La₂Zr₂O₇阻隔层将有力地促进高稳定性新型阻隔层的前驱体制备技术的发展。

然而截至目前，尚未发现有关采用磁控溅射技术制备La₂Zr₂O₇阻隔层应用于纤维增强钛基复合材料前驱体领域的研究见诸报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单、生产效率高、可重复性强的纤维增强钛基复合材料前驱体的制备方法。该方法将锆酸镧作为阻隔层，可以有效地保护碳化硅纤维丝，并与碳化硅纤维丝和钛合金都具有良好的结合性，界面紧密平整，高温热稳定性好；采用该方法制备的纤维增强钛基复合材料前驱体表现出良好的界面性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种纤维增强钛基复合材料前驱体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备SiC_f/La₂Zr₂O₇丝：

步骤101、将锆酸镧、钛合金和碳化硅纤维一起放入多靶磁控溅射仪的溅射室中，以锆酸镧为溅射靶材，以碳化硅纤维为基底材料；

步骤102、将溅射室抽真空至真空度为2×10^-5Pa～4×10^-5Pa，并将碳化硅纤维加热至490℃～510℃，然后向溅射室中通入氩气，在氩气压力为0.4Pa～0.6Pa、溅射功率为95W～105W的条件下进行磁控溅射处理，使锆酸镧溅射沉积于碳化硅纤维表面，得到SiC_f/La₂Zr₂O₇丝；

步骤二、制备纤维增强钛基复合材料前驱体：

步骤201、以步骤101中所述钛合金为溅射靶材，以步骤102中所述SiC_f/La₂Zr₂O₇丝为基底材料；