[发明专利]一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件及其制备方法。

背景技术

以连续SiC纤维增强Ti基复合材料(SiC_f/Ti composites,TMCs)为主要代表的金属基复合材料在航空发动机及其它航空、航天领域的应用潜力已明显呈现出急速上升的趋势，据美国航空航天及宇航总署的预测，未来航空发动机用材料中，Ti基复合材料约占45％，多种部件将使用TMCs。TMCs具有高比强度、高比刚度、良好的耐高温及抗蠕变、抗疲劳性能，是理想的高温轻质结构材料。现已研制的航空发动机TMCs部件代替原有Ti合金部件，减重效果可达30％～40％，并且其疲劳寿命及耐久性能都得将得到大幅提升。

当前关于SiC纤维增强Ti基复合材料结构件的制备方法主要有箔-纤维-箔(FFF)法、涂敷基体的先驱带(MCM)法；基体涂敷的先驱丝(MCF)法。其中FFF法因制备工艺简单而应用最多，但是其缺点也非常明显，如Ti合金箔制备困难，复合材料中纤维排布不规则，应用领域仅限于板材等；MCM法在喷涂过程中高温高速的基体粒子可能造成纤维表面的损伤，并且设备价格昂贵也限制了它的推广使用；MCF法在近年来受各国研究者的青睐，它的优点是基体种类不受限制，纤维的体积分数可控，先驱丝易弯可编织，因此特别适合于制备形状复杂的部件。

航空发动机及其它航空、航天领域中Ti合金薄壁管或长轴是应用较多的一类结构件，不同的服役环境决定了其不同的受力状态，其受力方向也不仅局限于沿结构件轴向或径向，例如从抗弯、抗扭性能，对偏轴向45°或135°的承载能力则要求更高，若SiC纤维沿这两个方向缠绕就能够显著增强该方向的力学能，因此SiC纤维多角度增强Ti基复合材料管轴件是非常具有实际意义的。然而，变角度的增强方向对纤维的缠绕工艺及整个TMCs管轴件的制备方法提出了新的考验。少数一些尚未公开发行的资料显示，通过数控缠绕机完成先驱丝90°多层缠绕，进而可以制备SiC纤维增强Ti基复合材料的简单轴件，然而这种构件的纤维增强角度垂直于构件轴向，其抗剪切及抗扭转性能极差，实际意义不大。如果利用精密缠绕机直接进行-90°～90°变角度单丝缠绕，理论上无法实现整层先驱丝的致密化，另外多股先驱丝胶粘连续制带的工艺也尚未取得突破。因此，通过精密缠绕机直接完成先驱丝多角度致密化缠绕制备TMCs管轴的工艺路线在目前是行不通的，亟需一种新方法来达到制备SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的目的。

发明内容

为了提高现有Ti合金管轴件的抗扭转、抗弯曲、抗疲劳等力学性能，并能满足不同服役条件下Ti合金管轴件的受力要求，本发明的目的在于提供一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件；本发明的另一个目的在于提供一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件，该管轴件的Ti合金管壁中设有变角度SiC_f/Ti基复合材料中间层，所述变角度SiC_f/Ti基复合材料中间层包含三层以上的SiC纤维层，SiC纤维层内的SiC纤维轴向与管轴件轴向的夹角介于-90°～90°之间(不包含±90°)；所述变角度SiC_f/Ti基复合材料中间层中SiC纤维的体积分数为10％～80％。

所述SiC纤维层的层内及层间相邻SiC纤维之间被Ti合金隔离(SiC纤维之间不相互接触)；每一SiC纤维层内的所有SiC纤维轴向均相同，不同层内的SiC纤维轴向可以相同也可以不同。

所述变角度SiC_f/Ti基复合材料中间层垂直于管轴件轴向的截面为环形，变角度SiC_f/Ti基复合材料中间层的周围完全被Ti合金包裹。

上述SiC纤维变角度增强Ti基复合材料管轴件的制备方法，包括以下步骤：

(1)以清洁的连续SiC纤维为基材，Ti合金为靶材，采用磁控溅射技术制备圆度均匀的SiC_f/Ti基复合材料先驱丝；磁控溅射工艺参数为：靶-基距离为10～150mm，溅射功率为200～4000W，溅射时间5～30h；

(2)利用精密绕线机将先驱丝排布成致密的条形单层板，先驱丝间用粘结剂连接，其中先驱丝单层板长度方向与其中的纤维轴向方向一致；