CN105562661A - 固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法；所述方法包括固液复合铸造制备双金属轧制坯料的步骤、轧制制备双金属复合材料的步骤。本发明特征在于利用表面锌层保护后固液连接的工艺手段，解决了传统焊接方法连接钛和其它材料时容易出现的气孔、接头组织粗大、变形、成分偏析等一系列的问题，克服了钛材在高温下表面易形成氧化膜阻碍钛和其它材料之间冶金结合形成的难题，然后通过轧制方法成型，破碎固液复合过程中界面上形成的中间化合物，提高了双金属复合材料以及基体材料的力学性能和物理性能。本发明无需气体保护、复合技术简单、工艺条件宽泛易操作、工艺设备要求简单、界面结合强度高、导电和导热性能好。

Description

固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法

技术领域

本发明属于双金属复合材料的制备领域，具体是一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，即一种通过固液复合铸造后轧制组合工艺制备双金属复合材料的方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展，对材料综合性能的要求越来越高，在很多工况条件下，单一组元的金属材料已经很难满足要求。因此，研究和制备新型复合材料成了材料科学与工程领域的一个重要发展方向。双金属复合材料是通过各种复合技术使两种性能不同的金属复合在一起而制备的一种新型复合材料。与单一组元的金属材料相比，双金属复合材料可以综合利用两种金属材料各自的物理化学特性，获得单一组元金属不能同时具有的综合性能，可以较好地满足工业与科技的快速发展对于材料越来越高的要求。相比于单一金属材料，其优点具体表现在以下三个方面：(1)优良的综合性能；(2)良好的经济效益；(3)广泛的可设计性。钛及其合金由于具有许多独特的优越性能，包括高的比强度和比刚度，良好的高温性能和耐腐蚀性能，优异的综合力学性能和加工性能，目前已得到世界各国的普遍重视，在国防、航空、航天等领域受到了广泛的开发和应用。我国钛资源丰富，钛合金的应用势必将不断扩展。经调研发现钛合金材料与其他材料，如铝合金、钢材等复合形成的双金属复合材料同样受到了广泛的重视，如钛铝材料，综合了钛合金上述优点以及铝合金导电、导热性好、比强度高、耐蚀性好等一系列的优点，被开发应用在了石油和航天领域。

使用传统焊接方法制备双金属复合材料时，由于钛合金独特的性质，经常出现各类缺陷。如钛铝双金属材料，经常在焊接接头出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。经对现有技术的检索发现，除焊接方法外钛铝间复合常见的方法按照材料状态的不同可以分为固液复合、固固复合及液液复合。对于固固连接方法，如挤压，生产效率较高，不过由于铝和钛在大气环境下都非常容易氧化，尤其是高温条件下，两种金属之间都会形成致密的氧化膜，氧化膜的存在会阻碍冶金结合的形成。而液液连接则经常受到设备的限制，对于材料的外形、尺寸都有非常严格的要求，这也在一定程度上限制了铜铝双金属材料的推广和应用。相比于固固复合及液液复合，固液复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、生产效率较高，正受到越来越多的关注。不过固液复合同样存在一定的不足，经检索发现，Nie等人在《MaterialsandDesign》期刊2014,63):142-150上发表的AninvestigationonbondingmechanismandmechanicalpropertiesofAl/Ticompoundmaterialspreparedbyinsertmoulding(镶嵌铸造制备铝钛双金属复合材料的结合机理及力学性能研究)提到，在液固复合过程中，浇注温度较高时容易在界面上生成较厚的中间化合物，影响钛铝双金属复合材料的结合强度和物理性能。可见，每一种方法都有其特有的优势，但又有一定的局限性。

进一步对现有技术检索发现，研究人员开始通过两种复合方法组合在一起制备双金属复合材料以克服单一方法的不足。中国专利CN101364459A公布了一种铜包铝母线排的生产方法及设备。该技术利用挤压和热轧组合的方法制备铜铝双金属复合材料，不过由于是利用两种固固连接方法，而且为了避免氧化膜的影响，在热处理过程中引入了惰性气体保护，对于设备及制备条件要求较高。中国专利CN101465171A公布了一种包覆焊接及轧制连续制作铜包铝母线排的方法。该技术利用包覆焊接及轧制组合的方法制备了铜铝双金属复合材料，不过，同样的利用两种固固连接方法，而且为了避免氧化膜的影响，在热处理过程中引入了惰性气体保护，对于设备及制备条件要求较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种固态钛材固液复合铸造及挤压组合制备双金属复合材料的方法，解决现有复合技术连接钛材和其它材料时经常导致结合区域形成气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析的问题，同时解决氧化膜和中间化合物的存在严重影响两种金属之间的相互作用以及双金属复合材料的性能较低等一系列的问题，使两种合金之间形成冶金结合，具有优良的力学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，所述方法包括固液复合铸造制备双金属轧制坯料的步骤、轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤。

优选地，固液复合铸造制备双金属轧制坯料的步骤具体包括：

处理预置：对待连接固态钛预置材料进行表面处理，处理后预置在模具型腔内；

铸造结合：将液态待浇注材料浇注入所述模具型腔内，铸造形成双金属轧制坯料。

优选地，所述预置固态钛材料包括纯钛和/或钛合金，所述浇注材料包括熔点低于或等于固态钛材料的金属或合金；所述金属或合金包括铝、镁、钢等。

优选地，处理预置的步骤中，所述表面处理具体指镀锌保护层；

优选地，所述锌保护层的实现方式包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂、气相沉积等；所述锌保护层的厚度为0.1～50μm。锌层太薄在浇注前会气化，表面继而氧化，不能起到保护作用。过厚会造成锌层不能完全溶入到浇注材料中去，导致不能形成冶金结合。或者形成冶金结合界面处有锌聚集，锌的聚集会影响双金属复合材料的性能。

优选地，铸造结合的步骤中，所述铸造的方法包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造、离心铸造等。

优选地，铸造结合的步骤中，所述浇注温度为450～1800℃；浇注温度低于450℃充型困难，同时很难熔化表面锌层，不能形成冶金结合；高于1800℃可能会造成预置钛材的严重熔化，失去作为高性能预置材料的意义；进一步优选地，所述浇注温度为650～1800℃。

优选地，轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤中，所述轧制的方式为双层轧制或三层轧制；所述轧制为冷轧、温轧或热轧；所述轧制的温度为-100～浇注材料熔点以下100℃；所述轧制的压下率为10～75％，轧制的速度为0.01～10m/s。轧制温度低于-100℃时，成型性能很差，在轧制过程中会出现裂纹等缺陷。温度高于上限时有可能达到浇注材料甚至钛材的熔点，导致材料熔化，不能形成所需双金属材料。压下率低于10％时，基本没有变形效果，对于中间化合物的破损效果很弱，得到的材料界面上会存在较厚的中间化合物，影响性能。缩径比高于75％时，对于设备/材料的成型性能要求很高，而且很容易出现裂纹等缺陷。缩径高于10m/s，变形速度较快，很容易出现裂纹等缺陷。而低于0.01m/s，生产效率较低。进一步优选地，所述轧制的温度为-100～500℃。

优选地，轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属复合材料进行轧制后退火处理。

优选地，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为5～300min。温度低于100℃或者时间少于5min时，不能起到去除应力效果，并且两种金属之间作用较弱，很难发生反应，导致双金属复合材料的性能较差。温度高于上限或者时间长于300min时，两种金属之间剧烈反应，中间化合物层厚度会很厚，中间化合物硬脆的性质会影响双金属复合材料的性能，或者有可能超过浇注材料甚至钛材的熔点，导致材料熔化，不能形成双金属材料。进一步优选地，所述退火处理的温度为100～400℃。

优选地，轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属轧制坯料进行轧制前退火处理。

优选地，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为0～300min。可以不进行轧制前热处理直接进行轧制。如进行轧制前热处理，温度小于100℃时，不能起到去除应力的效果。温度高于上限或者时间长于300min时，两种金属之间剧烈反应，中间化合物层厚度会很厚，可能会出现裂纹等缺陷，同时会影响轧制过程及得到的双金属复合材料性能，或者造成浇注材料甚至固态钛预置材料熔化，不能形成所需双金属复合材料。

与现有其他技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、与传统焊接方法相比，避免了气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等问题的出现；

2、与单一液液复合方法相比，对设备要求较低，对于材料的外形、尺寸要求较低；

3、与单一固固复合方法相比，解决了表面氧化膜的问题，能够在固态铝预置材料表面形成均匀连续的锌层，使双金属复合材料的物理性能达到较高水平；

4、与单一固液复合方法相比，解决了浇注温度控制不好时界面上会形成较厚的中间化合物的问题，提高了双金属复合材料的力学性能和物理性能，相比于单一固液复合，剥离强度的提升非常明显。同时钛及浇注基体材料的性能也得到了提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为预置固态钛材后固液复合铸造及轧制组合制备双金属复合材料示意图，图中1为固态预置钛材料，2为液态浇注成型材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明通过预置固态钛材后固液复合铸造及轧制组合制备的双金属复合材料示意图，图中1为固态预置钛材料，2为液态浇注成型材料。

实施例1

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态TC4钛合金预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为10μm；

步骤二、将表面处理后的固态TC4钛合金预置在模具型腔内所需位置；

步骤三、在电阻炉内熔化6101挤压态铝合金模具型腔内，利用金属型铸造的加工工艺，浇注温度为700℃，使钛和铝之间形成冶金结合；

步骤四、将得到的TC4-6101钛铝双金属轧制坯料进行轧制前退火处理，退火温度为100℃，时间为100min，然后继续进行热轧加工，压下率为40％，轧制温度为100℃，轧制速度为5m/s；

步骤五、将得到的钛铝双金属复合材料放入退火炉中进行轧制后退火处理，退火温度为150℃，退火时间为200min。

经检测发现在结合区域没有出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钛铝双金属复合材料性能良好，剥离强度为28N/mm。

实施例2

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态TA1工业纯钛预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为20μm；

步骤二、将表面处理后的固态TA1工业纯钛预置在模具型腔内所需位置；

步骤三、在电阻炉内熔化A356铸造铝合金后浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度650℃，挤压铸造压力为70MPa，使钛和铝之间形成冶金结合；

步骤四、将得到的TA1-A356钛铝双金属轧制坯料进行轧制前退火处理，退火温度为300℃，时间为20min，然后继续进行热轧加工，压下率为60％，轧制温度为450℃，轧制速度为5m/s；

步骤五、将得到的钛铝双金属复合材料放入退火炉中进行轧制后退火处理，退火温度为150℃，退火时间为20min。

经检测发现在结合区域没有出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钛铝双金属复合材料性能良好，剥离强度为35N/mm。

实施例3

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态TA1工业纯钛预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为0.5μm；

步骤二、将表面处理后的固态TA1工业纯钛预置在模具型腔内所需位置；

步骤三、在电阻炉内熔化AZ91镁合金后浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度为750℃，挤压铸造压力为50MPa，使钛和镁之间形成冶金结合；

步骤四、将得到的TA1-AZ91钛镁双金属轧制坯料进行轧制前退火处理，退火温度为350℃，时间为5min，然后继续进行温轧加工，压下率为60％，轧制温度80℃，轧制速度为10m/s；

步骤五、将得到的钛镁双金属复合材料放入退火炉中进行轧制后退火处理，退火温度为100℃，退火时间为5min。

经检测发现在结合区域没有出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钛镁双金属复合材料性能良好，剥离强度为40N/mm。

实施例4

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态TA1工业纯钛预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为50μm；

步骤二、将表面处理后的固态TA1工业纯钛预置在模具型腔内所需位置；

步骤三、在电阻炉内熔化AZ31镁合金后浇入模具型腔内，利用砂型铸造的加工工艺，浇注温度为740℃，使钛和镁之间形成冶金结合；

步骤四、将得到的TA1-AZ31钛镁继续进行热轧加工，压下率为50％，轧制温度为100℃，轧制速度为0.5m/s；

步骤五、将得到的钛镁双金属复合材料放入退火炉中进行轧制后退火处理，退火温度为100℃，退火时间为10min。

经检测发现在结合区域没有出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钛镁双金属复合材料性能良好，剥离强度为38N/mm。

实施例5

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态TC4钛合金预置材料进行电镀锌表面处理，锌层厚度为0.1μm；

步骤二、将表面处理后的固态TC4钛合金预置在模具型腔内所需位置；

步骤三、在电阻炉内熔化Q235结构钢后浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度为1800℃，挤压铸造压力为50MPa，使钛和钢之间形成冶金结合；

步骤四、将得到的TC4-Q235钛钢双金属轧制坯料进行轧制前退火处理，退火温度为300℃，时间为10min，然后继续进行冷轧加工，压下率为50％，轧制温度为-100℃，轧制速度为0.01m/s；

步骤五、将得到的钛钛双金属复合材料放入退火炉中进行轧制后退火处理，退火温度为400℃，退火时间为5min。

经检测发现在结合区域没有出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钛钢双金属复合材料性能良好，剥离强度为28N/mm。

实施例6

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态BT20钛合金预置材料进行热浸镀锌表面处理，锌层厚度为50μm；

步骤二、将表面处理后的固态BT20钛合金预置在模具型腔内所需位置；

步骤三、在电阻炉内熔化16MnL低合金高强度钢浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度为1560℃，挤压铸造压力为70MPa，使钛和钢之间形成冶金结合；

步骤四、将得到的BT20-16MnL钛钢双金属轧制坯料进行轧制前退火处理，退火温度为100℃，时间为100min，然后继续进行热轧加工，压下率为40％，轧制温度为100℃，轧制速度为10m/s；

步骤五、将得到的钛钢双金属复合材料放入退火炉中进行轧制后退火处理，退火温度为200℃，退火时间为10min。

经检测发现在结合区域没有出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钛钢双金属复合材料性能良好，剥离强度为30N/mm。

对比例1

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于镀锌层厚度为80μm。

经检测发现在结合区域出现了氧化夹渣、气孔、热裂等缺陷。两种材料之间不能形成冶金结合，界面区域没有形成连续均匀的金属间化合物，且锌元素在界面处聚集，在界面上有明显的裂纹出现。经检测，钛铝双金属复合材料力学性能较差，剥离强度小于5N/mm。

对比例2

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于固液复合铸造之后不进行轧制工序。

经检测发现在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、接头组织粗大、接头应力变形、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合，但是两种金属之间形成硬厚的中间化合物，严重影响连接性能。经检测，钛铝双金属复合材料力学性能较差，剥离强度为8N/mm。

对比例3

本实施例涉及一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于轧制坯料是未经固液复合铸造连接的钛材和镁材，机械拼合在一起进行轧制工序。

经检测发现在结合区域没有出现氧化夹渣、气孔、接头组织粗大、接头应力变形、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合，但是金属间化合物并不连续，且两种金属之间存在氧化皮，正是由于氧化皮的存在影响了两种金属之间形成连续的金属间化合物，导致连接性能及导电性能比实施例一中结果差。经检测，钛铝双金属复合材料力学性能较差，剥离强度为10N/mm。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括固液复合铸造制备双金属轧制坯料的步骤、轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤。

2.根据权利要求1所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，固液复合铸造制备双金属轧制坯料的步骤具体包括：

处理预置：对待连接固态钛预置材料进行表面处理，处理后预置在模具型腔内；

铸造结合：将液态待浇注材料浇注入所述模具型腔内，铸造形成双金属轧制坯料。

3.根据权利要求2所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述预置固态钛材料包括纯钛和/或钛合金；

所述浇注材料包括熔点低于或等于固态钛材料的金属或合金。

4.根据权利要求2所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，处理预置的步骤中，所述表面处理具体指镀锌保护层。

5.根据权利要求2所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，铸造结合的步骤中，所述铸造的方法包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造或离心铸造；

所述浇注温度为450～1800℃。

6.根据权利要求1所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤中，所述轧制的方式为双层轧制或三层轧制；

所述轧制为冷轧、温轧或热轧；

所述轧制的温度为-100～浇注材料熔点以下100℃；

所述轧制的压下率为10～75％；

轧制的速度为0.01～10m/s。

7.根据权利要求1或6所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属复合材料进行轧制后退火处理。

8.根据权利要求7所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为5～300min。

9.根据权利要求1或6所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，轧制所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属轧制坯料进行轧制前退火处理。

10.根据权利要求9所述的固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为0～300min。