CN112157268A - 钛铝层状复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种钛铝层状复合材料的制备方法，该方法通过在钛基板材上直接铺设铝基材料粉末进行机械压合，再依次通过气氛烧结、热压和热扩散，得到钛铝层状复合材料，其界面剪切强度≥140MPa，甚至达到150MPa以上，且产品致密度很高。
Description
技术领域
本发明涉及层状金属复合材料技术领域，特别是涉及钛铝层状复合材料的制备方法。
背景技术
铝合金具有比重小、导电性能高、比强度高和导热率优良等性能，且造价低廉，在航空航天、交通运输等行业得到了广泛的应用，但是铝合金的耐腐蚀性能较差，且受限于铝合金的熔点影响，其在高温下的性能并不理想。钛合金具有高强度、耐腐蚀、耐高温等优良性能，同样被广泛应用于航空航天、交通运输等行业，但其材料成本昂贵，经济型不佳。钛铝层状复合材料可结合钛合金和铝合金的优点，达到物理和化学性能上的互补，具有优良的综合性能，引起人们广泛的关注和研究。
CN107520430A公开了采用固液复合与热扩散相结合的生产工艺来制备钛/铝复合材料，以使其复合界面的平均剪切强度＞100MPa。该方法由于需要将铝熔体与钛材进行固液复合，制备条件较为苛刻，对模具的要求也比较高。
CN106914625B公开了采用粉末冶金成形、烧结方法制备钛烧结体和铝预烧结体，再将两预制件叠层进行第二步粉末冶金烧结来制备钛/铝梯度材料，以使其界面抗拉强度≥100MPa。该方法在钛、铝界面结合前，对钛或钛合金层进行烧结致密化，同时对铝或铝合金层进行预烧结使之具有一定的强度，以减少第二步粉末冶金烧结时施加的压力作用下不至于发生严重变形，然而由于叠层后仅进行了烧结处理，使其界面剪切强度最高只能达到125.33MPa，无法满足更高性能的要求。
发明内容
基于此，有必要提供一种钛铝层状复合材料的制备方法，该方法制备的钛铝层状复合材料，其复合界面的剪切强度≥140MPa。
一种钛铝层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
提供钛基板材和铝基材料粉末；
将所述铝基材料粉末铺设在所述钛基板材上，进行机械压合，得到粗坯；
将所述粗坯依次进行气氛烧结、热压和热扩散，得到所述钛铝层状复合材料。
在其中一个实施例中，所述机械压合的压力为50MPa～250MPa。
在其中一个实施例中，所述气氛烧结的温度为550℃～650℃，所述气氛烧结的时间为1～3小时。
在其中一个实施例中，所述气氛烧结采用的升温速率为5℃/min～10℃/min。
在其中一个实施例中，所述热压的压力为100MPa～300MPa，所述热压的温度为500℃～600℃。
在其中一个实施例中，所述热扩散的温度为500℃～650℃，所述热扩散的时间为3～6小时。
在其中一个实施例中，所述铝基材料粉末选自6011#铝合金粉末、6061#铝合金粉末、6063#铝合金粉末、2117#铝合金粉末、2214#铝合金粉末及2A11#铝合金粉末中的至少一种；所述钛基板材为TC4钛合金板材。
在其中一个实施例中，在将所述铝基材料粉末铺设在所述钛基板材上的步骤之前，还包括对所述钛基板材进行打磨、清洗的步骤。
上述钛铝层状复合材料的制备方法，通过在钛基板材上直接铺设铝基材料粉末进行机械压合，使钛铝界面产生机械结合，然后通过气氛烧结，使钛铝界面产生冶金结合并产生初步扩散，再通过热压，在提高致密度的同时，使钛铝界面产生进一步的扩散，最后通过热扩散处理再进一步增加钛铝界面的扩散程度，从而使得钛铝界面剪切强度≥140MPa，甚至达到150MPa以上，且制备得到的钛铝层状复合材料的致密度很高。
附图说明
图1为一实施方式制备得到的钛铝层状复合材料的界面金相图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
一实施方式的钛铝层状复合材料的制备方法，包括以下步骤S110～S130:
S110、提供钛基板材和铝基材料粉末。
在本实施方式中，钛基板材为TC4钛合金板材。铝基材料粉末选自6011#铝合金粉末、6061#铝合金粉末、6063#铝合金粉末、2117#铝合金粉末、2214#铝合金粉末及2A11#铝合金粉末中的至少一种。
进一步的，钛基板材为TC4钛合金板材，铝基材料粉末为及2A11#铝合金粉末。
S120、将上述铝基材料粉末铺设在钛基板材上，进行机械压合，得到粗坯。
可以理解，为了使钛铝复合界面形成有效扩散，提高界面的结合力，在将铝基材料粉末铺设在钛基板材上之前，需要对钛基板材进行打磨清洗。
在本实施方式中，对钛基板材进行打磨、清洗的方法为：用80#砂纸对钛基板材进行打磨，以除去钛基板材表面的污渍并破坏氧化膜，再对其进行酸洗，以进一步除去氧化膜，水洗，最后用无水乙醇除水即可。
进一步的，机械压合的压力为50MPa～250MPa。
将铝基材料粉末铺设在钛基板材上，进行机械压合，可使钛铝界面形成初步的机械结合。压力过小，粗坯强度太低，不利于烧结过程致密化的进行，且铝基材料和钛基材料之前的结合不够紧密，阻碍烧结中扩散的进行；压力过大，粉末变形大，弹性后效大，脱模后易产生裂纹。
S130、将上述粗坯依次进行气氛烧结、热压和热扩散，得到钛铝层状复合材料。
可以理解，气氛烧结采用的气氛为在烧结温度下不与粗坯进行反应的气氛，如氮气、氩气等惰性气体。
进一步的，气氛烧结的温度为550℃～650℃，气氛烧结的时间为1～3小时。
烧结温度过低，冶金过程无法顺利进行；烧结温度过高，导致晶粒粗大，材料性能下降，烧结温度继续升高，液相增多，从基体中析出，无法参与正常的冶金反应，甚至基体融化，无法维持原有形态与尺寸。烧结时间过短，冶金反应不充分；烧结时间过长，导致晶粒粗大，材料性能下降。
更进一步的，气氛烧结的升温速率为5℃/min～10℃/min。升温速率过低或过高，都会导致制品致密度下降。
进一步的，热压的压力为100MPa～300MPa，热压的温度为500℃～600℃。
热压压力过低，制品致密化程度不够，影响后续热扩散的进行；热压压力过高，会使钛基材料产生弹性变形，影响界面强度。热压温度过低，铝基材料软化程度不够，无法通过压力进行致密化；热压温度过高，铝基材料过于软化甚至熔化，导致晶粒粗大，材料性能下降。
进一步的，热扩散的温度为500℃～650℃，热扩散的时间为3～6小时。扩散温度过低，扩散速率降低甚至无法产生扩散；温度过高，铝基材料会软化变形甚至熔化。扩散时间过短，扩散不充分，影响界面强度；扩散时间过长，导致晶粒粗大，材料性能下降。
上述钛铝层状复合材料的制备方法，通过在钛基板材上直接铺设铝基材料粉末进行机械压合，使钛铝界面产生机械结合，然后通过气氛烧结，使钛铝界面产生冶金结合并产生初步扩散，再通过热压，在提高致密度的同时，使钛铝界面产生进一步的扩散，最后通过热扩散处理再进一步增加钛铝界面的扩散程度，得到的钛铝层状复合材料的界面金相图如图1所示。
上述方法得到的钛铝层状复合材料，其界面剪切强度≥140MPa，甚至可达到150MPa以上，且致密度很高。铝基材料的致密度甚至高达99.7％以上，铝基材料的拉伸强度也能达到300MPa以上。
上述钛铝层状复合材料的制备方法，操作简单，反应条件易于控制，可节省能源，显著降低生产成本。
以下为具体实施例。
实施例1
(1)以TC4钛合金板材和混合均匀的2A11#铝合金粉末为原材料，用80#砂纸打磨钛合金板材上表面，除去表面污渍并破坏氧化膜。
(2)将钛合金板材进行酸洗，除去氧化膜，并用无水乙醇除水。
(3)将钛合金板材置于模具底部，在钛合金板材上铺入铝合金粉末。
(4)启动压力机，在50MPa进行压制，得到粗坯。
(5)将粗坯在氮气中，以5℃/min升温速率升温至550℃烧结3h，然后在500℃、100MPa进行热压，冷却后在500℃进行热扩散处理6小时，冷却，得到钛铝层状复合材料。
对实施例1制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为142MPa。
实施例2
(1)以TC4钛合金板材和混合均匀的2A11#铝合金粉末为原材料，用80#砂纸打磨钛合金板材上表面，除去表面污渍并破坏氧化膜。
(2)将钛合金板材进行酸洗，除去氧化膜，并用无水乙醇除水。
(3)将钛合金板材置于模具底部，在钛合金板材上铺入铝合金粉末。
(4)启动压力机，在250MPa进行压制，得到粗坯。
(5)将粗坯在氮气中，以8℃/min的升温速率升温至650℃烧结1h，然后在600℃、300MPa进行热压，冷却后在650℃进行热扩散处理3小时，冷却，得到钛铝层状复合材料。
对实施例2制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为146MPa。
实施例3
(1)以TC4钛合金板材和混合均匀的2A11#铝合金粉末为原材料，用80#砂纸打磨钛合金板材上表面，除去表面污渍并破坏氧化膜。
(2)将钛合金板材进行酸洗，除去氧化膜，并用无水乙醇除水。
(3)将钛合金板材置于模具底部，在钛合金板材上铺入铝合金粉末。
(4)启动压力机，在150MPa进行压制，得到粗坯。
(5)将粗坯在氮气中，以10℃/min的升温速率升温至630℃烧结1h，然后在580℃、200MPa进行热压，冷却后在600℃进行热扩散处理4小时，冷却，得到钛铝层状复合材料。
对实施例3制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为154MPa。
对比例1
对比例1与实施例3基本相同，不同的是，对比例1省略了步骤(4)，即对比例1在钛合金板材上铺入铝合金粉末后，使用SPS放电等离子体烧结炉直接进行加压烧结(压力≤50MPa)、再进行热压和热处理。
对对比例1制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为128MPa。但一台SPS烧结炉只能同时对一个样本进行处理，时间周期长，效率低下，而且因为SPS烧结炉无法提供更大的压力，导致钛铝扩散不够充分，界面结合强度并没有实施例3高。
对比例2
对比例2与实施例3基本相同，不同的是，对比例3省略了热压的步骤。
对对比例2制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为91MPa。
对比例3
对比例3与实施例3基本相同，不同的是，对比例3省略了热压和热扩散的步骤。
对对比例3制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为53MPa。
实施例4
实施例4与实施例3基本相同，不同的是，实施例4使用的是6063#铝合金粉末。
对实施例4制备的钛铝层状复合材料进行测试，其界面剪切强度为143MPa。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供钛基板材和铝基材料粉末；
将所述铝基材料粉末铺设在所述钛基板材上，进行机械压合，得到粗坯；
将所述粗坯依次进行气氛烧结、热压和热扩散，得到所述钛铝层状复合材料。
2.根据权利要求1所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述机械压合的压力为50MPa～250MPa。
3.根据权利要求1所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述气氛烧结的温度为550℃～650℃，所述气氛烧结的时间为1～3小时。
4.根据权利要求3所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述气氛烧结采用的升温速率为5℃/min～10℃/min。
5.根据权利要求1所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压的压力为100MPa～300MPa，所述热压的温度为500℃～600℃。
6.根据权利要求1所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述热扩散的温度为500℃～650℃，所述热扩散的时间为3～6小时。
7.根据权利要求1所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝基材料粉末选自6011#铝合金粉末、6061#铝合金粉末、6063#铝合金粉末、2117#铝合金粉末、2214#铝合金粉末及2A11#铝合金粉末中的至少一种；所述钛基板材为TC4钛合金板材。
8.根据权利要求1～7任一项所述的钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，在将所述铝基材料粉末铺设在所述钛基板材上的步骤之前，还包括对所述钛基板材进行打磨、清洗的步骤。
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