專利名稱：采用液體技術(shù)進行纖維的金屬包覆方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種采用液體技術(shù)進行纖維的金屬包覆方法。
背景技術(shù)：
特別是航空領域，為了實現(xiàn)質(zhì)量最低和尺寸最小，對各種部件的強度都要進行優(yōu)化，這是人們始終追求的目標。為此，一些部件目前都可能裝有一種采用金屬基體復合材料制成的鑲嵌物。這種復合材料包含了一種金屬合金基質(zhì)，例如鈦(Ti)合金，而在這種合金中纖維起延展作用，如碳化硅(SiC)陶瓷纖維。這種纖維的抗拉強度要大大高于鈦的抗拉強度(前者一般在4000MPa，而后者在1000MPa)，而且剛性一般是后者的三倍。因此，正是纖維吸收了負載，而金屬合金基則確保了纖維之間的負載轉(zhuǎn)移，起到了與部件其余部分的結(jié)合，對纖維實施保護，并將纖維隔開，因為纖維彼此之間是決不可以接觸的。此外，陶瓷纖維很堅固，但易脆裂，所以必須用金屬保護。
在制造圓盤、軸、缸體、箱體、隔板等部件時，這些復合材料可以作為整體部件如葉片等的增強材料使用。它們也可以用于其它領域，其特征在于，一個體積力場被施加給一個部件上，諸如槍炮或加壓流體艙等壓力室。
為了獲得這樣一種復合材料鑲嵌物，需要預先成形含有一種金屬包覆陶瓷纖維的線絲，稱之為“包覆線絲”。金屬覆層可以提供線絲更大的剛性，同時也具有更好的韌性，而后者對于操作處理非常有用。另外，纖維的芯絲最好是非常細的碳絲或鎢絲，沿纖維軸線排列，這種碳絲用碳化硅包覆，而碳化硅上則又包覆了薄薄的一層碳或高溫碳，從而鑲嵌在纖維和金屬之間，起到了擴散勢壘的作用，防止差熱弛豫期間纖維出現(xiàn)刻痕，并起緩沖作用，因為在對沉積在纖維上的液態(tài)金屬進行冷卻時，則會發(fā)生差熱馳豫現(xiàn)象。
復合材料線絲，或稱包覆線絲，可以采用多種方法生產(chǎn)，例如在電場環(huán)境下在纖維上采用金屬氣相沉積技術(shù)，使用金屬粉末電泳技術(shù)，或者將纖維浸入液態(tài)金屬槽內(nèi)進行纖維包覆等技術(shù)。EP 0 931 846號發(fā)明專利介紹了將纖維浸入液態(tài)金屬中對其進行包覆的方法。采用這種方法生產(chǎn)線絲速度快，因此，可獲得復合材料線絲或包覆線絲，為制作部件中使用的復合材料鑲嵌物提供了基礎。
按照EP 0 931 846號發(fā)明專利所述的方法，液態(tài)金屬懸浮在相應的坩鍋中，不與坩鍋鍋壁相接觸，并保持合適的溫度；陶瓷纖維用夾緊裝置撐起在液態(tài)金屬槽中拖拉而過。這種方法實施速度非常快，這樣一方面可以降低陶瓷纖維在液態(tài)金屬槽中通過的時間，限制了纖維與液態(tài)金屬的相互作用，從而降低了纖維的劣化；另一方面，可以迅速生產(chǎn)出大量包覆線絲，達到一定的生產(chǎn)規(guī)模。
一般來講，陶瓷纖維是一種直徑在大約100到150μm的碳化硅纖維，它是在直徑大約15到40μm的碳芯絲或鎢絲上采用碳化硅化學氣相沉積技術(shù)制成，外部使用一層大約3μm厚的碳或高溫碳覆層保護；這種外覆層的作用就是保護碳化硅纖維防止化學侵蝕和微疵的擴展。因此，在陶瓷纖維和金屬合金之間，這種覆層起到了一種擴散勢壘的作用，它具有很高的化學反應性，而且同樣可以防止瑕疵的擴展。
存在的問題是，如何通過金屬合金使碳覆層得到潤濕，也就是說，金屬在覆層表面適當延展的能力，以便達到與覆層的良好結(jié)合。潤濕性會隨著纖維在液態(tài)金屬槽內(nèi)的穿過速度而降低，因而，纖維的穿過速度應要求盡可能快。在所列舉的示例中，即先用碳然后再用鈦合金包覆的一種碳化硅纖維中，在纖維和液態(tài)金屬之間的交界面處形成碳化鈦TiC是金屬合金包覆纖維唯一可行的方法。然而，這種碳化鈦成形在纖維高速穿過時并不總是可行的。
發(fā)明專利內(nèi)容本發(fā)明的目的就是解決上述問題。
為此，本發(fā)明涉及一種采用液態(tài)技術(shù)對纖維進行金屬包覆的方法，其特征在于，纖維在用一種與金屬形成擴散勢壘的材料包覆后，在液態(tài)金屬槽內(nèi)拖拉穿過，從而實現(xiàn)被金屬包覆，其特征在于，在纖維進入液態(tài)金屬槽之前，纖維用一種金屬可潤濕的化合物進行包覆。
根據(jù)這種發(fā)明方法，由于的化合物的作用，可以方便地進行纖維的金屬包覆，形成金屬可潤濕的界面。
因為采用金屬包覆纖維涉及到在勢壘成形材料和金屬之間的中間化合物的成形，纖維用中間化合物進行了預包覆。
同樣，纖維最好是一種陶瓷纖維。
有利的是，在發(fā)明的方案中，纖維是一種碳化硅纖維，它包覆了一層構(gòu)成勢壘的高溫碳或碳，而且該金屬材料是一種鈦合金。
按照一個實施方案，鈦可潤濕的化合物是碳化鈦。
按照另一個實施方案，鈦可潤濕的化合物是二硼化鈦。
按照一個具體實施方案，該纖維采用反應性化學氣相沉積技術(shù)包覆了一層碳化鈦。
在該實施方案，優(yōu)選實施方案是，在應用反應性化學氣相沉淀技術(shù)時，在氫氣載體氣體中使用了一種四氯化鈦前體。
根據(jù)一個實施方案，如果成形一個50到300nm厚(最好大約100nm厚)的碳化鈦覆層，可按照下列參數(shù)進行沉積-纖維溫度在1080K到1650K，最好在1480K到1530K之間；-氫濃度與四氯化鈦濃度之比在14.2到59.6之間；-纖維在金屬槽內(nèi)的穿過速度在每分鐘1米到3米之間。
按照一個實施方案，這種方法包括，在用金屬包覆纖維前，增加一道包覆步驟，即采用一種二次潤濕化合物進行包覆。
在這個案例下，最適宜的二次化合物是錫。
參照本說明書所附圖，通過下面對發(fā)明方法最佳實施方案的描述，可以更好的理解本發(fā)明。


圖1示出了包覆纖維所使用設備示意圖，這種設備使用金屬可濕潤化合物來對纖維進行包覆。
圖2示出了纖維部分表面的部分斷面示意圖，該纖維是用可潤濕化合物包覆的。
具體實施例方式
本發(fā)明就包覆線絲的形成進行了描述，該包覆線絲包含了一個用鈦合金護套包覆的碳化硅陶瓷纖維。參照圖2，陶瓷纖維1包括一個碳化硅層2，形成了纖維本體，直徑大約100到150μm，采用碳化硅化學氣相沉積技術(shù)在直徑大約35到40μm的碳芯棒上制成。該纖維用大約3μm厚的碳或高溫碳的外覆層3覆蓋。這個外包覆層的作用就是保護碳化硅纖維防止出現(xiàn)化學侵蝕和微疵的擴展，因此，這個包覆層在陶瓷纖維和金屬合金之間起到了擴散勢壘的作用，它是高化學反應性的，同時，該包覆層還具有防止出現(xiàn)瑕疵擴展的功能。
這種纖維1用鈦合金可潤濕的化合物4包覆，包覆后的纖維1就形成了包覆線絲。為此，如圖1所示，使用一種包覆設備5。該包覆設備介紹如下。
這種化合物4是按照物理化學的、機械的和工藝的要求來選擇的，而所述技術(shù)領域的專業(yè)人員在實施這種包覆時則必須遵守這些要求。這種化合物的放置位置應與液態(tài)鈦合金相接觸，高溫實施，形成包覆線絲的金屬護套，對陶瓷纖維形成了包覆。要特別注意如下一些要求-可被鈦潤濕的性能-保留陶瓷纖維的機械性能-長期、低成本使用為了滿足這些要求，并在這里所述的包覆線絲制備時，制備一種碳化鈦包覆層；該包覆層的厚度可以是例如100nm。這種化合物是纖維和金屬之間界面的主要成分，它是用先有技術(shù)的碳包覆層對陶瓷纖維進行鈦包覆的方法制備的。事實上，使用這種方法，纖維穿過鈦金屬槽時，后者與纖維表面的碳結(jié)合，在碳層和鈦層之間的界面處形成碳化鈦相。正是這個相的形成速率限制了纖維的可濕性。就纖維在金屬槽內(nèi)穿過的速度而言，如果碳化鈦沒有足夠時間成形時，纖維就不會被鈦合金充分潤濕，因為碳向金屬內(nèi)轉(zhuǎn)移受到了限制。通過提供一種碳化鈦包覆層，這種功能在某種程度上預期將會實現(xiàn)，從而使得鈦合金包覆纖維更加容易，因為碳化鈦是非常容易被鈦潤濕的。更確切的說，在液態(tài)鈦槽內(nèi)實施涂覆期間，出現(xiàn)的不是碳/液態(tài)鈦的相互作用，而是碳化鈦/液態(tài)鈦的相互作用，這是因為存在著化學平衡，然而，碳不能與鈦平衡。另外，碳化鈦是一種可使碳被鈦包覆的化合物，由于碳化鈦的形成，鈦只能潤濕碳。
這樣，由于可濕化合物4(此處系指碳化鈦)對纖維的包覆作用，隨后進行的鈦對纖維的包覆就可以得到提高，從而實現(xiàn)了高速生產(chǎn)，碳化鈦包覆的纖維可非常容易地被鈦潤濕。
這里所選擇的方法是采用反應性化學氣相沉積法(RCVD)對纖維進行碳化鈦包覆。這種反應性化學氣相沉積法(RCVD)包括在一個基質(zhì)上采用在氣態(tài)前體和固態(tài)基質(zhì)(此處系指碳)之間保持高溫，產(chǎn)生化學反應而沉積一個相。與常規(guī)的化學氣相沉積法不同的是，在基質(zhì)中包含了形成沉積物所必須的其中一個元素，因此，這種沉積法稱之為“反應性的”。氣相包括一個鈦前體，此處系指四氯化鈦TiCl4和一個載運氣體，此處系指氫。
如圖2所示，但前體接近受熱纖維1時，前體開始分解，表面上吸收的鈦與碳產(chǎn)生反應，形成碳化鈦4。在這個碳化鈦層4形成后，碳肯定在該層中擴散，從而與富鈦氣相接觸，這樣該層的形成速率就會隨著時間的推移而下降。
氣相11通過對流傳送到纖維1附近，在纖維1表面附近形成的一個氣相擴散區(qū)。在這個表面上，固態(tài)碳相擴散形成碳化鈦。
這種反應的整個公式是
采用這種方法沉積速率很高(103到104/min)。此外，也可以很容易控制沉積物的厚度、化學計算、形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)等。這種沉積物具有很高的純度，非常均勻，能夠很好地粘附在基質(zhì)上。此外，其動態(tài)特性使其可以納入工業(yè)生產(chǎn)線。
下面介紹圖1所示包覆設備5。
這種設備5包括放線車6，與機械制動裝置連接在一起，保持纖維1內(nèi)的恒定張力，另外還有收線車7。纖維1在放線車6和收線車7之間穿行。在從放線車6到收線車7之間穿行期間，纖維1連續(xù)穿過三個單元第一單元8用來清潔纖維，第二單元9用來涂覆可濕化合物，第三單元10用來冷卻。
第8、9、10單元，每個單元都分別有一個進氣口8′、9′、10′和一個出氣口8″、9″、10″，這是8、9、10單元工作所必需的。
清潔單元8輸入氫氣H2和氬氣Ar的氣體混合物。纖維1的外表面，也就是高溫碳覆層3的外表面，穿過單元8后，被這種氣體混合物所清潔。氫氣和氬氣的流速由旋轉(zhuǎn)流量計控制。
組成沉積反應器的包覆單元9通過起泡器12輸入氣相，該氣相包括前體和載體氣體。起泡器12包括一個裝有構(gòu)成前體物的四氯化鈦TiCl4液體混合物的腔室13。在該腔室中，充有構(gòu)成載體氣體的氫氣H2的管路14浸入其中，使得進入包覆單元9的氣相得以形成。管子14帶著四氯化鈦和氫氣相從腔室13中浮出，將四氯化鈦和氫氣相輸送到包覆單元9。起泡器12的溫度通過浸在金屬槽內(nèi)的電阻器15進行控制，含前體物的腔室13就浸入在金屬槽內(nèi)。氣相中前體物的濃度直接取決于起泡器中氫氣流速和氫氣的溫度設定值。關于這里所使用的低氫氣流速，在溫度設定值時，起泡器內(nèi)四氯化鈦的部分壓力被認為等同于飽和氣相壓力。根據(jù)示例，在溫度為25℃和60℃時，比率R＝[H2]/[TiCl4]分別等于59.6和14.2。
為了便于清潔纖維1并獲得良好的碳化鈦沉積物，纖維1在前兩個單元(即清潔單元8和包覆單元9)中通過焦耳效應進行加熱。為此，在清潔單元8和包覆單元9的端部裝有電極16、17、18，內(nèi)含有汞Hg和銦In的化合物，并加電。纖維1的溫度可以用光學高溫計來測量。
第三單元10包括一個氫氣H2的還原氣層，用來冷卻細絲，并可大大避免從包覆單元9流出的碳化鈦的氧化。
四種參數(shù)對碳化鈦沉積物的物理化學和形態(tài)特性產(chǎn)生特別強烈的影響。這些參數(shù)是纖維1的溫度T，特別是包覆單元9內(nèi)基質(zhì)的溫度，也就是說，包覆單元外表面的溫度；上面所述的比率R＝[H2]/[TiCl4]；包覆單元9的高度H；和纖維1在包覆設備15內(nèi)的穿過速度V。為了獲得良好質(zhì)量的沉積物，根據(jù)示例，已經(jīng)選擇的參數(shù)范圍如下，對于300毫米高的包覆單元和成形50到300nm厚的碳化鈦覆層(最好是大約100nm厚)，沉積時間在6到18秒之間-T在1080K到1650K之間，優(yōu)選1480K到1530K之間；-R在14.2到59.6之間；-H在50到500毫米之間-V在每分鐘1米到3米之間順便提一下，沉積物的厚度更多地取決于比例R，而不是氣相總流量，因此使用低氫氣流速(此處大約150cm3/分鐘)。
這樣，碳化鈦涂層表面粗糙程度出現(xiàn)微小的變化，從而有利于鈦對其進行潤濕，實現(xiàn)鈦對纖維的高速包覆，因為潤濕所需要的時間很短。
帶有鈦可潤濕化合物4的涂層的纖維1然后用鈦包覆，形成了制備金屬基復合材料所必須的包覆線絲。這樣，包覆纖維1就被輸送到液態(tài)鈦合金輸送供給端，最好按照EP 0 931 846號發(fā)明專利的所述方法進行。由于金屬基復合材料可潤濕化合物提供的纖維覆層，此處系指鈦可潤濕碳化鈦，纖維1迅速全面滲入液態(tài)金屬供給端，并最好是用鈦潤濕，因為鈦完全環(huán)繞在纖維1的四周。在所獲得的包覆線絲中，纖維1相對于均勻沉積在其表面上的鈦護套來講處于中心位置。由于鈦對碳化鈦具有很高的可潤濕性，纖維1的鈦覆層不僅可以實現(xiàn)高均勻性，而且在纖維高速穿過時，一般每秒3米時也可進行包覆。在先有技術(shù)中，這種速度受到中間相成形時間的限制，在本案例下是碳化鈦。這樣，就獲得了一個厚的均勻的金屬護套，盡管存在著金屬(此處是指鈦合金)的高熔點和與纖維的高反應性。纖維1還可以受到可濕化合物4覆層的保護，防止出現(xiàn)化學侵蝕。這種方法的實施成本低，可以大批量進行。
如果增加金屬易于潤濕的化合物覆層，該方法的性能還可以進一步提高，從而增加第一道可濕化合物覆層的效果。在此處所述的有關碳化鈦覆層的具體實施方案中，例如可以增加一道錫覆層。這個覆層只要使用液態(tài)沉積方法就可以獲得。
該發(fā)明方法根據(jù)反應性化學氣相沉積法(RCVD)進行了介紹，但是，不用說，任何其它類型的沉積方法都能予以考慮，特別是標準的化學氣相沉積法。
此外，按照另一個實施方案，二氧化鈦TiB2可作為鈦可潤濕的化合物用來包覆纖維1。
權(quán)利要求
1.采用液體技術(shù)對纖維進行金屬包覆的方法，按照這種方法，纖維用與金屬形成擴散勢壘的材料包覆，而后在液態(tài)金屬槽內(nèi)拖拉穿過，從而被金屬包覆，其特征在于，在纖維進入液態(tài)金屬槽前，纖維用金屬可潤濕的化合物包覆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由于金屬包覆纖維涉及到在勢壘成形材料和金屬之間的中間化合物的制備成形，纖維應采用中間化合物進行預包覆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，這種纖維是一種陶瓷纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，這種纖維是一種碳化硅纖維，包覆了一層勢壘成形高溫碳或碳，而這種金屬則是一種鈦合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的方法，其特征在于，鈦可潤濕的化合物是一種碳化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的方法，其特征在于，鈦可潤濕的化合物是二氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，纖維是通過反應性化學氣相沉積法用碳化鈦進行包覆的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在應用反應性化學氣相沉積法時，氫氣載體氣體中使用了一種四氯化鈦前體物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，50至300nm厚(最好大約100nm厚)的碳化鈦覆層的成形，按照下列參數(shù)進行沉積-纖維溫度在1080K至1650K，最好在1480K至1530K之間；-氫濃度與四氯化鈦濃度之比是在14.2至58.6之間；-纖維穿過速度在每分鐘1米至3米之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9其中一個要求所述的方法，其特征在于，增加一道包覆步驟，即纖維在用金屬包覆前，用一種二次可濕化合物進行包覆。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，二次化合物材料是錫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用液體技術(shù)進行纖維的金屬包覆方法，其特征在于，纖維用與金屬形成擴散勢壘的材料包覆后，在液態(tài)金屬槽內(nèi)拖拉穿過，從而被金屬包覆。該方法的特征在于，纖維在進入液態(tài)金屬槽前，用金屬可潤濕的化合物包覆。由于使用了化合物，方便了纖維的金屬包覆，形成金屬可潤濕的界面。
文檔編號C23C16/32GK1944714SQ20061014001
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月5日
發(fā)明者讓-邁克爾·帕垂克·莫里斯·弗朗徹特, 讓-弗朗西斯·弗勞曼汀, 讓-邁克爾·凱內(nèi)桑, 卡里納·杜道, 科琳娜·阿維厄, 皮埃爾·埃里克·弗雷西納 申請人:斯奈克瑪, 國家科研中心