圖7 TiAl合金高壓壓氣機轉子葉片等溫鍛件

Fig.7 High pressure compressor rotor blade of TiAl alloy forging through isothermal die forging process

圖8 TiAl合金高壓壓氣機轉子葉片零件

Fig.8 High pressure compressor rotor blade parts of TiAl alloy

連續(xù)SiC纖維作為增強體,其性能和穩(wěn)定性是影響SiCf/Ti復合材料最終性能的關鍵因素之一。國際上SiC纖維主要有美國Textron公司的SCS系列和英國DERA公司的Sigma系列,這兩家公司分別采用碳芯和鎢芯通過直流電阻加熱CVD方法制備SiC纖維,抗拉強度大于3600MPa。國內北京航空材料研究院及中科院金屬所均制備出抗拉強度大于3800MPa的鎢芯SiC纖維,性能穩(wěn)定。

界面反應涂層是保證復合材料高性能的關鍵,合適的涂層可以保護纖維,阻止界面反應,實現(xiàn)載荷傳遞,使復合材料斷口呈現(xiàn)纖維拉拔形態(tài)。國內已成熟制備C涂層及TiC涂層,分別適用于增強鈦基復合材料和Ti-Al系金屬間化合物基復合材料。其中,采用TiC涂層的Ti-Al系金屬間化合物基復合材料經1100℃/5h熱處理后,TiC涂層依然可以有效保持。先驅絲法制備的鈦基復合材料綜合力學性能最高,國內針對連續(xù)SiC纖維增強鈦基復合材料,通過調整合金涂層組織、應力狀態(tài)等,制備了厚度為20~50μm涂層的先驅絲,用于后續(xù)復合材料及構件的制備。

鈦基復合材料通過熱等靜壓或者真空熱壓成型,成型過程需要考慮界面反應、先驅絲鈦合金致密化以及復合材料與包套擴散連接三大關鍵技術。復合材料的力學性能與纖維性能、涂層結構、先驅絲質量、纖維排布、成型工藝、加工質量均密切相關,需要精細控制。

國外在SiCf/Ti復合材料研發(fā)及應用方面取得了較大進展,如美國Textron公司采用Ti-1100鈦合金作為基材制造SiCf/Ti復合材料整體葉環(huán),使用溫度可以達到700~800℃,結構質量減輕50%。國內開展了鈦基復合材料環(huán)形件、板材、轉動軸部件的研制。針對復合材料板材,成型后會發(fā)生變形,應力調控成為難點。整體葉環(huán)回轉體結構成型過程容易發(fā)生整體斷裂,需要綜合考慮結構、纏繞、成型等多方面因素。通過多年的技術攻關,解決了整體葉環(huán)制備過程中復合材料斷裂的問題,制備了整體葉環(huán)試驗件,如圖9所示。復合材料構件使用還需要開展如下研究工作:(1)材料的穩(wěn)定性仍需提高;(2)復合材料力學性能數(shù)據(jù)測試;(3)整體葉環(huán)性能表征;(4)失效機理及壽命預測;(5)無損探傷微觀尺度的檢測;(6)加工過程復合材料與整體葉環(huán)同心精確控制;(7)制定設計準則及考核驗證。需要在纖維材料、基體材料以及高溫抗氧化涂層,批次穩(wěn)定性,生產效率,工藝標準、材料制件規(guī)范等方面加強研究,逐步解決和完善鈦基復合材料制備、使用過程中出現(xiàn)的問題。

圖9 整體葉環(huán)部件及超聲波探傷C掃描圖

Fig.9 Bling part and its ultrasonic inspection

(a)Ф250mm×70mm葉環(huán);(b)Ф604mm×160mm葉環(huán);(c)Ф604mm×160mm葉環(huán)超聲波探傷C掃描(a)Ф250mm×70mm bling;(b)Ф604mm×160mm bling;(c)ultrasonic inspection of Ф 604mm×160mm bling

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