1、第38卷 增刊2002年9月461465页金属学玫ACTA METALLURGICA SINICAV0138 SupplSept2002 PP461465碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研究进展术周义刚 杨延清(西北工业大学材料科学与工程系，西安710072)摘 要 评述了SiC纤维增强钛基复合材料(Ti MMC)在航空发动机上的研究现状，指出Ti MMC具有优异的力学性能，因而有广阔的应用前景，而SiCTi的界面反应是影响Ti MMC性能的主要因素还对开展Ti MMC研究提出了一些建设性的意见关键词 钛基复合材料，碳化硅纤维，性能，界面反应，航空发动机V中图法分类号TGl46、2，3 7坟献
2、标识码A 文章编号04121961(2002)S一$46105PRoGRESS IN THE STUDY oF TITANIUM MATRIXCoMPoSITES REINFoRCED BY SiC FIBERSZHOU Yigang，YANG YanqingDepartment of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University,Xian 710072Correspondent：YANG、Yanqing，professor,Tel：(029)8486091，Fax：(029)8491000，Em
3、ail“yqyangnwpueduCnManuscript received 20020325ABSTRACT The advances of the titanium matrix composites reinforced by SiC fibers fTi MMC)were briefly reviewedIt is pointed out that the Ti MMCs are very suitable for the applications foraeroengine components because of its excellent mechanical properti
4、es that may be damaged by theinterfacial reaction of between SiC and TiFinally，some suggestions for developing Ti MMCs weregivenKEY WoRDS titanium matrix composite，SiC fiber，property，interfacial reaction，aero-engine经过30余年的发展，金属基复合材料已经走出实验室，开始在工业和工程实践中发挥重要作用罗一罗公司预计，在21世纪航空发动机材料中，传统的铝合金和结构钢的用量会进一步减少，高
5、温合金、钛合金等特种金属用量也会有所降低，代之而来的是金属基复合材料和陶瓷基复合材料由于受到航空涡轮发动机各个部件对高温高性能材料的不断需求的牵引，在各种金属基复合材料中，最受航空界重视的是SiC连续纤维增强Ti基复合材料，包括Ti合金基复合材料以及TiAl金属问化合物基复合材料(有些文献上分别简称为TMC和IMC，此处统称Ti MMC)Ti MMC的比强度和比刚度高、使用温度高、疲劳和蠕变性能好，可以很好的满足飞机发动机部件的要求，使部件结构简化，具有明显的减重效果，有广阔的应用前景本文评述了Ti MMC在航空发动机上的应用研究状况、Ti MMC的力学行为和对复合材料性能密4国防基础研究、武
6、器装备基础研究基金资助收到初稿日期：20020325作者简介：杨延清，男，1955年生，教授切相关的界面行为，并对我国开展Ti MMC研究提出一些看法1 Ti MMC在航空发动机上的应用研究现状美国和欧洲一些国家的政府和发动机制造厂家一直在抓紧发展Ti MMC技术，以提高涡轮发动机的性能，满足高推重比发动机的要求美欧设立了多项研究计划，将发动机研制与新型材料研究紧密结合，Ti MMC及其零部件在其中占据了相当的份额 1994年，美国启动了一个为期5年的计划，要为新一代发动机的研制建立一个Ti MMC工业基地；欧洲于1993年就开始了以表征Ti MMC和促进Ti MMC技术工业化的研究计划已经研
7、制的Ti MMC航空发动机部件，大致可分为五大类：盘、环类；叶片类；轴、杆类；管、框架类；支撑类美国的综合高性能发动机计划(IHPTET)中，多个部件采用了Ti MMC制造其中Ti MMC叶环(bling)的减重效果最为显著，如图1所示，可使压气机的结构重量减轻7012J，被认为是提高航空发动机推重比、降低飞机燃油消耗、提高航程等的关键图2为IHPTET用TiMMC制备的4级压气机无盘转子，并已成功地进行了462 金属学报 38卷图1 压气机的叶环设计及其减重效果Fig1 Bling and its weight saving囝2美国lHPTET制备的Ti MMC 4级压气机无盘转子Fig2
8、Ti MMC bling for compressor manufactured by theresearch program of IHPTET of USA验证，表明不仅能够满足所有性能要求，还使整台发动机的造价节省50000美元，被誉为是航空发动机设计的革命性突破除美国外，英国罗一罗公司和法国航空研究局(ONERA)制备的叶环均已成功地进行了台架试验【23I，德国航空航天中心(DLR)正采用其先进的Ti MMC制备技术，与发动机厂家合作研制叶环美国的钛基复合材料涡轮发动机部件合作项目(TMCTECC)的第一个商业化部件是空心叶片和风扇框架Ti MMC用于风扇可以减少流场分布，降低油耗【4
9、)5J试验表明，美国TMCTECC计划为PW4084制备TiMMC空心叶片满足或超过了所有预期的强度、刚度以及疲劳寿命要求吼图3是德国航空航天中心(DLR)制备的空心叶片横截面美国于80年代就开始研制Ti MMC轴，开始在小型发动机上进行试验，后来又用于IHPTET发动机【7J例如用Ti MMC制备的GE XTE一45验证机的低压涡轮风扇轴，该轴满足所有强度和疲劳性能要求，可比INC0718图3 德国制备的Ti MMC空心叶片横截面Fig3 Cross section of the Ti MMC hollow blade made inGermany轴减重30，比钛合金轴增加刚度40Ti MM
10、C制备的驱动器活塞杆，已用于F119发动机的排气喷口，与所替代的不锈钢杆相比，可减少40的重量，见图4TiMMC压缩连杆也已在F16飞机上成功进行了试验图4 F119发动机的Ti MMC排气喷口驱动器活塞杆Fig4 Ti MMC actuator piston rod for F119 engine在IHPTET计划资助下，美国GE和P&W公司均研制了Ti MMC鼓筒，结果表明，在427538，Ti MMC鼓筒可减轻重量20一30图5为Textron公司为GE制备的Ti MMC旁路管(bypass duct)，制备时让纤维在不同方向上排布可满足设计的要求图5 Ti MMC旁路管及纤维排布Fig
11、5 Ti MMC bypass duct and the fiber distributionGE90发动机采用了叶片框架(vaneframe)结合的设计，风扇框架出口导向叶片(fan frame outlet guidevane)局部采用Ti MMC增强图6显示了Howmet公司为GE90制备的CFl6风扇框架支撑(strut)，箭头所增刊 周义刚等：碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研究进展463图6 Ti MMC增强的CFl6风扇框架支撑Fig6 Ti MMC reinforced CFl6 fan Lame strut指部分采用Ti MMC增强除美国外，英、德、法这些航空大国也分别研制了
12、板材、叶片、轴、管、环等Ti MMC零部件，部分部件已在发动机操作条件下进行了模拟试验2 Ti MMC的力学性能Ti MMC之所以能在航空发动机上有广泛的应用前景，是由于它的优异性能所决定的 Ti MMC将基体钛合金的塑性和成形性与增强体SiC纤维的优越承载能力和刚性结合起来因此，Ti MMC力学性能与SiC纤维的性能与含量、基体钛合金的性能、制备工艺及纤维基体的界面状态有很大关系目前国际上广泛使用的为美国生产的SCS一6 SiC纤维及英国的SMl240 SiC纤维，SCS一6纤维是用化学气相沉积(CVD)将SiC沉积在碳芯上，其外表面有一层3“m的碳涂层，经过改进CVD工艺， SCSULTR
13、A和SCS一9A具有更加优异的性能英国生产的SiC纤维为钨芯结构，外表面具有CTiB2双涂层，但无论是抗拉强度还是热稳定性均不及SCS系列纤维我国在863计划支持下，可以生产钨芯的SiC纤维，但性能和长度等各方面均不尽人意表l列出了目前制备Ti MMC可用的纤维及其特性表1 Ti MMC所用纤维的特性Table 1 Feature of fibers for Ti MMC钛合金或TiAl金属间化合物经SiC纤维增强后，其杨氏模量、抗拉强度等性能均成倍增加根据混合定则，当纤维含量达到30一40时，Ti MMC的杨氏模量可达200-230 GPa，抗拉强度在2000 MPa以上尽管由于界面反应等因
14、素，一般难以达到混合定则预计的数值，但若采用合适的基体钛合金与先进的制备工艺，达到混合定则预测数值是可能的【8J表2所列为美国NASA用于制备叶环的SCS一6SiCTi-15-3复合材料和SCS一6 SiCTi一64复合材料的性能以及相应基体钛合金的性能9J，可见无论是刚度还是强度， Ti MMC的纵向性能均是基体钛合金的两倍表中还给出了德国DLR用涂层法制备的SCS-6SiCTi2A1Nb及SCS一6 SiCIMl834复合材料的刚度和抗拉强度数据8,10 J，这些数据目前在国际上为最高可以说，德国的涂层法制备Ti基复合材料技术已达到相当高的水平表2 Ti MMC与相应基体钛合金的刚度E和强
15、度o-bTable 2 Youngs modulus E and ultimate tensile strength crbofTi MMCS资料表明，沿纤维轴向加载的连续纤维增强技术基复合材料的疲劳抗力优于未增强金属，其疲劳极限可成倍增加，这完全和基于载荷由基体传递到纤维的理论所预期的一样图7显示了德国DLR制备的Ti MMC的疲劳性能，同样的寿命下，Ti MMC所承受的载荷大大高于基体钛合金的美国的SCS一6 SiCTi-153复合材料(纤维体积分数K=038040)，在最大载荷为1241 MPa下，其室温疲劳循环周次为51077图7 Ti MMC祁基体钛合金的疲劳性能对比Fig7 Fat
16、igue properties of Ti MMC and its matrix titanium alloy连续纤维增强金属基复合材料也显示了极为优越的蠕变性能，这是由于扩散距离相当长，应力释放更加困难承担载荷的连续纤维在蠕变过程中会达到一种稳定状态图8所示的SCS一6 SiCTi一64复合材料的蠕变行为说明了这一点【11】464 金属学报图8 SCS一6 SiCTi一64复合材料的蠕变行为Fig8 Creep behavior of SCS一6 SiCTi一64 compositesTi MMC的热稳定性不仅与SiC纤维优越的高温性能有关，还与纤维基体的界面反应有直接的关系德国DLR制备的
17、SCS-6IMl834复合材料在700以下，所形成的纤维基体的界面反应层较稳定，复合材料在700热暴露2000 h后抗拉强度不降低但SCS一6superd2复合材料无此稳定的界面反应层，所以其热稳定性不够好，见图9圈9 scs一6 SiCIMl834及SCS一6 SiCSuper Q2的热稳定性Fig9 Thermal stability of SCS一6 SiCIMl834 and SCS一6SiCSuper a2余应力状态Ti MMC的高温制备与高温服役过程中，纤维基体之间会不可避免的发生元素扩散和界面化学反应，界面反应和反应程度决定了界面结构和特性，主要行为有：(1)增强了钛合金基体与增
18、强体纤维的界面结合强度强界面结合使界面失去调节应力状态和分布的作用；强的界面结合状态下，当裂纹在复合材料中扩展遇到纤维时，在界面处不会发生脱粘，裂纹就继续发展穿越纤维，纤维增韧的拔出机制不起作用，造成复合材料脆性断裂，并使Ti MMC发生低应力破坏(2)产生多种脆性的反应产物图10a显示了SCS一6SiCTi3A1基复合材料的界面反应区，其反应产物可多达六层【12 J，从SCS一6 SiC纤维的C涂层到基体钛合金，反应产物依次为：晶粒非常细小的TiC和Ti5Si3，等轴晶的TiC，Ti3Si，Ti3A1C及其沿界面有些拉长的Ti5Si3脆性的界面反应区常常是复合材料破坏的裂纹起始源，图10b为
19、SiCTi一64复合材料中起始于界面反应区的疲劳裂纹8模拟Ti MMC的高温服役实验显示，在600以上，界面反应继续进行，从而对Ti MMC的热稳定性产3 Ti MMC的界面行为Ti MMC是采用不同的制备技术将基体钛合金(或者TiAl基金属间化合物)与增强体SiC纤维通过两者之间的界面而结合在一起的新型材料，Ti MMC及其构件所承受的载荷也要通过界面由基体传递到纤维上因 图10 SCS一6 SiCTi3AI基复合材料的界面反应区(16为反此，纤维基体之间界面的结合状态与结合强度、界面 譬耋竺墨sicTi一64复合材料中起始于界面反应区的的化学反应、界面的残余应力状态等，对Ti MMC的 F
20、ig10 fa)Interfacial reaction。fSCS一6 SiCTi3A1，numbers性能有非常大的影响在Ti MMC及其构件研制中，必 16 are the reaction products须对界面问题给予足够的重视其中界面化学反应尤为重 (b)Fatigue crack originated from the interracial要，界面反应的严重与否直接影响界面的结合强度及其残 。88。i。“2。“。scs一6 sicTi一64增刊 周义刚等：碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研究进展465生影响图11总结了3种Ti MMC的界面反应动力学数据，与图9相比可知，界面反
21、应程度小的SCS-6SiCIMl834的热稳定性较好Ej嚣mC蔷王卜-Time，h1趁图11三种Ti MMC的界面反应动力学Fig11 Interfacial reaction kinetics of three Ti MMCs图12 SCS一6 SiCTi2A1Nb的界面反应区形貌，基体Ti2AINb中的颗粒A为反应产物Ti3A1CFig12 Morphology of interracial reaction zone of SCS6SiCTi2A1Nb(Letter A showing the reaction product TiaAlC in matrix)(3)造成纤维损伤和改变基
22、体成分尽管Ti MMC中纤维常常带有保护涂层，但尚不能完全阻止反应一旦涂层被消耗，反应延伸到纤维本身，将会使纤维的性能急剧下降；另一方面，界面反应会改变界面附近基体的化学成分，造成在Ti MMC的界面区形成所谓的卢贫化区，使材料塑性下降纤维中的元素C还会扩散到远离界面的基体钛合金中，降低合金的塑韧性，并能形成复杂化合物如Ti3A1C”J，如图12中字母A所示，使合金性能进一步降低4建议国际上研究Ti MMC已有30多年历史，从B纤维增强发展到SiC纤维增强， Ti MMC的性能得到不断提高，现在Ti MMC在航空上已得到应用尽管我国在“九五”期间进行了一些探索性研究，但严格说，我国对Ti MM
23、C的研究尚未真正开始先进材料研究的滞后，对我国发展高推重比航空发动机极为不利在发展我国的Ti MMC时，首先应注意实行高起点跨越式发展尽管我国的Ti MMC研究仅仅起步，但没有必要去重复别人的研究过程，应该在起始阶段就采用国际上最先进的方法，高起点、迎头赶上，实行跨越式发展其次，应重视对Ti MMC的界面设计和优化研究如何控制Ti MMC的界面反应，形成最佳的界面结构，是Ti MMC生产、应用的关键应对Ti MMC的界面设计和优化研究给予足够的重视，形成能够有效传递载荷、调节应力分布、阻止裂纹扩展的稳定的界面结构第三，应重视对Ti MMC的模拟计算研究运用计算机模拟技术，可分析研究Ti MMC
24、的制备工艺、TiMMC的界面反应、Ti MMC的力学性能以及它们之间的相互关系，从而可深入认识Ti MMC界面反应的本质，有利于筛选和优化制备工艺，以便提高Ti MMC的力学性能，并大大减少试验工作量，减少研究费用和时间，在制备Ti MMC零部件时，尤其应该如此最后，应注意结构设计一材料研究一工艺研究密切结合复合材料的一个显著的特点是结构一材料一工艺的同步性，往往在材料成型的同时产品结构也成型TiMMC制备航空发动机零部件，将引起发动机结构和强度设计方面的巨大变化因此，设计一材料一工艺应密切结合，优势互补，共同完成这一在航空上有广阔应用前景的新型复合材料的研究参考文献1傅恒志航空材料学报， 1
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