CN109865841A - 一种周期性多层合金板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种周期性多层合金板材及其制备方法，属于先进金属材料技术领域。本发明提供的周期性多层合金板材包括依次层叠排列的钛合金层、Ti3Al合金层、Ti3AlC2‑TiAl基合金复合层和TiAl3合金层；所述钛合金层、Ti3Al合金层和TiAl3合金层设置有贯通结构；所述贯通结构中填充有Ti3AlC2‑TiAl基合金。实验结果表明，本发明提供的周期性多层合金板材垂直叠层方向的弯曲强度为652.14～846.72MPa，断裂韧性为17.64～22.06MPa·m1/2；平行叠层方向的弯曲强度为618.06～809.31MPa，断裂韧性为19.02～24.48MPa·m1/2。
Description
技术领域
本发明涉及先进金属材料技术领域，特别涉及一种周期性多层合金板材及其制备方法。
背景技术
钛铝金属间化合物兼具金属和陶瓷的优良性能，可取代密度大的镍基、钴基等高温合金，制作某些航空航天结构件及地面动力系统转动或往复运动结构件，实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提高，在航空航天、汽车等领域具有重要的应用前景。到目前为止，TiAl合金已步入实用化阶段。例如，2006年6月，GE公司采用4822合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb)制造GEnx发动机第6、7两级低压涡轮叶片，成为γ-TiAl合金制造的关键结构件的首次应用。国内，北京科技大学发展了高温高Nb-TiAl合金，被TiAl合金研究领域国际权威Young-Won Kim教授肯定为发展高温高性能TiAl合金的“首例”，居国际领先水平。中国科学院金属研究所采用精密铸造法制造了γ-TiAl合金低压涡轮叶片，已应用在英国罗罗公司Trent XWB发动机，完成了覆盖一个大修周期的1750次模拟飞行循环考核试验。但是TiAl基合金研究应用受限于其室温本征脆性，导致难以加工变形，大大限制了其应用领域。通过工艺调控形成双相合金组织，即γ-TiAl+α2-Ti3Al，可在一定程度上改善室温脆性问题。Ti3Al金属间化合物的密度和普通钛合金接近，但使用温度前者比后者要高。从20 世纪50年代开始，有关Ti3Al金属间化合物方面的研究较多，但由于其脆性难题一直无法突破，对其研究一直处于低潮。
叠层结构材料作为材料构型化的典型代表，在利用材料组元本征性能的基础上，能充分发挥材料中不同组元间的协同、耦合及多功能响应机制，能在一定程度上提高材料的综合性能，使得材料在提高强度和刚度的同时，其韧塑性也大幅提高，而且其特殊的叠层结构能够实现能量耗散，降低裂纹尖端应力集中，使得多界面结构具备更佳的增韧效果，有望解决TiAl基合金强度-塑性相互“倒置”的问题，已成为国内外金属材料学科领域重要的研究方向。
此外，复合化技术也是一种简单有效和广为使用的方法。而且，TiAl金属间化合物的强韧化技术在今后几十年仍然是该学科的发展重点之一。复合化技术主要通过引入合适的第二相去改善TiAl基合金的综合性能。如连续纤维增强TiAl基合金，但纤维制造工艺复杂，纤维-基体之间的界面反应会对纤维造成损伤，而且制备成本偏高以及受纤维各向异性的影响对制品使用方向有严格的限制。颗粒增强TiAl基合金具有各向同性，制备工艺简单，价格低廉，颗粒与基体的热膨胀系数不匹配的敏感性和反应性均较小，具有更广阔的应用前景。到目前为止，Al2O3、SiC、Ti5Si3、TiB2等陶瓷粒子都已被用于改善TiAl基合金的性能。
但上述方法均不能保证TiAl基合金同时具备高强度和高韧性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种周期性多层合金板材及其制备方法。本发明提供的周期性多层合金板材同时具备高强度和高韧性。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种周期性多层合金板材，包括层叠排列的钛合金层、Ti3Al 合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金复合层和TiAl3合金层；所述钛合金层、Ti3Al合金层和TiAl3合金层设置有贯通结构；所述贯通结构中填充有Ti3AlC2-TiAl基合金。
优选地，所述贯通结构为长方形开口结构，所述长方形开口结构长为 1～5mm，宽为0.2～1mm，同一层相邻两个长方形开口结构的距离为3.5～7.5mm。
优选地，所述钛合金层、Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金层和TiAl3合金层之间通过Ti3AlC2-TiAl基合金连接。
优选地，所述钛合金层的厚度独立地为0.1～0.3mm，所述Ti3Al合金层的厚度独立地为5～100μm，所述Ti3AlC2-TiAl基合金层的厚度独立地为 0.1～1.5mm，所述TiAl3合金层的厚度独立地为0.1～0.3mm。
优选地，所述Ti3AlC2-TiAl基合金层中Ti:Al:TiC的质量比为 47～65:28～35:0～25。
优选地，所述钛合金层的材质为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金；所述TiAl3合金层由铝合金薄板和钛通过原位反应得到，所述铝合金薄板的材质为1060铝合金、1100铝合金或1070A铝合金。
本发明还提供了上述所述周期性多层合金板材的制备方法，包括以下步骤：
将钛粉、铝粉和碳化钛粉混合，得到混合粉体；
将所述混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板交替逐层堆叠，使混合粉体填充贯通结构，得到混合粉体/钛合金薄板/铝合金薄板周期性排列生坯；
将所述生坯烧结，得到周期性多层合金板材。
优选地，所述钛粉、铝粉和碳化钛粉的粒度为150目～250目。
优选地，所述所述混合为超声，所述超声的频率为20～50kHz，时间为 10～30min。
优选地，所述烧结的温度为1000～1200℃，压力为2.5～6t，时间为5～15min。
本发明提供了一种周期性多层合金板材，包括依次层叠排列的钛合金层、 Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金复合层和TiAl3合金层；所述钛合金层、Ti3Al 合金层和TiAl3合金层设置有贯通结构；所述贯通结构中填充有Ti3AlC2-TiAl 基合金。本发明通过构筑多层结构合金体系，通过层与层之间的交互层叠形成特殊叠层结构，并且由于叠层之间构筑特殊贯通结构，实现了层与层之间的有效连接，Ti3AlC2为非连续第二相，Ti3AlC2相的热膨胀系数与TiAl接近，是TiAl基合金的增强相，钛合金层、低密度TiAl3合金层协同增韧TiAl基合金，从而最大幅度改善钛铝的综合性能，实现了板材高强高韧目的。实验结果表明，本发明提供的周期性多层合金板材同时具有良好的强度和韧性，垂直叠层方向的弯曲强度为652.14～846.72MPa，断裂韧性为 17.64～22.06MPa·m1/2；平行叠层方向的弯曲强度为618.06～809.31MPa，断裂韧性为19.02～24.48MPa·m1/2。
附图说明
图1为本发明实施例1中钛合金薄板和铝合薄板加工模型及尺寸示意图；
图2为本发明实施例1中周期性多层合金板材的叠层结构堆叠方式示意图；
图3为本发明实施例1中周期性多层合金板材的XRD图谱。
具体实施方式
本发明提供了一种周期性多层合金板材，包括依次层叠排列的钛合金层、 Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金复合层和TiAl3合金层；所述钛合金层、Ti3Al 合金层和TiAl3合金层设置有贯通结构；所述贯通结构中填充有Ti3AlC2-TiAl 基合金。
在本发明中，所述依次层叠排列的钛合金层、Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl 基合金复合层和TiAl3合金层采用周期性排列，形成周期性 TiAl3/Ti3AlC2-TiAl/Ti3Al/钛合金多层合金板材。
在本发明中，所述钛合金层的厚度独立地优选为0.1～0.3mm，更优选为 0.15～0.25mm，所述钛合金层的材质优选为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金，所述TA钛合金优选为TA5钛合金或TA10钛合金，所述TB钛合金优选为TB4钛合金或TB11钛合金，所述TC钛合金优选为TC4钛合金或TC20 钛合金。本发明对所述钛合金层的材质的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
本发明对所述钛合金层的层数没有特殊的限定，根据产品的尺寸需要进行相应的调整即可。具体的，在本发明的实施例中，所述钛合金层的层数优选为3～9层，更优选为5～7层。
在本发明中，所述钛合金层为韧性层。
在本发明中，所述Ti3Al合金层的厚度独立地优选为5～100μm，更优选为 10～50μm，所述Ti3Al合金层优选由钛合金薄板与Ti3AlC2-TiAl基合金复合层中的Ti-Al-TiC混合粉末反应形成。
在本发明中，所述Ti3Al合金层为界面层。
在本发明中，所述Ti3AlC2-TiAl基合金复合层的厚度独立地优选为 0.1～1.5mm，更优选为0.2～1mm，最优选为0.3～0.6mm，所述Ti3AlC2-TiAl基合金复合层中Ti-Al-TiC的质量比优选为47～65:28～35:0～25。
在本发明中，所述TiAl3合金层的厚度独立地优选为0.1～0.3mm，更优选为0.15～0.25mm，所述TiAl3合金层优选由铝合金层和钛通过原位反应得到，与Ti3AlC2-TiAl基合金复合层交叉重叠分布，形成层状结构，提高板材韧性。
在本发明中，所述铝合金层的材质优选为1060铝合金、1100铝合金或 1070A铝合金，所述铝合金层中设置有贯通结构。本发明对所述铝合金层材质的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的产品即可，本发明对所述铝合金的层数也没有特殊的限定，根据产品的尺寸需要进行调整即可，但需要与所述钛合金层的层数相对应。具体的，在本发明的实施例中，所述铝合金层的层数优选为3～9层，更优选为5～7层。
在本发明中，所述TiAl3合金层为改性层。
在本发明中，所述钛合金层、Ti3Al合金层和TiAl3合金层设置有贯通结构，所述贯通结构优选为上下贯通的长方形开口结构，所述长方形开口结构长优选为1～5mm，更优选为2～4.5mm，宽优选为0.2～1mm，更优选为0.3～0.9mm，同一层相邻两个长方形开口结构的距离优选为3.5～7.5mm，更优选为4～7mm。
本发明对所述贯通结构的尺寸和分布方式没有特殊的限定，能够保证所述钛合金层和相邻铝合金层的贯通结构大小与位置一致即可。
在本发明中，所述贯通结构中填充有Ti3AlC2-TiAl基合金，所述 Ti3AlC2-TiAl基合金优选包括Ti3AlC2、TiC、TiAl和Ti3Al。所述Ti3AlC2-TiAl 基合金层中Ti:Al:TiC的质量比为47～65:28～35:0～25。
在本发明中，所述钛合金层、Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金层和TiAl3合金层之间优选通过Ti3AlC2-TiAl基合金连接，具体的优选为所述钛合金层与相邻两侧的TiAl3合金层和Ti3Al合金层通过贯通结构中的Ti3AlC2-TiAl基合金连接；所述Ti3Al合金层与相邻两侧的钛合金层和Ti3AlC2-TiAl基合金层通过贯通结构中的Ti3AlC2-TiAl基合金连接；所述TiAl3合金层与相邻两侧的钛合金层和Ti3AlC2-TiAl基合金层通过贯通结构中的Ti3AlC2-TiAl基合金连接。
本发明还提供了上述所述周期性多层合金板材的制备方法，包括以下步骤：
将钛粉、铝粉和碳化钛粉混合，得到混合粉体；
将所述混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板交替逐层堆叠，使混合粉体填充贯通结构，得到混合粉体/钛合金薄板/铝合金薄板周期性排列生坯；
将所述生坯烧结，得到周期性多层合金板材。
本发明将钛粉、铝粉和碳化钛粉混合，得到混合粉体。
在本发明中，所述钛粉、铝粉和碳化钛粉的质量比优选为 47～65:28～35:0～25，所述钛粉、铝粉和碳化钛粉的粒径优选为150～250目，更优选为151～200目，最优选为180目。本发明对所述钛粉、铝粉和碳化钛粉的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述混合粉体中优选含有活化剂。在本发明中，所述活化剂优选包括带正电荷的十六烷基三甲溴化铵或油酸，所述活化剂的用量优选为所述钛粉、铝粉和碳化钛粉的质量之和的2～4％。本发明对所述活化剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述活化剂包裹在颗粒表面，抑制球磨过程中颗粒的团聚。
在本发明中，所述混合优选为超声，所述超声的频率优选为20～50kHz，更优选为15～45kHz，所述超声的时间优选为10～30min。
本发明优选对所述混合粉体进行球磨。
在本发明中，所述球磨优选为湿法球磨，所述球磨的球料比优选为3～5:1，更优选为4:1，所述球磨的转速优选为300～500r/min，更优选为350～450r/min，所述球磨的时间优选为30～60min，更优选为40～50min，所述球磨的助剂优选为带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵和乙醇的混合溶液，本发明对所述混合溶液的用量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用量即可。
在本发明中，所述球磨后混合粉体的粒径优选为5～10μm。
在本发明中，所述球磨使钛粉、铝粉和碳化钛粉混合均匀，经过煅烧后，得到混合均匀的Ti3AlC2-TiAl基合金，进一步提高合金的强度和韧性。
本发明优选将球磨后的混合粉体进行干燥。
在本发明中，所述干燥的温度优选为20～40℃，所述干燥的时间优选为 30～60min。
得到干燥的混合粉体后，本发明优选将所得干燥的混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板交替逐层堆叠，使混合粉体填充贯通结构，得到混合粉体/钛合金薄板/铝合金薄板周期性排列生坯。
本发明对所述钛合金薄板和铝合金薄板的形状和尺寸没有特殊的限定，根据产品需要进行调整即可。在本发明的实施例中，所述钛合金薄板和铝合金薄板优选为圆形，所述钛合金薄板和铝合金薄板的直径独立地优选为 30～50cm。
在本发明中，所述贯通结构优选为钛合金薄板和铝合金薄板经钻孔机打孔得到，本发明对所述钻孔机打孔的操作没有特殊的限定，能够加工得到所述贯通结构即可。
本发明优选将打孔后的钛合金薄板和铝合金薄板进行洗涤和干燥，得到带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板。
在本发明中，所述洗涤优选依次包括酸洗、水洗和丙酮洗。在本发明的实施例中，所述酸洗的酸洗液优选为10wt％的HF溶液。
在本发明中，所述酸洗、水洗和丙酮洗的洗涤次数独立地优选为1～2次。
在本发明中，所述洗涤能够去除金属层表面的氧化膜，得到良好的金属界面。
在本发明中，所述干燥优选为真空干燥，所述干燥的真空度优选为 0～0.1Pa，所述干燥的温度优选为25～40℃，更优选为30～35℃，所述干燥的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。
本发明对所述交替逐层堆叠的操作没有特殊的限定，能够保证钛合金薄板和相邻铝合金薄板通孔位置一致，形成贯通层叠即可。在本发明中，所述堆叠优选在模具中进行；所述模具的材质优选为石墨。
得到生坯后，本发明将所述生坯烧结，得到周期性多层合金板材。
在本发明中，所述烧结优选为热压烧结或放电等离子烧结，更优选为放电等离子烧结。在本发明中，所述放电等离子烧结通过脉冲电流作用，在粉体表面形成趋肤电流，在颗粒间放电产生等离子促进混合粉体与钛合金之间的有机结合，实现快速烧结致密化，既保留了钛合金韧化层，还能抑制脆性相的大量形成和界面反应层的厚度，大大优化叠层结构，并且提高界面的结合效果。
在本发明中，所述烧结的温度优选为1000～1200℃，更优选为1050～1160℃，最优选为1150℃；升温至所述烧结的温度的过程优选依次包括第一加热和第二加热。在本发明中，所述第一加热的加热速率优选为45～55℃/min，更优选为50℃/min；所述第一加热的终点温度优选为850～950℃，更优选为900℃。在本发明中，所述第二加热的加热速率优选为100～200℃/min，更优选为 125℃/min；所述第二加热的终点温度优选为烧结的温度。在本发明中，所述升温方式能够实现粉末层和钛合金层与铝合金层间的反应和快速结合，抑制晶粒长大和界面层厚度。
在本发明中，所述烧结的压力优选为2.5～6t，更优选为5t；所述烧结的时间优选为5～15min，更优选为6～10min。本发明对所述加压的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的逐渐加压的方式即可。本发明优选在加热至烧结的温度时使压力达到烧结的压力。
在本发明中，所述烧结的过程中Ti3AlC2-TiAl基合金与钛合金的接触面上发生扩散反应，形成Ti3Al界面层，铝合金与钛合金薄板和钛粉反应转化为 TiAl3层。
烧结完成后，本发明优选将所述烧结的产物进行冷却，得到周期性多层合金板材。本发明对所述冷却的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的随炉冷却方案即可。具体的如先快速冷再慢速冷却，当温度大于600℃时，冷却速率优选为10～20℃/min；当温度小于600℃时，冷却速率优选为 5～10℃/min。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的周期性多层合金板材及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1所示，将Φ50mm、厚度为0.3mm的TC4钛合金(Ti-6Al-4V)薄板和Φ50mm、厚度为0.3mm的1060铝(99.6％Al，0.25％Si，0.05％Cu，0.03％Mg， 0.05％Zn，0.03％Mn，0.03％Ti，0.05％V，其他)薄板，按照图1孔分布设计结构，采用钻孔机进行打孔，形成长为4.5mm、宽为1mm的长方形贯通结构，贯通结构之间间隔为7.5mm，然后用10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.05Pa，温度30℃下进行真空干燥处理30min，得到带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板；
按照58.27wt％Ti-32.84wt％Al-8.89wt％TiC称量粉体，与带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵按照质量百分比为97:3进行超声混合，频率为40kHz，时间为20min，超声完毕后，用球磨机对混合粉体进行湿法球磨，球料比4:1，转速350r/min，球磨40min，球磨助剂为带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵活性剂和乙醇溶液，混合完毕后真空干燥，真空度为0.1Pa，干燥的温度为30℃，干燥的时间为50min，然后过200目筛备用；
如图2所示，将处理好的钛合金薄板、铝合金薄板与Ti-Al-TiC混合粉逐层堆叠在石墨模具内，堆叠过程保证形成层叠方式，即钛合金层中的开口位置与铝合金层中的开口位置一致，设计了5层钛合金薄板和铝合金薄板，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，具体的烧结工艺为：以50℃/min的升温速率从室温升至900℃，随后125℃/min的升温速率升温至1150℃，最后在 1150℃保温10min，成形压力为5t，随炉自然冷却即得周期性多层合金板材，样品总厚度控制在6mm。
本实施例制备的周期性多层合金板材的XRD图谱，如图3所示，由图3 可得知，制得的多层合金板材主要由Ti3Al、TiAl、TiAl3、TiC、Ti3AlC2相组成。
本实施例制备的周期性多层合金板材的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量周期性多层合金板材垂直叠层结构方向的弯曲强度为826.05MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为809.31MPa；采用三点弯曲单边切口梁法 (SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为20.34MPa·m1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为21.54MPa·m1/2。
实施例2
将Φ50mm、厚度为0.3mm的TB4钛合金薄板和Φ50mm、厚度为0.3mm 的1100铝薄板，按照图1孔分布设计结构，采用钻孔机进行打孔，形成长为 5mm、宽为0.5mm的长方形贯通结构，贯通结构之间间隔为5mm，然后用 10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.1Pa，温度25℃下进行真空干燥处理60min，得到带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板；
按照47wt％Ti-35wt％Al-18wt％TiC称量粉体，与油酸按照质量百分比为 98:2进行超声混合，频率为15kHz，时间为30min，超声完毕后，用球磨机对混合粉体进行湿法球磨，球料比3:1，转速500r/min，球磨30min，球磨助剂为带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵活性剂和乙醇溶液，混合完毕后真空干燥，真空度为0.1Pa，干燥的温度为40℃，干燥的时间为30min，然后过200 目筛备用；
按图2所示，将处理好的钛合金薄板、铝合金薄板与Ti-Al-TiC混合粉逐层堆叠在石墨模具内，堆叠过程保证形成层叠方式，即钛合金层中的开口位置与铝合金层中的开口位置一致，设计了5层钛合金薄板和铝合金薄板，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，具体的烧结工艺为：以45℃/min的升温速率从室温升至850℃，随后100℃/min的升温速率升温至1050℃，最后在 1050℃保温15min，成形压力为3.5t，随炉自然冷却即得周期性多层合金板材，样品总厚度控制在6mm。
本实施例制备的周期性多层合金板材的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量周期性多层合金板材垂直叠层结构方向的弯曲强度为846.72MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为786.63MPa；采用三点弯曲单边切口梁法 (SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为22.06MPa·m1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为24.48MPa·m1/2。
实施例3
将Φ50mm、厚度为0.3mm的TC4钛合金薄板和Φ50mm、厚度为0.3mm 的1070A铝薄板，按照图1孔分布设计结构，采用钻孔机进行打孔，形成长为1mm、宽为0.5mm的长方形贯通结构，贯通结构之间间隔为3.5mm，然后用10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.08Pa，温度40℃下进行真空干燥处理45min，得到带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板；
按照60wt％Ti-30wt％Al-10wt％TiC称量粉体，与带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵按照质量百分比为96:4进行超声混合，频率为45kHz，时间为 10min，超声完毕后，用球磨机对混合粉体进行湿法球磨，球料比5:1，转速 300r/min，球磨30min，球磨助剂为带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵活性剂和乙醇溶液，混合完毕后真空干燥，真空度为0.1Pa，干燥的温度为25℃，干燥的时间为60min，然后过200目筛备用；
按图2所示，将处理好的钛合金薄板、铝合金薄板与Ti-Al-TiC混合粉逐层堆叠在石墨模具内，堆叠过程保证形成层叠方式，即钛合金层中的开口位置与铝合金层中的开口位置一致，设计了5层钛合金薄板和铝合金薄板，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，具体的烧结工艺为：以55℃/min的升温速率从室温升至950℃，随后200℃/min的升温速率升温至1100℃，最后在 1100℃保温5min，成形压力为6t，随炉自然冷却即得周期性多层合金板材，样品总厚度控制在6mm。
本实施例制备的周期性多层合金板材的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量周期性多层合金板材垂直叠层结构方向的弯曲强度为652.14MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为618.06MPa；采用三点弯曲单边切口梁法 (SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为17.64MPa·m1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为19.02MPa·m1/2。
实施例4
如图1所示，将Φ50mm、厚度为0.3mm的TA5钛合金薄板和Φ50mm、厚度为0.3mm的1060铝(99.6％Al，0.25％Si，0.05％Cu，0.03％Mg，0.05％Zn， 0.03％Mn，0.03％Ti，0.05％V，其他)薄板，按照图1孔分布设计结构，采用钻孔机进行打孔，形成长为3mm、宽为0.5mm的长方形贯通结构，贯通结构之间间隔为5mm，然后用10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.06Pa，温度30℃下进行真空干燥处理30min，得到带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板；
按照58.27wt％Ti-32.84wt％Al-8.89wt％TiC称量粉体，与油酸按照质量百分比为97:3进行超声混合，频率为40kHz，时间为20min，超声完毕后，用球磨机对混合粉体进行湿法球磨，球料比4:1，转速350r/min，球磨40min，球磨助剂为带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵活性剂和乙醇溶液，混合完毕后真空干燥，真空度为0.1Pa，干燥的温度为30℃，干燥的时间为50min，然后过200目筛备用；
按图2所示，将处理好的钛合金薄板、铝合金薄板与Ti-Al-TiC混合粉逐层堆叠在石墨模具内，堆叠过程保证形成层叠方式，即钛合金层中的开口位置与铝合金层中的开口位置一致，设计了5层钛合金薄板和铝合金薄板，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，具体的烧结工艺为：以50℃/min的升温速率从室温升至900℃，随后150℃/min的升温速率升温至1150℃，最后在 1150℃保温10min，成形压力为2.5t，随炉自然冷却即得周期性多层合金板材，样品总厚度控制在6mm。
本实施例制备的周期性多层合金板材的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量周期性多层合金板材垂直叠层结构方向的弯曲强度为836.25MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为807.23MPa；采用三点弯曲单边切口梁法 (SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为21.85MPa·m1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为22.86MPa·m1/2。
实施例5
将Φ50mm、厚度为0.3mm的TB4钛合金薄板和Φ50mm、厚度为0.3mm 的1100铝薄板，按照图1孔分布设计结构，采用钻孔机进行打孔，形成长为5mm、宽为0.5mm的长方形贯通结构，贯通结构之间间隔为5mm，然后用 10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.1Pa，温度25℃下进行真空干燥处理60min，得到带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板；
按照47wt％Ti-28wt％Al-25wt％TiC称量粉体，与油酸按照质量百分比为 98:2进行超声混合，频率为15kHz，时间为30min，超声完毕后，用球磨机对混合粉体进行湿法球磨，球料比3:1，转速500r/min，球磨30min，球磨助剂为带正电荷的十六烷基三甲基溴化铵活性剂和乙醇溶液，混合完毕后真空干燥，真空度为0.1Pa，干燥的温度为40℃，干燥的时间为30min，然后过200 目筛备用；
按图2所示，将处理好的钛合金薄板、铝合金薄板与Ti-Al-TiC混合粉逐层堆叠在石墨模具内，堆叠过程保证形成层叠方式，即钛合金层中的开口位置与铝合金层中的开口位置一致，设计了5层钛合金薄板和铝合金薄板，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，具体的烧结工艺为：以45℃/min的升温速率从室温升至850℃，随后100℃/min的升温速率升温至1050℃，最后在 1050℃保温15min，成形压力为3.5t，随炉自然冷却即得周期性多层合金板材，样品总厚度控制在6mm。
本实施例制备的周期性多层合金板材的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量周期性多层合金板材垂直叠层结构方向的弯曲强度为842.23MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为783.15MPa；采用三点弯曲单边切口梁法 (SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为21.36MPa·m1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为24.13MPa·m1/2。
表1实施例1～5制得的周期性多层合金板材的力学性能测试
实施例1～5可以看出，本发明提供的周期性多层合金板材同时具有良好的强度和韧性，垂直叠层方向的弯曲强度为652.14～846.72MPa，断裂韧性为 17.64～22.06MPa·m1 /2；平行叠层方向的弯曲强度为618.06～809.31MPa，断裂韧性为19.02～24.48MPa·m1/2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种周期性多层合金板材，其特征在于，包括依次层叠排列的钛合金层、Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金复合层和TiAl3合金层；所述钛合金层、Ti3Al合金层和TiAl3合金层设置有贯通结构；所述贯通结构中填充有Ti3AlC2-TiAl基合金。
2.根据权利要求1所述的周期性多层合金板材，其特征在于，所述贯通结构为长方形开口结构，所述长方形开口结构长为1～5mm，宽为0.2～1mm，同一层相邻两个长方形开口结构的距离为3.5～7.5mm。
3.根据权利要求1所述的周期性多层合金板材，其特征在于，所述钛合金层、Ti3Al合金层、Ti3AlC2-TiAl基合金层和TiAl3合金层之间通过Ti3AlC2-TiAl基合金连接。
4.根据权利要求1所述的周期性多层合金板材，其特征在于，所述钛合金层的厚度独立地为0.1～0.3mm，所述Ti3Al合金层的厚度独立地为5～100μm，所述Ti3AlC2-TiAl基合金层的厚度独立地为0.1～1.5mm，所述TiAl3合金层的厚度独立地为0.1～0.3mm。
5.根据权利要求1或4所述的周期性多层合金板材，其特征在于，所述Ti3AlC2-TiAl基合金层中Ti:Al:TiC的质量比为47～65:28～35:0～25。
6.根据权利要求1所述的周期性多层合金板材，其特征在于，所述钛合金层的材质为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金；所述TiAl3合金层由铝合金薄板和钛通过原位反应得到，所述铝合金薄板的材质为1060铝合金、1100铝合金或1070A铝合金。
7.权利要求1～6任意一项所述周期性多层合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钛粉、铝粉和碳化钛粉混合，得到混合粉体；
将所述混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板和铝合金薄板交替逐层堆叠，使混合粉体填充贯通结构，得到混合粉体/钛合金薄板/铝合金薄板周期性排列生坯；
将所述生坯烧结，得到周期性多层合金板材。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述钛粉、铝粉和碳化钛粉的粒度为150目～250目。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合为超声，所述超声的频率为20～50kHz，时间为10～30min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1000～1200℃，压力为2.5～6t，时间为5～15min。
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2019
- 2019-03-19 CN CN201910208287.XA patent/CN109865841B/zh active Active
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