CN105522804A - 一种层状复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种层状复合材料及其制备方法。该制备方法包括：以金属箔材和非晶箔材作为原始坯料，将金属箔材和非晶箔材交错相间叠放作为坯料；以与金属箔材的金属相同的金属板作为包套，把所述坯料放入包套，密封所述包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温；对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成层状复合材料。本发明的层状复合材料是由上述制备方法制得的。本发明的上述制备方法得到的金属基层状复合材料的界面结合能力强，层状复合材料的综合性能有提高。

Description

一种层状复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法，特别涉及一种金属基层状复合材料及其制备方法，属于材料及其制备技术领域。
背景技术
Ti-Al(Ni-Al)等金属间化合物由于具有耐高温、抗氧化等优异的高温性能，成为航空航天领域中高温构件的最佳选材。但金属间化合物是一种本质脆性的材料，室温塑性差，加工能力低，严重制约了这种材料的应用。
国内外研究资料表明，对于Ti-Al(Ni-Al)二元系统来说，加入延性金属相是提高金属间化合物韧性的最好方法，它包括三种不同的复合方式：颗粒增强，纤维增强和叠层增强。
研究发现，从颗粒增强、纤维增强到叠层增强，韧化水平在不断地提高。尤其是叠层强韧化方法，该方法的结构如图1所示，已被广泛用于制备高性能的金属基层状复合材料。Ti/Ti-Al(Ni/Ni-Al)层状复合材料是根据叠层强韧化方法设计的一种金属基层状复合材料，是由韧性金属Ti(Ni)和硬脆Ti-Al(Ni-Al)金属间化合物交替叠层连接而成的层状材料，具有较好的室温抗断裂韧性和高温高强高抗氧化性等综合性能，克服了Ti-Al(Ni-Al)金属间化合物材料突发性断裂的致命弱点，使Ti/Ti-Al(Ni/Ni-Al)叠层材料的实际应用成为可能。
随着航空科学技术的飞速发展，对飞行器的结构提出了轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力的要求，为了适应这些要求，必须增加材料的智能性，使用智能材料结构，而形状记忆合金是智能材料的一种，Ti-Ni合金是发现最早、性能最好的形状记忆合金，目前形状记忆复合材料都是以Ti-Ni作为增强组员，Ti-Ni形状记忆复合材料成为航空领域潜力较大的智能材料。
箔材热压复合法是制备金属基层状复合材料的普遍方法，该方法先将两种金属箔材相间逐层叠放，放入真空加热炉内在设定温度下保温一段时间，在两种箔材接触界面原位生成金属间化合物，作为层状材料的基体层，性能相对较差的箔材(Al)全部反应，性能较好的箔材(Ti、Ni)仍有剩余，作为层状材料的韧性层，最终生成金属基层状复合材料。但这种方法制备的金属基层状复合材料界面性能较差，需要严格控制保温温度及时间。
因此，提供一种界面性能强、制备方法简单的金属基层状复合材料成为了本领域亟待解决的技术问题之一。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种金属基层状复合材料的制备方法，该制备方法得到的金属基层状复合材料的界面结合能力强，可以提高层状复合材料的综合性能。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种层状复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
以金属箔材和非晶箔材作为原始坯料，将金属箔材和非晶箔材交错相间叠放作为坯料；
以与金属箔材的金属相同的金属板作为包套，把坯料放入包套，密封包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温；
对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成层状复合材料。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中，优选地，采用的金属箔材包括Al箔材、Ti箔材或Ni箔材。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中，优选地，采用的非晶箔材包括Al基非晶箔材、Ti基非晶箔材或Ni基非晶箔材。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中，优选地，Ti箔材与Ni基非晶箔材配对使用，Ti箔材与Al基非晶箔材配对使用，Ni箔材与Al基非晶箔材配对使用，Ni箔材与Ti基非晶箔材配对使用。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中，优选地，Ti箔材与Al基非晶箔材配对使用时以及Ni箔材与Al基非晶箔材配对时，升温至600℃-650℃；
当Ti箔材与Ni基非晶箔材配对使用时以及Ni箔材与Ti基非晶箔材配对使用时，升温至850℃-1000℃。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中，保压时间根据金属箔材的厚度确定，一般不小于4小时。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中，在该制备方法中可以通过调整金属箔材和非晶箔材的体积分数和层数，得到不同界面组织结构的层状复合材料。比如，当Ti和Al为1:3时，金属间化合物为Al3Ti；为1:1时，金属间化合物为AlTi；为3:1时，金属间化合物为Ti3Al。在本发明提供的层状复合材料的制备方法中，对包套施加压力，并保压一段时间，使金属箔材M和非晶箔材B接触界面可以充分扩散和反应，生成M/B金属间化合物，非晶箔材B完全反应掉，剩余部分金属箔，得到金属M和金属M/金属B间化合物相间排列的层状复合材料。
在本发明提供的层状复合材料的制备方法中，得到的层状复合材料中金属M和金属M/金属B间化合物相间排列的层状复合材料的界面作用为冶金结合作用。
在本发明提供的层状复合材料的制备方法中，将包套放入模具内，升温到一定温度时，保证非晶箔材未熔化。
在本发明提供的层状复合材料的制备方法中，可在非晶箔材玻璃态转变和晶化过程适当的设计加压曲线，进行保温保压或保温增压，使金属箔材M和非晶箔材B接触界面原子更好的扩散，有利于后续金属M-B的充分反应，缩短反应时间。根据不同的材料和每层厚度等参数来确定在非晶箔材玻璃态转变和晶化过程如何设计加压曲线，具体过程本领域技术人员可以确定。
本发明还提供了一种层状复合材料，其是通过上述制备方法制备得到的。
本发明提供了一种Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
以Ti箔材和Al基非晶箔材作为原始坯料，将Ti箔材和Al基非晶箔材交错相间叠放作为坯料；
以Ti板作为包套，把坯料放入包套，密封所述包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温至600℃-650℃；
对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料。
本发明还提供了一种Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料，其是通过上述制备方法制备得到的。
本发明提供了一种Ti和Ti/Ni金属间化合物相间排列的层状复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
以Ti箔材和Ni基非晶箔材作为原始坯料，将Ti箔材和Ni基非晶箔材交错相间叠放作为坯料；
以Ti板作为包套，把坯料放入包套，密封所述包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温至850℃-1000℃；
对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成Ti和Ti/Ni金属间化合物相间排列的层状复合材料。
一种Ti和Ti/Ni金属间化合物相间排列的层状复合材料，其是通过上述制备方法制备得到的。
本发明提供的层状复合材料的制备方法中采用非晶为原始坯料，由于非晶在玻璃态转变时具有超塑性，材料流动性能非常好，并且在晶化温度区间存在放热现象，这两个过程都有利于原子的运动，可促进金属箔材和非晶箔材接触界面原子的相互扩散，增加反应层的厚度。
本发明提出一种采用非晶金属带材代替普通箔材制备金属基层状复合材料的方法，利用非晶材料本身的优势，增加反应层的厚度和结合强度，提高金属基层状复合材料的综合性能。
本发明提供的层状复合材料的制备方法工艺简单，操作方便。
在本发明提供的层状复合材料的制备方法中，非晶箔材玻璃态转变和晶化过程的压力曲线具有可设计性，能够优化层状复合材料的综合性能。
附图说明
图1为叠层强韧化方法的结构示意图；
图2为实施例1中的层状复合材料制备方法的原理示意图；
图3为实施例1得到的层状复合材料的结构示意图；
图4为实施例1的非晶材料DSC曲线；
图5为实施例1的加压曲线。
主要附图符号说明
1Ti箔材2Al基非晶箔材3包套4模具
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种层状复合材料，其是通过以下步骤制备得到的(其原理示意图如图2所示)：
以Ti箔材1和Al基非晶箔材2作为原始坯料，将Ti箔材1和Al基非晶箔材2交错相间叠放作为坯料；
以Ti板作为包套3，把坯料放入包套3中，将包套3四边焊合形成密封口袋，对包套3进行真空处理，放入模具4内，升温到600℃-650℃，保证Al基非晶箔材2未熔化；
模具4下压，对包套3施加压力8MPa-50MPa，保压，使Ti箔材1和Al基非晶箔材2接触界面充分扩散和反应，生成Ti/Al金属间化合物，Al基非晶箔材2完全反应掉，剩余部分Ti箔材1，冷却至室温，形成Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料，该材料的结构如图3所示。
采用差示扫描量热分析(DSC)测试Al基非晶箔材2升温过程中热量变化规律，获得玻璃态转变温度和晶化温度信息，一般的非晶DSC曲线如图4所示。在制备层状复合材料时，根据获得玻璃态转变温度和晶化温度信息，确定在Al基非晶箔材2玻璃态转变和晶化过程中设计加压曲线，进行保温保压或保温增压，如图5所示，使Ti箔材1和Al基非晶箔材2接触界面原子更好的扩散，有利于后续Ti-Al的充分反应，缩短反应时间。
以上实施例说明，本发明的层状复合材料的制备方法的工艺简单，操作方便，非晶箔材玻璃态转变和晶化过程的压力曲线具有可设计性，本发明的层状复合材料的层间界面抗剪力增大，垂直界面方向抗拉力增大，结合强度增强进而能够优化层状复合材料的综合性能。

Claims (10)

1.一种层状复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
以金属箔材和非晶箔材作为原始坯料，将金属箔材和非晶箔材交错相间叠放作为坯料；
以与金属箔材的金属相同的金属板作为包套，把所述坯料放入包套，密封所述包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温；
对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成层状复合材料。
2.根据权利要求1所述的层状复合材料的制备方法，其中，所述金属箔材包括Al箔材、Ti箔材或Ni箔材。
3.根据权利要求1所述的层状复合材料的制备方法，其中，所述非晶箔材包括Al基非晶箔材、Ti基非晶箔材或Ni基非晶箔材。
4.根据权利要求2或3所述的层状复合材料的制备方法，其中，Ti箔材与Ni基非晶箔材配对使用，Ti箔材与Al基非晶箔材配对使用，Ni箔材与Al基非晶箔材配对使用，Ni箔材与Ti基非晶箔材配对使用。
5.根据权利要求4所述的层状复合材料的制备方法，其中，Ti箔材与Al基非晶箔材配对使用时以及Ni箔材与Al基非晶箔材配对时，升温至600℃-650℃；
当Ti箔材与Ni基非晶箔材配对使用时以及Ni箔材与Ti基非晶箔材配对使用时，升温至850℃-1000℃。
6.一种层状复合材料，其是通过权利要求1-5任一项所述的层状复合材料的制备方法制备得到的。
7.一种Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
以Ti箔材和Al基非晶箔材作为原始坯料，将Ti箔材和Al基非晶箔材交错相间叠放作为坯料；
以Ti板作为包套，把所述坯料放入包套，密封所述包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温至600℃-650℃；
对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料。
8.一种Ti和Ti/Al金属间化合物相间排列的层状复合材料，其是通过权利要求7所述的制备方法制备得到的。
9.一种Ti和Ti/Ni金属间化合物相间排列的层状复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
以Ti箔材和Ni基非晶箔材作为原始坯料，将Ti箔材和Ni基非晶箔材交错相间叠放作为坯料；
以Ti板作为包套，把所述坯料放入包套，密封所述包套，对包套进行真空处理，放入模具内，升温至850℃-1000℃；
对包套施加压力8MPa-50MPa，保压，冷却至室温，形成Ti和Ti/Ni金属间化合物相间排列的层状复合材料。
10.一种Ti和Ti/Ni金属间化合物相间排列的层状复合材料，其是通过权利要求9所述的制备方法制备得到的。
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