CN109202088A - 一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法 - Google Patents

一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其技术要点在于：包括如下步骤，第一步，试样清洗；第二步，脉冲电流辅助超声固结成形；第三步，退火处理；第四步，脉冲电流辅助热压烧结；本发明能够促进超声固结过程中的原子扩散，提高Ti/Al界面结合质量，有利于后续原位反应试验的进行，通过瞬时高能激活Ti/Al反应，提高反应效率，弥合裂纹缺陷，从而获得致密度高、结合质量好的Ti/Al3Ti层状复合材料。

Description

一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，特别是涉及一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法。
背景技术
基于钛增韧的金属间化合物基Ti/Al3Ti层状复合材料是在天然生物贝壳珍珠层的多尺度、多层级的强韧化机理研究的基础上发展起来的一种新型高性能复合材料，该层状复合材料在强度较高的金属间化合物Al3Ti片层基体中增加韧性较好的Ti层，通过层间结构的优化设计，结合片层增韧机理，实现强度和韧性的良好结合。Ti/Al3Ti层状复合材料独特的层叠结构和特殊的失效机理，使其具有良好的抗冲击和能量吸收等性能，具有很好的应用前景。
超声波固结分层制造技术是一种先进的材料与结构制造方法，该技术主要基于金属超声波振动塑性加工原理，以金属箔材为原材料，利用超声波的高频振动,使层与层之间的接触界面在静压力和弹性振动能量的共同作用下，通过摩擦、温升等作用促进界面之间金属原子无限接近、产生结合与扩散，实现层与层之间的固态冶金结合。该技术是一种先进材料与结构低成本、绿色制造的新方法，该方法具有高度的可设计性，一方面通过层间结构的优化设计，可获得规则分布的层状或交错分布的砖瓦式层状复合结构，从而满足不同性能的需求；另一方面通过不同材料的匹配，能够制备出单一材料无法实现的高性能结构。
在金属材料塑性加工过程中施加脉冲电流，可以大大降低材料的变形抗力，同时提高材料的塑性，被称为电致塑性效应，其原理是利用脉冲电流的瞬时高能促进原子扩散和位错运动，同时由于脉冲电流的焦耳热效应可以对变形试样进行快速、高效加热，从而进一步降低材料的变形抗力，提高成形性能。此外，脉冲电流可以促进位错运动和再结晶，对晶粒细化起到有效的促进作用。脉冲电流辅助金属材料塑性加工技术已经被广泛应用于轧制、拉拔、弯曲、旋压等金属变形及加工工艺中，该技术尤其适用于高强度、难变形金属材料的变形和加工。
现有技术中，超声固结制备Ti/Al复合材料预制坯时，由于其功率的限制，超声能量不能穿透厚度较大的金属板材，也不足以使高强度合金在局部微区产生微小塑性变形，同时，有限的功率使材料表面的摩擦效应减弱，难以实现对氧化膜的破碎作用，导致对原子扩散能力的促进作用显著降低，其次，在后续的反应过程中，效率低，容易出现裂纹等缺陷。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法。
一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，包括如下步骤，第一步，试样清洗；第二步，脉冲电流辅助超声固结成形；第三步，退火处理；第四步，脉冲电流辅助热压烧结。
进一步地，样清洗步骤为选用箔材为原材料，首先将箔材进行清洗，除去表面污渍，将箔材依次用丙酮和酒精清洗干净。
进一步地，脉冲电流辅助超声固结成形步骤是将0.1-0.2mm厚的原始板材依照Ti－Al－Ti－Al……Ti或Al－Ti－Al－Ti……Al的顺序利用超声固结的方法依次叠合在一起，超声固结过程中在金属箔材表面施加脉冲电流。
进一步地，退火处理步骤是将固结后的坯料在480-600℃/0.5-4h进行退火处理。
进一步地，脉冲电流辅助热压烧结步骤是将复合板结构置于热压机内进行热压烧结，到达预定温度后，对复合板间断施加脉冲电流，并在反应的过程中弥合裂纹缺陷，直至制备出符合要求的Ti/Al3Ti层状复合材料。
进一步地，原材料为钛或铝箔材。
进一步地，超声固结过程为将铝箔固定在超声固结成形设备上并设置超声固结参数，在铝箔上边固结钛箔并设置超声固结参数，固结过程中在箔材表面施加脉冲电流，脉冲电流范围为1200~4000A，频率为150~500HZ，脉宽60~80µs，加载时间为1~10S。
进一步地，将铝箔固定在超声固结成形设备上并设置超声固结参数过程中的超声固结参数为速度5~30mm/s，振幅15~30μm，压力0.5~3kN；在铝箔上边固结钛箔并设置超声固结参数过程中的超声固结参数为速度5~30mm/s，振幅20~40μm，压力1-4kN。
进一步地，热压烧结过程中的压力为2~10Mpa，预定温度为600~650℃，对复合板间断施加脉冲电流的脉冲电流为1000~2000A、150~500HZ，保温8~16小时，待反应结束前持续通入脉冲电流。
进一步地，待反应结束前10分钟持续通入脉冲电流。
本发明的优点：
1、促进超声固结过程中的原子扩散，提高Ti/Al界面结合质量，有利于后续原位反应试验的进行；
2、通过瞬时高能激活Ti/Al反应，提高反应效率，弥合裂纹缺陷，从而获得致密度高、结合质量好的Ti/Al3Ti层状复合材料。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图1示，一种Ti/Ai3Ti层状复合材料的制备方法，包括如下步骤，第一步，试样清洗，样清洗步骤为选用钛或铝箔材为原材料，首先将箔材进行清洗，除去表面污渍，将箔材依次用丙酮和酒精清洗干净。
第二步，脉冲电流辅助超声固结成形，脉冲电流辅助超声固结成形步骤是将0.1-0.2mm厚的原始板材依照Ti－Al－Ti－Al……Ti或Al－Ti－Al－Ti……Al的顺序利用超声固结的方法依次叠合在一起，超声固结过程为将铝箔固定在超声固结成形设备上并设置超声固结参数为速度5~30mm/s，振幅15~30μm，压力0.5~3kN，在铝箔上边固结钛箔并设置超声固结参数为速度5~30mm/s，振幅20~40μm，压力1-4kN，固结过程中在箔材表面施加脉冲电流，脉冲电流范围为1200~4000A，频率为150~500HZ，脉宽60~80µs，加载时间为1~10S。
第三步，退火处理，退火处理步骤是将固结后的坯料在480-600℃/0.5-4h进行退火处理，去除固结过程中的加工硬化，提高复合板内部界面的结合质量。
第四步，脉冲电流辅助热压烧结，脉冲电流辅助热压烧结步骤是将复合板结构置于热压机内进行热压烧结，到达预定温度后，对复合板间断施加脉冲电流，利用脉冲电流的瞬时高能激活Ti/Al反应，提高反应效率，并在反应的过程中弥合裂纹缺陷，直至制备出符合要求的Ti/Al3Ti层状复合材料，热压烧结过程中的压力为2~10Mpa，预定温度为600~650℃，对复合板间断施加脉冲电流的脉冲电流为1000~2000A、150~500HZ，保温8~16小时，待反应结束前或待反应结束前10分钟持续通入脉冲电流。
本发明基于脉冲电流的焦耳热效应和电致塑性效应，提出了脉冲电流辅助超声固结结合无真空热压烧结制备Ti/Al3Ti层状复合材料的方法，从而提高Ti/Al界面结合质量和反应效率，弥合裂纹缺陷，获得致密度高、结合质量好的Ti/Al3Ti层状复合材料，使其应用于金属层状复合材料的制备。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，第一步，试样清洗；第二步，脉冲电流辅助超声固结成形；第三步，退火处理；第四步，脉冲电流辅助热压烧结。
2.如权利要求1所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：试样清洗步骤为选用箔材为原材料，首先将箔材进行清洗，除去表面污渍，将箔材依次用丙酮和酒精清洗干净。
3.如权利要求1所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：脉冲电流辅助超声固结成形步骤是将0.1-0.2mm厚的原始板材依照Ti－Al－Ti－Al……Ti或Al－Ti－Al－Ti……Al的顺序利用超声固结的方法依次叠合在一起，超声固结过程中在金属箔材表面施加脉冲电流。
4.如权利要求1所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：退火处理步骤是将固结后的坯料在480-600℃/0.5-4h进行退火处理。
5.如权利要求1所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：脉冲电流辅助热压烧结步骤是将复合板结构置于热压机内进行热压烧结，到达预定温度后，对复合板间断施加脉冲电流，并在反应的过程中弥合裂纹缺陷，直至制备出符合要求的Ti/Al3Ti层状复合材料。
6.如权利要求2所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：原材料为钛或铝箔材。
7.如权利要求3所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：超声固结过程为将铝箔固定在超声固结成形设备上并设置超声固结参数，在铝箔上边固结钛箔并设置超声固结参数，固结过程中在箔材表面施加脉冲电流，脉冲电流范围为1200~4000A，频率为150~500HZ，脉宽60~80µs，加载时间为1~10S。
8.如权利要求7所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：将铝箔固定在超声固结成形设备上并设置超声固结参数过程中的超声固结参数为速度5~30mm/s，振幅15~30μm，压力0.5~3kN；在铝箔上边固结钛箔并设置超声固结参数过程中的超声固结参数为速度5~30mm/s，振幅20~40μm，压力1-4kN。
9.如权利要求5所述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：热压烧结过程中的压力为2~10Mpa，预定温度为600~650℃，对复合板间断施加脉冲电流的脉冲电流为1000~2000A、150~500HZ，保温8~16小时，待反应结束前持续通入脉冲电流。
10.如权利要求9述的一种Ti/Al3Ti层状复合材料的制备方法，其特征在于：待反应结束前10分钟持续通入脉冲电流。
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