CN102765228A - 铂钽层状复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铂钽层状复合材料及其制备方法，包括：强化型钽板；与所述强化型钽板一侧相结合的第一强化型铂板，所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9。与现有技术相比，本发明利用了强化型钽板与强化型铂板，充分利用固溶强化和/或弥散强化的强化途径，使层状复合材料具有更高的高温强度和高温蠕变抗力，同时低温塑性和可焊型无明显损失，不影响该复合板材在后续的冷轧大变形加工。其次，通过调整第一强化型铂板与强化型钽板的厚度比，在保证铂钽层状复合材料具有良好的高温力学性能的同时，避免了铂钽层状复合材料在高温氧化性气氛条件下使用时，钽扩散至铂板表面造成的复合材料失效现象的发生。

Description

铂钽层状复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，更具体地说，涉及一种铂钽层状复合材料及其制备方法。

背景技术

在铂族金属及其合金中，由于铂具有较高的熔点、良好的抗腐蚀性和抗氧化性、良好的成形性与可焊性而被广泛应用于玻璃纤维和玄武岩纤维成型装置。迄今为止，纤维成型所需的漏板材料全部为铂及其合金材料。但是，铂的价格昂贵，在高温下长时间使用存在强度低，易产生蠕变变形和失效等问题。因此，研究拉丝漏板用铂金的替代或部分替代材料具有非常重要的现实意义。对于金属钽而言，其具有熔点高和富有延展性的性质，可拉制成细丝或制成薄箔，具有极高的抗腐蚀性，非氧化性气氛条件下高温力学性能优异。但是，钽在高温条件下易氧化，由此限制了钽材在玻璃纤维、玄武岩纤维领用中的应用。

目前，阳极材料用铂钽复合材料及其制备方法已经得到了广泛的研究，例如：申请号为200810232472.4的中国专利文献报道了一种铂钽铂三层复合网及其制备方法，该复合网的基层为金属钽，复层为金属铂。通过复合后，层状材料的电学性能接近纯铂，适应在腐蚀环境中长期使用，是一种理想的阳极材料。申请号为200820016646.9的中国专利文献报道了一种外加电流阴极保护系统中的辅助阳极，特别是一种港工用铂-钽网状辅助阳极，应用于江河口地区和海淡水交替环境下外加电流阴极保护系统场合。

上述的专利中涉及的铂钽层状材料主要用作阳极材料，但是，其高温力学性能较差，从而限制了其在纤维成型领域的应用。上述铂钽复合材料不能在1100~1500℃的高温熔融液体腐蚀性介质条件下正常工作，无法作为用于玻璃纤维和玄武岩纤维成型等的高温结构材料使用。本发明人考虑，提供一种铂钽层状复合材料及其制备方法，具有良好的高温力学性能。

发明内容

有鉴于此，本发明解决要解决的技术问题在于，提供一种具有良好的高温力学性能的铂钽层状复合材料及其制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种铂钽层状复合材料，包括：

强化型钽板，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板；

与所述强化型钽板一侧相结合的第一强化型铂板，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板；

所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9

优选的，所述第一强化型铂板包括以下成分：

0~20wt%的铑；

余量为铂。

优选的，第一强化型铂板包括以下成分：

0~20wt%的铑；

0~2.0wt%的氧化锆；

余量为铂。

优选的，所述强化型钽板包括以下成分：

0~15wt%的钨；

余量为钽。

优选的，所述强化型钽板包括以下成分：

0~40wt%的铌；

余量为钽。

优选的，还包括：

与所述强化型钽板另一侧相结合的第二强化型铂板，所述第二强化型铂板为第二固溶强化型铂板和/或第二弥散强化型铂板；

所述第二强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9。

相应的，本发明还提供一种铂钽层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a）将强化型钽板与第一强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板，所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9；

步骤b）将所述中间板材进行轧制，退火处理后得到铂钽层状复合材料。

优选的，还包括强化型钽板的预处理步骤，具体为：

将强化型钽板在真空度为1.0~10×10^-3Pa、温度为1000~1300℃的条件下保温30~120min。

优选的，还包括第一强化型铂板的预处理步骤，具体为：

将第一强化型铂板在900~1300℃保温10~120min。

相应的，本发明还提供一种上述方案所述的铂钽层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a）将第一强化型铂板、强化型钽板与第二强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材；

步骤b）将所述中间板材进行轧制，退火处理后得到层状复合材料。

本发明提供了一种铂钽层状复合材料及其制备方法，包括：强化型钽板；与所述强化型钽板一侧相结合的第一强化型铂板，所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9。与现有技术相比，本发明利用了强化型钽板与强化型铂板，充分利用固溶强化和/或弥散强化的强化途径，使层状复合材料具有较高的高温强度和高温蠕变抗力，同时低温塑性和可焊型无明显损失，不影响该复合板材在后续的冷轧大变形加工。其次，通过调整第一强化型铂板与强化型钽板的厚度比，在保证铂钽层状复合材料具有良好的高温力学性能的同时，避免了铂钽层状复合材料在高温氧化性气氛条件下使用时，钽扩散至铂板表面造成的复合材料失效现象的发生。

附图说明

图1为本发明实施例公开的铂钽层状复合材料的制备工艺流程图；

图2为本发明实施例公开的铂钽层状复合材料结构示意图；

图3为本发明实施例公开的另一种铂钽铂层状复合材料结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种铂钽层状复合材料的制备方法，如图1所示，为铂钽层状复合材料的工艺流程图，包括以下步骤：步骤a）将强化型钽板与第一强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板，所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9；步骤b）将所述中间板材进行轧制，退火处理后得到铂钽层状复合材料。

作为优选方案，还包括强化型钽板的预处理步骤，具体为：将强化型钽板在真空度为1.0~10×10^-3Pa、温度为1000~1300℃的条件下保温30~120min。其中，所述真空度优选为1.0~5×10^-3Pa，更优选为1.0~4×10^-3Pa；所述温度优选为1100~1200℃，更优选为1200℃；所述保温时间优选为40~80min，更优选为50min。另一方面，还包括第一强化型铂板的预处理步骤，具体为：将第一强化型铂板在900~1300℃保温10~120min。其中，温度优选为1000~1200℃，更优选为1100℃；所述保温时间优选为15~30min，更优选为20min。本发明对于所述第一强化型铂板的预处理步骤的真空度并无特别要求，无需对第一强化型铂板退火处理过程中的真空度进行控制。

通过上述对强化型钽板与第一强化型铂板的预处理即退火处理，去除了强化型钽板与第一强化型铂板的应力，避免了形成的铂钽层状复合材料的开裂。

为了保证爆炸复合过程中强化型钽板与第一强化型铂板之间紧密复合，优选包括对强化型钽板与第一强化型铂板进行清洁的步骤。其中对所述强化型钽板的清洁步骤具体为：利用有机溶剂擦洗所述强化型钽板表面，然后将清洗后的强化型钽板在稀盐酸溶液中浸泡，浸泡时间优选为10~30小时，更优选为15~25小时，更优选为20小时。对所述第一强化型铂板的清洁步骤具体为：利用有机溶剂擦洗所述第一强化型铂板表面，然后将清洗后的第一强化型铂板在稀盐酸溶液中浸泡，浸泡时间优选为10~30小时，更优选为15~25小时，更优选为20小时。本发明对于所述有机溶剂的选择并无特别限制，可以采用本领域技术人员熟知的有机溶剂。同时，本发明对于采用的稀盐酸的溶液的浓度并无特别限制。

强化型钽板与第一强化型铂板分别进行上述退火处理与清洗处理后，将强化型钽板与第一强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材。本发明对于所述爆炸复合的具体形式没有特别限制，采用本领域技术人员熟知的工艺即可。

上述爆炸复合形成的中间板材结合强度，可以经受多种和多次压力加工，在压力加工时，每道次变形量小于25%。作为优选，形成中间板材后优选对其进行退火处理。并且，对上述爆炸复合形成的中间板材进行轧制，在轧制后退火处理。即，对爆炸复合形成的中间板材进行反复的轧制和退火处理。本步骤中，退火处理的工艺为，所述真空度优选为5×10^-3Pa以下，更优选为1.0~4×10^-3Pa；所述温度优选为1100~1200℃，更优选为1200℃；所述保温时间优选为20~80min，更优选为50min。

本步骤轧制的目的在于：一方面通过冷轧生产更大、更薄的层状复合薄板，克服爆炸复合材料在尺寸和形状上的限制；另一方面通过多次的轧制-退火处理，可进一步提高基层板材与复层板材界面之间的贴合率，使界面结合强度进一步得到提高。

最后进行剪裁清洗，具体为：利用剪板机将轧制成型后的层状复合材料按尺寸进行剪裁，将剪裁好的薄板放入稀盐酸溶液中浸泡10小时以上，冲洗、烘干后得到成品薄板以备用。

采用爆炸-轧制复合法制备的强化型Pt/Ta层状复合材料，层与层界面附近的材料达到冶金结合，具有结合强度高，可经受后续多种和多次压力加工，可生产更大、更薄的层状复合材料。

本发明提供的制备方法组合装配方式灵活，对于强化型铂/钽双金属复合板制造可以采用一次爆炸复合成型；而对于强化型铂/强化型钽/强化型铂三层金属复合板制造，既可以采用一次爆炸复合成型，也可以采用两次爆炸复合成型。

如图2所示，上述方法制备得到的铂钽层状复合材料包括：强化型钽板201，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板；与强化型钽板201一侧相结合的第一强化型铂板202，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板；第一强化型铂板202与强化型钽板201的厚度比为1~5：5~9。

作为优选方案，所述第一强化型铂板包括以下成分：0~20wt%的铑；余量为铂；优选的，包括以下成分：5~10wt%的铑；余量为铂。或者，第一强化型铂板为弥散强化型铂铑合金板，包括以下成分：0~20wt%的铑；0~2.0wt%的氧化锆；余量为铂；优选的，包括以下成分：5~10wt%的铑；0.1~0.6wt%的氧化锆；余量为铂。其中，氧化锆作为弥散强化相。

所述强化型钽板包括以下成分：0~15wt%的钨；余量为钽；优选的，包括以下成分：5~10wt%的钨；余量为钽；更优选的，包括以下成分：7.5~10wt%的钨，余量为钽。即所述强化型钽板可以采用Ta-7.5W或Ta-10W合金板，该合金板是最早研究成功并投入应用的合金，具有良好的综合性能。或者，所述强化型钽板包括以下成分：0~40wt%的铌；余量为钽。优选的，强化型钽板包括以下成分：0~10wt%的铌，余量为钽；更优选的，强化型钽板包括以下成分：1~10wt%的铌；余量为钽。本发明采用的钽合金具有如下特点：合金在很宽的温度范围内有较高的瞬时强度和良好的可加工性，可制成棒、管和板材应用；合金有良好的可变形和焊接性；氩弧焊和电子束焊的工件在室温和低温下塑性良好。

同时，本发明调整第一强化型铂板与强化型钽板的厚度比，在保证铂钽层状复合材料具有良好的高温力学性能的同时，避免铂钽层状复合材料在高温氧化性气氛条件下使用时，钽扩散至铂板表面造成的复合材料失效现象的发生。所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比优选为1~5：5~9，更优选为1~4：5~8。

同时，本发明还提供一种三层铂钽层状复合材料及其制备方法，包括以下步骤：步骤a）将第一强化型铂板、强化型钽板与第二强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材；步骤b）将所述中间板材进行轧制，退火处理后得到铂钽层状复合材料。上述三层铂钽层状复合材料的制备可以采用一次爆炸复合成型，也可以采用两次爆炸复合成型。三层铂钽层状复合材料的制备方法与上述铂钽层状复合材料的制备方法相同。

如图3所示，所述铂钽铂层状复合材料包括：强化型钽板301，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板；与强化型钽板301一侧相结合的第一强化型铂板302，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板；第一强化型铂板302与强化型钽板301的厚度比为1~5：5~9；与强化型钽板301另一侧相结合的第二强化型铂板303，所述第二强化型铂板为第二固溶强化型铂板和/或第二弥散强化型铂板；第二强化型铂板303与强化型钽板301的厚度比为1~5：5~9。

上述三层铂钽层状复合材料采用的强化型钽板、第一强化型铂板分别与双层铂钽层状复合材料采用的强化型钽板、第一强化型铂板相同，而所述第二强化型铂材与第一强化型铂材相同。

本发明调整第一强化型铂板、第二强化型铂板与强化型钽板的厚度比，在保证铂钽层状复合材料具有良好的高温力学性能的同时，避免铂钽层状复合材料在高温氧化性气氛条件下使用时，钽扩散至铂板表面造成的复合材料失效现象的发生。所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比优选为1~5：5~9，更优选为1~4：5~8；所述第二强化型铂板303与所述强化型钽板301的厚度比优选为1~5：5~9，更优选为1~4：5~8。

本发明提供的铂钽层状复合材料及其制备方法具有如下特点：

①本发明利用了强化型钽板与强化型铂板，充分利用固溶强化和/或弥散强化相结合的强化途径，使层状复合材料具有更高的高温强度和高温蠕变抗力，但同时低温塑性和可焊型无明显损失，不影响该复合板材在后续的冷轧大变形加工。

②经济及社会价值高，有效提高了贵金属铂、铑，以及钽原料的利用率，节约资源，降低成本。

综上所述，本发明采用耐腐蚀、可加工性和可焊性良好，且高温强度和高温蠕变抗力性能优异的钽基材料作为层状复合材料的基板，采用高温抗氧化性优异的强化型钽板即铂基材料作为复板，充分发挥二者的优势功能，且进一步采用固溶强化和/或弥散强化方式提高层状材料的高温力学性能。同时采用爆炸-轧制复合法制备的层状复合材料工艺简单，层与层间界面附近达到冶金结合，层状材料具有结合强度高的优点，可经受后续多次压力加工，所生产的材料适用于各领域所需的高温结构材料。本发明不仅可以节约贵金属铂、铑和难熔金属钽资源，而且可以显著提高Pt/Ta层状复合材料的高温强度和高温蠕变抗力。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例采用的原料均为市购。

实施例1

以强化型铂/强化型钽双层金属复合板为例进行说明，其基层为Ta-W强化型板材，复层为Pt-Rh合金板材。

(1)原材料准备取一块采用真空熔炼制备的厚度为9mm的强化型Ta-10W板材，剪切成9×70×150mm板材作为基板，再取一块采用中频真空感应熔炼法制备的厚度为1mm的强化型Pt-10Rh合金板材，剪切成1×70×150mm板材作为复板。

(2)板材退火处理采用真空热处理炉对步骤(1)的钽板、铂板进行退火处理。钽板退火工艺：先将加热室的真空度控制在2.6×10^-3Pa以下，然后开始加热升温，保温温度为1200℃，保温时间为50min，随炉冷却；铂板退火工艺：加热温度为1100℃，保温时间为15min。

(3)板材表面清洁将经过步骤(2)处理的钽板和铂板用有机溶剂擦洗表面，再将钽板和铂板放入稀盐酸溶液中浸泡20小时。

(4)爆炸复合：采用一次装配复合法对所述双层金属复合板的两个组件进行组合装配及爆炸复合处理。

(5)轧制复合将步骤(4)制得的爆炸复合坯板用轧机进行反复轧制、退火处理，直到加工成所需厚度的薄板。对于上步经爆炸复合后的复合坯板有高的结合强度，能经受多种和多次压力加工，在压力加工时，每道次变形量小于25%，中间进行真空退火处理。

退火工艺：先将加热室的真空度控制在2.6×10^-3Pa以下，才能开始加热升温，保温温度为1200℃，保温时间为30min。

(6)剪裁清洗用剪板机将轧制成型后的层状复合材料按尺寸要求进行剪裁，将剪裁好的薄板放入稀盐酸溶液中浸泡10小时以上，最后冲洗、烘干后得到成品薄板以备用。

对本实施例制备的铂钽层状复合材料在1300℃下进行测试，其抗拉强度在100MPa以上，断裂强度在10MPa以上。

实施例2

以弥散强化型铂合金/强化型钽/弥散强化型铂合金三层金属复合板为例进行说明，其基层为Ta-Nb强化型板材，复层为弥散强化Pt-Rh合金板材。

(1)原材料准备取一块采用真空熔炼制备的厚度为8mm的强化型Ta-Nb板材，剪切成8×100×150mm板材作为基板，再取两块采用中频真空感应熔炼法制备的厚度为2mm的弥散强化Pt-5wt%Rh合金板材，剪切成1×100×150mm板材作为复板。

(2)板材退火处理采用真空热处理炉对步骤(1)的钽板、铂板进行退火处理。钽板退火工艺：先将加热室的真空度控制在2.0×10^-3Pa，才能开始加热升温，保温温度为1100℃，保温时间为60min，随炉冷却；铂板退火工艺：加热温度为1200℃，保温时间为20min。

(3)板材表面清洁将经过步骤(2)处理的钽板和铂板用有机溶剂擦洗表面，再将钽板和铂板放入稀盐酸溶液中浸泡15小时。

(4)爆炸复合：采用一次装配复合法或两次装配复合法对所述三层金属复合板的三个组件进行组合装配及爆炸复合处理。

(5)轧制复合：将步骤(4)制得的爆炸复合坯板用轧机进行反复轧制、退火处理，直到加工成所需厚度的薄板。对于上步经爆炸复合后的复合坯板有高的结合强度，能经受多种和多次压力加工，在压力加工时，每道次变形量小于25%，中间需经真空退火处理。

退火工艺：先将加热室的真空度控制在2.0×10^-3Pa以下，然后开始加热升温，保温温度为1100℃，保温时间为20min。

(7)剪裁清洗用剪板机将轧制成型后的层状复合材料按尺寸要求进行剪裁，将剪裁好的薄板放入稀盐酸溶液中浸泡15小时以上，最后冲洗、烘干后得到成品薄板以备用。

对本实施例制备的铂钽层状复合材料在1300℃下进行测试，其抗拉强度在100MPa以上，断裂强度在10MPa以上。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种铂钽层状复合材料，包括：

强化型钽板，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板；

与所述强化型钽板一侧相结合的第一强化型铂板，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板；

所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9。

2.根据权利要求1所述的铂钽层状复合材料，其特征在于，所述第一强化型铂板包括以下成分：

0~20wt%的铑；

余量为铂。

3.根据权利要求1所述的铂钽层状复合材料，其特征在于，第一强化型铂板包括以下成分：

0~20wt%的铑；

0~2.0wt%的氧化锆；

余量为铂。

4.根据权利要求1所述的铂钽层状复合材料，其特征在于，所述强化型钽板包括以下成分：

0~15wt%的钨；

余量为钽。

5.根据权利要求1所述的铂钽层状复合材料，其特征在于，所述强化型钽板包括以下成分：

0~40wt%的铌；

余量为钽。

6.根据权利要求1所述的铂钽层状复合材料，其特征在于，还包括：

与所述强化型钽板另一侧相结合的第二强化型铂板，所述第二强化型铂板为第二固溶强化型铂板和/或第二弥散强化型铂板；

所述第二强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9。

7.一种铂钽层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a）将强化型钽板与第一强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材，所述强化型钽板为固溶强化型钽板和/或弥散强化型钽板，所述第一强化型铂板为第一固溶强化型铂板和/或第一弥散强化型铂板，所述第一强化型铂板与所述强化型钽板的厚度比为1~5：5~9；

步骤b）将所述中间板材进行轧制，退火处理后得到铂钽层状复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括强化型钽板的预处理步骤，具体为：

将强化型钽板在真空度为1.0~10×10^-3Pa、温度为1000~1300℃的条件下保温30~120min。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括第一强化型铂板的预处理步骤，具体为：

将第一强化型铂板在900~1300℃保温10~120min。

10.一种权利要求6所述的铂钽层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a）将第一强化型铂板、强化型钽板与第二强化型铂板进行爆炸复合，得到中间板材；

步骤b）将所述中间板材进行轧制，退火处理后得到层状复合材料。

Images