藺春發(fā)，韓雨薔，袁 丁，果春煥，常云鵬，姜風(fēng)春

(哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

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連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料的制備和界面行為

藺春發(fā)，韓雨薔，袁 丁，果春煥，常云鵬，姜風(fēng)春

(哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

姜風(fēng)春

簡要敘述了幾種主要的Ti-Al系金屬間化合物Ti3Al、TiAl和Al3Ti的發(fā)展?fàn)顩r、性能優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用。綜述了幾種增韌金屬間化合物的纖維，對比其他纖維的性能發(fā)現(xiàn)連續(xù)的SiC纖維具有良好的應(yīng)用前景。概括了兩種連續(xù)SiC纖維的不同制備方法，即先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和物理氣相沉積法，兩種不同方法分別得到了束絲SiC纖維和單絲SiC(W或C芯)纖維，并對兩種纖維的性能進(jìn)行了概括。對連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料的制備方法進(jìn)行了分析，綜述了SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料制備過程中纖維與基體的界面反應(yīng)以及界面性能的改善方法；提出了連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料發(fā)展的方向。

連續(xù)SiC纖維；鈦鋁金屬間化合物；復(fù)合材料；界面反應(yīng)；界面改性

1 前 言

航空、航天技術(shù)的不斷發(fā)展提高了對結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)、高強(qiáng)特性的需求，例如發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不斷提高要求高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料性能越來越高，研發(fā)可以在高溫下保持良好性能的結(jié)構(gòu)材料成為關(guān)鍵問題[1-3]。近些年來，可以替代發(fā)動(dòng)機(jī)上鎳基高溫合金并可以實(shí)現(xiàn)減重達(dá)70%，大大提高推重比的Ti基復(fù)合材料成為新一代結(jié)構(gòu)材料，Ti基復(fù)合材料的性能能夠滿足600～700 ℃以下發(fā)動(dòng)機(jī)部件的要求，然而對于更高的使用溫度，由于界面反應(yīng)加劇和基體性能大幅度下降等問題限制了傳統(tǒng)Ti基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用[4]。在研究更合適的基體材料過程中，人們發(fā)現(xiàn)Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料比Ti基復(fù)合材料有著更優(yōu)越的高溫性能[5-9]，使用溫度高達(dá)750～900 ℃，與Ni基高溫合金相近，同時(shí)密度遠(yuǎn)低于Ni基高溫合金。因此，低密度、良好的高溫強(qiáng)度、良好的耐蝕耐磨等優(yōu)點(diǎn)使Ti-Al金屬間化合物合金成為首選的高推重比航空航天用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)部件(壓氣機(jī)盤、葉片等)材料[10-16,17-21]。

Ti-Al二元系中主要存在3種金屬間化合物：Ti3Al、TiAl和Al3Ti。Ti-Al金屬間化合物綜合性能優(yōu)異，同時(shí)也存在一些缺陷[17,18]。Ti3Al具有較高的比熔點(diǎn)、抗氧化性、耐腐蝕。但室溫脆性較大、難以加工，而且高溫下強(qiáng)度損失嚴(yán)重，目前主要是通過合金化方法改善其性能。如通過添加Nb元素由二元Ti3Al化合物發(fā)展而成的Ti2AlNb、Ti-14Al-21Nb等合金提高了其延性、斷裂韌性等室溫“可用性”以及抗蠕變性能等高溫性能，其中采用最佳工藝制備的Ti-14Al-21Nb具有較高室溫韌性水平，延伸率達(dá)到26%，Ti2AlNb在700 ℃以內(nèi)都能保持比較高的比強(qiáng)度。Al3Ti的密度最低、比強(qiáng)度最高、高溫抗氧化性能最好，但其室溫的脆性問題難以解決，目前關(guān)于Al3Ti主要開展兩方面的研究：一方面Al3Ti顆粒是一種比較有效的顆粒增強(qiáng)體，可以用做復(fù)合材料的增強(qiáng)相；另一種是現(xiàn)階段受到廣泛關(guān)注的具有優(yōu)異性能的Ti-Al3Ti層狀復(fù)合材料[22-29]。TiAl具有低密度、良好的比強(qiáng)度、比模量、抗蠕變、抗氧化性能，并可以通過合金化的方法使室溫塑性得以改善[30 - 32]。TiAl基復(fù)合材料的研究成為現(xiàn)今航空航天用輕質(zhì)高溫基體材料主要方向之一[12,33,34]，甚至在汽車工業(yè)中也有較好應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步提高金屬間化合物合金的高溫性能，纖維增強(qiáng)的增強(qiáng)方法受到廣泛關(guān)注，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)異的縱向性能，是提高Ti-Al金屬間化合物強(qiáng)度、剛度，增加韌性的有效方法[35]。目前用于增強(qiáng)金屬間化合物的幾種纖維主要包括SiC(分為單絲有芯和束絲無芯型)、Al2O3、C、B等陶瓷纖維和W、Mo、TiB2等金屬纖維。在這些增強(qiáng)纖維中，難熔金屬(W, Mo)[36]等具有較高的密度；單晶Al2O3纖維[37]和TiB2(或TiC)纖維的熱膨脹系數(shù)與Ti-Al金屬間化合物基體較為接近，很有應(yīng)用前景，但二者目前尚處于研發(fā)階段。SiC纖維性能優(yōu)異，尤其是C芯的SiC纖維，是現(xiàn)階段研究較成熟的Ti-Al金屬間化合物較為理想的增強(qiáng)體材料；采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的束絲SiC細(xì)纖維，如Nicalon纖維，一般不適合于鈦鋁基復(fù)合材料的制備，但也有一些工作對其進(jìn)行了研究。SiC纖維增強(qiáng)的Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料比單一的金屬間化合物具有更好的機(jī)械性能，如強(qiáng)度、剛度、蠕變抗性和斷裂韌性，再結(jié)合密度低特性，能滿足航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)件的性能要求，是應(yīng)用前景非常廣泛的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料[12,17,38-41]。

本文主要對連續(xù)SiC纖維及連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料的制備方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，并探討了SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料制備過程中纖維與基體界面的反應(yīng)和界面性能的改善方法。

2 SiC纖維性能及制備技術(shù)

SiC纖維具有低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)定性以及良好的抗氧化能力和抗蠕變能力等諸多優(yōu)點(diǎn)[42]。表1[43]給出了幾種主要的SiC纖維及性能，可以看出SiC纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗拉模量。SiC纖維具有很強(qiáng)的抗高溫氧化性，在1000 ℃以下，SiC纖維的力學(xué)性能無明顯變化，與液相鋁接觸強(qiáng)度沒有降低[44]。目前，國內(nèi)已經(jīng)開展了SiC纖維增強(qiáng)Ti、Al、Cu、Mg及TiAl、NiAl等[40,45-48]金屬基復(fù)合材料的制備，且取得了良好的力學(xué)性能。

表1 SiC纖維的種類及主要性能[43]

SiC纖維在增強(qiáng)Ti2AlNb金屬間化合物的應(yīng)用上也受到廣泛關(guān)注，元素Nb的存在使得Ti2AlNb比Ti3Al原子結(jié)合力強(qiáng)[49]，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的室溫塑性，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新材料之一[50]。

但仍存在一些問題：Ti-Al金屬間化合物的熱膨脹系數(shù)與SiC纖維差別可以通過中間涂層的方法來改善，從而有效消除殘余應(yīng)力，在一定程度上避免了裂紋的形成[51-53]；有研究表明[54]，SiC/γ-TiAl復(fù)合材料在900 ℃進(jìn)行了200 h熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，表現(xiàn)出的抗氧化性能低于γ-TiAl復(fù)合材料，主要原因是由于纖維基體界面容易受到氧化，因此，可以通過改善纖維與基體界面來提高其抗氧化性；Joshua Pelleg等[55]在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)界面反應(yīng)程度不適宜甚至有可能造成復(fù)合材料的力學(xué)性能低于單一的金屬間化合物，因此界面反應(yīng)仍是一個(gè)不可忽視的問題。

目前SiC纖維的制備方法有：化學(xué)氣相沉積法(CVD法)、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、活性炭纖維轉(zhuǎn)化法、擠壓法等[44,56]。但最常用的制備方法是化學(xué)氣相沉積法和先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，并按照這兩種制備工藝將碳化硅纖維分為兩類：

(1)CVD法[57]是在連續(xù)的碳芯絲(直徑33 μm)或鎢芯絲(直徑12.6 μm)上沉積碳化硅形成的直徑為95～140 μm的單絲碳化硅纖維。

CVD法制備的碳化硅纖維是一種復(fù)合纖維。其制法是在管式反應(yīng)器中采用汞電極直接用直流電或射頻加熱，將鎢絲或碳絲載體加熱到1300 ℃左右，通入氫氣和氯硅烷氣體混合物，在灼熱的芯絲表面反應(yīng)生成碳化硅并沉積在芯絲表面。其結(jié)構(gòu)大致分為4層，內(nèi)纖維中心向外依次是芯絲、富碳的碳化硅層、碳化硅層和外表面富碳涂層。美國TSM(Textron Special Materials Company)公司采用CVD法生產(chǎn)的SCS系列碳芯SiC纖維，是目前性能最優(yōu)異的一種，其牌號有SCS-2，SCS-6，SCS-8等，其中的SCS-6應(yīng)用較多。但由于美國對我國技術(shù)封鎖，只能購買到少量SCS-6 SiC連續(xù)纖維用于科學(xué)研究。我國目前有中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院可以批量生產(chǎn)鎢芯SiC纖維。

(2)另一種是采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制得的直徑為10～15 μm的細(xì)纖維，一般商品為由500根纖維組成的絲束。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法[58](即有機(jī)硅聚合物的溶融紡絲裂解轉(zhuǎn)化法)制備碳化硅纖維的過程是將聚二甲基硅烷轉(zhuǎn)化成可紡性的聚碳硅烷，經(jīng)熔融紡絲或溶液紡絲制備成先驅(qū)絲，用電子束照射等手段與之交聯(lián)，最后在惰性氣氛或真空中高溫?zé)Y(jié)成碳化硅。日本碳公司生產(chǎn)的直徑約為10～15 μm的束狀Nicalon SiC纖維，是先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的性能最優(yōu)異的一種纖維。國內(nèi)已有廈門大學(xué)和蘇州賽力菲公司對該先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展，可以生產(chǎn)使用。

3 SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物的制備技術(shù)

SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料的制備主要采用一般的連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦鋁金屬間化合物基復(fù)合材料制備方法，已有多種成形技術(shù)[59,60]，主要有物相沉積法、箔疊纖維法、粉末布法、壓力鑄造法等。這些方法都提供了可行的工藝方法，但纖維分布、纖維損傷及纖維與基體界面反應(yīng)仍是復(fù)合材料制備過程中不容忽視的問題。

3.1 物相沉積法

物相沉積法是連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦鋁金屬間化合物基復(fù)合材料最主要的制備方法，它是通過將基體材料濺射，從而在纖維上涂覆一層均勻的基體，獲得先驅(qū)絲，再將先驅(qū)絲按設(shè)計(jì)要求排布疊放，然后采用真空熱壓或熱等靜壓固化成型的一類制備技術(shù)[60,61]。物相沉積法可以分為兩類：電子束蒸發(fā)沉積和濺射沉積(三極管濺射、磁控濺射)。

纖維涂層法，也可稱為基體涂層纖維法(Matrix Coated Fiber，MCF)、基體涂覆法[9]，是一種物理氣相沉積技術(shù)制備方法，即利用磁控濺射，通過采用鈦靶和鋁靶按照一定功率比在SiC纖維表面沉積鈦與鋁，從而制備Ti-Al復(fù)合先驅(qū)絲[6,61,62]，然后將復(fù)合先驅(qū)絲在熱等靜壓或真空熱壓燒結(jié)過程中發(fā)生原位反應(yīng)形成鈦鋁金屬間化合物基體，從而制備出SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是采用Ti, Al廉價(jià)金屬通過原位合成Ti-Al金屬間化合物基體，既節(jié)約成本，又縮短工藝流程；通過控制濺射功率和時(shí)間參數(shù)可以控制涂層中Ti-Al基體的Ti, Al原子比[14]以及涂層厚度，進(jìn)而控制合成哪種基體相(Al3Ti、TiAl、Ti3Al[63])以及復(fù)合材料中SiC纖維的體積分?jǐn)?shù)，而且纖維體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)80%；纖維分布均勻，每根纖維被基體包圍，纖維間不接觸，纖維損傷??；纖維與基體界面反應(yīng)性小，殘余應(yīng)力小[64]。

另外，有一種基體涂層單帶法(Matrix Coated Monotape，MCM)，不同于MCF法，是一種通過沉積工藝將基體材料沉積在單層纖維帶上，形成單層復(fù)合預(yù)制帶，再多層疊合，進(jìn)行熱壓燒結(jié)制備復(fù)合材料的方法。

3.2 箔疊纖維法(Foil-Fiber-Foil，F(xiàn)FF)

該法的工藝過程是將Ti-Al金屬間化合物基體材料的箔材與SiC纖維交替層疊起來，最后在低于基體材料熔點(diǎn)的溫度下真空熱壓燒結(jié)或熱等靜壓以固結(jié)成型[65]。該工藝優(yōu)點(diǎn)是基體材料完全致密，但由于Ti-Al金屬間化合物基體具有本征脆性、韌性差、軋制過程復(fù)雜、困難且昂貴，另外由于Ti-Al金屬間化合物的變形能力差，不易與纖維緊密結(jié)合，不得不延長致密化時(shí)間或者提高致密化溫度，纖維與基體反應(yīng)加劇，導(dǎo)致纖維性能受損，增強(qiáng)效果下降，而且纖維分布不均勻，纖維體積分?jǐn)?shù)難以控制[60]。

目前，一些學(xué)者在實(shí)驗(yàn)研究時(shí)采取了以“Ti箔-SiC纖維-Al箔”(如圖1所示[66])或者“Ti箔-SiCf/Al預(yù)制帶”為組合進(jìn)行熱壓燒結(jié)或熱等靜壓，從而制備SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物基層狀復(fù)合材料，設(shè)計(jì)燒結(jié)溫度等反應(yīng)條件，可以制備出纖維增強(qiáng)不同基體的復(fù)合材料，如SiC/TiAl、SiC/Ti3Al[67]、SiC/Al3Ti復(fù)合材料。Ti箔、Al箔的軋制相對于金屬間化合物容易許多，但纖維與基體的界面反應(yīng)仍不可避免。

作者所在團(tuán)隊(duì)采用箔疊纖維法制備了SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)的Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，并進(jìn)行了微觀表征和力學(xué)性能測試，得到了一些相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對比于加入纖維前的層狀復(fù)合材料，加入纖維在韌性，強(qiáng)度方面有了一些改善，但仍需要進(jìn)一步研究改善界面情況，結(jié)合致密度等實(shí)際問題，這種材料有望在較多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3.3 粉末布法

該工藝是將粉末布和纖維氈片交替疊合，在真空中熱壓成密實(shí)復(fù)合材料的一種制備方法[68,69]。其中粉末布是將基體粉末滲入有機(jī)粘結(jié)劑和潤滑劑中混合，借助潤滑劑作用形成漿料、稠料，然后輥壓成布狀薄片，最終壓實(shí)成型的復(fù)合材料；纖維氈則是把連續(xù)的增強(qiáng)纖維繞在卷筒上并涂上易散失的粘結(jié)劑制得。該方法的優(yōu)點(diǎn)是克服了箔疊纖維法制備復(fù)合材料時(shí)Ti-Al金屬間化合物基體韌性差、難以軋制成箔的問題，基體粉末易獲得，適用范圍廣；纖維的體積分?jǐn)?shù)也容易控制。缺點(diǎn)是存在粘結(jié)劑污染，而且復(fù)合材料固結(jié)時(shí)纖維間隙難以控制等問題。

3.4 壓力鑄造法

該法的工藝過程是分別將處于陶瓷鑄模中的纖維預(yù)制件和真空坩堝中熔化狀態(tài)的基體材料同時(shí)加熱到預(yù)定溫度，然后把熔化的基體材料倒入裝有纖維預(yù)制件的鑄模中，并通過通入高壓氬氣的方法，迫使液體金屬滲入到纖維間隙里，從而鑄造成密實(shí)的復(fù)合材料[70]。該方法優(yōu)點(diǎn)是可以制造近凈成型的零部件，工藝簡單，生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)是鈦鋁金屬間化合物基體熔點(diǎn)高達(dá)1300～1700 ℃，其熔煉對設(shè)備的要求很高，同時(shí)高溫下的活性金屬鈦容易受到來自坩堝和鑄模的污染，影響Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料的性能。

圖1 箔疊纖維法制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：(a)原材料疊層布置示意圖，(b)原材料疊層裝模后的截面圖，(c)真空熱壓燒結(jié)爐燒結(jié)原理圖[66]Fig.1 Schematic diagram of the stacked arrangement of the raw material (a), cross section of the stacked raw materia in die (b), and sintering system diagram of vacuum hot pressing sintering furnace (c) of fiber reinforced composites prepared by the FFF[66]

4 SiC纖維與基體的界面行為研究

SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料在制備或者高溫服役過程中，SiC纖維與Ti-Al基體之間界面會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面結(jié)合方式主要冶金結(jié)合，形成一個(gè)由纖維與基體化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物組成的界面層。SiC/Ti-Al界面反應(yīng)層的特征(相結(jié)構(gòu)、結(jié)合力和厚度等因素)是影響SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料性能的重要因素。這種界面反應(yīng)會造成SiC纖維的損傷，同時(shí)在界面處生成脆性相，這些脆性相成為裂紋源并使界面的穩(wěn)定性降低，降低了材料的性能[17,71]。因此研究界面反應(yīng)機(jī)制、探求控制界面反應(yīng)、優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)的方法具有重要意義。目前，主要有3種有效途徑：涂層改性纖維表面、合金化改性基體以及優(yōu)化制備工藝并控制反應(yīng)參數(shù)。

4.1 SiC/Ti-Al界面反應(yīng)

目前，SiC/Ti-Al復(fù)合材料的研究主要集中在SiC/TiAl、SiC/Ti3Al方面，對于SiC/Ti3Al的研究主要是一些由二元金屬間化物Ti3Al通過合金化改制的Ti3Al-Nb合金，如Ti2AlNb(Ti-23A1-25Nb)等，對SiC纖維增強(qiáng)Al3Ti金屬間化合物研究的相關(guān)報(bào)道很少。

湯志鳴等[72]的研究結(jié)果表明：SiC/TiAl界面固相反應(yīng)層主要由TiC、Ti5Si3Cx及Ti(Al, Si)2構(gòu)成；而SiC纖維與Ti3Al基體的界面產(chǎn)物，主要包含了TiC、Ti5Si3Cx及Ti2Al。張迪等[22]的研究結(jié)果表明：SiC/基體界面反應(yīng)層的主要反應(yīng)產(chǎn)物是Ti, Si和C的化合物，其中Al含量很低。富Ti的Ti3Al與SiC的界面反應(yīng)層厚度大于富Al的Al3Ti與SiC的界面反應(yīng)層厚度，界面反應(yīng)產(chǎn)物可能是TiC、Ti5Si3Cx、Al4C3Six、Ti3AlC、Ti2AlC等化合物。呂祥鴻[40]對SiC/Ti2AlNb和SiC/super α2(Ti-25A1-10Nb-3V-1Mo)的纖維基體界面反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為TiC、Ti5Si3、Ti3SiC2和Ti3AlC。

呂祥鴻[40]和Yang J M[73]等通過實(shí)驗(yàn)研究得到了界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線，在確定的溫度下，界面反應(yīng)區(qū)的厚度與時(shí)間的平方根成線性關(guān)系。界面反應(yīng)層厚度變化遵循拋物線長大規(guī)律，擴(kuò)散是控制反應(yīng)的主要因素。前者得到，在700～900 ℃條件下，反應(yīng)速度常熟數(shù)(K)服從Arrhenius關(guān)系見式(1)：

K=K0exp(-Qk/2RT)

(1)

式中k0是指前因子，與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，Qk是界面反應(yīng)激活能，R是氣體常數(shù)，T是溫度；后者得到，在800～950 ℃范圍內(nèi)，反應(yīng)速度常數(shù)(K)服從Arrhenius關(guān)系，見式(2)：

K=K0exp(-Qk/RT)

(2)

式中Q為界面反應(yīng)的有效激活能，K0為比例常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。對比不同溫度下的界面反應(yīng)區(qū)厚度與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2，可以看出反應(yīng)溫度越高，界面反應(yīng)層厚度增長的越快，并且溫度對于界面反應(yīng)層厚度增長的作用大于反應(yīng)時(shí)間的作用，即溫度對界面反應(yīng)影響大于時(shí)間；對比SiC/Ti2AlNb和SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線還能看出，相同反應(yīng)時(shí)間下，SiC/Ti2AlNb的界面反應(yīng)層薄于SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo的界面反應(yīng)層，主要是SiC/Ti2AlNb中Nb元素含量高，并擴(kuò)散至界面反應(yīng)區(qū)，降低了擴(kuò)散系數(shù)，提高了反應(yīng)激活能，使得SiC/Ti2AlNb界面穩(wěn)定性和化學(xué)相容性升高，抑制界面反應(yīng)。另外，與Ti3Al相比，Ti2AlNb中Ti的活度較小，預(yù)示著SCS-6SiC/Ti2AlNb復(fù)合材料的界面反應(yīng)比SiC/Ti3Al的界面反應(yīng)輕，對各種可能發(fā)生的界面反應(yīng)的Gibbs函數(shù)變值進(jìn)行計(jì)算，同樣說明了這一點(diǎn)[49]。目前有一些通過調(diào)整Nb和Al含量的方法改善纖維與基體的界面相容性。

在SiC/TiAl復(fù)合材料抗氧化性能研究中，Keizo Hashimoto等[54]對SiC/TiAl和γ-TiAl進(jìn)行了循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)，通過對比增重，確定氧化情況，發(fā)現(xiàn)SiC/TiAl增重較多，如圖3，抗氧化性能弱于γ-TiAl，經(jīng)研究證明了主要是纖維基體界面是氧擴(kuò)散的快速路徑，而且SiC纖維首先被氧化，在纖維周圍形成氧化物層。采取熱障涂層是提高界面抗氧化性能的有效措施。

圖2 界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線：(a) SCS-6 SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo，(b) SCS-6 SiC/Ti2AlNb[40]Fig.2 Interfacial reaction kinetics curves of SCS-6 SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(a) and SCS-6 SiC/Ti2AlNb(b)[40]

圖3 SiC/γ-TiAl和γ-TiAl在900 ℃溫度下氧化行為動(dòng)力學(xué)曲線[54]Fig.3 Oxidation kinetics curves of SiC/γ-TiAl and γ-TiAl at 900 ℃[54]

4.2 SiC/Ti-Al界面優(yōu)化

4.2.1 纖維表面涂層

在SiC/Ti-Al復(fù)合材料制備過程中，由于溫度一般較高，基體與SiC纖維容易發(fā)生界面反應(yīng)；而且SiC纖維與基體間熱膨脹系數(shù)的差異會導(dǎo)致熱殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。纖維表面涂層改性可很好地解決這類問題。涂層可以阻止纖維與基體的直接反應(yīng)，保護(hù)纖維免受反應(yīng)損傷；同時(shí)，涂層是介于纖維與基體之間的緩沖層，可減少基體與纖維熱膨脹系數(shù)的不匹配性，降低熱殘余應(yīng)力造成界面開裂，從而一定程度上保護(hù)了復(fù)合材料的性能。Suzuki T等研究了以下幾種涂層對界面反應(yīng)的影響：碳、氮化硼、鉬、鎢涂層均勻包覆纖維表面，抑制SiC纖維和TiAl之間的界面反應(yīng)。C涂層對界面改性作用高達(dá)1100 K，在高于1200 K的溫度下，W是提高界面穩(wěn)定性效果最佳的涂層材料。

4.2.2 基體合金化

如SiC/Ti2AlNb復(fù)合材料，就是通過添加合金元素，在改善Ti3Al基體本身性能的同時(shí)，也改變基體與SiC纖維間的化學(xué)相容性，提高反應(yīng)激活能，降低二者的反應(yīng)傾向，從而保護(hù)纖維。

4.2.3優(yōu)選制備工藝方法

運(yùn)用合適的制備方法和工藝參數(shù)是控制纖維與基體反應(yīng)的有效措施。在滿足纖維與基體結(jié)合良好，復(fù)合材料致密條件下，降低制備溫度、縮短高溫區(qū)間的保溫時(shí)間，從而降低界面反應(yīng)傾向與反應(yīng)程度，減少對纖維的反應(yīng)損傷。如磁控濺射法制備預(yù)制體再進(jìn)行熱等靜壓的方法與傳統(tǒng)的箔疊纖維燒結(jié)方法相比而言，其界面反應(yīng)程度較低。

5 結(jié) 語

本文對目前連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料的研究作了總結(jié)，這類復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量高、抗氧化性能較好、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。解決界面反應(yīng)問題方面和優(yōu)化制備工藝對促進(jìn)航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，主要可以從以下方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：

盡管國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)各種性能比較優(yōu)異的束狀、W芯SiC纖維，但與美國、日本等國家生產(chǎn)的高性能纖維還有一定的差距，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對纖維制備方面的研究和投入。

SiC纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面問題仍是研究的重中之重，纖維表面處理技術(shù)、界面微觀結(jié)構(gòu)分析和界面力學(xué)行為研究可以綜合起來考慮；另外纖維的均勻性鋪放以及復(fù)合材料的生產(chǎn)制備技術(shù)也有待進(jìn)一步改善。

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(編輯 蓋少飛)

Preparation and Interfacial Behavior of Continuous SiC Fiber Reinforced Ti-Al Intermetallic Matrix Composites

LIN Chunfa, HAN Yuqiang, YUAN Ding, GUO Chunhuan, CHANG Yunpeng, JIANG Fengchun

(Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In this paper, the development, the advantages and disadvantages of performance and application of several main Ti-Al intermetallic compounds, including Ti3Al, TiAl and Al3Ti, are briefly described. Several fiber reinforcements are summarized, and compared with other fibers, the performance of continuous SiC fiber makes it have good application prospect. Preparation methods of two kinds of continuous SiC fibers are summarized, containing precursor conversion method and physical vapor deposition method. The properties of bundle SiC fiber and monofilament wire SiC (W or C core) fiber are reviewed. Preparation methods of SiC fiber reinforced Ti-Al intermetallic matrix composites are also summarized. This paper also deals with the interfacial reaction between the fiber and the matrix of SiC fiber reinforced Ti-Al intermetallic matrix composites and modification processing of the interface property. The direction of the development of continues SiC fiber reinforced Ti-Al intermetallic matrix composites is also pointed out in this review.

continuous SiC fiber; composites; titanium aluminide; interfacial reaction; interfacial modification

2015-12-19

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(GK1100200004)

藺春發(fā)，男，1989年生，博士研究生

姜風(fēng)春，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師， Email：fengchunjiang@hrbeu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.03.09

TB331

A

1674-3962(2017)03-0219-07