本發(fā)明屬于復(fù)合板制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種薄鉭覆層新型鈦/鉭復(fù)合板的制備方法。

背景技術(shù)：

鈦及其合金具有密度小，比強度高，耐腐蝕性好，高溫力學(xué)性能好等優(yōu)良的綜合性能，是一種非常具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。在航空航天、船舶、生物醫(yī)療、化學(xué)化工、體育器械等領(lǐng)域都具有十分廣泛的應(yīng)用。

雖然，鈦合金在上述領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值，但是在一些特殊環(huán)境下，鈦合金也有自身性能的不足。例如，由鈦合金制備的閥門、管道和容器等在高強酸環(huán)境下會慢慢發(fā)生酸性腐蝕(即使鈦合金具有較好的耐腐蝕能力，但是長期處于酸性環(huán)境下，還是會被腐蝕)，所以對于一些特殊構(gòu)件的鈦合金材料需要更強的耐腐蝕能力。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，全髖或者全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中應(yīng)用的鈦合金人工關(guān)節(jié)，在人體復(fù)雜的體液環(huán)境中會緩慢發(fā)生腐蝕，使年輕患者面臨二次關(guān)節(jié)翻修手術(shù)的風(fēng)險。所以，提高鈦合金的耐腐蝕能力，使其更好的為人類服務(wù)，就顯得尤為重要。

鉭是一種高熔點、低膨脹系數(shù)的稀有金屬，具有非常優(yōu)異的耐蝕性能。鉭在150℃以下，除了氫氟酸、發(fā)煙硫酸、苛性鈉以外，幾乎對于所有的腐蝕液體和氣體都具有非常好的耐腐蝕能力。同時，鉭還具有很高的強度，優(yōu)良的加工性能和導(dǎo)熱性能，因而適合用作高溫結(jié)構(gòu)材料和耐腐蝕性重要部件。例如，鉭制熱交換器，襯鉭高壓釜，鉭制泵、閥門等。

在化工和核工業(yè)領(lǐng)域，鉭作為高耐腐蝕材料得到了廣泛關(guān)注。除此之外，鉭在生物醫(yī)療領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景，由于其優(yōu)異的生物相容性、高耐蝕性能和易加工成型等特點，鉭作為一種安全可靠的金屬植入材料，在人工關(guān)節(jié)、骨外科、脊柱外科等領(lǐng)也得到了大量應(yīng)用。例如，美國zimmer公司生產(chǎn)的多孔鉭棒，在治療早期股骨頭壞死方面取得了非常不錯的效果，我國也在2008年將其引入了國內(nèi)市場。

盡管鉭有不少優(yōu)異的性能，由于其在地殼中含量少，提煉難度大，導(dǎo)致其價格昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用。如何在利用鉭優(yōu)異性能的同時減少鉭的用量，成了科學(xué)家們關(guān)注的一個研究領(lǐng)域。

公開號為cn104790016a的中國專利申請?zhí)岢隽艘环N利用微弧氧化技術(shù)在鈦合金表面制備陶瓷層的方法，用于提高鈦合金的耐腐蝕能力。該方法制備的陶瓷層雖然具有較強的耐腐蝕能力，但由于陶瓷本身硬脆的特點，使得陶瓷層容易脫落、破碎，如果將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)較為精密和復(fù)雜的耐蝕性閥門、管道、容器，其加工成型性也難以實現(xiàn)。南京航空航天大學(xué)的宣偉等人(宣偉,張平則,黃俊.純鈦表面滲鉭改性層在硫酸中的耐腐蝕性能[j].機械工程材料,2010,34(9):50-53.)采用雙層輝光等離子體滲金屬技術(shù)對純鈦表面滲鉭，實驗結(jié)果表明經(jīng)過滲鉭，極大提高了鈦的耐酸腐蝕能力。但是，采用該技術(shù)滲鉭后的改性層很薄只有15um，在長期酸性腐蝕環(huán)境下，仍然不能滿足工業(yè)要求。另外，采用離子注入、磁控濺射、多弧離子鍍等表面技術(shù)在鈦表面進行鉭改性時，均存在改性層過薄或者結(jié)合強度低的問題。

因此，需要開發(fā)一種鈦、鉭復(fù)合新材料及其工業(yè)化的制備方法，使得鈦和鉭的結(jié)合緊密，并且鉭層厚度合理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種新型鈦/鉭復(fù)合板的制備方法及其產(chǎn)品，其目的在于，通過對鈦合金板和純鉭板組裝成的軋坯進行熱軋，獲得鈦和鉭冶金結(jié)合的復(fù)合板，本發(fā)明方法首次提出了通過熱軋的方式將鈦和鉭兩種材料復(fù)合到一起，該制備方法工藝簡便，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，并且復(fù)合板的結(jié)合牢固，可工業(yè)化應(yīng)用。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種鈦/鉭復(fù)合板的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

s1：采用機械法對鈦合金板和純鉭板進行打磨，去除表面氧化層和油污，然后依次采用有機溶劑和去離子水執(zhí)行超聲清洗；

s2：將經(jīng)步驟s1獲得的鈦合金板和純鉭板組裝成軋坯；

s3：對經(jīng)步驟s2獲得的軋坯加熱至950℃～1050℃，保溫20min～40min，加熱和保溫過程中均進行惰性氣氛保護；

s4：將保溫結(jié)束后的軋坯進行單道次或多道次軋制，空冷后獲得復(fù)合板，根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)初始鉭板厚度和軋制壓下量，鉭層厚度可控制在0.1mm～2mm。軋制過程中，鈦合金板與軋制壓頭之間、純鉭板與軋制壓頭之間均添加一層石墨片，所述石墨片作為潤滑層，可保證軋制的表面質(zhì)量；

s5：將步驟s4獲得的所述復(fù)合板在溫度700℃～800℃的條件下進行熱處理，熱處理時間為30min～60min，然后空冷至室溫；

s6：利用超聲波對經(jīng)步驟s5獲得的復(fù)合板進行無損探傷，對無損檢測合格后的復(fù)合板校平，切除邊緣溢出鈦合金，獲得鈦/鉭復(fù)合板。

進一步的，步驟s2中，組裝方式為：將鈦合金板和純鉭板進行貼合，在側(cè)面結(jié)合處進行激光點焊或利用高級氬焊tig精密焊補機在側(cè)面貼合處進行點焊。所述激光點焊設(shè)備可為ylr-4000光纖激光器，點焊參數(shù)可為：焊接功率3.5kw，焊接時間150ms，保護氣體流量35l/min。

進一步的，步驟s3中，升溫速率為120℃/min，惰性保護氣體為氬氣。

進一步的，步驟s1中，所述鈦合金板為tc4鈦合金板。

進一步的，步驟s4中，多道次軋制總變形率為40％～80％，第一道次變形率不低于30％。其中，總變形率是指軋制時復(fù)合板總壓下量占原始厚度的比例，第一道次變形率是指第一次軋制時復(fù)合板壓下量占原始厚度的比例。

進一步的，步驟s1中所述有機溶劑為丙酮和乙醇。

按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種如上所述方法制備獲得的鈦/鉭復(fù)合板，通過調(diào)節(jié)鉭板初始厚度和軋制壓下量，該鈦/鉭復(fù)合板中鉭層的厚度可控制在0.1mm～2mm。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

本發(fā)明方法采用熱軋方式將鈦和鉭兩種材料復(fù)合到一起，尤其地，熱軋過程中，需要采用機械法對鈦合金板和純鉭板進行打磨和清洗，然后組裝成軋坯，將軋壞加熱并保溫一段時間，才能保證熱軋后鉭板和鈦板的冶金結(jié)合效果，軋制過程中，鈦合金板與軋制壓頭之間、純鉭板與軋制壓頭之間均添加一層石墨片，可保證軋制的表面質(zhì)量。該制備方法工藝簡便，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，并且復(fù)合板的結(jié)合牢固，可工業(yè)化應(yīng)用。

按照本發(fā)明方法制備出的鈦/鉭復(fù)合板由于鉭層厚度可控制在零點幾毫米到幾十毫米，其鉭層較薄，在利用鉭優(yōu)異性能的同時，能減少鉭的用量，降低產(chǎn)品成本，并且鉭層與鈦基體形成牢固冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，能顯著增強了鈦合金的耐腐蝕能力，本發(fā)明提出的具有薄鉭覆層的鈦/鉭復(fù)合板具有很大的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中復(fù)合板制備方法流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中鉭板和鈦合金板組裝成軋坯的結(jié)構(gòu)示意圖，其中的黑色原點為焊接點，灰色的部分為鉭板，白色部分為鈦合金板；

圖3是本發(fā)明實施例中軋坯軋制過程示意圖，其中，灰色部分為鉭板，白色部分為鈦合金板，其中，軋坯原始厚度為6mm，軋制后厚度為4mm；

圖4是本發(fā)明實施例復(fù)合板中在結(jié)合處的顯微組織結(jié)構(gòu)示意圖，其中，中間層位冶金結(jié)合過渡層，右邊為鈦合金層，左邊為鉭層。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

目前，國內(nèi)制備復(fù)合板的方法主要有兩種：一種是爆炸焊接法，一種是熱軋法。爆炸焊接法就是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量作為能源，使兩種金屬之間產(chǎn)生固相結(jié)合的一種方法。公開號為cn103586641a的中國專利中提出了一種過硫酸銨用鈦鉭鉑復(fù)合板材的制備方法，該專利中采用爆炸復(fù)合的方式得到了鈦鉭復(fù)合板，經(jīng)過壓延軋制，然后再利用滾焊機將鉑箔條滾焊在鈦鉭復(fù)合板的鉭板表面得到鈦鉭鉑復(fù)合板材。爆炸焊接法得到的復(fù)合板質(zhì)量不穩(wěn)定，有時同一復(fù)合板的不同區(qū)域結(jié)合性能也存在較大差異，其次爆炸焊接法適合生產(chǎn)規(guī)格較大、厚度較厚的復(fù)合板，很難制備幾個毫米的復(fù)合薄板，無法有效降低鉭的用量，從而無法控制產(chǎn)品的成本。此外，爆炸焊接還存在噪音和沖擊波污染，不利于環(huán)保。

熱軋法一般是在真空狀態(tài)或者氣氛保護下，采用軋制復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)復(fù)合板的一種新型工藝。東北大學(xué)的王光磊等人(王光磊,駱宗安,謝廣明,等.加熱溫度對熱軋復(fù)合鈦/不銹鋼板結(jié)合性能的影響[j].稀有金屬材料與工程,2013,42(2):387-391.)利用熱模擬的方法，研究了鈦和不銹鋼的熱軋工藝，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)850℃進行熱軋復(fù)合實驗，復(fù)合板的剪切強度可以達到215mpa。

本發(fā)明針對鈦合金耐腐蝕性不足和鉭價格昂貴的問題，提出了一種新型鈦/鉭復(fù)合板的制備方法。本發(fā)明的原理在于：β-ti和ta能形成無限互溶固溶體，熱軋后無脆性金屬間化合物生成，兩者之間形成冶金結(jié)合過渡層，結(jié)合牢固穩(wěn)定。

圖1是本發(fā)明實施例中復(fù)合板制備方法流程示意圖，由圖可知，本發(fā)明提出的一種鈦/鉭復(fù)合板的制備方法包括如下步驟：

s1：采用機械法對鈦合金板和純鉭板進行打磨，去除表面氧化層和油污，然后依次采用有機溶劑和去離子水執(zhí)行超聲清洗；所述鈦合金板優(yōu)選為tc4鈦合金板。所述有機溶劑為丙酮和乙醇。

s2：將經(jīng)步驟s1獲得的鈦合金板和純鉭板組裝成軋坯，組裝方式為：將鈦合金板和純鉭板進行貼合，在側(cè)面結(jié)合處進行激光點焊或利用高級氬焊tig精密焊補機在側(cè)面貼合處進行點焊。所述激光點焊設(shè)備可為ylr-4000光纖激光器，點焊參數(shù)可為：焊接功率3.5kw，焊接時間150ms，保護氣體流量35l/min。

s3：對經(jīng)步驟s2獲得的軋坯加熱至950℃～1050℃，保溫20min～40min，加熱和保溫過程中均進行惰性氣氛保護；加熱過程中升溫速率為120℃/min，惰性保護氣體為氬氣。

s4：將保溫結(jié)束后的軋坯進行單道次或多道次軋制，空冷后獲得復(fù)合板，根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)初始鉭板厚度和軋制壓下量，鉭層厚度可控制在0.1mm～2mm。軋制過程中，鈦合金板與軋制壓頭之間、純鉭板與軋制壓頭之間均添加一層石墨片，所述石墨片作為潤滑層，可保證軋制的表面質(zhì)量；多道次軋制總變形率為40％～80％，第一道次變形率不低于30％。

s5：將步驟s4獲得的所述復(fù)合板在溫度700℃～800℃的條件下進行熱處理，熱處理時間為30min～60min，然后空冷至室溫。

s6：利用超聲波對經(jīng)步驟s5獲得的復(fù)合板進行無損探傷，對無損檢測合格后的復(fù)合板校平，切除邊緣溢出鈦合金，獲得鈦/鉭復(fù)合板。

以上方法中，以鈦及其合金作為基材，將薄鉭板作為覆層材料制備成鈦/鉭復(fù)合板，具有以下優(yōu)勢：1、顯著增強了鈦合金的耐腐蝕能力；2、鉭層厚度可控制在零點幾毫米到幾十毫米；3、鉭層與鈦基體形成牢固冶金結(jié)合，結(jié)合強度高；4、利用鉭優(yōu)異性能的同時，減少鉭的用量，降低產(chǎn)品成本。因此，本發(fā)明提出的具有薄鉭覆層的1鈦/鉭復(fù)合板將具有很大的應(yīng)用前景。

圖2是本發(fā)明實施例中鉭板和鈦合金板組裝成軋坯的結(jié)構(gòu)示意圖，其中的黑色原點為焊接點，灰色的部分為鉭板，白色部分為鈦合金板；

圖3是本發(fā)明實施例中軋坯軋制過程示意圖，其中，灰色部分為鉭板，白色部分為鈦合金板，其中，軋坯原始厚度為6mm，軋制后厚度為4mm；

為進一步闡述本發(fā)明方法，下面結(jié)合具體實施例進一步說明。

實施例1

s1：選用長度100mm×寬度100mm×厚度4mm的tc4鈦合金板和長度100mm×寬度100mm×厚度1mm的純鉭板，采用機械法對兩種板材進行打磨，去除表面氧化層和油污，然后依次在有機溶劑乙醇和去離子水中進行超聲清洗；

s2：將上述步驟s1清洗后的鈦合金板和純鉭板組裝成軋坯，組裝方式為：將鈦合金板和純鉭板進行貼合，在側(cè)面貼合處進行激光點焊或利用tig精密焊補機在側(cè)面貼合處進行點焊。激光點焊設(shè)備為ylr-4000光纖激光器，點焊參數(shù)為焊接功率3.5kw，焊接時間150ms，保護氣體流量35l/min；

s3：將步驟s2組裝好的軋坯以120℃/min的升溫速率加熱至950℃，保溫30min，加熱和保溫過程中進行氬氣氣氛保護；

s4：將保溫結(jié)束后的軋坯進行變形率為30％的單道次軋制，空冷后得到復(fù)合板；

s5：將步驟s4所述復(fù)合板在溫度800℃的條件下進行熱處理50min，氬氣氣氛保護，然后空冷至室溫；

s6：利用超聲波對軋制后的鈦/鉭復(fù)合板進行無損探傷；將無損檢測后合格的復(fù)合板校平，切除邊緣溢出鈦合金，得到鉭層厚度在0.5mm以下的鈦/鉭復(fù)合板。

圖4是本發(fā)明實施例復(fù)合板中在結(jié)合處的顯微組織結(jié)構(gòu)示意圖，其中，中間層位冶金結(jié)合過渡層，右邊為鈦合金層，左邊為鉭層，由圖可知，本發(fā)明方法制備的鉭鈦復(fù)合板結(jié)合牢固。

實施例2

s1：選用長度100mm×寬度100mm×厚度4mm的tc4鈦合金板和長度100mm×寬度100mm×厚度2mm的純鉭板，采用機械法對兩種板材進行打磨，去除表面氧化層和油污，然后依次在有機溶劑丙酮和去離子水中進行超聲清洗；

s2：將上述步驟s1清洗后的鈦合金板和純鉭板組裝成軋坯，組裝方式為：將鈦合金板和純鉭板進行貼合，在側(cè)面貼合處進行激光點焊或利用tig精密焊補機在側(cè)面貼合處進行點焊。激光點焊設(shè)備為ylr-4000光纖激光器，點焊參數(shù)為焊接功率3.5kw，焊接時間150ms，保護氣體流量35l/min；

s3：將步驟s2組裝好的軋坯以120℃/min的升溫速率加熱至1050℃，保溫20min，加熱和保溫過程中進行氬氣氣氛保護；

s4：將保溫結(jié)束后的軋坯進行總變形率為40％的多道次軋制，第一道次的變形率為30％，空冷后得到復(fù)合板；

s5：將步驟s4所述復(fù)合板在溫度700℃的條件下進行熱處理30min，氬氣氣氛保護，然后空冷至室溫；

s6：利用超聲波對軋制后的鈦/鉭復(fù)合板進行無損探傷；將無損檢測后合格的復(fù)合板校平，切除邊緣溢出鈦合金，得到鉭層厚度在0.8mm以下的鈦/鉭復(fù)合板。

實施例3

s1：選用長度500mm×寬度500mm×厚度4mm的tc4鈦合金板和長度500mm×寬度500mm×厚度4mm的純鉭板，采用機械法對兩種板材進行打磨，去除表面氧化層和油污，然后依次在有機溶劑和去離子水中進行超聲清洗；

s2：將上述步驟s1清洗后的鈦合金板和純鉭板組裝成軋坯，組裝方式為：將鈦合金板和純鉭板進行貼合，在側(cè)面貼合處進行激光點焊或利用tig精密焊補機在側(cè)面貼合處進行點焊。激光點焊設(shè)備為ylr-4000光纖激光器，點焊參數(shù)為焊接功率3.5kw，焊接時間150ms，保護氣體流量35l/min；

s3：將步驟s2組裝好的軋坯以120℃/min的升溫速率加熱至1000℃，保溫40min，加熱和保溫過程中進行氬氣氣氛保護；

s4：將保溫結(jié)束后的軋坯進行總變形率為80％的多道次軋制，第一道次的變形量為30％，空冷后得到復(fù)合板；

s5：將步驟s4所述復(fù)合板在溫度750℃的條件下進行熱處理45min，氬氣氣氛保護，然后空冷至室溫；

s6：利用超聲波對軋制后的鈦/鉭復(fù)合板進行無損探傷；將無損檢測后合格的復(fù)合板校平，切除邊緣溢出鈦合金，得到鉭層厚度在2mm以下的鈦/鉭復(fù)合板。

實施例4

s1：選用長度500mm×寬度500mm×厚度4mm的tc4鈦合金板和長度500mm×寬度500mm×厚度1mm的純鉭板，采用機械法對兩種板材進行打磨，去除表面氧化層和油污，然后依次在有機溶劑和去離子水中進行超聲清洗；

s2：將上述步驟s1清洗后的鈦合金板和純鉭板組裝成軋坯，組裝方式為：將鈦合金板和純鉭板進行貼合，在側(cè)面貼合處進行激光點焊或利用tig精密焊補機在側(cè)面貼合處進行點焊。激光點焊設(shè)備為ylr-4000光纖激光器，點焊參數(shù)為焊接功率3.5kw，焊接時間150ms，保護氣體流量35l/min；

s3：將步驟s2組裝好的軋坯以120℃/min的升溫速率加熱至980℃，保溫30min，加熱和保溫過程中進行氬氣氣氛保護；

s4：將保溫結(jié)束后的軋坯進行總變形率為80％的多道次軋制，第一道次的變形量為30％，空冷后得到復(fù)合板；

s5：將步驟s4所述復(fù)合板在溫度800℃的條件下進行熱處理45min，氬氣氣氛保護，然后空冷至室溫；

s6：利用超聲波對軋制后的鈦/鉭復(fù)合板進行無損探傷；將無損檢測后合格的復(fù)合板校平，切除邊緣溢出鈦合金，得到鉭層厚度在0.1mm以下的鈦/鉭復(fù)合板。

本發(fā)明提出的一種新型鈦/鉭復(fù)合板的制備方法，在惰性氣氛保護下制備出了薄鉭覆層的鈦/鉭復(fù)合板，提高了鈦合金的耐腐蝕能力，制備工藝簡便，兩種材料能形成冶金結(jié)合，結(jié)合牢固穩(wěn)定，同時鉭用量極少，相較于純鉭板，能明顯降低產(chǎn)品成本，同時還能充分發(fā)揮鉭優(yōu)異的耐腐蝕和高生物相容性的特點。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。