專利名稱：一種Ti－TiAl的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)，具體地說(shuō)是一種Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，人們對(duì)材料性能的要求日益增高，在某些工況條件下單一組元材料的性能已經(jīng)很難滿足要求。因此，研究和制備新型復(fù)合材料成了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的發(fā)展方向。層狀金屬?gòu)?fù)合板是由兩種性能不同的金屬板通過(guò)特殊的加工制備方法復(fù)合而成的，與單一金屬組元相比，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)組合后的層狀復(fù)合板結(jié)合了兩種金屬組元各自的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得單一金屬所不具有的物理和化學(xué)性能。近幾十年來(lái)，層狀金屬?gòu)?fù)合板的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用越來(lái)越引起人們的關(guān)注，成了世界各國(guó)競(jìng)相研制的新型材料。到目前為止，這種復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天、石油、化工、冶金、機(jī)械、汽車、輪船、建筑、核能以及電力和電子等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。層狀金屬?gòu)?fù)合材料的成形方法主要有以下兩種方法1.爆炸焊接復(fù)合法。金屬爆炸焊接是借助炸藥爆炸產(chǎn)生的高強(qiáng)化學(xué)能驅(qū)動(dòng)復(fù)板高速碰撞基板，碰撞點(diǎn)產(chǎn)生的瞬間高壓不僅破壞了金屬板表層的氧化薄膜，露出了新鮮的表面，而且在露出新鮮金屬表面上形成了一薄層具有塑性變形、熔化、擴(kuò)散以及波形特征的焊接過(guò)渡區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固結(jié)合的一種金屬焊接的新工藝和新技術(shù)。根據(jù)復(fù)板和基板安裝形式不同，爆炸焊接可分為平行法和角度法。平行法安裝時(shí)，復(fù)板與基板處于平行，間隙保持不變；角度法則是復(fù)板與基板之間成一定角度安裝。爆炸焊接復(fù)合法與其它方法的區(qū)別在于(1)高壓；(2)高的應(yīng)變速率；(3)作用載荷的局部性和移動(dòng)性；(4)復(fù)合板復(fù)合界面呈現(xiàn)波狀結(jié)合；(5)不受材料熔點(diǎn)、塑性相差懸殊的限制，而且復(fù)合尺寸規(guī)格靈活性很大。
2、軋制復(fù)合法。軋制復(fù)合法的基本原理是指金屬板在受到軋機(jī)施加于其上強(qiáng)大壓力的作用下，在兩層金屬的待復(fù)合表面發(fā)生塑性變形，使表面金屬層破裂。隨后，潔凈而活化的金屬層從破裂的金屬表面露出，在強(qiáng)大壓力作用下，形成平面狀的冶金結(jié)合。在后續(xù)的熱處理過(guò)程中結(jié)合面繼續(xù)擴(kuò)大，形成穩(wěn)固結(jié)合。軋制復(fù)合與單金屬板軋制的根本區(qū)別在于，必須施以大的初始道次壓下量，促使復(fù)合面的物理接觸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)制備由韌性金屬和硬脆的金屬間化合物交替疊層連接而成的層狀復(fù)合材料，并利用反應(yīng)擴(kuò)散的作用達(dá)到良好的界面結(jié)合。為了解決冷軋過(guò)程中出現(xiàn)的Ti/Al界面結(jié)合不良和隨后的真空熱處理過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)合板材分層開(kāi)裂的問(wèn)題。本發(fā)明提出了新的復(fù)合工藝-累積熱軋復(fù)合，這種新方法相對(duì)于傳統(tǒng)粗晶金屬材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，例如高強(qiáng)度和高韌性。累積疊軋法具有實(shí)際意義，它通過(guò)普通的軋制過(guò)程就能實(shí)現(xiàn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，將Ti箔和Al箔經(jīng)過(guò)表面處理后交替疊層放置制得熱軋?jiān)嚇?，試樣采用純鈦板包套軋制，試樣?50-950℃下，保溫時(shí)間5-15分鐘后進(jìn)行熱軋，獲得Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料。
所述表面處理是先用有機(jī)溶劑擦洗Ti箔和Al箔表面，再將Ti箔和Al箔分別進(jìn)行酸洗或堿洗。
將經(jīng)過(guò)表面處理的Ti箔和Al箔切割成小片，然后交替疊層放置，共計(jì)11-31層，其中最上端和最下端皆為Ti箔或Al箔，再在外面包裹一層Al箔或Ti箔，備用。
試樣采用純鈦板包套后，包套采用氬弧焊密封。
所述熱軋溫度范圍750-950℃，加熱速率10-20℃/min，軋制速度0.2-0.5m/s，熱軋后空冷。
所述Ti箔和Al箔的厚度分別為220μm和210μm，交替疊層11-31層情況下，Ti層和TiAl3層的厚度分別為80μm-100μm和70μm-90μm。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用本發(fā)明可以一次性完成復(fù)合材料的制備，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易行，成本低。
2.本發(fā)明制備過(guò)程無(wú)污染，復(fù)合材料界面結(jié)合良好。
3.本發(fā)明層狀復(fù)合材料的厚度可以方便地通過(guò)調(diào)整Ti箔和Al箔交替疊層的數(shù)目或原材料本身的厚度而得到不同厚度的層狀復(fù)合材料。


圖1(a)-(b)為熱軋復(fù)合工藝的示意圖。其中，(a)為Ti箔和Al箔交替疊層放置，并用純鈦包套；(b)為Ti箔和Al箔經(jīng)包套后，進(jìn)行熱軋復(fù)合。圖中，1、包套；2、Ti層；3、Al層；4、加熱爐；5、Ti/Al交替疊層；6、軋輥。
圖2為軋制前包套的實(shí)物相片。
圖3為實(shí)施例1中制備試樣的掃描電鏡背反射照片。
圖4為實(shí)施例3中軋制后包套的實(shí)物相片。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用熱軋復(fù)合法制備Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)原材料為Ti箔(TAl)和Al箔(L3)，經(jīng)過(guò)表面清潔處理后將Ti箔和Al箔交替疊層放置共計(jì)11-31層制得熱軋?jiān)嚇?，試樣采用純鈦板包套軋制，熱軋溫度范圍?50-950℃。保溫時(shí)間不同的試樣經(jīng)過(guò)熱軋后即可獲得Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料。具體可按如下步驟進(jìn)行1)原材料的表面(清潔)處理。首先取原材料為Ti箔和Al箔，用有機(jī)溶劑(如石油醚、丙酮或甲醇等)擦洗Ti箔和Al箔表面；再將Ti箔和Al箔分別進(jìn)行酸洗或堿洗；所述酸洗是對(duì)Ti箔使用濃度為5-15％HNO3水溶液酸洗10-20min，再用清水沖洗干凈，吹干。
所述堿洗是對(duì)Al箔使用溫度為30-50℃、濃度為5-20％的NaOH水溶液堿洗10-30min后取出，用清水沖洗干凈，再置于20-40％的稀硝酸溶液中進(jìn)行5-10min光化處理以中和余堿，避免堿液繼續(xù)腐蝕Al基體，然后用清水沖洗干凈，吹干。
2)將所述Ti箔和Al箔切割成小片，然后交替疊層放置，其中最上端和最下端皆為Ti箔或Al箔，(為防止箔片散開(kāi))可再在外面包裹一層Al箔或Ti箔，備用；3)將2)中準(zhǔn)備好的試樣采用純鈦板包套，包套采用氬弧焊密封。
4)將密封包套加熱到所需溫度在軋機(jī)上進(jìn)行包套軋制。
5)在750-950℃下保溫5-15分鐘的試樣經(jīng)過(guò)熱軋后，得到復(fù)合材料。
本發(fā)明表面處理過(guò)的Ti箔和Al箔立即密封在純鈦包套中，采用冷熱兩用軋機(jī)進(jìn)行包套熱軋，到達(dá)設(shè)定軋制溫度時(shí)開(kāi)始送料，軋制溫度750-950℃，加熱速率(即升溫速度)10-20℃/min，軋制速度0.2-0.5m/s，熱軋后空冷。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖詳述本發(fā)明。
如圖1(a)、圖2所示，純鈦包套由包套1以及包套1內(nèi)交替疊層放置的Ti層2、Al層3構(gòu)成；如圖1(b)所示，熱軋?jiān)O(shè)備主要包括加熱爐4、軋輥6等，Ti/Al交替疊層5置于加熱爐4內(nèi)。
實(shí)施例1取Ti箔和Al箔為原材料，先經(jīng)表面(清潔)處理，再將Ti箔和Al箔交替疊層放置，用氬弧焊密封在純鈦包套中。具體可按如下步驟進(jìn)行1)原材料的表面處理原材料為Ti箔(TAl)和Al箔(L3)，原始厚度分別為220μm和210μm，首先，用石油醚擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；再對(duì)Al箔用溫度為50℃，濃度為10％的NaOH水溶液堿洗10min后取出，用清水沖洗5min，再置于30％的稀硝酸溶液中進(jìn)行5min光化處理以中和余堿，避免堿液繼續(xù)腐蝕Al基體，再用清水沖洗干凈，吹干；對(duì)Ti箔用10％HNO3-HF水溶液酸洗15min，用清水沖洗5min，吹干；經(jīng)表面處理后的Ti箔厚度約為210μm，Al箔厚度約為200μm；2)將表面處理過(guò)的金屬箔片切割成75mm×40mm的長(zhǎng)方形小片，將切割好的Ti箔和Al箔交替疊層放置共21層，其中最上端和最下端皆為Ti箔，為防止箔片散開(kāi)可在外面包裹一層Al箔，制成試樣備用；3)表面處理過(guò)的Ti箔和Al箔立即密封在純鈦包套中，采用冷熱兩用軋機(jī)進(jìn)行包套熱軋，到達(dá)設(shè)定軋制溫度時(shí)，保溫5分鐘，開(kāi)始送料。本實(shí)施例熱軋溫度設(shè)定為950℃，升溫速度為15℃/min，軋制速度0.5m/s。
其結(jié)果從圖3中可以看到，經(jīng)過(guò)950℃熱軋后制備出由韌性金屬和硬脆的金屬間化合物交替疊層連接而成的層狀復(fù)合材料Ti-TiAl3；圖中灰色為Ti，灰黑色顆粒為TiAl3相，少量的黑色為殘留的韌性Al基體。Ti層和TiAl3層的厚度分別為100μm和90μm。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于1)用石油醚擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；對(duì)Al箔用溫度為30℃，濃度為20％的NaOH水溶液堿洗20min后取出，用清水沖洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中進(jìn)行光化處理10min，再用清水沖洗干凈，吹干；對(duì)Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過(guò)的金屬箔片交替疊層放置共17層，其中最上端和最下端皆為Al箔；為防止箔片散開(kāi)可在外面包裹一層Ti箔，制成試樣備用；3)表面處理過(guò)的Ti箔和Al箔立即密封在純鈦包套中，采用冷熱兩用軋機(jī)進(jìn)行包套熱軋，到達(dá)設(shè)定軋制溫度時(shí)，保溫15分鐘，開(kāi)始送料。本實(shí)施例熱軋溫度設(shè)定為750℃，加熱速率10℃/min，軋制速度0.2m/s。Ti層和TiAl3層的厚度分別為80μm和70μm。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用溫度為30℃，濃度為20％的NaOH水溶液堿洗20min后取出，用清水沖洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中進(jìn)行光化處理10min，再用清水沖洗干凈，吹干；Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過(guò)的金屬箔片交替疊層放置共31層，其中最上端和最下端皆為Al箔；為防止箔片散開(kāi)可在外面包裹一層Ti箔，制成試樣備用；3)表面處理過(guò)的Ti箔和Al箔立即密封在純鈦包套中，采用冷熱兩用軋機(jī)進(jìn)行包套熱軋，到達(dá)設(shè)定軋制溫度時(shí)，保溫10分鐘，開(kāi)始送料。本實(shí)施例熱軋溫度設(shè)定為850℃，加熱速率20℃/min，軋制速度0.3m/s。Ti層和TiAl3層的厚度分別為90μm和80μm。
圖4為實(shí)施例3中軋制后包套的實(shí)物相片，從圖中可以看到包套的板形平整，變形均勻，材料復(fù)合良好。
權(quán)利要求
1.一種Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將Ti箔和Al箔經(jīng)過(guò)表面處理后交替疊層放置制得熱軋?jiān)嚇樱嚇硬捎眉冣伆灏总堉?，試樣?50-950℃下，保溫時(shí)間5-15分鐘后進(jìn)行熱軋，獲得Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于表面處理是先用有機(jī)溶劑擦洗Ti箔和Al箔表面，再將Ti箔和Al箔分別進(jìn)行酸洗或堿洗。
3.按照權(quán)利要求1所述的Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將經(jīng)過(guò)表面處理的Ti箔和Al箔切割成小片，然后交替疊層放置，共計(jì)11-31層，其中最上端和最下端皆為Ti箔或Al箔，再在外面包裹一層Al箔或Ti箔，備用。
4.按照權(quán)利要求1所述的Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于試樣采用純鈦板包套后，包套采用氬弧焊密封。
5.按照權(quán)利要求1所述的Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于熱軋溫度范圍750-950℃，加熱速率10-20℃/min，軋制速度0.2-0.5m/s，熱軋后空冷。
6.按照權(quán)利要求1所述的Ti-TiAl3金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于Ti箔和Al箔的厚度分別為220μm和210μm，交替疊層11-31層情況下，Ti層和TiAl3層的厚度分別為80μm-100μm和70μm-90μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)，具體地說(shuō)是一種Ti－TiAl
文檔編號(hào)B21B47/00GK1883834SQ200510046728
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者徐磊, 崔玉友, 楊銳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所