CN108098270A - 一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法 - Google Patents

一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ti‑Al体系梯度防护屏材料的制备方法，是在扩散焊接物理接触阶段改善原子接触面积的方法来提高样品连接性能，具体采用包括以下步骤：(1)梯度防护屏体系选择与设计，(2)待连接Ti/Al体系样品表面定向打磨处理，(3)Ti/Al体系待焊接样品的定向装配，(4)Ti/Al体系样品低温连接。本发明能够实现钛合金与铝合金的低温高强连接，制得的Ti‑Al梯度材料焊接接头结合好、与传统焊接接头相比，操作简便且控制难度小、制备温度低且成本低、无金属间化合物、接头残余应力小且性能极好，其抗剪切强度达到128MPa，Ti‑Al梯度材料作为梯度防护屏，与传统防护屏相比，结构设计新颖且合理，面密度小、防护效果好。

Description

一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法
技术领域
本发明涉及材料的制备，特别是一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法。
背景技术
空间碎片对于航天器的严重威胁已经引起各个国家极大关注。而利用防护结构对航天器进行保护，使其免受空间碎片的破坏，进而提高航天器使用寿命是现阶段最普遍的方法。在空间碎片防护结构的设计和超高速撞击特性研究方面，美国、俄罗斯和欧洲开始得比较早，取得的成果也最多，居于世界领先水平。Fred Whipple于上世纪40年代提出了单缓冲屏防护结构。单缓冲屏防护结构是由位于前端的铝防护板、位于后部的后壁以及两者之间的间距构成，前端的防护屏用来碎化来袭的空间碎片，如果碰撞速度很高，甚至可将碎裂的空间碎片熔化、汽化，大幅度降低对后壁的破坏。人们为了进一步提高在Whipple防护构型的防护性能，又在其基础型上发展了其他多种防护结构，它们具有相似的基本构型。
用于航天器结构的材料必须满足密度低、比模量和比强度较高、较小的线膨胀系数、较高的比热和热导率、抗辐照、抗老化、真空出气率低等特点。除此之外，由于应用于防护结构上，还应具备对入射粒子的破碎能力强；本身形成碎片对后墙威胁小；令碎片云扩散角度大；使碎片云膨胀速度低二次反溅效应小的特点。在已经普遍使用的防护构型中，常用到的防护材料主要为金属材料、高分子材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等几类：铝合金是金属材料中最常见的，应用形式主要有板材、铝网、蜂窝板等；高分子材料主要有Kevlar、Spectra、Vectran等；金属基复合材料以铝基复合材料为主，特别是含SiC颗粒、Al2O3纤维等；陶瓷基复合材料应用最广泛的是在ZrC基体中加入ZrB2等。轻质的铝、镁合金及其复合材料成为在航天器外层防护结构的首选材料。
而钛合金具有密度低、比强度高和耐腐蚀能力强等优点，是航空、航天、医疗等许多行业急需的材料。用钛合金替代陶瓷，制备钛铝复合后墙材料将是一种很好的选择。
扩散连接(diffusion bonding；diffusion welding)是指在一定的焊接温度和焊接压力条件下，使连接表面相互接触，通过使界面之间形成有效的物理接触，或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后母材界面原子经过一定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程，尤其适合异种金属的连接。扩散连接技术广泛应用于原子能，航天航空，电子信息等尖端科技领域的异种金属精密焊接件的制备中。
而在扩散焊接过程中，待焊样品表面的粗糙度严重影响扩散过程的物理接触阶段，文献《The Optimal Surface Roughness Condition on Diffusion Bonding》通过计算得出了不同金属扩散焊接过程中的接触面最佳粗糙度值计算公式。在物理接触阶段，增大接触面积可以促进原子间的扩散，从而在低温下实现异种金属的高强连接。
当前的研究现状表明，用梯度复合材料作为whipple防护结构的后墙材料的应用还比较少，利用控制表面粗糙度的方法来提高扩散焊接接头强度在钛铝合金方面也做的比较少。
本发明通过控制Ti-Al接触表面的粗糙度值，使其达到最佳接触，再利用低温高强连接方法，制备出一种太空防护用Ti-Al梯度材料，解决了传统的单屏铝合金后墙防护材料防护性能不足，存在穿孔、剥落的问题；弥补了陶瓷基金属复合材料在受冲击时，由于陶瓷与金属在密度、弹性模量及声阻抗等方面存在明显差异而导致的陶瓷/金属界面处产生反射拉伸波，造成抗拉强度较低从而导致陶瓷面板断裂的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的低温连接方法，该方法在Ti-Al体系梯度防护屏材料制备之前对待连接样品进行表面处理，以便实现钛合金与铝合金之间的可靠连接，得到综合性能优异的Ti-Al体系梯度防护屏材料。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，是在扩散焊接物理接触阶段改善原子接触面积的方法来提高样品连接性能，具体采用包括以下步骤：
(1)梯度防护屏体系选择与设计：
a)根据太空用材料基本性能要求，结合模拟冲击试验结果，采用钛铝合金作为防护屏材料，要求Ti-Al体系梯度防护屏材料面密度为13～14g/㎡；
b)结合面密度条件，设计了铝合金-钛合金-铝合金和钛合金-铝合金两种结构；
(2)待连接Ti/Al体系样品表面定向打磨处理：
a)采用线切割机械方法将钛合金片、铝合金片加工到规定的几何尺寸，
b)定向打磨待焊接面至所需的粗糙度，
c)超声清洗1～10min后转入丙酮或乙醇中隔离空气存放，作为待连接样品；
(3)Ti/Al体系待焊接样品的定向装配：
按照步骤(1)中的设计次序自下而上顺序组装，钛合金和铝合金待焊接面的接触划痕夹角在-10°～+10°之间，获得初始接触面积大的Ti/Al待连接工件；
(4)Ti/Al体系样品低温连接：
将组装好的Ti/Al待连接工件放在真空压焊机的下压头上面，实施真空扩散连接；获得防护性能优异的连接件，其为Ti-Al体系梯度防护屏材料。
上述方法中，可以采用满足质量轻、硬度高、可焊接的钛合金，其包括TC4、TC6钛合金片。
上述方法中，可以采用满足质量轻、延展性好、声速高、可焊接的铝合金，其包括1060Al、LY12铝合金片。
上述步骤(2)中，使用不同粒径的金相砂纸依次逐级定向打磨，保证划痕方向一致且保持平行，Ti的粗糙度值Sa为100～120μm，Al的粗糙度值Sa为90～120μm。
上述方法中，所述不同粒径的金相砂纸是P600、P800、P1200、P2500砂纸。
上述步骤(4)中，在低温连接过程中，加热温度为390～430℃，保温时间110～120min，压强10～20MPa。
上述方法中，Ti-Al体系梯度防护屏材料界面上没有金属间化合物，该材料的抗剪切强度达到128MPa。
本方法中，Ti-Al连接工件面密度为10～14g/㎡，在样品侧边做定向打磨标记。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：
1.在扩散连接研究方面，之前关注的是连接温度、连接压力、保温时间这几个宏观条件，在扩散连接第一阶段物理接触阶段的研究比较少，本发明做了在扩散那焊接物理接触阶段改善原子接触面积的方法来提高样品连接性能的研究。
通过调研太空用材料基本性能要求，结合软件模拟冲击试验结果，选择钛/铝合金作为防护屏材料，要求Ti-Al体系梯度防护屏材料面密度为13～14g/㎡，符合所设计的whipple防护结构在模拟冲击试验中的抗侵彻要求，满足了防护屏材料的质轻和高强度的要求，避免了单层铝防护屏质轻但强度不够的问题，比传统的陶瓷基防护屏材料质量轻也解决了陶瓷基防护屏陶瓷层高速冲击下易碎的问题，而且Ti-Al体系梯度防护屏材料可以有效的阻挡超高速动态加载实验中碎片云的冲击，不会出现国内外目前所做太空防护屏材料在高速动态加载实验中发生的穿孔、剥落等失效问题。
2.使用不同粒径砂纸依次定向打磨的方法，控制了待连接样品表面的划痕方向和待连接样品表面粗糙度的范围，Ti的粗糙度值Sa为100～120μm，Al的粗糙度值Sa为90～120μm，通过定向装配的方法，将钛合金和铝合金待连接面接触划痕夹角控制在-10°～+10°之间，与理论计算得出的Ti-Al扩散连接接触面最佳粗糙度值相匹配。在此条件下增大了物理接触阶段的样品接触面积，降低了原子的扩散激活能，促进了原子在低温条件下的扩散。这种通过改变样品表面粗糙度的方法在微观层面为异种金属连接提供了工艺改进的可能，为样品的低温连接提供了保障，可以将Ti-Al体系梯度防护屏材料的抗剪切强度提高60Mpa左右。
3.本方法解决了其他方法难以实现低温高强连接的问题，通过定向打磨改变连接样品表面粗糙度和定向装配增大连接样品表面接触面积的方法，使得钛合金和铝合金待连接面接触划痕夹角控制在-10°～+10°之间。增大了物理接触阶段的样品接触面积，降低了原子的扩散激活能，促进了原子在低温条件下的扩散，为Ti-Al低温条件下的高强连接提供了保障。
4.本方法所得的Ti-Al体系梯度防护屏材料界面没有金属间化合物且残余应力小，抗剪切强度高达128MPa，比现有报道的Ti/Al连接温度650℃降低了200℃左右，且所得的Ti-Al体系梯度防护屏材料抗剪切强度远远高于现有的报道。
总之，本发明能够实现钛合金与铝合金的低温高强连接，制得的Ti-Al梯度材料焊接接头结合好、与传统焊接接头相比，操作简便且控制难度小、制备温度低且成本低、无金属间化合物、接头残余应力小且性能极好，其抗剪切强度达到128MPa，Ti-Al梯度材料作为梯度防护屏，与传统防护屏相比，结构设计新颖且合理，面密度小、防护效果好。
附图说明
图1是本发明Ti-Al体系梯度防护屏材料制备、测试流程图。
图2为本发明在焊接温度390～430℃，保温110～120min，焊接压力10～20MPa下扩散焊接钛合金和铝合金的连接界面的显微结构。
图3为本发明一种Ti-Al体系梯度防护屏材料焊接界面断面的显微结构，其中：图3a是LY12一侧断面显微结构图，图3b是TC4一侧断面显微结构图。
图4是本发明Ti和Al扩散连接接头抗剪切强度随表面粗糙度变化关系图。
图5是本发明Ti和Al扩散连接接头抗剪切强度随表面定向装配划痕夹角变化关系图。图5中：定向装配划痕夹角0°、45°、90°可以有±10°的误差。
图6为本发明一种Ti-Al体系梯度防护屏材料进行二级轻气炮动态加载实验的防护结构示意图。
图7是图6的二级轻气炮动态加载实验碎片云冲击示意图。
图8是Ti-Al体系梯度防护屏材料动态加载实验后的宏观图的3D扫描示意图。
图9是本发明定向打磨样品示意图。
图10是本发明定向装配示意图。
图中：1.WC上压头；2.WC下压头；3.铝合金片；4.钛合金片；5.陶瓷阻焊层；6.模具外套；7.真空压焊机的上压头；8.真空压焊机的下压头；9.缓冲屏；10.填充层；11.防护屏；12.碎片云；13.抛光盘；14.待焊接样品；15.定位点。
具体实施方式
本发明涉及太空防护whipple结构的后墙防护屏材料的制备，金属铝、钛这类低密度材料，由于其质轻的特点在太空材料中应用广泛，陶瓷基复合材料表面的陶瓷层具有较高的强度，而钛合金同样具有较高的强度，而且熔点高，密度小，硬度高。结合目前的实验结果，发现使用钛合金与铝合金复合材料做后墙防护材料可以起到有效的防护效果，避免了穿孔、剥落等常见失效问题。通过钛合金与铝合金的低温高强连接方法，制备出了一种Ti-Al体系梯度防护屏材料。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。
本发明下述实施例中所采用的定向装配装置，其结构如图10所示，包括：真空压焊机上压头7和真空压焊机下压头8，两压头之间是石墨垫片；在石墨垫片上是模具外套6，该模具外套6有两个，分别套在WC上压头1、WC下压头2的外围上，以保证待焊件对齐，并接触紧密；WC上压头1和WC下压头2之间自上而下布置有一层陶瓷阻焊层5、钛合金片4、铝合金片3和另外一层陶瓷阻焊层5。
实施例1：
将钛合金片4与铝合金片3进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*4.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为109.90μm，Al的粗糙度值Sa为101.43μm，待焊样品放置时，划痕方向保持平行。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。二级轻气炮动态加载实验弹丸用直径Ф9.9mm的LY12铝丸，冲击初始速度3.08km/s。
参见图1，Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材钛合金片和铝合金片通过线切割机切成所需尺寸，用纯丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，在样品侧边做定向打磨标记，参见图9，用不同粒径金相砂纸(P600，P800，P1200，P2500)依次定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。然后在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头，其为Ti-Al体系梯度防护屏材料。
由图2可知：得到的Ti-Al体系梯度材料结合紧密，元素相互扩散充分。
由图3可知：得到的Ti-Al体系梯度材料接头断裂为韧性断裂，没有金属间化合物。
由图4可知：得到的Ti-Al体系梯度材料结合紧密，接头抗剪切强度达到128MPa。
由图5可知：得到的Ti-Al体系梯度材料剪切强度随着焊接面划痕接触夹角的增大而降低，在划痕接触夹角为0°时剪切强度最大为128MPa。
由图7可知：防护屏材料承受的主要是缓冲屏和填充层形成的碎片云的冲击。
由图8可知：得到的Ti-Al体系梯度材料，对于抵抗高速冲击，防护效果理想，没有发生穿孔、剥落。
由图9可知：通过定向打磨，可以保证样品划痕的方向固定，且方向平行。
实施例2：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*4.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为101.90μm，Al的粗糙度值Sa为111.43μm，待焊样品放置时，划痕方向保持平行。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。二级轻气炮动态加载实验弹丸用直径Ф9.9mm的LY12铝丸，冲击初始速度3.08km/s。
参见图1，Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材钛合金片和铝合金片通过线切割机切成所需尺寸，用纯丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，在样品侧边做定向打磨标记，参见图9，用不同粒径金相砂纸(P600，P800，P1200，P2500)依次定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头，其为Ti-Al体系梯度防护屏材料。
由图2可知：得到的Ti-Al体系梯度材料结合紧密，元素相互扩散充分。
由图3可知：得到的Ti-Al体系梯度材料接头断裂为韧性断裂，没有金属间化合物。
由图4可知：得到的Ti-Al体系梯度材料结合紧密，接头抗剪切强度达到120MPa。
由图8可知：得到的Ti-Al体系梯度材料，对于抵抗高速冲击，防护效果理想，没有发生穿孔、剥落。
实施例3：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*4.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为69.12μm，Al的粗糙度值Sa为67.91μm，待焊样品放置时，划痕方向保持平行。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，用P800、P1200金相砂纸依次定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，接头抗拉强度达到121.49MPa。
实施例4：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*4.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为82.33μm，Al的粗糙度值Sa为72.43μm，待焊样品放置时，划痕方向保持平行。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，用P800、P1200、P2500、P4000金相砂纸依次定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，接头抗拉强度达到107.31MPa。
实施例5：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*4.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为109.90μm，Al的粗糙度值Sa为101.43μm，待焊样品放置时，表面划痕方向保持45°夹角。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，焊前用P800、P1200、P2500金相砂纸定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，待焊样品放置时，定位点控制夹角45°，表面划痕方向夹角在-45°～+45°夹角；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，接头抗拉强度达到88.52MPa。
实施例6：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*4.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为109.90μm，Al的粗糙度值Sa为101.43μm，待焊样品放置时，表面划痕方向保持90°夹角。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，用P800、P1200、P2500金相砂纸定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，待焊样品放置时，表面划痕方向保持90°；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，接头抗拉强度达到57.77MPa。
实施例7：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*3.2mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为109.90μm，Al的粗糙度值Sa为101.43μm，待焊样品放置时，表面划痕方向保持夹角在-10°～+10°。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，用P800、P1200、P2500金相砂纸定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，接头抗拉强度达到128MPa，冲击实验后Ti和Al分离，防护屏有大的穿孔。
实施例8：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*2.2mm1060铝片和Ф100*1mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为109.90μm，Al的粗糙度值Sa为101.43μm，待焊样品放置时，表面划痕方位夹角保持-10°～+10°之间。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，用P800、P1200、P2500金相砂纸定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，冲击实验后Ti和Al分离，防护屏有大的穿孔。
实施例9：
将钛合金片与铝合金片进行扩散连接，其中：钛合金片为Ф100*0.5mmTC4钛合金片，铝合金片为Ф100*2.7mm1060铝片和Ф100*0.5mm1060铝片，连接后面密度为13.59g/㎡。保证焊前样品表面粗糙度为：Ti的粗糙度值Sa为109.90μm，Al的粗糙度值Sa为101.43μm，待焊样品放置时，表面划痕方位夹角保持-15°～+15°之间。扩散连接工艺条件是：焊接温度410℃，保温时间120min，焊接压力20MPa。
Ti-Al体系梯度防护屏材料制备的具体步骤如下：
1.定向打磨：
将所用母材通过线切割切成所需尺寸，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钛合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的片子，参见图9，焊前用P800、P1200、P2500金相砂纸定向打磨待连接面，使得打磨划痕方向一致且保持平行，用酒精溶液超声清洗10min。
2.定向装配：
参见图10，在模具下压头2上喷涂陶瓷阻焊层5，依次放置铝合金片3、钛合金片4，定位点对齐，保证钛合金片和铝合金片待连接面划痕方位夹角在-10°～+10°之间；在模具上压头1上喷涂陶瓷阻焊层5，往上是模具上压头，形成组装好的工件。
3.低温连接：
参见图10，将工件套上模具外套6后放在真空压力焊机的下压头8和真空压焊机的上压头7之间。在真空度优于1.0×10-3Pa的条件下，对被焊工件施加20MPa轴向压力，并对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以1℃/min升至410℃，保温120min，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，取出扩散连接后的焊接接头。得到的钛/铝片结合紧密，平行性好，冲击实验后Ti和Al分离，防护屏有大的穿孔。
上述实施例2-9中，所述图1至图10与实施例1中类似。
上述实施例1-9中，所述丙酮可以由乙醇替换。
上述实施例1-9中，所述陶瓷阻焊层5为BN陶瓷阻焊层。

Claims (7)

1.一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，其特征是在扩散焊接物理接触阶段改善原子接触面积的方法来提高样品连接性能，具体采用包括以下步骤：
(1)梯度防护屏体系选择与设计：
a)根据太空用材料基本性能要求，结合模拟冲击试验结果，采用钛铝合金作为防护屏材料，要求Ti-Al体系梯度防护屏材料面密度为13～14g/㎡；
b)结合面密度条件，设计了铝合金-钛合金-铝合金和钛合金-铝合金两种结构；
(2)待连接Ti/Al体系样品表面定向打磨处理：
a)采用线切割机械方法将钛合金片、铝合金片加工到规定的几何尺寸，
b)定向打磨待焊接面至所需的粗糙度，
c)超声清洗1～10min后转入丙酮或乙醇中隔离空气存放，作为待连接样品；
(3)Ti/Al体系待焊接样品的定向装配：
按照步骤(1)中的设计次序自下而上顺序组装，钛合金和铝合金待焊接面的接触划痕夹角在-10°～+10°之间，获得初始接触面积大的Ti/Al待连接工件；
(4)Ti/Al体系样品低温连接：
将组装好的Ti/Al待连接工件放在真空压焊机的下压头上面，实施真空扩散连接；获得防护性能优异的连接件，其为Ti-Al体系梯度防护屏材料。
2.如权利要求1所述的Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，其特征在于：采用满足质量轻、硬度高、可焊接的钛合金，其包括TC4、TC6钛合金片。
3.如权利要求1所述的Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，其特征在于：采用满足质量轻、延展性好、声速高、可焊接的铝合金，其包括1060Al、LY12铝合金片。
4.如权利要求1所述的Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，使用不同粒径的金相砂纸依次逐级定向打磨，保证划痕方向一致且保持平行，Ti的粗糙度值Sa为100～120μm，Al的粗糙度值Sa为90～120μm。
5.如权利要求4所述的Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，其特征在于：所述不同粒径的金相砂纸是P600、P800、P1200、P2500砂纸。
6.如权利要求1所述的Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，在低温连接过程中，加热温度为390～430℃，保温时间110～120min，压强10～20MPa。
7.权利要求1至6中之一所述方法制备的Ti-Al体系梯度防护屏材料，其特征是在Ti-Al体系梯度防护屏材料界面上没有金属间化合物，该材料的抗剪切强度达到128MPa。
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