CN103572187B - 一种轻质金属间化合物基层状复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种轻质金属间化合物基层状复合材料的制备方法。以Ti箔和Al箔为原材料，将经过预处理的Ti箔和Al箔交替叠放并保证最外层为Ti箔，进行真空热压处理，所述真空热压处理的条件为：本底真空度为6.67×10-3Pa，反应温度为640～685℃，升温速率为1～10℃/min，施加压强为0～4MPa，保温时间为1-10小时。本发明通过真空热压法使相互交叠的Ti箔与Al箔发生扩散反应，生成金属间化合物Al3Ti，并与剩余的Ti层形成以Ti层为增强体的层状复合材料。由于金属间化合物Al3Ti具有高强度、高硬度、低密度且脆性较大，而Ti层则是韧性较好的增强体，因而使获得的金属间化合物基层状复合材料在具有高强度的基础上也具有高的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体涉及一种利用金属箔冶金法制备轻质高性能Ti/Al3Ti层状复合材料的方法。
背景技术
生物学研究表明贝壳的主要组成成分是CaCO3，然而这种强度低、脆性高的材料在贝壳上却表现出优异的高强度和高韧性。通过研究贝壳的组织结构发现：贝壳中的CaCO3呈层状分布，其间隙由有机物紧密填充，正是这种层状结构使其具有良好的机械性能。因此，人们以仿生学为依据，设计制备出了这种具有贝壳结构的层状复合材料，如新型的金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti。与其他金属间化合物（如TiAl，Ti3Al等）相比，Al3Ti的密度最小、比强度最高、抗高温氧化性能最好。因此，以Al3Ti为基体制备的层状复合材料具有高强度（和高强钢相同）、高硬度、高刚度（是钢的2倍）、低密度（不到钢的二分之一）以及较好的断裂性能（是金属间化合物Al3Ti的5倍）等优异性能。另外，由于该复合材料具有特殊的叠层结构，在高速载荷的作用下，这类材料失效时形成层间开裂和大量的吸能裂纹，导致了高吸能机制，使得金属间化合物基层状复合材料吸收冲击功的能力可以和高性能的装甲钢相媲美。研究表明，金属间化合物基层状复合材料具有的耐高速碰撞的优异性能是基于能量耗散的机理。Ti层与Al3Ti层相互交替的排列使得在较脆的Al3Ti层中出现的裂纹在扩展至韧性Ti的时候遇到阻碍，产生“桥联”效应，避免了大规模脆性断裂的发生。在强动载荷作用下，层状复合材料的失效形式是层间开裂和产生横向裂纹（垂直于层片的裂纹），这些裂纹的产生和扩展吸收了大量的冲击能量，从而使金属间化合物基层状复合材料具有优异的高吸能特性和抗冲击能力，可以广泛地应用于航空航天、船舶等领域，其发展领域和前景十分广泛。
这类层状复合材料的制备方法目前主要有轧制法、爆炸焊接法等。
轧制法即将互相交叠的坯料通过一对旋转轧辊的间隙，坯料因受轧辊的压缩使材料截面积减小，长度增加的压力加工方法。由于轧制的过程中会出现一定的塑性流变，在层状复合材料的制备中，通常会采用包套的方法，但是仍然存在一些不足，如层片分布不均匀、界面处有较多氧化物、界面结合力低等问题。
爆炸焊接法则是以炸药爆炸产生的驱动力使两种金属或多种金属之间产生高速碰撞，清除待焊金属表面的氧化膜从而使相同或不同金属连接在一起的方法。该方法具有低成本、灵活性强、操作简单等优点，但其缺点也很突出，即对于强度高和韧性低的金属由于其焊接强度低而使其在室温下爆炸容易脆裂，生产过程中噪声大、烟雾大，生产安全性差，对环境造成严重影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备出的层状复合材料具有相当高的界面结合强度的轻质金属间化合物基层状复合材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
以Ti箔和Al箔为原材料，将经过预处理的Ti箔和Al箔交替叠放并保证最外层为Ti箔，进行真空热压处理，所述真空热压处理的条件为：本底真空度为6.67×10-3Pa，反应温度为640～685℃，升温速率为1～10℃/min，施加压强为0～4MPa，保温时间为1-10小时。
本发明还可以包括：
1、所述真空热压处理是分步进行的，本底真空度下先以10℃/min的升温速率升温至640℃保温1h，然后以3℃/min的升温速率加热到670℃保温1h，最后以1℃/min的升温速率加热到685℃，保温5h；在升温过程中和640℃保温阶段中均施加4MPa的压强，在670℃保温阶段和685℃保温阶段前2h内均加压1MPa，在685℃保温的后3h阶段内加压2MPa，在降温阶段再加压至4MPa。
2、所述将经过预处理的Ti箔和Al箔交替叠放中Al箔的层数为10～15层，Ti箔的层数为Al箔层数加1。
3、所述预处理的方法为：将切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面进行打磨，直至露出新鲜表面，然后用超声波处理打磨后的Ti箔和Al箔，时间为15-20min，最后用酒精清洗表面，去除残留的氧化物颗粒和杂质，最后进行干燥处理。
本发明通过真空热压法使相互交叠的Ti箔与Al箔发生扩散反应，生成金属间化合物Al3Ti，并与剩余的Ti层形成以Ti层为增强体的层状复合材料。由于金属间化合物Al3Ti具有高强度、高硬度、低密度且脆性较大，而Ti层则是韧性较好的增强体，因而使获得的金属间化合物基层状复合材料在具有高强度的基础上也具有高的韧性。
本发明的制备方法相较于以往的制备方法的特点在于：在采用以往方法制备出的复合材料中，金属间化合物主要存在于Ti层和Al层的交界处，对材料整体的强度提升有限，而本发明中，原始金属铝箔完全和钛箔反应生成了金属间化合物Al3Ti，而原始金属钛箔有一定的剩余。即制备出的复合材料中Al层完全被Al3Ti金属间化合物层所取代。同时由于是在真空条件下制备的复合材料，不发生氧化现象，在复合材料界面上的氧化物和杂质很少。因此，制备出的层状复合材料具有相当高的界面结合强度。
本发明的优点归结为：
1.本发明可以通过调整以下几种工艺参数实现对复合材料的结构和力学性能的设计：
i.本发明可以通过改变金属箔材的厚度达到特定的层厚比以改变层状复合材料的厚度和性能。
ii.本发明可以通过改变金属箔材的总层数以改变层状复合材料的厚度。
iii.本发明可以通过调整真空热压过程中的温度和各阶段压强等参数来调整复合材料的结构和性能。
2.本发明所制备的复合材料具有优异的力学性能，高于采用其他制备方法所制备出的同类层状复合材料。
3.本发明所制备的金属间化合物基层状复合材料是通过两种金属箔材的界面冶金反应，剩余金属层与新生成的金属间化合物层之间的结合紧密，无缺陷，界面结合强度高。
4.本发明所设定的特殊工艺参数有利于反应生成单一的金属间化合物Al3Ti相，与同其他类型的金属间化合物（如TiAl，Ti3Al等）相比，Al3Ti具有高的弹性模量（216GPa）、低密度（3.5g/cm3）以及高抗氧化能力，因此形成的层状复合材料具有良好的性能。
5.本发明可以通过改变箔材的成分，可以方便地把合金化元素、增强相（颗粒、纤维、晶须等）引入到反应后生成的金属间化合物，从而进一步改善金属间化合物的脆性。
6.本发明可实现复合材料性能和产品设计一体化，完成复合材料可设计和可预测的全新概念，将智能元件，如压电陶瓷、光纤等埋入基体中，设计和制备出多功能和智能化复合材料。
7.本发明可以很方便的通过改变起始叠层的层片厚度、层片类型、叠层顺序制备出梯度功能复合材料。
8.本发明所需的原始金属箔材是商用钛板和铝板，其生成产物仅有金属间化合物Al3Ti，因此整个的制备过程是无毒、环保的，属于绿色加工方法。
9.本发明利用液-固两相低温反应一次性真空热压成型，工艺简单易行，制备成本低。
附图说明
图1为Ti和Al两种金属箔片叠放示意图。
图2为实例1中40%Ti/Al3Ti层状复合材料的制备工艺曲线。
图3为实例1中40%Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构(扫描电镜背反射照片)。
图4a-图4b为压缩试样加载方向示意图，其中图4a为载荷垂直于叠层方向；图4b为载荷平行于叠层方向。
图5为实例2中30%Ti/Al3Ti层状复合材料的制备工艺曲线。
图6为实例2中30%Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构(扫描电镜背反射照片)。
图7为实例3中20%Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构(扫描电镜背反射照片)。
图8为实例4中15%Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构(扫描电镜背反射照片)。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。
结合附图说明本次实验的具体步骤：
实例1
原材料表面的预处理：选用厚度分别为520μm和620μm的Ti箔和Al箔，并将金属箔片切割成100mm×100mm的正方形以便于进行表面预处理，首先用砂纸将Ti箔和Al箔的表面进行打磨，去除表面氧化皮，直至露出新鲜表面，然后用超声波处理打磨后的Ti箔和Al箔，时间为15-20min，最后用酒精清洗表面，去除剩余的氧化物颗粒和杂质，风干后放入干燥皿待处理。
把两种箔片相互交叠，Ti箔和Al箔的层数分别为14层和13层，并使最外层是Ti箔，最终层数为27层，其叠放方式参见附图1。
将上述金属箔材的叠层放入真空热压炉的石墨模具中，进行真空热压烧结，其本底真空度为6.67×10-3Pa，其工艺曲线参见附图2，以10℃/min的升温速率升温到640℃，保温1h。再以3.5℃/min升温到675℃保温1h。1℃/min升温到685℃/min保温5h。在升温过程和640℃保温阶段中施加4MPa的压强，在675℃保温阶段和685℃保温前2h阶段内施加施压1MPa，在685℃保温的后3h阶段压强增大至2MPa，在降温阶段加压至4MPa，最后随炉冷却，当温度降至室温时卸压，取出已经制备好的层状复合材料。
反应后经检测发现：材料中的Al层完全与Ti层反应，形成金属间化合物Al3Ti，而Ti层则有剩余，Ti层和Al3Ti层的厚度分别为370μm和555μm，增强体Ti在整个复合材料中的体积百分比为40%，为了阐述方便把该复合材料命名为40%Ti/Al3Ti的复合材料。附图3中较亮层片为Ti层，较暗层片为Al3Ti层，两种层片边界清晰，结合紧密。经准静态压缩试验后，得到材料在载荷垂直和平行与层片两个方向上的平均屈服强度分别720MPa和860MPa，附图4为准静态压缩方向示意图。
实例2
与实例1相比：其材料的表面预处理过程与材料的成分，层片的厚度、层数和叠放方式完全相同，而真空热压的工艺参数有所不同。
实例2的真空热压工艺参见附图5：其本底真空度为6.67×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到640℃保温1h，然后以3.5℃/min的升温速率升温到675℃，保温1h，然后以1℃/min的升温速率加热到685℃/min，保温7h。在升温过程和640℃保温阶段施加4MPa的压强，在675℃保温阶段和685℃保温阶段的前2h不加压，在685℃保温阶段的后5h施加压2MPa，在降温阶段再施加压4MPa。
此次烧结与40%Ti/Al3Ti的烧结工艺区别在于保温时间增长到7h，Al箔全部与Ti箔反应生成Al3Ti。经测量，反应结束后Ti层和Al3Ti层的厚度分别为330μm和770μm，Al3Ti层厚占总体层厚的70%，增强体Ti的含量为30%，将此试样命名为30%Ti/Al3Ti，参见附图6。通过准静态压缩实验测得复合材料在载荷垂直和平行与层片的两个方向上的屈服强度分别为840MPa和940MPa。
实例1与实例2的对比后证明了：在金属箔材的表面预处理过程与原始材料的成分，层片的厚度、层数和叠放方式都相同的情况下，真空热压的工艺参数对复合材料层厚度比、力学性能等方面都有影响。
实例3
与实例1相比：其金属箔材的表面预处理过程完全相同，原始材料的成分不变。Ti箔的厚度不变，使用的Al箔的厚度为840μm，Ti箔和Al箔的层数分别调整为13层和12层，将表面处理过的金属箔片相互叠交并使最外端为Ti层。
实例3所采用的热处理工艺与实例2相同，工艺参数参见附图5。
实例3中制得的复合材料的微结构参见附图7。经测量，Ti层和Al3Ti层的厚度分别为240μm和960μm，其增强体Ti在复合材料中的体积百分数为20%，将此试样命名为20%Ti/Al3Ti。将热压处理后的复合材料进行压缩实验得到复合材料的力学性能为，在载荷垂直和平行与层片的两个方向上的屈服强度分别为1330MPa和1020MPa。
实例3与实例2相比，其工艺参数相同而层厚比不同，得到了比前两种材料增强体Ti体积百分数小而屈服强度高的复合材料，体现了层数和层厚对复合材料性能的影响。
实例4
实例4中，金属箔材表面预处理过程与原始金属箔材的成分、箔材的厚度、层片的层数和叠放方式与实例3完全相同。采用的主要工艺措施在于在其熔点温度附近提前卸压，使得半熔融状态的Al金属液体与Ti箔充分反应，从而保证层状复合材料中仅有韧性金属Ti和金属间化合物Al3Ti。
复合材料在扫描电镜下的显微组织参见附图8。经测量，Ti层和Al3Ti层的厚度分别为175μm和1125μm，其增强体Ti在材料中的体积百分比为15%，将其命名为15%Ti/Al3Ti。将制备的复合材料进行压缩实验测得复合材料在层片垂直和平行两个方向上的屈服强度分别为1200MPa和890MPa。
实例4与实例3相比其反应过程中施加的压强参数不同，得到了增强体Ti层所占比例更低的复合材料，其相应的屈服强度则未随增强体所占比例的的下降而升高。
Claims (1)
1.一种轻质金属间化合物基层状复合材料的制备方法，其特征是：将厚度为520μm的Ti箔和厚度为620μm的Al箔分别切割成100mm×100mm的正方形，首先用砂纸将Ti箔和Al箔的表面进行打磨，去除表面氧化皮，直至露出新鲜表面，然后用超声波处理打磨后的Ti箔和Al箔15-20min，最后用酒精清洗表面，去除剩余的氧化物颗粒和杂质；
把Ti箔和Al箔相互交叠，Ti箔和Al箔的层数分别为14层和13层，并使最外层是Ti箔，最终层数为27层的金属箔材叠层；
将所述金属箔材叠层放入真空热压炉的石墨模具中，进行真空热压烧结，其本底真空度为6.67×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到640℃保温1h，以3.5℃/min的升温速率升温到675℃保温1h，以1℃/min的升温速率升温到685℃/min保温5h，在升温过程和640℃保温阶段中施加4MPa的压强，在675℃保温阶段和685℃保温前2h阶段内施加施压1MPa，在685℃保温的后3h阶段压强增大至2MPa，在降温阶段加压至4MPa，最后随炉冷却，当温度降至室温时卸压，得到Ti的体积百分比为40％的40％Ti/Al3Ti的复合材料。
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