[發明專利]一種基于納米多層結構的連續SiC纖維增強難熔金屬基復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111340138.2
• 申請日: 2021-11-12
• 公開（公告）號: CN114086090B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 文懋;王麒驊;齊金磊;王龍鵬;張侃;鄭偉濤
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C22C47/04
• 分類號: C22C47/04;C23C14/35;C23C14/18;C23C14/06;C22C47/14;C22C49/10;C22C49/14;C22C101/14
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 申素霞

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體涉及一種基于納米多層結構的連續SiC纖維增強難熔金屬基復合材料及其制備方法和應用。本發明先在表面具有碳涂層的連續SiC纖維表面沉積過渡金屬層，有效提高了表面具有碳涂層的連續SiC纖維與后續沉積的金屬氮化物層的結合性能，有效釋放殘余應力，提高了表面具有碳涂層的連續SiC纖維與納米多層復合難熔金屬層的界面結合強度。采用至少兩種材質的難容金屬單質靶材制備納米多層納米多層復合難熔金屬層，與采用難容合金靶材相比，顯著降低了后續熱等靜壓成型的溫度，能夠抑制界面反應和纖維退化，還極大豐富了難熔合金基體組元的可選擇種類，能夠適應不同應用環境對復合材料性能的需求且成本低。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體涉及一種基于納米多層結構的連續SiC纖維增強難熔金屬基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著航空航天技術的發展，服役環境日益苛刻，為了滿足極端苛刻服役環境的需求，航空航天飛行器對金屬基復合材料的耐溫等級提出了更高的要求—在寬溫域下具有優異的力學性能。連續SiC纖維增強鈦基復合材料兼具了增強體的高強度和優良的抗蠕變性能及鈦合金基體的高損傷容限和可加工性，使得該復合材料不僅大幅提升了金屬基體的力學強度、抗蠕變和耐疲勞能力，還有效提升了金屬基體的服役溫度。然而，受鈦合金基體服役溫度的限制，SiC纖維增強鈦基復合材料僅在750℃以下能長時服役，在1000℃以下能短時使用。在SiC纖維增強金屬基復合材料表面復合具有更高服役溫度的難熔合金能夠提高其服役溫度。

采用纖維涂覆法制備SiC纖維增強金屬基復合材料能保證增強體纖維均勻分散而獲得最優異的力學性能，是當前國內首選的制備方法。其中，增強纖維表面涂覆厚的難熔合金涂層在高溫成型過程中成為復合材料的難熔合金基體，該工藝不僅決定了復合材料的性能，同時占到了復合材料的生產成本的一半以上。例如，中國專利CN113481479A公開了一種SiC纖維增強難熔合金復合材料的制備方法，在帶有C涂層的連續SiC纖維表面磁控濺射金屬層，在所述金屬層表面磁控濺射金屬氮化物層，采用難熔金屬為靶材，在所述多層擴散障涂層表面磁控濺射，得到SiC纖維增強難熔合金復合材料。然而，上述制備方法采用難熔合金靶濺射沉積難熔合金涂層，但由于難熔合金的高溫屈服強度，致使過高的成型溫度，導致劇烈的界面反應以及SiC纖維增強體的性能退化。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于納米多層結構的連續SiC纖維增強難熔金屬基復合材料及其制備方法和應用，本發明提供的制備方法能夠降低復合材料的熱成型溫度，抑制界面反應和纖維退化。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種基于納米多層結構的連續SiC纖維增強難熔金屬基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用過渡金屬靶材，在惰性氣體下在表面具有碳涂層的連續SiC纖維表面進行第一磁控濺射形成過渡金屬層；

(2)采用過渡金屬靶材，在氮氣-惰性混合氣體下，在所述過渡金屬層表面進行第二磁控濺射形成過渡金屬氮化物層，得到擴散障單元；

(3)在所述擴散障單元表面重復過渡金屬層和過渡金屬氮化物層的制備操作，得到擴散障涂層；所述重復的次數≥0次；

(4)在惰性氣體下，采用不同材質的難熔金屬單質靶材，在所述擴散障涂層表面進行磁控共濺射，在所述擴散障涂層表面形成納米多層復合難熔金屬層，得到SiC纖維前驅體；所述難熔金屬單質靶材的個數≥2；

(5)將所述SiC纖維前驅體進行熱等靜壓成型，得到基于納米多層結構的連續SiC纖維增強難熔金屬基復合材料。

優選的，步驟(1)中，所述第一磁控濺射的工作參數包括：所述惰性氣體的通入量為50～80sccm；工作壓強為0.2～2Pa；濺射偏壓為-50～-200V；電流為1～3A。