劉文祎，金 旗，侯紅亮，曲海濤，趙 冰，王耀奇

(1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024)(2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

SiC纖維增強(qiáng)鈦基(SiCf/Ti)復(fù)合材料因其優(yōu)良的綜合性能，成為發(fā)展高性能航天、航空飛行器的關(guān)鍵材料[1-3]。其耐溫范圍和力學(xué)性能均與航空高馬赫數(shù)飛行器的服役環(huán)境需求吻合，是高超音速飛行器蒙皮材料的理想選擇[4,5]。美國設(shè)立了NASP研究計(jì)劃，用于推動SiCf/Ti復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展。日本與印度也分別在超高速運(yùn)輸機(jī)計(jì)劃和先進(jìn)吸氣式跨大氣層研究計(jì)劃中，將SiCf/Ti復(fù)合材料納入高技術(shù)結(jié)構(gòu)材料范疇進(jìn)行應(yīng)用研究。國內(nèi)對SiCf/Ti復(fù)合材料的研究起步較晚，與國外相比尚有一定差距[6,7]。

目前，制備SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的方法主要有箔-纖維-箔法和物理氣相沉積法2種。與物理氣相沉積法相比，箔-纖維-箔法具有成本低等優(yōu)點(diǎn)，適于制備形狀規(guī)則的復(fù)合材料板材[8]。利用箔-纖維-箔法制備SiCf/Ti復(fù)合材料過程中，如何通過控制箔材厚度、纖維間距和熱等靜壓/熱壓工藝獲得相對理想的微觀組織是需要解決的重要問題。SiCf/Ti復(fù)合材料的性能強(qiáng)烈依賴于其纖維與基體的界面狀態(tài)，通過調(diào)整熱等靜壓/熱壓工藝可實(shí)現(xiàn)對界面的控制[9-11]。中國科學(xué)院金屬研究所王玉敏等對箔-纖維-箔法制備SiCf/Ti復(fù)合材料板材進(jìn)行了系列研究[12]。中國航空制造技術(shù)研究院趙冰等研究了箔-纖維-箔法結(jié)合熱等靜壓制備SiCf/TB8復(fù)合材料，并獲得了最佳熱等靜壓工藝[13]。熱等靜壓制備SiCf/TB8復(fù)合材料是在真空包套內(nèi)進(jìn)行，需要先在熱處理爐中進(jìn)行無壓除膠。而采用真空熱壓時(shí)，除膠和復(fù)合均可在真空熱壓爐中完成，工藝簡單且有壓除膠可防止纖維移動，利于纖維均勻排布。因此開展利用箔-纖維-箔結(jié)合真空熱壓法制備SiCf/Ti復(fù)合材料的相關(guān)研究十分必要。

本研究以冷加工性能好、高溫強(qiáng)度高的TB8鈦合金為基體，通過箔-纖維-箔法結(jié)合真空熱壓制備SiCf/TB8復(fù)合材料，探究熱壓工藝對SiCf/TB8復(fù)合材料微觀組織的影響規(guī)律，為其在高超音速飛行器上的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

選用TB8鈦合金箔材為基體材料，名義成分為Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si, 厚度約為100 μm。增強(qiáng)纖維選用國產(chǎn)的有C涂層的SiC纖維, 直徑約為100 μm。用數(shù)控纖維纏繞機(jī)將SiC纖維以設(shè)定的0.2 mm間距進(jìn)行排布，以聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液作為臨時(shí)粘接劑固定纖維，將粘結(jié)好的纖維布從纖維纏繞機(jī)上取下，用裁紙機(jī)切割成30 mm×60 mm的小塊纖維布，其宏觀形貌如圖1所示。

圖1 纖維間距0.2 mm的SiC纖維布宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of SiC fiber cloth with fiber spacing of 0.2 mm

將SiC纖維布與TB8箔材置于ZRYS-1700型真空熱壓爐中進(jìn)行復(fù)合。熱壓爐溫度精度為5 ℃，真空度為10-3Pa。熱壓除膠階段，以3 ℃/min升溫至400 ℃，保溫2 h，期間加壓5 MPa，防止纖維移動；高溫高壓復(fù)合階段，以10 ℃/min升溫至840～920 ℃，壓力提升至30～50 MPa，保溫1～4 h，具體熱壓工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 SiCf/TB8復(fù)合材料熱壓工藝參數(shù)

Table 1 Process parameters of hot pressing of SiCf/TB8 composite

對制備出的SiCf/TB8復(fù)合材料進(jìn)行切割與制樣。采用Olympus BX41M型光學(xué)顯微鏡(OM)和Zeiss Supra55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合材料的微觀組織。采用電子探針(EPMA)觀察SiCf/TB8復(fù)合材料纖維與基體的界面形貌，并用附帶的能譜儀(EDS)分析界面元素分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 真空熱壓下SiCf/TB8復(fù)合材料的復(fù)合過程

箔-纖維-箔法制備SiCf/TB8復(fù)合材料的復(fù)合過程主要包括TB8基體材料發(fā)生大塑性變形，擠入到纖維的間隙中和擠入間隙后的箔材相互接觸在一起，通過擴(kuò)散連接形成整體無缺陷的復(fù)合材料。圖2所示為TB8箔材塑性變形及擴(kuò)散連接過程。施壓前，TB8箔材保持平直，如圖2a所示；逐漸施加壓力后，TB8箔材開始發(fā)生大塑性變形，如圖2b所示；進(jìn)一步施加壓力，相鄰2片箔材開始接觸，如圖2c所示；在壓力作用下箔材間進(jìn)一步接觸并發(fā)生擴(kuò)散連接，如圖2d所示；擴(kuò)散連接完成，焊合率達(dá)100%,如圖2e所示。在TB8箔材間獲得良好結(jié)合的同時(shí)，TB8基體與SiC纖維間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和元素?cái)U(kuò)散，從而獲得冶金結(jié)合，并形成一定厚度的界面反應(yīng)層。

圖2 TB8箔材塑性變形及擴(kuò)散連接過程Fig.2 The process of TB8 foil plastic deformation and diffusion connection： (a)foils keep straight; (b)severe plastic deformation; (c)adjacent foils contact; (d)further contact and diffusion connection; (e)completion of diffusion connection

2.2 熱壓壓力對復(fù)合材料基體結(jié)合的影響

固定熱壓溫度為880 ℃，保溫時(shí)間為2 h，探究熱壓壓力對SiCf/TB8復(fù)合材料微觀組織的影響規(guī)律。圖3為真空熱壓壓力為30 MPa時(shí)(工藝Ⅲ)，SiCf/TB8復(fù)合材料的微觀組織。從圖3可以看出，由于壓力不足，復(fù)合材料中出現(xiàn)大量因箔材未完全結(jié)合而形成的孔洞，且箔材結(jié)合不佳位置具有一定的規(guī)律性，都出現(xiàn)在纖維排布較密的區(qū)域。

圖3 工藝Ⅲ制備的SiCf/TB8復(fù)合材料光學(xué)照片F(xiàn)ig.3 Optical microscope image of SiCf/TB8 composite prepared by process Ⅲ

TB8箔材的塑性變形及擴(kuò)散連接過程受到3方面的影響，分別為TB8箔材本身的性能(如塑性流動特性等)、熱壓工藝參數(shù)以及幾何參數(shù)(如纖維直徑、箔材厚度、纖維間距等)。當(dāng)材料和幾何參數(shù)確定時(shí)，SiCf/TB8復(fù)合材料基體結(jié)合情況受壓力影響顯著。由于纖維排布并非完全均勻，纖維間距越小的地方，箔材擠入纖維間需要的塑性變形程度越大，當(dāng)壓力不足時(shí)，箔材的塑性變形不充分，造成局部基體箔材未完全接觸及擴(kuò)散連接，從而形成缺陷。

當(dāng)真空熱壓壓力為50 MPa時(shí)(工藝Ⅳ)，SiCf/TB8復(fù)合材料微觀組織如圖4所示。從圖4可以看出，采用工藝Ⅳ制備的復(fù)合材料，無論是基體間還是基體與纖維間都結(jié)合良好，無孔洞等缺陷。但部分纖維出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象，說明當(dāng)復(fù)合壓力過大時(shí)，會使部分SiC纖維破碎。這些破碎的纖維會成為復(fù)合材料的薄弱點(diǎn)，對其性能造成不利影響。

圖4 工藝Ⅳ制備的SiCf/TB8復(fù)合材料SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of SiCf/TB8 composite prepared by process Ⅳ

當(dāng)真空熱壓壓力為40 MPa時(shí)(工藝Ⅱ)，SiCf/TB8復(fù)合材料微觀組織如圖5所示。從圖5可以看出，采用工藝Ⅱ制備的SiC纖維排布較為均勻，基體箔材之間及基體與纖維之間結(jié)合情況良好，無孔洞等缺陷，說明熱壓壓力為40 MPa時(shí)比較合適。

圖5 工藝Ⅱ制備的SiCf/TB8復(fù)合材料SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM image of SiCf/TB8 composite prepared by process Ⅱ

2.3 熱壓溫度對復(fù)合材料界面的影響

圖6為在熱壓壓力40 MPa、保溫時(shí)間2 h條件下，熱壓溫度分別為840、880、920 ℃時(shí)熱壓復(fù)合的SiCf/TB8復(fù)合材料纖維與基體界面反應(yīng)層形貌。從圖6可以看出，SiCf/TB8復(fù)合材料從纖維向基體分別由SiC纖維區(qū)域、C涂層區(qū)域、界面反應(yīng)層區(qū)域和基體區(qū)域組成。界面反應(yīng)層呈微鋸齒狀，但總體相對平滑。隨著熱壓溫度由840 ℃增加至920 ℃，界面反應(yīng)層厚度隨之升高。一般認(rèn)為，界面反應(yīng)層厚度小于2 μm時(shí)不會對復(fù)合材料性能產(chǎn)生明顯不利影響[7]。圖6中不同溫度下界面反應(yīng)層厚度均小于2 μm，因此不會對復(fù)合材料性能造成顯著影響，滿足工藝要求。由此可知，通過對熱壓溫度的優(yōu)化，可以有效控制界面反應(yīng)層厚度，使SiC纖維與TB8基體獲得了較好的界面結(jié)合。由于界面反應(yīng)生成的TiC為脆性相，對材料性能不利，因此在840 ℃熱壓溫度下，基體箔材間已結(jié)合良好，不宜再進(jìn)一步提升熱壓溫度。

圖6 不同熱壓溫度下得到的SiCf/TB8復(fù)合材料纖維與基體界面反應(yīng)層的形貌Fig.6 Morphologies of interface reaction layer of fiber and matrix in SiCf/TB8 composite under different hot-press temperatures：(a)840 ℃； (b)880 ℃；(c)920 ℃

2.4 熱壓時(shí)間對復(fù)合材料界面的影響

圖7為在熱壓溫度920 ℃、壓力40 MPa，保溫時(shí)間分別為1、2、4 h時(shí)，SiCf/TB8復(fù)合材料纖維與基體界面反應(yīng)層的形貌。從圖7可以看出，隨著高溫下保溫時(shí)間的增加，界面反應(yīng)層厚度稍有增加，但變化不大。由于1～4 h都屬于較短保溫時(shí)間，在此區(qū)間內(nèi)，保溫時(shí)間對界面反應(yīng)層厚度的影響并不明顯。因此，在不顯著增加界面反應(yīng)層厚度的情況下，保溫時(shí)間可選擇為2 h，以使基體箔材能夠更充分的進(jìn)行塑性變形與擴(kuò)散連接。

圖7 不同保溫時(shí)間下得到的SiCf/TB8復(fù)合材料纖維與基體界面反應(yīng)層的形貌Fig.7 Morphologies of interface reaction layer of fiber and matrix in SiCf/TB8 composite under different holding time：(a)1 h; (b)2 h; (c)4 h

SiC纖維與TB8基體的界面反應(yīng)主要是纖維涂層的C原子擴(kuò)散到基體中，與Ti原子發(fā)生反應(yīng)(Ti+C→TiC)，從而形成單一的界面層。由于C涂層沒有完全被消耗，界面層不會出現(xiàn)大量含Si反應(yīng)產(chǎn)物。

在界面反應(yīng)初期，界面層的增長由反應(yīng)控制，隨著反應(yīng)層厚度的增加，變?yōu)橛蓴U(kuò)散控制。由于C在反應(yīng)層區(qū)域的擴(kuò)散系數(shù)大于Ti的擴(kuò)散系數(shù)，所以界面反應(yīng)主要由C的擴(kuò)散所控制。根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)，反應(yīng)層厚度x可以通過式(1)計(jì)算。

x=kt1/2+x0

(1)

式中：x0為初始厚度，k為與溫度有關(guān)的反應(yīng)速率，t為時(shí)間。隨著熱壓溫度和時(shí)間的增加，反應(yīng)層厚度增加。

對圖6a、b中界面反應(yīng)層進(jìn)行能譜線掃描，得到從基體向纖維的25 μm直線上Ti、Si、C 3種主要元素分布曲線，如圖8所示。從圖8a、b中可以看出，在840 ℃和880 ℃下Ti、Si元素分布大致相同。Ti元素在基體區(qū)含量較高，在界面過渡區(qū)含量急速下降，在纖維區(qū)含量極低；Si元素在基體區(qū)含量極低，在界面過渡區(qū)含量急速上升，在纖維區(qū)含量較高。由圖8c可以看出，C元素在840 ℃和880 ℃下分布存在一定差異，熱壓溫度升高時(shí)，C元素向界面反應(yīng)區(qū)和基體區(qū)的擴(kuò)散距離增大，這與圖6界面層形貌所觀察到結(jié)果一致，即界面反應(yīng)層厚度隨溫度升高而增加。同時(shí)也驗(yàn)證了界面反應(yīng)層的形成受C元素?cái)U(kuò)散所影響。

圖8 SiCf/TB8復(fù)合材料纖維與基體界面反應(yīng)層區(qū)域的元素分布曲線Fig.8 Distribution curves of elements in interface reaction layer of fiber and matrix in SiCf/TB8 composite：(a)Ti； (b)Si; (c)C

綜合考慮基體結(jié)合情況及纖維與基體間界面層厚度，當(dāng)以平均直徑為100 μm的SiC纖維和平均厚度為100 μm的TB8箔材為原料，采用箔-纖維-箔法制備纖維間距為0.2 mm的 SiCf/TB8復(fù)合材料時(shí)，較優(yōu)的真空熱壓復(fù)合工藝參數(shù)為840 ℃/40 MPa/2 h。

3 結(jié) 論

(1)SiCf/TB8復(fù)合材料復(fù)合過程中，熱壓壓力顯著影響基體箔材間的塑性變形與擴(kuò)散連接。當(dāng)熱壓壓力偏小時(shí)，TB8箔材間結(jié)合不佳，出現(xiàn)孔洞。當(dāng)壓力過大時(shí)，會使部分SiC纖維破碎。隨著纖維間距減小，所需最低熱壓壓力隨之升高。

(2)SiCf/TB8復(fù)合材料界面反應(yīng)受擴(kuò)散控制，隨熱壓溫度(840～920 ℃)升高，界面反應(yīng)層厚度增加，但均小于2 μm。當(dāng)保溫時(shí)間為1～4 h時(shí)，其對界面反應(yīng)層厚度影響不明顯。通過熱壓工藝的優(yōu)化，可以有效控制界面反應(yīng)層的厚度。

(3)當(dāng)以直徑為100 μm的SiC纖維和厚度為100 μm的TB8箔材以箔-纖維-箔法制備纖維間距為0.2 mm的 SiCf/TB8復(fù)合材料時(shí)，較優(yōu)的真空熱壓復(fù)合工藝參數(shù)為840 ℃/40 MPa/2 h。