熱壓工藝對SiC纖維增強TB8復合材料組織影響研究

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，北京 100083)

SiC纖維增強鈦基(SiCf/Ti)復合材料因其優(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研究計劃，用于推動SiCf/Ti復合材料蒙皮結(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輸機計劃和先進吸氣式跨大氣層研究計劃中，將SiCf/Ti復合材料納入高技術(shù)結(jié)構(gòu)材料范疇進行應(yīng)用研究。國內(nèi)對SiCf/Ti復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纖維增強鈦基復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，適于制備形狀規(guī)則的復合材料板材[8]。利用箔-纖維-箔法制備SiCf/Ti復合材料過程中，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復合材料的性能強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/熱壓工藝可實現(xiàn)對界面的控制[9-11]。中國科學院金屬研究所王玉敏等對箔-纖維-箔法制備SiCf/Ti復合材料板材進行了系列研究[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復合材料是在真空包套內(nèi)進行，需要先在熱處理爐中進行無壓除膠。而采用真空熱壓時，除膠和復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復合材料，探究熱壓工藝對SiCf/TB8復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 驗

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)控纖維纏繞機將SiC纖維以設(shè)定的0.2 mm間距進行排布，以聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液作為臨時粘接劑固定纖維，將粘結(jié)好的纖維布從纖維纏繞機上取下，用裁紙機切割成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型真空熱壓爐中進行復合。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復合材料進行切割與制樣。采用Olympus BX41M型光學顯微鏡(OM)和Zeiss Supra55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合材料的微觀組織。采用電子探針(EPMA)觀察SiCf/TB8復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復合材料的復合過程

箔-纖維-箔法制備SiCf/TB8復合材料的復合過程主要包括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，通過擴散連接形成整體無缺陷的復合材料。圖2所示為TB8箔材塑性變形及擴散連接過程。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一步接觸并發(fā)生擴散連接，如圖2d所示；擴散連接完成，焊合率達100%,如圖2e所示。在TB8箔材間獲得良好結(jié)合的同時，TB8基體與SiC纖維間發(fā)生化學反應(yīng)和元素擴散，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 熱壓壓力對復合材料基體結(jié)合的影響

固定熱壓溫度為880 ℃，保溫時間為2 h，探究熱壓壓力對SiCf/TB8復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(工藝Ⅲ)，SiCf/TB8復合材料的微觀組織。從圖3可以看出，由于壓力不足，復合材料中出現(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復合材料光學照片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)。當材料和幾何參數(shù)確定時，SiCf/TB8復合材料基體結(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，當壓力不足時，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散連接，從而形成缺陷。

當真空熱壓壓力為50 MPa時(工藝Ⅳ)，SiCf/TB8復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，說明當復合壓力過大時，會使部分SiC纖維破碎。這些破碎的纖維會成為復合材料的薄弱點，對其性能造成不利影響。

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

當真空熱壓壓力為40 MPa時(工藝Ⅱ)，SiCf/TB8復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時比較合適。

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

2.3 熱壓溫度對復合材料界面的影響

圖6為在熱壓壓力40 MPa、保溫時間2 h條件下，熱壓溫度分別為840、880、920 ℃時熱壓復合的SiCf/TB8復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。一般認為，界面反應(yīng)層厚度小于2 μm時不會對復合材料性能產(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，不宜再進一步提升熱壓溫度。

圖6 不同熱壓溫度下得到的SiCf/TB8復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 熱壓時間對復合材料界面的影響

圖7為在熱壓溫度920 ℃、壓力40 MPa，保溫時間分別為1、2、4 h時，SiCf/TB8復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都屬于較短保溫時間，在此區(qū)間內(nèi)，保溫時間對界面反應(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，保溫時間可選擇為2 h，以使基體箔材能夠更充分的進行塑性變形與擴散連接。

圖7 不同保溫時間下得到的SiCf/TB8復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散控制。由于C在反應(yīng)層區(qū)域的擴散系數(shù)大于Ti的擴散系數(shù)，所以界面反應(yīng)主要由C的擴散所控制。根據(jù)反應(yīng)動力學，反應(yīng)層厚度x可以通過式(1)計算。

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為時間。隨著熱壓溫度和時間的增加，反應(yīng)層厚度增加。

對圖6a、b中界面反應(yīng)層進行能譜線掃描，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，C元素向界面反應(yīng)區(qū)和基體區(qū)的擴散距離增大，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。同時也驗證了界面反應(yīng)層的形成受C元素擴散所影響。

圖8 SiCf/TB8復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復合材料時，較優(yōu)的真空熱壓復合工藝參數(shù)為840 ℃/40 MPa/2 h。

3 結(jié) 論

(1)SiCf/TB8復合材料復合過程中，熱壓壓力顯著影響基體箔材間的塑性變形與擴散連接。當熱壓壓力偏小時，TB8箔材間結(jié)合不佳，出現(xiàn)孔洞。當壓力過大時，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復合材料界面反應(yīng)受擴散控制，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。當保溫時間為1～4 h時，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復合材料時，較優(yōu)的真空熱壓復合工藝參數(shù)為840 ℃/40 MPa/2 h。