SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料的研究進展

牛西茜，李昕瑩，李佩澤，陳 萍

（沈陽航空航天大學民用航空學院，遼寧 沈陽 110136）

引言

鎳基高溫合金具有良好的耐熱強度，良好的塑性，抗高溫氧化和燃氣腐蝕能力，抗疲勞性能以及長期組織穩(wěn)定性。在航空渦輪發(fā)動機上，主要應用在導向葉片、燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片；在航天火箭發(fā)動機上，主要用在渦輪盤，此外還有發(fā)動機軸、燃燒室隔板、渦輪進氣導管以及噴灌等[1]。鎳基高溫合金作為制備發(fā)動機的關鍵材料，有優(yōu)異的高溫力學性能，但其也具有較大的缺點，這些都限制了航空航天發(fā)動機的發(fā)展。Ni合金基復合材料具有良好的高溫強度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性，作為新型金屬基復合材料有望替代傳統(tǒng)Ni基高溫合金，用于制造航空、航天、艦船及工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機中重要受熱部件[2]，低密度、高強度的鎳基復合材料是符合高溫合金材料發(fā)展趨勢的一個重要方向。

連續(xù)SiC纖維是一種高性能的纖維增強相，具有高比強度、高比模量、高溫抗氧化性、優(yōu)異的耐燒蝕性能和耐熱沖擊性能等優(yōu)點[3]，其力學性能可保持到1 200℃，特別SiC纖維已經用于增強Al、Cu、Ti及Ti合金等金屬基復合材料[4-8]，其中發(fā)展最好的SiC纖維增強鈦基合金使用溫度能達到650℃以下，成功應用于先進戰(zhàn)斗機的渦輪部件[9]和航天飛機提供剛性蒙皮、支撐衍梁、加強筋等構件[10]。目前國內外關于SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料的研制處于初始階段，開發(fā)此類材料面臨著嚴重的界面問題[2]，本文主要對連續(xù)SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料的發(fā)展歷程進行介紹，并綜合現(xiàn)有資料針對此類材料存在的界面問題、界面問題改善方法及仍需解決的問題進行分析總結。

1 SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料的發(fā)展

鎳基高溫合金復合材料的制造和使用溫度較高，需要高溫下有足夠強度和穩(wěn)定性的增強體，如碳化硅、氧化鋁、碳化硼和碳纖維等，但是近年來能夠得到的關于此類復合材料的公開研究資料很少。目前國內外對于顆粒和纖維增強鎳基高溫合金復合材料開展了一些研究，顆粒增強、特別是納米顆粒增強Ni基合金取得了進展[11-13]，但纖維增強Ni基復合材料綜合力學性能明顯高于顆粒增強復合材料。Mileiko等人[14-15]進行了大量有關Ni合金基復合材料的研究，包括定向凝固技術制備的定向共晶Ni基復合材料、陶瓷纖維Ni基復合材料和金屬絲增強Ni基復合材料等，得到了良好的高溫性能和比強度，但定向共晶Ni基復合材料和金屬絲增強Ni基復合材料都沒有實現(xiàn)減重的效果。Al2O3纖維具有良好的高溫性能，藍寶石（α-Al2O3）纖維Ni基復合材料在1000℃以上使用時具有優(yōu)勢[16-17]，但這種纖維也存在著成本高、比重較大的缺點。萬喜偉等人[18]開展了碳纖維增強Ni基復合材料的研究，碳纖維有比重小、力學性能高和成本低的優(yōu)點，但是600℃以上C在Ni中有一定固溶度，Ni的催化作用會使碳纖維在高溫下再結晶，性能下降，得到的復合材料碳纖維易被氧化，高溫性能較差，需要防護涂層保護纖維。由于碳纖維直徑小，很難再絲束上獲得均勻涂層，Xu等人[19]在碳纖維表面鍍銅可以一定程度解決碳纖維和Ni之間界面問題，但力學性能提高較少，且不易在較高溫度下使用。

連續(xù)SiC纖維是一種具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗氧化、耐化學腐蝕并具有優(yōu)異電磁波吸收特性的多晶高性能陶瓷纖維，可用作高耐熱、耐氧化材料和聚合物基、金屬基及陶瓷基復合材料的高性能增強纖維[20]，廣泛應用于航空航天等領域，發(fā)展航空航天的關鍵材料。SiC纖維用于增強鎳基高溫合金，將顯著提高材料的比剛度和比強度，降低構件的重量，滿足渦輪盤等航空發(fā)動機關鍵部件的要求。但是，SiC纖維和Ni合金之間存在著嚴重的界面反應[21]。

1976年，GE公司[22]和NASA[23-24]最早針對SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料進行了研究。NASA針對SiC纖維與鎳基沉淀硬化、鎳基固溶強化、鎳基高溫合金等材料復合過程中界面反應問題及解決方案進行了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)在復合過程中幾種材料均發(fā)生了劇烈的界面反應，出現(xiàn)了纖維開裂等現(xiàn)象，并且由于反應產物的生成基體材料也轉變?yōu)榇嘈园l(fā)現(xiàn)，SiC與Ni、Co、Fe基高溫合金本質上不相容。通過添加磁控濺射HfC涂層后復合材料的穩(wěn)定性得到提升，但效果仍不理想，涂層會造成纖維的損傷，降低材料的拉伸性能。GE公司也對SiC纖維與鎳基高溫合金的復合問題進行了嘗試和探究，同樣發(fā)現(xiàn)幾種體系高溫合金均和SiC纖維發(fā)生化學反應，纖維與基體間的相容性問題不容忽視。

目前，國內幾家單位也針對SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料開展了相關研究，目前尚處于探索階段，主要集中于界面反應的抑制。

2 SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料的界面問題

國內外的相關報道都指出，限制SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料發(fā)展的關鍵問題是界面反應問題。

在界面的物理相容性方面：金屬基復合材料的界面的內應力和界面的熱應力共同構成了復合材料界面的殘余應力，當基體和增強體的熱膨脹系數(shù)之差較大時，界面的殘余應力較高。SiC的熱膨脹系數(shù)約為4.710-6/℃，鎳基高溫合金熱膨脹系數(shù)大約為（11.8～18.7）10-6/℃，二者之間的膨脹系數(shù)差異較大，在高溫制備后在復合材料的界面處存在著很大的殘余應力。界面殘余應力較大時，將會引發(fā)復合材料制備和服役過程中材料界面裂紋和缺陷的萌生，導致其力學性能降低。

在化學相容性方面：在高溫下，SiC不僅與鎳合金發(fā)生持續(xù)不斷地劇烈反應，還能和高溫合金中的Cr、Al、Ti、Mo等其他合金元素發(fā)生反應[25-26]，SiC纖維和Ni基高溫合金在高溫下的劇烈反應，造成纖維的損傷，引起纖維力學性能下降甚至失效。

3 SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料的界面改善方法

目前，控制SiC纖維和基體固相反應主要通過設置擴散阻擋層、研制低活性的基體和采用控制復合材料界面反應的制備技術等方法來實現(xiàn)。

Jackkson等人[27]研究了SiC/Ni-Cr-Al界面的固相反應，合金元素Cr、Al的添加，將會參與SiC的反應形成金屬反應區(qū)，并在界面處形成阻擋層，增加了Ni原子向SiC內部擴散的阻力，能有效抑制SiC/Ni界面固相反應，降低反應速率。江河等人研究發(fā)現(xiàn)，在高溫下Ni與SiC纖維的反應趨勢極強，復合材料需要在較高溫度下制備，很難通過元素添加等方式對界面反應情況進行改善從而阻止Ni與SiC的反應。

纖維涂層處理是目前適用最廣、最為有效的手段。對于SiC/Ni合金界面來說，在高溫下發(fā)生劇烈反應，對界面結構和性能影響較大。因此，設置擴散阻擋涂層，以阻止和延遲界面處原子互擴散和界面反應，是SiC纖維增強Ni合金基復合材料必須采取的手段。

在國外的相關報道中，Samsonov等人[28]研究發(fā)現(xiàn)SiC和Ni-Cr基合金在高溫下劇烈反應，TiN和Al2O3涂層和基體基纖維相容，能起到阻擋擴散的作用，Si3N4和BNC涂層不適合在高溫下使用。Karpinos等人[29]選取Al2O3作為SiC纖維和Ni-Cr基體的擴散阻擋層，結果顯示Al2O3涂層抑制了SiCf/Ni-Cr合金之間元素擴散。

在國內研究中，林海濤等人[30]利用電弧離子鍍方法在SiC纖維表面沉積Al2O3涂層，研究了Al2O3在SiCf/Ni界面處的阻擋效果，結果表明，Al2O3涂層具有一定的阻擋效果，可以在一定程度上阻擋Ni和SiC纖維的反應。張露等人[31]利用溶膠凝膠法在SiC纖維表面沉積Y2O3涂層，結果表明Y2O3涂層嚴重影響SiC纖維的強度，由于Y2O3比較脆，在升溫過程中，涂層表面呈現(xiàn)開裂脫落現(xiàn)象。利用磁控濺射制備的Al2O3涂層均勻致密，能有效地阻擋SiC和Ni界面之間的元素擴散和反應。李佩桓[32]和WANG[33]等人通過在熱等靜壓條件下，制備了SiC纖維增強GH4738基復合材料和SiC纖維增強Ni-Fe基復合材料，然而直接復合后的界面反應十分劇烈，李佩桓而后又嘗試了通過添加Ti3Al、TiC、Y2O3等涂層抑制界面反應，但在熱等靜壓過程中，Ti3Al涂層會和基體發(fā)生互擴散，TiC涂層會在發(fā)生剝落，Y2O3涂層能有效抑制界面反應，但界面結合力低，不能有效傳遞載荷，影響復合材料的力學性能。張國興等[34]在SiC纖維增強GH4169復合材料的制備過程中嘗試了C涂層、Ti涂層、Al2O3涂層，研究發(fā)現(xiàn)C涂層、Ti涂層不能阻止GH4169與SiC纖維的界面反應；通過射頻反應濺射沉積的涂層與SiC纖維表面C涂層結合良好，但在帶Al2O3涂層的SiC纖維增強GH4169合金制備過程中纖維局部受到侵蝕，而未破壞的Al2O3涂層能阻止界面反應，保持涂層的致密完整性是阻止界面反應的關鍵，因此需進一步探索梯度涂層的效果。ZHANG[36]通過添加復合擴散阻擋層Al/Al2O3分別制備SiC纖維增強Ni-Cr-Al合金和SiC纖維增強GH4169高溫合金，涂層能有效抑制界面處元素的互擴散和化學反應，界面殘余應力降低，但基體Ni-Cr-Al的抗氧化性能和抗腐蝕性能尚不足，無法適用于高溫環(huán)境，SiC纖維增強GH4169高溫合金復合材料僅限于制備，其力學性能和高溫穩(wěn)定性未進一步檢測，仍存在涂層會降低纖維增強效果的可能性。

基于已有的研究，關于SiC纖維增強鎳基高溫合金的界面涂層的研究有了一些進展，但仍未有報道能制備出高質量、不易脫落的涂層的同時，且獲得力學性能良好的復合材料。

4 結語

SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料由于耐熱性好、高比強度、高比模量等優(yōu)異性能，在航空航天領域有著廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α５湍壳皝砜矗摬牧系陌l(fā)展困難很大，目前的研究基本都處于界面機理研究、界面涂層的研究、材料的制備等探索階段，界面反應問題仍舊是制約SiC纖維增強鎳基高溫合金復合材料發(fā)展的瓶頸問題，如何得到穩(wěn)定可靠且滿足使用需求的界面涂層體系還亟須進一步研究解決。