CN112706494B - 高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法 - Google Patents

高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，属于超塑性成型技术领域。本方法先是采用高碳钢板、铝箔材通过包套真空复合轧制得到复层板胚，然后将复层板胚进行热压扩散处理得到高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料，接着使用超塑性成形技术处理得到复杂曲面的微叠层复合材料。本发明利用独特的箔‑箔交叠复合轧制+扩散反应工艺获得界面结合强度高的高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料，利用FeAl金属间化合物相的超塑性变形，获得具有复杂曲面结构的金属间化合物复合装甲，为满足未来针对新型攻击武器防护所迫切需要的高性能装甲防护结构的设计制造提供技术支撑。

Description

高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法
技术领域
本发明涉及超塑性成型技术领域，具体是一种高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法。
背景技术
随着时代的不断进步，对于复合装甲防护材料的改进发展也提出了更高的要求，其一方面需要对“复层”或“三明治”结构进行优化，通过减小层间距、增加层界面的方式获得由“强性层”和“韧性层”交叠而成的多层复合结构，从而充分发挥复层材料的界面效益，提升复层装甲抵抗纵向的透射波和反射波的能力；另一方面改变传统的简单粘接而成的叠层复合装甲形式，通过化合物反应或扩散连接获得冶金结合的界面，从而提高复层装甲“强性层”与“韧性层”间的结合强度，改善由横向切应力导致的界面开裂和分层问题。
根据仿生学原理，目前设计出了金属/金属间化合物微叠层复合材料（Metal-Intermetallic-Laminate composite）（简称MIL材料）。该材料通过较小的层间距和多界面效应使其具有能量耗散结构的应力场，能够有效提升叠层结构抵抗透射波和反射波的能力，提高装甲材料的断裂韧性。同时，由于金属间化合物层/金属层界面为通过反应扩散获得的冶金结合，保证了其微观结构连续性及界面结合强度。可以获得具有低密度、高强度、高比模量、高韧性等优异性能的新型复层装甲材料。研究表明该装甲材料在给定冲击条件下，与具有相近密度的其他装甲材料相比，具有十分优越的抗弹性能。
当前研究较为广泛的钛基微叠层复合装甲由于其主要基材为成本昂贵的TC4钛合金，导致其单位面积成本较高（约800元/平方米）。此外，由硬脆金属间化合物构成的叠层装甲存在难以塑性成型和切削加工的难题，限制了其在由曲面、圆角等够成的防护结构中的使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法。本发明方法是通过超塑性变形获得具有复杂曲面的高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料，来取代传统的金属和复合陶瓷装甲系统，用于各种轻、中型装甲平台、单兵防护系统和下一代武装直升机防护。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，包括如下步骤：
1）对高碳钢板、铝箔材进行预处理
对高碳钢板、铝箔材进行表面预处理，去除其表面的油污、杂质和氧化膜；
2）进行包套真空复合轧制处理
将高氮钢和铝箔材依次交替堆叠后放入包套内部，并真空焊封，进行轧制复合，获得具有一定预应力的复层板胚；
3）进行热压扩散处理
对复层板胚进行热压扩散成形，具体工艺为：将复层板胚以 10℃/min 的升温速度加热到 600℃，保温1小时，然后再以5℃/10min 的升温速度加热到655℃，再保温4小时，铝箔材被完全消耗，再以10℃/min的升温速度加热到955℃，再以5℃/10min的升温速度加热到1000℃，保温2小时，随后进行冷却，获得高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料；
4）进行超塑性处理
对高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料进行超塑性变形处理，压力为200Mpa、温度为0.5～0.7Tm、应变速率为10-5～10-3/s，将高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料由方形板材变形为复杂曲面板材。
进一步的，步骤1）中，高碳钢板的厚度为0.5mm，高碳钢板内含有Cr元素，Cr元素的含量为5wt％；铝箔材的厚度为0.3mm，铝箔材为1060纯铝箔，Al含量大于99wt％。
进一步的，步骤2）中，高氮钢和铝箔材依次交替堆叠后放入包套内部，即每个铝箔材位于相邻两个高氮钢板之间，铝箔材被包裹固定。
进一步的，步骤2）中，轧制温度为430-470℃，轧制速度为0.02～0.4m/s，道次变形量为4％～20％。
本发明利用独特的箔-箔交叠复合轧制+扩散反应工艺获得界面结合强度高的高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料，利用FeAl金属间化合物相的超塑性变形，成型具有复杂曲面结构的金属间化合物复合装甲，为满足未来针对新型攻击武器防护所迫切需要的高性能装甲防护结构的设计制造提供技术支撑。本发明方法能够实现微叠层复合板材的变形控制，为制备具有复杂曲面结构的叠层复合防护部件的制造奠定了工艺基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明方法的整体工艺路线图。
图2为本发明中包套真空复合轧制工艺路线图；
图中：1-高碳钢板、2-铝箔材。
图3为本发明方法中热压扩散成形工艺曲线图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
目前， FeAl合金的研究大部分集中于较低的Al含量上(例如Fe-28Al)，FeAl合金在室温下具有硬度高的特点，但是其塑性却很差，很难被广泛利用。通过对FeAl 基合金的高温拉伸力学性能测试时发现，在高温时，FeAl合金有超塑特征，也就是说FeAl合金在高温时普遍存在超塑性。例如在含Ti大晶粒FeAl 基合金 Fe-36.5Al-2Ti 中，平均晶粒尺寸约370µm 的 Fe-36.5Al-2Ti 合金在 1000℃时，在1.4×10-4~7.0×10-4S-1速率范围内具有超塑性现象，应变速率增大，m 有变大的趋势，当拉伸速率为 1.4×10-4时，伸长率达到208％的最大值。在高温拉伸过程中，随着试样的变形，材料内部进行着动态回复与动态再结晶，从而产生了超塑性现象。
采用应变速率递增法研究FeAl合金超塑性变形的力学性能，FeAl合金在1000℃下，采用的应变速率分别为2×10-4S-1、4×10-4S-1、6×10-4S-1，其所对应的延伸率分别为163.4%、205.1%、152.3%，所以当应变速率为4×10-4S-1，其延伸率达到最大为205.1%。
基于以上所述，本发明提出了一种由成本较低且防护性能优良的高氮钢与具有超塑性变形能力的FeAl金属间化合物构成的新型微叠层复合材料，即高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合装甲。
如图1所示，一种高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，包括如下步骤：
1）对高碳钢板1、铝箔材2进行预处理
去除高碳钢板1、铝箔材2表面的油污、杂质和氧化膜；其中，高氮钢可以提高叠层复合材料的塑性，高碳钢板1的厚度为0.5mm，高碳钢板1内含有Cr元素，Cr元素的含量为5wt％，Cr元素的添加有益于提高FeAl相的塑性，试验证明，当应力为1000MPa时，对于不加入Gr元素的应变为0.075%，加入Gr元素之后的应变为0.12%，同时稳定该化合物相在复层装甲中的组成；铝箔材2的厚度为0.3mm，铝箔材2为1060纯铝箔，Al含量大于99wt％。
2）进行包套真空复合轧制处理
将高氮钢和铝箔材2依次交替堆叠后放入包套内部，并真空焊封，目的是将轧制过程中原有的应力状态改变为三向压应力状态，如图2中的（a）、（b）过程所示；之后进行轧制复合，轧制温度为430-470℃（具体实施时可设置为430℃、450℃、470℃等），轧制速度为0.02m/s～0.4m/s（具体实施时可设置为0.02m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s等），道次变形量为4％～20％（具体实施时可设置为4％、8％、12％、16％、20％等），如图2中的（c）过程所示，最后获得具有一定预应力的复层板胚。
3）进行热压扩散处理
为使得轧制后所得的复层板胚结合更良好，结构更致密，对复层板胚进行热压扩散成形；热压扩散成形过程中，首先通过温度和热压时间控制强性层（FeAl）/韧性层(高氮钢钢)的厚度，保证反应层厚度的一致性，为进一步热压变形提供必要的材料层厚度，其次，FeAl金属间化合物，在常温下，硬度高、脆性大，延伸率基本为零，但在高温时，FeAl间距变大，具有一定的塑性，这为叠层材料的超塑性变形加工提供了可能，可以按照防护器件的外形进行塑性变形控制，进行协同控制强性层（FeAl）/韧性层(高氮钢)同时进行变形，使叠层材料不产生锯齿形、裂纹等缺陷是工艺控制的关键；具体为：将复层板胚以 10℃/min 的升温速度加热到 600℃，保温1小时，然后再以5℃/10min 的升温速度加热到655℃，再保温4小时，铝箔材2被完全消耗，再以10℃/min的升温速度加热到955℃，再以5℃/10min的升温速度加热到1000℃，保温2小时，随后进行冷却，获得高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料，具体的热压扩散成形工艺曲线图如图3所示，期间起始复层板胚样品所受压强为3.8MPa。
4）进行超塑性处理
当热压扩散成形结束后快速调整温度，迅速完成超塑性热压变形过程；对高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料进行超塑性变形处理，压力为200Mpa、温度为0.5～0.7Tm（具体实施时可设置为0.5Tm、0.6Tm、0.7Tm等）、应变速率为10-5～10-3/s（具体实施时可设置为10-5/s、10-4/s、10-3/s等），将高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料由方形板材变形为复杂曲面板材，如将50*50*20mm厚方形板材变形为Φ75mm*10mm厚的圆形曲面板材。
上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对高碳钢板、铝箔材进行预处理
对高碳钢板、铝箔材进行表面预处理，去除其表面的油污、杂质和氧化膜；
2）进行包套真空复合轧制处理
将高氮钢和铝箔材依次交替堆叠后放入包套内部，并真空焊封，进行轧制复合，获得具有一定预应力的复层板胚；
3）进行热压扩散处理
对复层板胚进行热压扩散成形，具体工艺为：将复层板胚以 10℃/min 的升温速度加热到 600℃，保温1小时，然后再以5℃/10min 的升温速度加热到655℃，再保温4小时，铝箔材被完全消耗，再以10℃/min的升温速度加热到955℃，再以5℃/10min的升温速度加热到1000℃，保温2小时，随后进行冷却，获得高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料；
4）进行超塑性处理
对高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料进行超塑性变形处理，压力为200Mpa、温度为0.5～0.7Tm、应变速率为10-5～10-3/s，将高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料由方形板材变形为复杂曲面板材。
2.根据权利要求1所述的高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，其特征在于：步骤1）中，高碳钢板的厚度为0.5mm，高碳钢板内含有Cr元素，Cr元素的含量为5wt％；铝箔材的厚度为0.3mm，铝箔材为1060纯铝箔，Al含量大于99wt％。
3.根据权利要求1中所述的高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，其特征在于：步骤2）中，将高氮钢和铝箔材依次交替堆叠后放入包套内部，即每个铝箔材位于相邻两个高氮钢板之间，铝箔材被包裹固定。
4.根据权利要求1-3任一所述的高氮钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料超塑成形方法，其特征在于：步骤2）中，轧制温度为430～470℃，轧制速度为0.02～0.4m/s，道次变形量为4％～20％。
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