激光熔覆SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面特性与性能研究

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SiCf/Ti-6Al-4V复合材料因其质量轻、性能优异,在高端装备制造领域将有着极大的应用前景。本课题组采用激光熔覆叠层技术不同于箔-纤维-箔法(FFF)、纤维涂层法(MCF)等传统制备方法,其急冷急热的特点使SiC纤维和金属之间的元素扩散时间短,界面均匀程度和界面产物的难以控制。首先,利用激光熔覆叠层复合增材制造系统和优化的工艺参数,采用国产有C涂层的SiC纤维和无C涂层的SiC纤维,制备了纤维单向增强的SiCf/Ti-6Al-4V板材复合材料和SiCf/C/Ti-6Al-4V板材复合材料30 mm×20 mm的长方形试样面板,厚度约为1 mm。其次,使用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪对900℃、950℃下短时热暴露态下的SiCf/Ti复合材料的微观组织、界面反应层成分和厚度及基体和纤维元素扩散进行了分析。研究结果表明,采用激光熔覆叠层技术制备SiCf/Ti-6Al-4V复合材料虽成形时间短,但SiC纤维、C涂层、基体之间也会发生界面反应,界面反应产物主要为Ti C。与纤维表面无C涂层的SiCf/Ti-6Al-4V相比较,纤维C涂层可有效抑制纤维表面损伤,起到保护纤维的作用,反应的动力学参数频率因子k0和反应激活能Q略微增大。然后,采用纳米压痕仪、显微硬度仪对复合材料进行微观力学性能分析,通过对拉伸断口及界面结合强度,研究发现经短时真空高温热暴露,SiC纤维、C涂层、基体及界面反应层的硬度值和弹性模量没有发生明显的变化,表明该材料在900℃及以下温度具有良好的短时热稳定性。C涂层的弹性模量介于Ti-6Al-4V和SiC,在一定程度上可有效避免在SiC纤维上产生应力集中。最后,利用电子万能材料拉伸试验机对SiCf/Ti-6Al-4V复合材料进行纵向拉伸测试。研究发现,由于复合材料在制备过程中会生成脆性界面产物、纤维含量占比低、融合不良等缺陷,使得复合材料的纵向拉伸强度略微降低。
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