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SiC纤维增强Ni合金基复合材料的制备与性能研究

张浩强  
【摘要】:航空航天材料对低燃料消耗和高推重比的强烈需求使得金属基复合材料(MMCs)成为未来发动机关键零部件的一类重要材料。Ni合金(尤其是高温合金)具备十分优异的高温力学性能,从而广泛应用于该材料领域。用CVD SiC纤维增强Ni合金(NiCrAl合金和GH4169合金等)可以显著提高其比强度、比刚度,是降低发动机质量的一种有效途径。因此,这种复合材料被视为制造高性能涡轮盘的一种潜在理想材料。本工作制备了四种不同Cr、Al含量(Ni-20Cr-5Al、Ni-15Cr-5Al、Ni-10Cr-5Al 和 Ni-10Cr-3Al)的 SiC 纤维增强 NiCrAl 合金基复合材料,讨论了 Cr、Al元素对复合材料制备过程的影响,同时着重研究了 SiC纤维增强GH4169合金基复合材料的制备过程、工艺优化和室温拉伸性能。本工作采用双对靶磁控溅射装置先后制备了带有(Al+A12O3)扩散阻挡层的改性纤维和两种带有Ni合金(NiCrAl/GH4169)涂层的复合材料先驱丝。研究了先驱丝的形貌、涂层的成分和相组成,并对比了不同厚度的(Al+A12O3)层对复合材料界面反应和元素扩散的阻挡效果。结果表明:纤维和涂层结合良好;扩散阻挡层成分均匀稳定、呈非晶态;NiCrAl合金层的相组成为γ/γ'固溶体;2 μm厚的(Al+Al2O3)层扩散阻挡效果最好。采用真空热压的方法制得SiCf/NiCrAl复合材料,研究了 Cr、Al元素含量对SiCf/NiCrAl复合材料制备过程的影响。结果表明:起固溶强化作用的Cr原子对合金基体的再结晶有明显的抑制作用,而形成沉淀强化相γ'-Ni3Al的Al元素抑制了基体的塑性流动。因此,减少Cr和Al元素含量有助于合金基体的再结晶和塑性流动,从而减少复合材料中孔洞的尺寸和数量,最终得到一个更加致密的复合材料。采用真空热压的方法制得SiCf/GH4169复合材料。优化工艺过程中,尝试了四种改进方法:在复合材料先驱丝表面添加Ni粉、添加BNi-7钎焊料,沉积Ni层和使用热等静压。结果表明:只有在900℃/70 MPa/2 h、添加30 mg/cm2 BNi-7钎焊料的条件下得到的复合材料致密、界面结合良好;真空热压温度降低了约100℃,GH4169基体由原始柱状晶再结晶形成随机取向的细小等轴晶,平均晶粒直径为0.9 μm;而且基体更加均质化,有利于提升复合材料的综合性能。对SiC纤维、改性纤维、先驱丝和SiCf/GH4169复合材料复合材料进行了室温拉伸试验,讨论了涂层对纤维拉伸性能的影响,然后对复合材料断口进行了研究并分析了最终复合材料的强度与理想值差距较大的原因。结果表明:(Al+A12O3)扩散阻挡层和Ni合金层对纤维的力学性能影响较小;在850℃/40 MPa/2 h的真空热压参数下制备的SiCf/GH4169复合材料的拉伸强度为967MPa,其比强度和比模量达到了基体的1.58倍和2倍;SiCf/GH4169复合材料断裂机制以界面分离和纤维拔出为主;在纤维拔出过程中,(Al+A12O3)扩散阻挡层和富碳层之间发生了脱粘,这是结合较好的SiCf/GH4169复合材料抗拉强度不高的重要原因。


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