CVD SiC纤维增强Al及TiAl基复合材料的制备新方法、界面及拉伸性能研究

来源 :中国科学院金属研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:menhuitou89
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本文使用不同的纤维表面涂层和复合材料成型工艺制备了SiCf/5A02基复合材料,并尝试采用一种新型的元素镀层法在800℃制备了SiCf/TiAl基复合材料,以改善复合材料的界面结构及拉伸性能。   采用阳极氧化法对富碳(C)表面涂层SiC纤维进行了表面处理,制备了表面富氧(O)的C涂层。扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子谱(XPS)表征结果表明,富C层表面生成了羟基、羰基和羧基等含氧官能团,氧含量升高了一倍左右。由于O原子的引入使涂层表面体积膨胀,产生了平行于纤维表面的压应力,缓解了纤维固有的表面张应力,而且纤维表面的粗糙结构被刻蚀掉,纤维表面损伤敏感性降低,拉伸强度得到了一定的提高,并且纤维性能分布离散度降低。   分别采用富C层、富氧C涂层和SiO2涂层SiC纤维制备了SiCf/5A02基复合材料。研究结果表明,涂层对复合材料界面微观结构及材料的拉伸性能都有很重要的影响。C涂层与基体在界面处生成了六角片状的Al4C3,以元素扩散与微量反应相连接的界面结合强度适中,复合材料拉断后纤维适当拔出,形成了损伤积累型破坏,强度最高。富氧C涂层中的O元素不但增加了纤维表面的反应活性,与基体在界面处生成了连续的MgO层,增强了界面连接强度,而且抑制了C元素的扩散与片状脆性相Al4C3的生成。但由于Mg向涂层中的扩散增加了C涂层表面的体积膨胀,在涂层内部或涂层与SiC柱状晶之间形成剪应力。因此当裂纹在涂层表面产生后,会在涂层内部或涂层与SiC柱状晶之间的结合较弱处偏转,形成脱粘型破坏,造成复合材料强度降低。SiO2涂层与基体生成了MgO与Al4C3混合生长的界面,界面结合较强,由于在脆性界面与SiC柱状晶之间没有缓冲层的保护,裂纹在SiC纤维表面生成并直接沿晶界扩展,形成脆性断裂,复合材料强度最低。   为了改善C涂层纤维与基体之间的界面状况,采用近熔态扩散法,即在合金固液线之间扩散结合的方法制备了C涂层SiCf/5A02基复合材料,并对比了不同的工艺条件下复合材料界面结构及断裂方式的变化。TEM分析显示复合材料在固相线保温后,Al4C3密度及尺寸均比固态扩散法有所增加,并形成层状结构,界面结合强度增大,断口附近纤维均显示多次断裂,断口平齐;而在固液线之间保温处理后,Mg在基体冷却过程中偏聚到最后凝固的纤维周围,并与界面处的Al2O3薄膜发生氧化还原反应,形成细小的MgO颗粒,C的扩散受到阻碍,抑制了脆性相Al4C3的形核,减少了界面处Al4C3的数量,但制备温度的升高同时也促进了已形核的Al4C3的径向生长,增加了纤维表面损伤敏感性,使纤维容易在较低应力下产生表面裂纹,从而导致复合材料整体拉伸性能下降。缩短整体加热时间后,表面Al4C3尺寸减小,复合材料拉伸性能有所改善。   在论文的最后部分,采用磁控溅射法在SiC纤维表面交替溅射若干层厚约1μm的纯Ti和纯Al,制备了Ti-Al元素镀层SiC复合丝,并尝试利用单质镀层的良好变形能力在较低温度下制备了SiCf/TiAl基复合材料。复合材料的热压过程分四部分,即390℃/2h除胶+640℃/80MPa/2h热压成型+800℃/0MPa/2h基体均匀化+1.5℃/min控温冷却。制得的复合材料基体中热裂纹较少,界面反应程度轻微,元素镀层之间的扩散反应基本完成,生成了以TiAl为主的金属间化合物。实验证明该方法可以在较低温度下制得成分均匀的Ti-Al金属间化合物基复合材料,基体中的热裂纹及基体与纤维之间界面反应均能受到有效控制。
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