碳涂层织构对SiC纤维增强Ti17合金基复合材料界面反应及性能影响研究

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连续SiC纤维增强Ti基复合材料(SiCf/Ti)是一种理想的轻质耐高温结构材料,具有高的比强度、比刚度、抗蠕变和抗疲劳等优良性能,被认为是下一代高推重比航空发动机最具潜力的候选材料。然而,由于基体Ti合金与SiC纤维之间高的化学活性,使得该材料在高温成型和服役过程中发生强烈的界面化学反应,导致材料的强度大幅降低。目前,在纤维表面沉积C涂层成为减缓该复合材料界面反应最通用的方法,而C涂层自身结构主导的界面反应机制尚未探明。本文采用化学气相沉积的方法,分别在920和1000℃的沉积温度下,在SiC纤维单丝表面制备出两种不同织构的乱层石墨涂层,将其标注为C920和C1000,随后分别在涂覆两种C涂层的SiC纤维上沉积Ti17合金获得先驱丝,并采用热等静压成型方法制成SiCf/C920/Ti17和SiCf/C1000/Ti17复合材料。根据X射线光电子能谱、拉曼光谱以及高分辨透射电子显微镜的结果可知C1000具有更加有序的微观结构(高织构)。观察热等静压成型制备的SiCf/C/Ti17复合材料的界面微观结构发现其界面反应强烈依赖于乱层石墨涂层的织构。根据扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及相应的能谱仪的结果可知,高织构的C1000比中织构的C920更有效地阻碍了C原子向基体方向的外扩散以及基体原子向C涂层的内扩散行为。而C涂层和Ti17合金基体间的互扩散导致两个复合材料的界面反应层内出现C含量梯度。尽管SiCf/C920/Ti17和SiCf/C1000/Ti17复合材料的界面区域均可以被分为乱层石墨|非晶C||细晶TiC||过渡区Ti C||粗晶TiC,但在不同织构的C920和C1000作用下两个复合材料中同一亚层的厚度却不同。基于以上结果,本文首先讨论了C涂层织构作用下SiCf/C920/Ti17和SiCf/C1000/Ti17复合材料的界面反应。为了研究C涂层织构对SiCf/C/Ti17复合材料性能的影响,分别对两复合材料进行了力学性能测试。采用纤维压出实验测试复合材料的界面强度,得到中织构的C920使得SiCf/C920/Ti17复合材料的界面结合强度高于SiCf/C1000/Ti17复合材料。对SiCf/C920/Ti17和SiCf/C1000/Ti17复合材料进行纵向拉伸实验后,得到两个复合材料的拉伸断口均呈纤维拔出型,但界面结合强度较高的SiCf/C920/Ti17复合材料的拉伸强度大于SiCf/C1000/Ti17复合材料。此外,本文还将SiCf/C1000/Ti17复合材料分别在450℃/600 h、800℃/600 h和1100℃/2 h条件下热处理,讨论了复合材料中C涂层支配的界面热稳定性及界面区域的演变机制。
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