CN104056859B - 一种铝/镁/钛三层复合板轧制复合方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开一种铝/镁/钛三层复合板轧制复合方法。利用钛合金的高强度，镁合金的低熔点、减震性能好，铝合金塑性好，空间适应性好等特点，发明一种铝/镁/钛三层复合板结合各自组元金属的优异特性，获得组元金属不具备的抗高速冲击毁伤性能。该复合板主要是通过铝合金、镁合金和钛合金的比例和界面控制，改变和调整缓冲复合板受到高速冲击后碎片云碎化、熔化和雾化的程度，从而改变碎片云的形态，减少对背板的冲击毁伤程度，从而提高抗高速冲击毁伤性能。该铝/镁/钛三层复合板用于航空航天器外层防护结构中的外层缓冲板，可以替代传统单一铝合金材料。提高航天器空间环境效应与防护水平，大大提高航天器的设计水平与服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工技术领域，特别是金属复合板材制造领域。
背景技术
金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学和力学性能不同的金属在界面上实现牢固冶金结合而制备出的一种新型材料。层状复合材料各组元保持各自的相对独立性，但又不是组元材料简单的叠加，因此其物理、化学和力学性能比单一金属优越很多，也就是所谓的复合效应，从而在要求抗磨损、抗腐蚀、抗冲击等许多特殊领域得到了广泛的应用。
在现有的航空航天器中，通常使用铝合金材料(例如：AA6061)作为防护材料。其抗高速冲击毁伤性能有限，毁伤时对背板的冲击毁伤程度大。
铝合金、镁合金和钛合金各自具有独特的金属特性。从理论上讲，将三者结合后能够互相弥补各自的缺点，达到优异的性能。
但是，由于镁合金的塑性较差，轧制压下量略微增大就会产生裂纹，无法实现复合板制备。此外，金属之间的轧制复合需要有足够的压下量才能实现冶金结合。此外三种材料之间的性能差异巨大，轧制复合过程中金属之间的协同变形异常困难。
发明内容
本发明的目的是解决现有的防护材料(特别是应用于航空航天器的防护材料)抗高速冲击毁伤性能差的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种铝/镁/钛三层复合板轧制复合方法，包括如下步骤：
1)板材前处理：将铝合金板放入350-450℃的加热炉中退火处理1-2h；将镁合金板放入300-450℃的加热炉中退火处理0.5-1h；将钛合金板300-550℃的加热炉中退火处理1-2h；取出后均自然冷却至室温；
2)表面处理：对所述铝合金板的至少一侧板面、所述镁合金板两侧的板面和所述钛合金板的至少一侧板面进行打磨处理，确保打磨均匀，将表层氧化膜去除干净；
3)坯料固定：将所述铝合金板和钛合金板分别贴在所述镁合金板的两侧；所述铝合金板和镁合金板接触的一侧是经过表面处理的，同理，所述钛合金板和镁合金板接触的一侧也是经过表面处理的；将所述铝合金板、镁合金板和钛合金板铆接在一起，形成复合坯料；
4)加热处理：将所述复合坯料加热处理，加热温度300-550℃，加热时间5-30min；
5)轧制复合：将结果加热的复合坯料轧制成热轧板，压下量为所述复合坯料厚度的20-50％；
6)退火处理：将所述热轧板进行退火处理，得到铝/镁/钛三层复合板。
进一步，所述的铝合金板选自AA5052或AA6061系列铝板中的一种，所述的镁合金板选自AZ31、AZ61或AZ80中的一种，所述的钛合金板选自TA1、TA2、TA7、TA9、TA10、TC4、TC6、TC9、TC10、TC11或TC12的一种。
进一步，所述铝合金板的厚度为0.5-3mm，所述镁合金板的厚度为0.5-2.5mm，所述钛合金板的厚度为0.1-1mm。
进一步，所述步骤(2)中，所述打磨处理是手工打磨、砂轮打磨或不锈钢刷打磨；使用酒精、丙酮或清水对经过打磨处理后的板面进行冲洗，然后使用风扇或吹风机对冲洗的板面进行干燥处理。
进一步，所述步骤5)中，轧制速度为0.1-1m/s。
进一步，所述步骤6)中，将所述热轧板放入温度为200-500℃的退火炉中退火30-120min，取出后自然冷却至室温。
本发明还要求保护如上述方法获得的铝/镁/钛三层复合板产品。
值得说明的是，铝合金、镁合金和钛合金是典型的轻金属，具有很好的空间适应性。钛合金是一种质轻、高强、耐磨、耐蚀的稀有金属材料，被广泛用于航空航天及高耐蚀性的化工领域。铝材具有质轻，导电性好，耐蚀，美观及价廉等特点，特别是经过合金化的高强铝合金，一直被用作航空航天材料。镁合金密度低，比强度高，减震性能好，熔点低，导热系数低于铝合金，主要用于航空航天、交通运输、医药化工等工业领域。
本发明利用钛合金的高强度，镁合金的低熔点、减震性能好，铝合金塑性好，空间适应性好等特点，制造出一种铝/镁/钛三层复合板。该复合板结合各自组元金属的优异特性，获得组元金属不具备的抗高速冲击毁伤性能。该复合板主要是通过铝合金、镁合金和钛合金的比例和界面控制，改变和调整缓冲复合板受到高速冲击后碎片云碎化、熔化和雾化的程度，从而改变碎片云的形态，减少对背板的冲击毁伤程度，从而提高抗高速冲击毁伤性能。
该铝/镁/钛三层复合板用于航空航天器外层防护结构(Whipple)中的外层缓冲板，可以替代传统单一铝合金材料(铝缓冲屏)。提高航天器空间环境效应与防护水平，大大提高航天器的设计水平与服役寿命。
附图说明
图1为空间防护结构与铝缓冲屏示意图；
图2为铝/镁/钛三层复合板热轧复合工艺流程图；
图3为轧制变形区与铝/镁/钛三层复合板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。
实施例1：
选取厚度为1mm，2.2mm和0.5mm的铝合金(AA6061)、镁合金(AZ31)和钛合金板材(TC4)，尺寸规格为500mm×350mm。轧前分别进行退火预处理(Al合金AA6061，450℃退火1h；镁合金AZ31，350℃退火0.5h；钛合金TC4在500℃退火1h)。
使用不锈钢刷对退火后的板材进行表面打磨，然后使用清水冲洗干净，并烘干。
将表面处理完的板坯按照铝、镁、钛的顺序进行叠合，并进行端部铆接固定。
复合坯的厚度约为3.6mm，放入加热炉中加热10分钟，加热温度为350℃，然后取出进行热轧复合，压下量约为30％。
轧制变形区与铝/镁/钛三层复合板结构如图3所示。然后进行轧后退火处理，退火温度为200℃，1h，最终获得厚度为2.5mm的一种铝/镁/钛三层复合板，记为复合板A1。
改变各层金属的厚度，然后重复复合板A1制备过程，可以获得复合板A2、A3和A4。对复合板A1、A2、A3和A4进行性能测试，测试结果如下表：
实施例2：
选取厚度为1.3mm，1mm和0.25mm的铝合金(AA5052)、镁合金(AZ61)和钛合金板材(TA2)，尺寸规格为400mm×300mm。轧前分别进行退火预处理(铝合金AA5052，450℃退火1h；镁合金AZ61，350℃退火0.5h)。
使用不锈钢刷对退火后的板材进行表面打磨，然后使用清水冲洗干净，并烘干。
将表面处理完的板坯按照铝、镁、钛的顺序进行叠合，并进行端部铆接固定。
复合坯的厚度约为2.5mm，放入加热炉中加热10分钟，加热温度为400℃，然后取出进行热轧复合，压下量约为40％。
轧制变形区与铝/镁/钛三层复合板结构如图3所示。轧后进行退火处理，退火温度为200℃，1h，最终获得厚度为1.5mm的一种铝/镁/钛三层复合板，记为复合板B1。
上述实施例获得的铝/镁/钛复合板，具有良好的界面结合情况。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，轧制金属的厚度比值，轧制工艺参数(轧制温度、轧制速度和轧制压下量等)可以在一定范围内调整。本发明的核心思想是将铝、镁、钛三种金属复合制成复合板，主要是铝与镁之间、镁与钛之间实现复合(如：复合板A1、A2、A3、A4和B1)，通过三种金属材料的冶金结合来获得优异的抗高速冲击毁伤性能。其他任何未背离本发明实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种铝/镁/钛三层复合板轧制复合方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)板材前处理：将铝合金板放入350-450℃的加热炉中退火处理1-2h；将镁合金板放入300-450℃的加热炉中退火处理0.5-1h；将钛合金板300-550℃的加热炉中退火处理1-2h；取出后均自然冷却至室温；
所述的铝合金板选自AA5052或AA6061系列铝板中的一种；所述铝合金板的厚度为0.5-3mm；
所述的镁合金板选自AZ31、AZ61或AZ80中的一种；所述镁合金板的厚度为0.5-2mm；
所述的钛合金板选自TA1、TA2、TA7、TA9、TA10、TC4、TC6、TC9、TC10、TC11或TC12的一种；所述钛合金板的厚度为0.1-1mm；
2)表面处理：对所述铝合金板的至少一侧板面、所述镁合金板两侧的板面和所述钛合金板的至少一侧板面进行打磨处理，将表层氧化膜去除干净；
3)坯料固定：将所述铝合金板和钛合金板分别贴在所述镁合金板的两侧；将所述铝合金板、镁合金板和钛合金板端部铆接在一起，形成复合坯料；
4)加热处理：将所述复合坯料加热处理，加热温度300-550℃，加热时间5-30min；
5)轧制复合：将结果加热的复合坯料轧制成热轧板，压下量为所述复合坯料厚度的20-50％；所述轧制速度为0.1-1m/s；
6)退火处理：将所述热轧板放入温度为200-500℃的退火炉中退火30-120min，取出后自然冷却至室温，得到铝/镁/钛三层复合板。
2.根据权利要求1所述的一种铝/镁/钛三层复合板轧制复合方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述打磨处理是手工打磨、砂轮打磨或不锈钢刷打磨；使用酒精、丙酮或清水对经过打磨处理后的板面进行冲洗，然后使用风扇或吹风机对冲洗的板面进行干燥处理。
3.一种通过权利要求1～2任一项所述的轧制复合方法所获得的铝/镁/钛三层复合板。
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