CN111197166B - 一种钛合金薄板及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金薄板及其加工方法，将钛合金薄板经过等离子弧熔覆技术，将碘化铅粉和碳化钨粉末混合后在钛合金薄板表面生成能够加强钛合金薄板电磁防护的涂层，在保证合金硬度的前提下进一步减小了合金的重量，同时使得电磁波在传播过程改变方向沿着金属材料行进，从而有效发挥电磁屏蔽的作用，保证航天器免受空间离子的辐射。

Description

一种钛合金薄板及其加工方法
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种钛合金薄板及其加工方法。
背景技术
钛合金具有比刚度、比强度高，耐腐蚀性、耐热性和塑韧性好以及加工性优良等优点，已成为应用于航空航天、交通运输、石油化工和生物医学等领域的重要材料，在尖端学科与高新技术方面占有重要的地位。
目前钛合金在航天领域中主要应用于燃料存储罐与管道的制备，少用于星上设备外壳制造。其主要原因是目前钛合金主要采用Al、Fe等金属元素与Ti形成合金，对电磁干扰屏蔽效果较差，尤其对于遥测信号及上下行数据传输单元等星上重要单元，不具备EMC防护能力。由于星上设备处于空间环境下，暴露在空间电磁辐射中，因此除了电子设备自身的抗电磁干扰电路设计外，对设备外壳仍有较强的电磁干扰防护要求。现有星上设备外壳多采用黑色阳极化处理的钢制合金，在电磁防护方面主要采用加厚产品外壳的方法，现有产品外壳厚度约15~30mm，导致设备外壳占据了设备的很大一部分质量，对于载重质量控制严格的星上产品，具有严重的影响。为保证电磁防护需求，壳体较厚，导致外壳占用质量大，有效载荷携带量少。
民用产品中所需要做到电磁防护的场所也有很多，例如通信设备的机房，医院X光室、CT室等，这些场所所进行的电磁防护措施多采用加厚铅板。不仅厚重，而且长期使用会产生毒副作用，危害人体健康。
钛合金密度仅为钢制产品的60%，采用钛合金材料可有效降低设备质量，增加星上有效载荷比。但目前钛合金薄板仍然存在电磁干扰屏蔽能力不强的问题。
屏蔽是避免电磁干扰的一个有效措施。目前具有屏蔽作用的金属常为金、银和铅，但是如果采用常规融覆技术，将具有避免电磁干扰作用的金属涂覆在合金表面，一则会产生气孔，二则涂层与基体结合部分易裂缝，涂层的完整性难以保证；三则如果仅仅采用具有避免电磁干扰作用的金属进行涂覆，屏蔽作用较差，避免电磁干扰的能力不强。
发明内容
本发明提供一种钛合金薄板及其加工方法，增强在钛合金薄板的耐磨性的同时，使其具备电磁屏蔽能力，保证航天器免受空间离子辐射。
具体技术方案如下：
一种钛合金薄板，包括如下重量份的原料：钛粉80-86份，镁粉60-70份，尿素17-20份，碳酸氢铵13-17份，碳化硅8-12份，合成蜡7-12份；
所述钛合金薄板经过等离子弧熔覆技术，将碘化铅粉和碳化钨粉末混合后在钛合金薄板表面生成能够加强钛合金薄板电磁防护的涂层。
优选的，所述碘化铅粉和碳化钨的重量分数为：碘化铅20%-30%，碳化钨70%-80%。
优选的，所述碘化铅粉的颗粒大小为150-250目，所述碳化钨的颗粒大小为170-260目。
一种钛合金薄板的加工方法，包括以下步骤：称取相应份数的原料，采用真空自耗电弧熔炼得到Ti-Mg合金铸锭，铸锭经锯床锯切下料，用大吨位压机锻造加工至180±10mm的板坯；板坯经二火次轧制轧，冷却后进行表面修磨处理，再经二火次轧制为半成品，然后将半成品板坯在温度为720-725℃的条件下进行表面氧化处理，将碘化铅粉与碳化钨粉用粘结剂调成糊状，然后均匀涂敷在半成品板坯表面，风干后将2张表面处理后的板坯整体焊封成叠轧包；将叠轧包置于加热炉中加热保温，然后送入热轧机中进行第三次轧制，再将第三轧制后的再经退火、蠕变矫形、碱、酸洗得到钛合金薄板；再将碘化铅粉末与碳化钨粉末经110℃干燥处理30min，采用等离子熔覆机，利用光学显微镜，采用同步送粉器涂覆到工件表面，冷却后得到钛合金薄板。
优选的，所述板坯经二火次开坯轧制第一次轧至15mm，第二次经二火次轧制轧至半成品厚度为12±0.1mm。
优选的，将叠轧包置于加热炉中，加热温度为910℃～930 ℃，保温时间为10h。
优选的，在用等离子熔覆机进行等离子弧熔覆时，工作电流为20A，同步送粉器的推进速度1mm/s，冷却时间1h。
有益效果：
本发明所生产的钛合金薄板，采用了Mg作为合金材料，在保证合金硬度的前提下进一步减小了合金的重量，通过等离子熔覆技术在钛合金表面增加一层由碳化钨和碘化铅构成的涂层，使得电磁波在传播过程改变方向沿着金属材料行进，从而有效发挥电磁屏蔽的作用，保证航天器免受空间离子的辐射。
本发明采用的碳化钨和碘化铅构成的涂层，两者相互配合，加入碳化钨能够有效对碘化铅进行包裹，形成连续性梯度分布的增强组织，使涂层在性能上具有连续性梯度，提高牢固性，从而增强电磁屏蔽的能力。
在制备过程中，首先将碘化铅粉与碳化钨粉用粘结剂调成糊状，然后均匀涂敷在半成品板坯表面，风干后将2张表面处理后的板坯整体焊封成叠轧包，能够减小涂层不均匀性，同时降低残余应力，能够有效减少或消除涂层中的裂纹，为后续进行等离子熔覆提供保障，有效防止空气侵入，减少或消除涂层中的气孔，同时增加了钛合金薄板的耐磨性。
制备过程中共采用了三次轧制，循序渐进，能够有效避免过快轧制导致钛合金薄板的不稳定性，避免了加工硬化效应使材料变形抗力剧增且易开裂的问题，使得钛合金薄板组织具有较好的变形协调性。
附图说明：
图1：金属板电磁干扰（2.0-20GHz）屏蔽效果图；
图2：熔覆涂层的宏观形貌；
图3：熔覆涂层界面区组织；
图4：磨损体积损失与载荷的关系；
图5：钛合金维氏硬度测定。
具体实施方式
实施例1：
本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉80份，镁粉60份，尿素17份，碳酸氢铵13份，碳化硅8份，合成蜡7份。
其中，熔覆粉末为碘化铅粉与碳化钨粉末构成，成分和粒度见下表。
碘化铅 碳化钨
成分组成% 20 80
纯度% 99.99 99.96
颗粒大小(目) 150 260
实施例2：
本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉84份，镁粉63份，尿素18份，碳酸氢铵14份，碳化硅10份，合成蜡12份。
其中，熔覆粉末为碘化铅粉与碳化钨粉末构成，成分和粒度见下表。
碘化铅 碳化钨
成分组成% 25 75
纯度% 99.90 99.90
颗粒大小(目) 200 200
实施例3：
本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉85份，镁粉70份，尿素19份，碳酸氢铵15份，碳化硅12份，合成蜡8份。
其中，熔覆粉末为碘化铅粉与碳化钨粉末构成，成分和粒度见下表。
碘化铅 碳化钨
成分组成% 23 78
纯度% 99.95 99.97
颗粒大小(目) 170 180
实施例4:
本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉83份，镁粉68份，尿素20份，碳酸氢铵16份，碳化硅9份，合成蜡9份。
其中，熔覆粉末为碘化铅粉与碳化钨粉末构成，成分和粒度见下表。
碘化铅 碳化钨
成分组成% 27 73
纯度% 99.98 99.98
颗粒大小(目) 230 250
上述实施例均按照以下步骤进行加工：
称取相应份数的原料，采用真空自耗电弧熔炼得到Ti-Mg合金铸锭，铸锭经锯床锯切下料，用大吨位压机锻造加工至180±10mm的板坯；板坯经二火次开坯轧制第一次轧至15mm，冷却后进行表面修磨处理，经二火次轧制轧至半成品厚度为12±0.1mm，然后将半成品板坯在温度为720-725℃的条件下进行表面氧化处理，将碘化铅粉与碳化钨粉用粘结剂调成糊状，然后均匀涂敷在半成品板坯表面，风干后将2张表面处理后的板坯整体焊封成叠轧包；将叠轧包置于加热炉中加热保温，加热温度为910℃～930 ℃，保温时间为10h，然后送入热轧机中进行第三次轧制，再将第三轧制后的再经退火、蠕变矫形、碱、酸洗得到钛合金薄板；再将碘化铅粉末与碳化钨粉末经110℃干燥处理30min，采用等离子熔覆机，利用光学显微镜，采用同步送粉器涂覆到工件表面，冷却后得到钛合金薄板，其中，在用等离子熔覆机进行等离子弧熔覆时，工作电流为20A，同步送粉器的推进速度1mm/s，冷却时间1h。
相关性能检测：
1.电磁干扰屏蔽实验
室温实压条件下，分别对铝板，无涂层Ti-Mg合金板和本发明生产的Ti-Mg涂层合金板进行电磁干扰屏蔽效果监测实验。实验仪器为Quanta™ 250。实验数据如图1所示。
由图1实验数据可以看出，本发明生产的Ti-Mg涂层合金板电磁干扰屏蔽在30~40dB，普通铝板和无涂层的Ti-Mg合金板电磁干扰屏蔽小于10dB。电磁干扰屏蔽在20dB以上，可以满足星上设备的要求。因此，本发明生产的Ti-Mg涂层合金板满足电磁屏蔽指标的要求。
2.合金涂层结合性检测
利用JSM-5600LV型扫描电镜观察合成产物的组织形貌，观察结果如图2所示，涂层最大厚度为1mm，涂层中没有裂纹和孔洞等缺陷。
用JEM100CXⅡ型透射电镜进行组织形貌观察，观察结果如图3所示。可见，结合区与热影响区为冶金结合，未发现气孔、裂纹等缺陷。
由上述实验结果可以看出，本发明生产的Ti-Mg涂层合金板可以保证基体与熔覆层间良好的冶金结合。
3.耐磨性检测
采用MT8-002型往复式滑动摩擦磨损试验机进行平稳加载摩擦磨损实验，对摩销试样为金刚石洛氏硬度压头，锥角120°，顶部曲率半径200μm。实验条件：平均滑动速度0.01m/s，往复距离8.5mm，载荷5N、10N和15N，实验时间1小时。实验结果如图4。
从实验数据图表可以看出，本发明所生产的Ti-Mg涂层合金板磨损率要明显低于铝板和未加涂层的Ti-Mg合金板，具有良好的耐磨性。
4.硬度检测
分别将无涂层Ti-Mg合金钛和涂层后的Ti-Mg合金在硬度计上测量其维氏硬度，试验力为10N，加压持续15s，测量金刚钻头压出的两条对角线压痕长度，经过计算机硬度分析软件自动计算得出硬度值，最终硬度值取五个点的平均值，实验结果如图5所示。
实验数据可以看出本发明生产的涂层后的Ti-Mg合金在硬度上与未涂层的合金相似，可见涂层后未影响合金硬度，其仍具有良好的硬度。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钛合金薄板，其特征在于，
包括如下重量份的原料：钛粉80-86份，镁粉60-70份，尿素17-20份，碳酸氢铵13-17份，碳化硅8-12份，合成蜡7-12份；
所述钛合金薄板经过等离子弧熔覆技术，将碘化铅粉和碳化钨粉末混合后在钛合金薄板表面生成能够加强钛合金薄板电磁防护的涂层。
2.如权利要求1所述的钛合金薄板，其特征在于，所述碘化铅粉和碳化钨的重量分数为：碘化铅20%-30%，碳化钨70%-80%。
3.如权利要求1所述的钛合金薄板，其特征在于，所述碘化铅粉的颗粒大小为150-250目，所述碳化钨的颗粒大小为170-260目。
4.一种如权利要求1所述的钛合金薄板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
称取相应份数的原料，采用真空自耗电弧熔炼得到Ti-Mg合金铸锭，铸锭经锯床锯切下料，用大吨位压机锻造加工至180±10mm的板坯；板坯经二火次轧制轧，冷却后进行表面修磨处理，再经二火次轧制为半成品，然后将半成品板坯在温度为720-725℃的条件下进行表面氧化处理，将碘化铅粉与碳化钨粉用粘结剂调成糊状，然后均匀涂敷在半成品板坯表面，风干后将2张表面处理后的板坯整体焊封成叠轧包；将叠轧包置于加热炉中加热保温，然后送入热轧机中进行第三次轧制，再将第三轧制后的再经退火、蠕变矫形、碱、酸洗得到钛合金薄板；再将碘化铅粉末与碳化钨粉末经110℃干燥处理30min，采用等离子熔覆机，利用光学显微镜，采用同步送粉器涂覆到工件表面，冷却后得到钛合金薄板。
5.如权利要求4所述的钛合金薄板的加工方法，其特征在于，所述板坯经二火次开坯轧制第一次轧至15mm，第二次经二火次轧制轧至半成品厚度为12±0.1mm。
6.如权利要求4所述的钛合金薄板的加工方法，其特征在于，将叠轧包置于加热炉中，加热温度为910℃～930 ℃，保温时间为10h。
7.如权利要求4所述的钛合金薄板的加工方法，其特征在于，在用等离子熔覆机进行等离子弧熔覆时，工作电流为20A，同步送粉器的推进速度1mm/s，冷却时间1h。
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