[发明专利]一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用。本发明先在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面沉积过渡金属层，有效提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与后续沉积的金属氮化物层的结合性能，有效释放残余应力，提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与纳米多层复合难熔金属层的界面结合强度。采用至少两种材质的难容金属单质靶材制备纳米多层纳米多层复合难熔金属层，与采用难容合金靶材相比，显著降低了后续热等静压成型的温度，能够抑制界面反应和纤维退化，还极大丰富了难熔合金基体组元的可选择种类，能够适应不同应用环境对复合材料性能的需求且成本低。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着航空航天技术的发展，服役环境日益苛刻，为了满足极端苛刻服役环境的需求，航空航天飞行器对金属基复合材料的耐温等级提出了更高的要求—在宽温域下具有优异的力学性能。连续SiC纤维增强钛基复合材料兼具了增强体的高强度和优良的抗蠕变性能及钛合金基体的高损伤容限和可加工性，使得该复合材料不仅大幅提升了金属基体的力学强度、抗蠕变和耐疲劳能力，还有效提升了金属基体的服役温度。然而，受钛合金基体服役温度的限制，SiC纤维增强钛基复合材料仅在750℃以下能长时服役，在1000℃以下能短时使用。在SiC纤维增强金属基复合材料表面复合具有更高服役温度的难熔合金能够提高其服役温度。

采用纤维涂覆法制备SiC纤维增强金属基复合材料能保证增强体纤维均匀分散而获得最优异的力学性能，是当前国内首选的制备方法。其中，增强纤维表面涂覆厚的难熔合金涂层在高温成型过程中成为复合材料的难熔合金基体，该工艺不仅决定了复合材料的性能，同时占到了复合材料的生产成本的一半以上。例如，中国专利CN113481479A公开了一种SiC纤维增强难熔合金复合材料的制备方法，在带有C涂层的连续SiC纤维表面磁控溅射金属层，在所述金属层表面磁控溅射金属氮化物层，采用难熔金属为靶材，在所述多层扩散障涂层表面磁控溅射，得到SiC纤维增强难熔合金复合材料。然而，上述制备方法采用难熔合金靶溅射沉积难熔合金涂层，但由于难熔合金的高温屈服强度，致使过高的成型温度，导致剧烈的界面反应以及SiC纤维增强体的性能退化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法能够降低复合材料的热成型温度，抑制界面反应和纤维退化。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用过渡金属靶材，在惰性气体下在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射形成过渡金属层；

(2)采用过渡金属靶材，在氮气-惰性混合气体下，在所述过渡金属层表面进行第二磁控溅射形成过渡金属氮化物层，得到扩散障单元；

(3)在所述扩散障单元表面重复过渡金属层和过渡金属氮化物层的制备操作，得到扩散障涂层；所述重复的次数≥0次；

(4)在惰性气体下，采用不同材质的难熔金属单质靶材，在所述扩散障涂层表面进行磁控共溅射，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；所述难熔金属单质靶材的个数≥2；

(5)将所述SiC纤维前驱体进行热等静压成型，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。

优选的，步骤(1)中，所述第一磁控溅射的工作参数包括：所述惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为1～3A。