3D-Cf-Al復(fù)合材料真空氣壓浸滲工藝研究.pdf

1、相較于單向Cf/Al復(fù)合材料，3D-Cf/Al復(fù)合材料除具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度及耐磨性好等優(yōu)良性能外，還具有耐沖擊、不分層、抗開裂及耐疲勞等特點(diǎn)，表現(xiàn)出特有的整體性，備受航空航天部門的關(guān)注，并已發(fā)展成為現(xiàn)代國防高端技術(shù)領(lǐng)域最具戰(zhàn)略性的結(jié)構(gòu)材料之一。其中，真空氣壓浸滲法具有浸滲壓力易控制、預(yù)制體不易變形破壞、零件適應(yīng)性強(qiáng)、零件強(qiáng)度均勻、成本較低、能實(shí)現(xiàn)近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，是3D-Cf/Al復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件制備的主要方法。而區(qū)別于3D纖維

2、增強(qiáng)樹脂基與陶瓷基復(fù)合材料，3D纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因纖維與金屬之間存在的嚴(yán)重界面反應(yīng)以及金屬和纖維的不相容性，使其應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于前兩種復(fù)合材料。
　　本文選用ZL301作為基體合金、石墨纖維M40作為增強(qiáng)體材料，纖維預(yù)制體分別采用單項(xiàng)纖維排列（碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40％）和三維五向編織體（碳纖維體積分?jǐn)?shù)為51%），著重進(jìn)行了3D-Cf/Al復(fù)合材料的真空氣壓浸滲工藝研究。并進(jìn)一步探討了預(yù)熱溫度對(duì)3D-Cf/Al復(fù)合材料致密化及拉伸

3、強(qiáng)度的影響。取得以下研究成果：
　　實(shí)驗(yàn)表明保壓時(shí)間大于8 min、浸滲溫度高于700℃、預(yù)熱溫度高于450℃時(shí)單向Cf/Al復(fù)合材料能夠得到充分浸滲。在單向Cf/Al復(fù)合材料浸滲工藝參數(shù)研究的基礎(chǔ)上，制備出了不同工藝參數(shù)下的3D-Cf/Al復(fù)合材料試樣，通過分析3D-Cf/Al復(fù)合材料試樣的微觀組織、致密度和力學(xué)性能，優(yōu)化得出3D-Cf/Al復(fù)合材料的最優(yōu)工藝參數(shù)為：保壓時(shí)間為20 min、浸滲溫度為730℃、預(yù)熱溫度為500~

4、550℃。
　　3D-Cf/Al復(fù)合材料與單向Cf/Al復(fù)合材料浸滲機(jī)理存在差異，區(qū)別于單向排列預(yù)制體的簡(jiǎn)單同向浸滲通道，三維五向編織預(yù)制體的浸滲通道復(fù)雜，3D-Cf/Al復(fù)合材料完成浸滲的工藝條件比單向Cf/Al復(fù)合材料要高。預(yù)熱溫度為450℃時(shí)單向Cf/Al復(fù)合材料可完成浸滲，得到致密度大于95%結(jié)構(gòu)致密的復(fù)合材料。預(yù)熱溫度為440、470℃時(shí)3D-Cf/Al復(fù)合材料致密度分別為88.09、89.91%，浸滲不完全、結(jié)構(gòu)不致密

5、，當(dāng)預(yù)熱溫度大于500℃時(shí)致密度大于95%，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密。
　　預(yù)熱溫度是影響3D-Cf/Al復(fù)合材料致密度及拉伸強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。預(yù)熱溫度為440、470℃時(shí)，3D-Cf/Al復(fù)合材料不致密且界面結(jié)合弱，拉伸強(qiáng)度為396.37、575.42 MPa；預(yù)熱溫度高于為500~550℃時(shí)，3D-Cf/Al復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密且界面反應(yīng)適中界面結(jié)合強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度大于770 MPa；預(yù)熱溫度為600℃時(shí)，3D-Cf/Al復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，但界

6、面反應(yīng)過度，生成了大量脆性相Al4C3，纖維的增強(qiáng)作用大大降低，拉伸強(qiáng)度為349.58 MPa。
　　3D-Cf/Al復(fù)合材料比單向Cf/Al復(fù)合材料更不容易發(fā)生纖維團(tuán)聚。三維編織預(yù)制體纖維之間存在相互約束，浸滲過程中纖維之間的相對(duì)位置不易發(fā)生改變，單向排列預(yù)制體纖維之間相對(duì)獨(dú)立，受外力作用下容易發(fā)生偏移、團(tuán)聚，當(dāng)預(yù)熱溫度、浸滲溫度不夠高，基體合金流動(dòng)性較差時(shí)，單向Cf/Al復(fù)合材料比3D-Cf/Al復(fù)合材料更容易發(fā)生纖維團(tuán)聚。<

7、br>　　相同工藝條件下，單向Cf/Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度整體要高于3D-Cf/Al復(fù)合材料，隨著預(yù)熱溫度的升高，拉伸強(qiáng)度差異減小，預(yù)熱溫度高于600℃時(shí)二者拉伸強(qiáng)度相當(dāng)。當(dāng)預(yù)熱溫度為450℃時(shí)3D-Cf/Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為403.57MPa，單向Cf/Al復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為588.50 MPa，單向Cf/Al復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于3D-Cf/Al復(fù)合材料；當(dāng)預(yù)熱溫度為530℃時(shí)，3D-Cf/Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為782.33