CN106945382A - 一种钛/钽复合板的制备方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种钛/钽复合板的制备方法及其产品，属于复合板制备技术领域，其包括：S1对钛合金板和钽板的待复合面进行打磨处理，除去待复合面的缺陷和氧化层，然后执行超声清洗；S2将经步骤S1获得的钛合金板和钽板组装成轧坯；S3将组装好的轧坯加热并保温；S4将保温后的轧坯送入轧机中轧制，直至钛和钽之间形成冶金结合，空冷至室温得到复合板；S5对复合板进行热处理；S6对复合板进行超声波无损检测，切除复合板边缘溢出钛合金，得到钽层厚度最薄可达0.1mm的钛/钽复合薄板。本发明首次提出了通过热轧的方式将钛和钽两种材料复合到一起，该制备方法工艺简便，可大规模工业化生产，尤其是本方法制备的复合板中钽板用量极少。

Description

一种钛/钽复合板的制备方法及其产品

技术领域

本发明属于复合板制备技术领域，更具体地，涉及一种薄钽覆层新型钛/钽复合板的制备方法。

背景技术

钛及其合金具有密度小，比强度高，耐腐蚀性好，高温力学性能好等优良的综合性能，是一种非常具有发展潜力和应用前景的结构材料。在航空航天、船舶、生物医疗、化学化工、体育器械等领域都具有十分广泛的应用。

虽然，钛合金在上述领域具有很高的应用价值，但是在一些特殊环境下，钛合金也有自身性能的不足。例如，由钛合金制备的阀门、管道和容器等在高强酸环境下会慢慢发生酸性腐蚀(即使钛合金具有较好的耐腐蚀能力，但是长期处于酸性环境下，还是会被腐蚀)，所以对于一些特殊构件的钛合金材料需要更强的耐腐蚀能力。在生物医疗领域，全髋或者全膝关节置换手术中应用的钛合金人工关节，在人体复杂的体液环境中会缓慢发生腐蚀，使年轻患者面临二次关节翻修手术的风险。所以，提高钛合金的耐腐蚀能力，使其更好的为人类服务，就显得尤为重要。

钽是一种高熔点、低膨胀系数的稀有金属，具有非常优异的耐蚀性能。钽在150℃以下，除了氢氟酸、发烟硫酸、苛性钠以外，几乎对于所有的腐蚀液体和气体都具有非常好的耐腐蚀能力。同时，钽还具有很高的强度，优良的加工性能和导热性能，因而适合用作高温结构材料和耐腐蚀性重要部件。例如，钽制热交换器，衬钽高压釜，钽制泵、阀门等。

在化工和核工业领域，钽作为高耐腐蚀材料得到了广泛关注。除此之外，钽在生物医疗领域也具有广阔的应用前景，由于其优异的生物相容性、高耐蚀性能和易加工成型等特点，钽作为一种安全可靠的金属植入材料，在人工关节、骨外科、脊柱外科等领也得到了大量应用。例如，美国Zimmer公司生产的多孔钽棒，在治疗早期股骨头坏死方面取得了非常不错的效果，我国也在2008年将其引入了国内市场。

尽管钽有不少优异的性能，由于其在地壳中含量少，提炼难度大，导致其价格昂贵，限制了其广泛应用。如何在利用钽优异性能的同时减少钽的用量，成了科学家们关注的一个研究领域。

公开号为CN 104790016 A的中国专利申请提出了一种利用微弧氧化技术在钛合金表面制备陶瓷层的方法，用于提高钛合金的耐腐蚀能力。该方法制备的陶瓷层虽然具有较强的耐腐蚀能力，但由于陶瓷本身硬脆的特点，使得陶瓷层容易脱落、破碎，如果将其应用于结构较为精密和复杂的耐蚀性阀门、管道、容器，其加工成型性也难以实现。南京航空航天大学的宣伟等人(宣伟,张平则,黄俊.纯钛表面渗钽改性层在硫酸中的耐腐蚀性能[J].机械工程材料,2010,34(9):50-53.)采用双层辉光等离子体渗金属技术对纯钛表面渗钽，实验结果表明经过渗钽，极大提高了钛的耐酸腐蚀能力。但是，采用该技术渗钽后的改性层很薄只有15um，在长期酸性腐蚀环境下，仍然不能满足工业要求。另外，采用离子注入、磁控溅射、多弧离子镀等表面技术在钛表面进行钽改性时，均存在改性层过薄或者结合强度低的问题。

因此，需要开发一种钛、钽复合新材料及其工业化的制备方法，使得钛和钽的结合紧密，并且钽层厚度合理。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型钛/钽复合板的制备方法及其产品，其目的在于，通过对钛合金板和纯钽板组装成的轧坯进行热轧，获得钛和钽冶金结合的复合板，本发明方法首次提出了通过热轧的方式将钛和钽两种材料复合到一起，该制备方法工艺简便，可大规模工业化生产，并且复合板的结合牢固，可工业化应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：采用机械法对钛合金板和纯钽板进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次采用有机溶剂和去离子水执行超声清洗；

S2：将经步骤S1获得的钛合金板和纯钽板组装成轧坯；

S3：对经步骤S2获得的轧坯加热至950℃～1050℃，保温20min～40min，加热和保温过程中均进行惰性气氛保护；

S4：将保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后获得复合板，根据实际需要，调节初始钽板厚度和轧制压下量，钽层厚度可控制在0.1mm～2mm。轧制过程中，钛合金板与轧制压头之间、纯钽板与轧制压头之间均添加一层石墨片，所述石墨片作为润滑层，可保证轧制的表面质量；

S5：将步骤S4获得的所述复合板在温度700℃～800℃的条件下进行热处理，热处理时间为30min～60min，然后空冷至室温；

S6：利用超声波对经步骤S5获得的复合板进行无损探伤，对无损检测合格后的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，获得钛/钽复合板。

进一步的，步骤S2中，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面结合处进行激光点焊或利用高级氩焊TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。所述激光点焊设备可为YLR-4000光纤激光器，点焊参数可为：焊接功率3.5kW，焊接时间150ms，保护气体流量35L/min。

进一步的，步骤S3中，升温速率为120℃/min，惰性保护气体为氩气。

进一步的，步骤S1中，所述钛合金板为TC4钛合金板。

进一步的，步骤S4中，多道次轧制总变形率为40％～80％，第一道次变形率不低于30％。其中，总变形率是指轧制时复合板总压下量占原始厚度的比例，第一道次变形率是指第一次轧制时复合板压下量占原始厚度的比例。

进一步的，步骤S1中所述有机溶剂为丙酮和乙醇。

按照本发明的另一方面，还提供了一种如上所述方法制备获得的钛/钽复合板，通过调节钽板初始厚度和轧制压下量，该钛/钽复合板中钽层的厚度可控制在0.1mm～2mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明方法采用热轧方式将钛和钽两种材料复合到一起，尤其地，热轧过程中，需要采用机械法对钛合金板和纯钽板进行打磨和清洗，然后组装成轧坯，将轧坏加热并保温一段时间，才能保证热轧后钽板和钛板的冶金结合效果，轧制过程中，钛合金板与轧制压头之间、纯钽板与轧制压头之间均添加一层石墨片，可保证轧制的表面质量。该制备方法工艺简便，可大规模工业化生产，并且复合板的结合牢固，可工业化应用。

按照本发明方法制备出的钛/钽复合板由于钽层厚度可控制在零点几毫米到几十毫米，其钽层较薄，在利用钽优异性能的同时，能减少钽的用量，降低产品成本，并且钽层与钛基体形成牢固冶金结合，结合强度高，能显著增强了钛合金的耐腐蚀能力，本发明提出的具有薄钽覆层的钛/钽复合板具有很大的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中复合板制备方法流程示意图；

图2是本发明实施例中钽板和钛合金板组装成轧坯的结构示意图，其中的黑色原点为焊接点，灰色的部分为钽板，白色部分为钛合金板；

图3是本发明实施例中轧坯轧制过程示意图，其中，灰色部分为钽板，白色部分为钛合金板，其中，轧坯原始厚度为6mm，轧制后厚度为4mm；

图4是本发明实施例复合板中在结合处的显微组织结构示意图，其中，中间层位冶金结合过渡层，右边为钛合金层，左边为钽层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

目前，国内制备复合板的方法主要有两种：一种是爆炸焊接法，一种是热轧法。爆炸焊接法就是利用炸药爆炸产生的能量作为能源，使两种金属之间产生固相结合的一种方法。公开号为CN 103586641 A的中国专利中提出了一种过硫酸铵用钛钽铂复合板材的制备方法，该专利中采用爆炸复合的方式得到了钛钽复合板，经过压延轧制，然后再利用滚焊机将铂箔条滚焊在钛钽复合板的钽板表面得到钛钽铂复合板材。爆炸焊接法得到的复合板质量不稳定，有时同一复合板的不同区域结合性能也存在较大差异，其次爆炸焊接法适合生产规格较大、厚度较厚的复合板，很难制备几个毫米的复合薄板，无法有效降低钽的用量，从而无法控制产品的成本。此外，爆炸焊接还存在噪音和冲击波污染，不利于环保。

热轧法一般是在真空状态或者气氛保护下，采用轧制复合技术生产复合板的一种新型工艺。东北大学的王光磊等人(王光磊,骆宗安,谢广明,等.加热温度对热轧复合钛/不锈钢板结合性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2013,42(2):387-391.)利用热模拟的方法，研究了钛和不锈钢的热轧工艺，实验结果发现850℃进行热轧复合实验，复合板的剪切强度可以达到215MPa。

本发明针对钛合金耐腐蚀性不足和钽价格昂贵的问题，提出了一种新型钛/钽复合板的制备方法。本发明的原理在于：β-Ti和Ta能形成无限互溶固溶体，热轧后无脆性金属间化合物生成，两者之间形成冶金结合过渡层，结合牢固稳定。

图1是本发明实施例中复合板制备方法流程示意图，由图可知，本发明提出的一种钛/钽复合板的制备方法包括如下步骤：

S1：采用机械法对钛合金板和纯钽板进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次采用有机溶剂和去离子水执行超声清洗；所述钛合金板优选为TC4钛合金板。所述有机溶剂为丙酮和乙醇。

S2：将经步骤S1获得的钛合金板和纯钽板组装成轧坯，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面结合处进行激光点焊或利用高级氩焊TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。所述激光点焊设备可为YLR-4000光纤激光器，点焊参数可为：焊接功率3.5kW，焊接时间150ms，保护气体流量35L/min。

S3：对经步骤S2获得的轧坯加热至950℃～1050℃，保温20min～40min，加热和保温过程中均进行惰性气氛保护；加热过程中升温速率为120℃/min，惰性保护气体为氩气。

S4：将保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后获得复合板，根据实际需要，调节初始钽板厚度和轧制压下量，钽层厚度可控制在0.1mm～2mm。轧制过程中，钛合金板与轧制压头之间、纯钽板与轧制压头之间均添加一层石墨片，所述石墨片作为润滑层，可保证轧制的表面质量；多道次轧制总变形率为40％～80％，第一道次变形率不低于30％。

S5：将步骤S4获得的所述复合板在温度700℃～800℃的条件下进行热处理，热处理时间为30min～60min，然后空冷至室温。

S6：利用超声波对经步骤S5获得的复合板进行无损探伤，对无损检测合格后的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，获得钛/钽复合板。

以上方法中，以钛及其合金作为基材，将薄钽板作为覆层材料制备成钛/钽复合板，具有以下优势：1、显著增强了钛合金的耐腐蚀能力；2、钽层厚度可控制在零点几毫米到几十毫米；3、钽层与钛基体形成牢固冶金结合，结合强度高；4、利用钽优异性能的同时，减少钽的用量，降低产品成本。因此，本发明提出的具有薄钽覆层的1钛/钽复合板将具有很大的应用前景。

图2是本发明实施例中钽板和钛合金板组装成轧坯的结构示意图，其中的黑色原点为焊接点，灰色的部分为钽板，白色部分为钛合金板；

图3是本发明实施例中轧坯轧制过程示意图，其中，灰色部分为钽板，白色部分为钛合金板，其中，轧坯原始厚度为6mm，轧制后厚度为4mm；

为进一步阐述本发明方法，下面结合具体实施例进一步说明。

实施例1

S1：选用长度100mm×宽度100mm×厚度4mm的TC4钛合金板和长度100mm×宽度100mm×厚度1mm的纯钽板，采用机械法对两种板材进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在有机溶剂乙醇和去离子水中进行超声清洗；

S2：将上述步骤S1清洗后的钛合金板和纯钽板组装成轧坯，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面贴合处进行激光点焊或利用TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。激光点焊设备为YLR-4000光纤激光器，点焊参数为焊接功率3.5kW，焊接时间150ms，保护气体流量35L/min；

S3：将步骤S2组装好的轧坯以120℃/min的升温速率加热至950℃，保温30min，加热和保温过程中进行氩气气氛保护；

S4：将保温结束后的轧坯进行变形率为30％的单道次轧制，空冷后得到复合板；

S5：将步骤S4所述复合板在温度800℃的条件下进行热处理50min，氩气气氛保护，然后空冷至室温；

S6：利用超声波对轧制后的钛/钽复合板进行无损探伤；将无损检测后合格的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，得到钽层厚度在0.5mm以下的钛/钽复合板。

图4是本发明实施例复合板中在结合处的显微组织结构示意图，其中，中间层位冶金结合过渡层，右边为钛合金层，左边为钽层，由图可知，本发明方法制备的钽钛复合板结合牢固。

实施例2

S1：选用长度100mm×宽度100mm×厚度4mm的TC4钛合金板和长度100mm×宽度100mm×厚度2mm的纯钽板，采用机械法对两种板材进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在有机溶剂丙酮和去离子水中进行超声清洗；

S2：将上述步骤S1清洗后的钛合金板和纯钽板组装成轧坯，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面贴合处进行激光点焊或利用TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。激光点焊设备为YLR-4000光纤激光器，点焊参数为焊接功率3.5kW，焊接时间150ms，保护气体流量35L/min；

S3：将步骤S2组装好的轧坯以120℃/min的升温速率加热至1050℃，保温20min，加热和保温过程中进行氩气气氛保护；

S4：将保温结束后的轧坯进行总变形率为40％的多道次轧制，第一道次的变形率为30％，空冷后得到复合板；

S5：将步骤S4所述复合板在温度700℃的条件下进行热处理30min，氩气气氛保护，然后空冷至室温；

S6：利用超声波对轧制后的钛/钽复合板进行无损探伤；将无损检测后合格的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，得到钽层厚度在0.8mm以下的钛/钽复合板。

实施例3

S1：选用长度500mm×宽度500mm×厚度4mm的TC4钛合金板和长度500mm×宽度500mm×厚度4mm的纯钽板，采用机械法对两种板材进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在有机溶剂和去离子水中进行超声清洗；

S2：将上述步骤S1清洗后的钛合金板和纯钽板组装成轧坯，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面贴合处进行激光点焊或利用TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。激光点焊设备为YLR-4000光纤激光器，点焊参数为焊接功率3.5kW，焊接时间150ms，保护气体流量35L/min；

S3：将步骤S2组装好的轧坯以120℃/min的升温速率加热至1000℃，保温40min，加热和保温过程中进行氩气气氛保护；

S4：将保温结束后的轧坯进行总变形率为80％的多道次轧制，第一道次的变形量为30％，空冷后得到复合板；

S5：将步骤S4所述复合板在温度750℃的条件下进行热处理45min，氩气气氛保护，然后空冷至室温；

S6：利用超声波对轧制后的钛/钽复合板进行无损探伤；将无损检测后合格的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，得到钽层厚度在2mm以下的钛/钽复合板。

实施例4

S1：选用长度500mm×宽度500mm×厚度4mm的TC4钛合金板和长度500mm×宽度500mm×厚度1mm的纯钽板，采用机械法对两种板材进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在有机溶剂和去离子水中进行超声清洗；

S2：将上述步骤S1清洗后的钛合金板和纯钽板组装成轧坯，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面贴合处进行激光点焊或利用TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。激光点焊设备为YLR-4000光纤激光器，点焊参数为焊接功率3.5kW，焊接时间150ms，保护气体流量35L/min；

S3：将步骤S2组装好的轧坯以120℃/min的升温速率加热至980℃，保温30min，加热和保温过程中进行氩气气氛保护；

S4：将保温结束后的轧坯进行总变形率为80％的多道次轧制，第一道次的变形量为30％，空冷后得到复合板；

S5：将步骤S4所述复合板在温度800℃的条件下进行热处理45min，氩气气氛保护，然后空冷至室温；

S6：利用超声波对轧制后的钛/钽复合板进行无损探伤；将无损检测后合格的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，得到钽层厚度在0.1mm以下的钛/钽复合板。

本发明提出的一种新型钛/钽复合板的制备方法，在惰性气氛保护下制备出了薄钽覆层的钛/钽复合板，提高了钛合金的耐腐蚀能力，制备工艺简便，两种材料能形成冶金结合，结合牢固稳定，同时钽用量极少，相较于纯钽板，能明显降低产品成本，同时还能充分发挥钽优异的耐腐蚀和高生物相容性的特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：采用机械法对钛合金板和纯钽板进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次采用有机溶剂和去离子水执行超声清洗；

S2：将经步骤S1获得的钛合金板和纯钽板组装成轧坯；

S3：将经步骤S2获得的轧坯加热至950℃～1050℃，保温20min～40min，加热和保温过程中均进行惰性气氛保护；

S4：将保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后获得复合板，调节初始钽板厚度和轧制压下量，控制钽层厚度在0.1mm～2mm，轧制过程中，钛合金板与轧制压头之间、纯钽板与轧制压头之间均添加一层石墨片；

S5：将步骤S4获得的所述复合板在温度700℃～800℃的条件下进行热处理，热处理时间为30min～60min，然后空冷至室温；

S6：利用超声波对经步骤S5获得的复合板进行无损探伤，对无损检测合格后的复合板校平，切除边缘溢出钛合金，获得钛/钽复合板。

2.根据权利要求1所述的钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，步骤S2中，组装方式为：将钛合金板和纯钽板进行贴合，在侧面结合处进行激光点焊或利用高级氩焊TIG精密焊补机在侧面贴合处进行点焊。

3.根据权利要求1所述的钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，步骤S3中，升温速率为120℃/min，惰性保护气体为氩气。

4.根据权利要求1所述的钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述钛合金板为TC4钛合金板。

5.根据权利要求1所述的钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，步骤S4中，多道次轧制总变形率为40％～80％，第一道次变形率不低于30％。

6.根据权利要求1所述的钛/钽复合板的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述有机溶剂为丙酮和乙醇。

7.如权利要求1-6之一方法制备获得的钛/钽复合板，其特征在于，该钛/钽复合板中钽层的厚度为0.1mm～2mm。