CN112857936B - 一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法 - Google Patents

一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法，属于异质金属复合材料制备技术领域，热压制备方法包括表面处理、组装试样、隔离防粘、热压与冷却、完成制备；所述性能测试方法为界面力学性能测试方法，包括Z向拉伸试验方法和压剪试验方法。本发明通过对需复合的金属材料进行结构设计，通过热电偶丝对热压工艺参数进行控制，实现了对复合材料热压过程进行准确控制、快速制备及性能检测，来研究工艺参数对异质金属复合块材界面性能的影响，能够在保证界面性能的同时缩小工艺窗口，为金属复合材料的工业生产提供技术支持；且本发明装置结构简单，操作方法便捷，试验周期短，试验成本较低。

Description

一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法
技术领域
本发明涉及异质金属复合材料制备技术领域，尤其是一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法。
背景技术
随着经济的发展和科技的进步，金属材料被越来越广泛的应用于更为严苛复杂的工作环境下，但是单一的金属材料已很难满足现阶段人们对材料的综合性能要求。因此金属复合材料应运而生，成为现阶段材料研究的一个重要方向。金属复合材料已被广泛应用到桥梁、铁路、天然气储罐、船舶等很多的行业中，复合材料的使用不仅降低了材料的使用成本，同时也满足了现如今对材料较高的综合性能要求。
目前，常见的金属复合板材生产方式有爆炸复合法、真空轧制复合法。
爆炸复合法是通过炸药使两块板高速碰撞结合，耗时短，能够满足性能差异较大的两块板的复合，但此种方法不仅对场地、天气情况有较高要求，环境污染大，而且制得的金属复合板材的面结合不均匀、界面结合率较低、界面性能不稳定。
真空轧制复合法是通过真空焊接组坯，加热后轧制成型，制得金属复合板材的成型效果好、界面结合率高、无污染、工业生产效率高，已逐步取代爆炸复合法，但是此种方法仍无法准确控制真空度、轧制温度、轧制压力、变形速率等工艺参数，而这些工艺参数对于复合板的界面反应具有至关重要的作用，会影响界面原子的扩散速度以及界面脆硬相的生成，从而影响界面性能。
如：南京钢铁股份有限公司公开专利《一种钛钢复合板的制备方法》（专利号为201810104517.3）及东北大学公开专利《一种抗菌钛合金复合板材》（专利号为201820147054.4）均只能将真空度、轧制温度、轧制压力、变形速率等工艺参数控制在一个有效范围。
因此，需要一种可以对复合材料热压过程准确控制，快速制备及性能检测的方法，来研究工艺参数对界面性能的影响；在保证界面性能的同时缩小工艺窗口，为金属复合材料的工业生产提供技术支持。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法，即实现升温速度、压下量、热压温度、保温时间、降温速度等热压工艺参数的精确控制，从而研究各参数对复合板材成型度、界面反应层的影响，探索出满足生产要求的生产工艺；能够解决现有金属复合板制备过程工艺参数不能准确受控而影响复合界面性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，包括以下步骤：
步骤1，表面处理：将金属A棒料、中间设置圆形台阶的金属B套筒、规格尺寸一致的金属B棒料一和金属B棒料二的表面用砂纸打磨抛光，再用丙酮清洗后用酒精擦拭干净；
步骤2，组装试样：将所述金属A棒料安放在所述金属B套筒内中间的圆形台阶处，然后将所述金属B棒料一和金属B棒料二分别安放在所述金属B套筒的左右两侧，所述金属B棒料一和金属B棒料二的端面紧贴所述金属A棒料的两端面；将热电偶丝通过设置在所述金属B套筒中间的圆形台阶处上部的套筒通孔焊接在所述金属A棒料的侧面上；
步骤3，隔离防粘：将所述金属B棒料一和金属B棒料二的另两个端面涂抹高温润滑剂，准备好试样；
步骤4，热压与冷却：将步骤3中准备好的试样放入热模拟机的工作腔中，用热模拟机的工作腔卡具固定，给予预紧力夹紧试样，然后将焊接在所述金属A棒料上的热电偶丝接入控温装置中；根据预设的真空度将热模拟机的工作腔抽真空，然后按照热压工艺曲线对试样进行热压；通过热电偶丝能够实时监测热压工艺参数的控温装置控制热压参数，热压结束，空冷至室温；
步骤5，完成制备：待试样冷却后，取出试样，完成异质金属复合块材试样的制备。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1、2中，所述金属B套筒与所金属B棒料一和所述金属B棒料二的棒料是同种金属。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1、2中，所述金属A棒料的尺寸与金属B套筒中间的圆形台阶尺寸一致；所述金属B棒料一和金属B棒料二的直径尺寸与金属B套筒的内径尺寸相匹配。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2中，所述套筒通孔的直径为2mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3中，所述高温润滑剂为依次黏贴的石墨纸和钽片。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4中，预紧力为2～5MPa；预设的真空度为抽真空至10-2Pa以下。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4中，所述热压工艺参数至少包括热压温度、压下量。
一种异质金属复合块材试验用性能测试方法，其中使用一种异质金属复合块材试验用热压制备方法制备的异质金属复合块材试样，所述性能测试方法为界面力学性能测试方法，包括Z向拉伸试验方法和压剪试验方法。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述Z向拉伸试验方法包括以下步骤：
S1，使用电火花线切割机，在所制备的试样上沿垂直于金属A、 B复合界面方向取长度为75mm、厚度为2mm、平行段长度为30mm、平行段宽度为5mm、过度圆弧R为5mm、按金属A层对称分布的工字型试样一；
S2，用砂纸打磨工字型试样一表面后用抛光机抛光，使工字型试样一表面粗糙度Ra≤0.8；
S3，将处理好的工字型试样一放入万能试验机中，设置Z向拉伸工作参数，完成拉伸试验。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述压剪试验方法包括以下步骤：
（1）使用电火花切割机，在所制备的试样上沿平行于复合界面方向取“凸”块状压剪试样二，金属A层厚度为3mm、长度为5mm、宽度为5mm，金属B层厚度为7mm、长度为15mm、宽度为5mm；
（2）压剪试样二用砂纸打磨抛光后，用酒精清洗干净；
（3）将压剪试样二装入顶端开有L型凹槽且尺寸为30×15×40mm的硬质合金压剪模具中，使压剪试样二金属B层位于模具凹槽内，金属A层位于压剪模具梯台上，然后置入万能试验机中完成压剪试验。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明能够使热压工艺参数准确受控，即实现升温速度、压下量、热压温度、保温时间、降温速度等热压工艺参数的精确控制，从而研究各参数对复合板材成型度、界面反应层的影响，能够在试验过程中探索出满足生产要求的生产工艺。
2、本发明通过对需复合的金属材料进行结构设计，通过热电偶丝对热压工艺参数进行控制，实现了对复合材料热压过程进行准确控制、快速制备及性能检测，来研究工艺参数对界面性能的影响，能够在保证界面性能的同时缩小工艺窗口，为金属复合材料的工业生产提供技术支持。
3、本发明试验装置结构简单，操作方法便捷，试验周期短，验验成本较低。
附图说明
图1是本发明热压前的装配结构二维示意简图；
图2是本发明组合试样的三维结构示意图；
图3是本发明拉伸试验试样的立体结构示意简图；
图4是本发明压剪试验试样的立体结构示意简图；
图5是本发明压剪试验前的装配立体结构简图；
图6是本发明实施例中低碳钢和TA2热压实验复合界面的金相图片；
图7是TA2和Q235B工业真空热轧工艺后所得复合板复合界面金相图片；
图8是本发明实施例中低碳钢和TA2拉伸试样的应力应变曲线；
图9是本发明实施例中低碳钢和TA2压剪试样的抗剪切变形曲线。
其中，1、金属B棒料一，2、金属B棒料二，3、金属B套筒、4、热电偶丝，5、热模拟机的工作腔卡具，6、金属A棒料。
具体实施方式
本发明是针对现有技术中尚没有对复合材料热压过程进行准确控制、快速制备及性能检测的方法，来研究工艺参数对界面性能的影响而研发的一种异质金属复合块材试验用热压制备及性能测试方法，能够在保证界面性能的同时缩小工艺窗口，为金属复合材料的工业生产提供技术支持。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1、2所示，一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，包括以下步骤：
步骤1，表面处理：将金属A棒料6、中间设置圆形台阶的金属B套筒3、规格尺寸一致的金属B棒料一1和金属B棒料二2的表面用砂纸打磨抛光，再用丙酮清洗后用酒精擦拭干净；
所述金属B套筒3与所述金属B棒料一1和金属B棒料二2的棒料是同种金属。
所述金属A棒料6的尺寸与所述金属B套筒3中间的圆形台阶尺寸相匹配；所述金属B棒料一1和金属B棒料二2的直径尺寸与所述金属B套筒3的内径尺寸相匹配。
步骤2，组装试样：将所述金属A棒料6安放在所述金属B套筒3内中间的圆形台阶处，然后将所述金属B棒料一1和金属B棒料二2分别安放在所述金属B套筒3的两侧，所述金属B棒料一1和金属B棒料二2的端面紧贴所述金属A棒料6的两端面；将热电偶丝4通过设置在所述金属B套筒3中间的圆形台阶处上部的套筒通孔焊接在所述金属A棒料6的侧面上，能够实时监测热压工艺参数；所述套筒通孔4的直径为2mm。
步骤3，隔离防粘：将所述金属B棒料一1和金属B棒料二2的另两个端面涂抹高温润滑剂，准备好试样；所述高温润滑剂为依次黏贴的石墨纸和钽片。
具体的，制备试样包括金属A棒料6、金属B套筒3和左右两个规格尺寸一致的金属B棒料一1和金属B棒料二2。金属B套筒3中间设置有圆形台阶，金属A棒料6安放在台阶上；左侧金属B棒料一的右端面和右侧金属B棒料二的左端面紧贴金属A棒料6的两个端面；左侧金属B棒料一的左端面和右侧金属B棒料二的右端面涂抹高温润滑剂，依次黏贴石墨纸和钽片，起到润滑脱模作用。金属B套筒3内的圆形台阶、左侧金属B棒料一右侧和右侧金属B棒料二左侧可以稳定固定试样。
所述金属B套筒3尺寸为φ20×25mm，壁厚为2.5mm，套筒中间设置有一尺寸为φ12×5mm的圆形台阶，圆形台阶用来固定金属A棒料6。
所述金属B棒料一1和所述金属B棒料二2的尺寸均为φ15×45mm。
步骤4，热压与冷却：将步骤3中准备好的试样放入热模拟机的工作腔中，用热模拟机的工作腔卡具5固定，给予预紧力夹紧试样，然后将焊接在所述金属A棒料6上的热电偶丝4接入控温装置中；根据预设的真空度将热模拟机的工作腔抽真空，然后按照热压工艺曲线对试样进行热压；通过热电偶丝4能够实时监测热压工艺参数的控温装置控制热压参数，热压结束，空冷至室温；
所述预紧力为2～5MPa；预设的真空度为抽真空至10-2Pa以下。
所述热压工艺参数至少包括热压温度、压下量，具体包括：升温速度、压下量、热压温度、保温时间、降温速度等。
步骤5，完成制备：待试样冷却后，取出试样，完成异质金属复合块材试样的制备。
一种异质金属复合块材试验用性能测试方法，其中使用一种异质金属复合块材试验用热压制备方法制备的异质金属复合块材试样，所述性能测试方法为界面力学性能测试方法，包括Z向拉伸试验方法和压剪试验方法。
如图3所示，所述Z向拉伸试验方法包括以下步骤：
S1，使用电火花线切割机，在所制备的试样上沿垂直于金属A、B复合界面方向取长度为75mm，厚度为2mm，平行段长度为30mm，平行段宽度为5mm，过度圆弧R为5mm，按金属A层对称分布的工字型试样一；
S2，用砂纸打磨工字型试样一表面后用抛光机抛光，使工字型试样一表面粗糙度Ra≤0.8；
S3，将处理好的工字型试样一放入万能试验机中，设置Z向拉伸工作参数，完成拉伸试验。
如图4、5所示，所述压剪试验方法包括以下步骤：
（1）使用电火花切割机，在所制备的试样上沿平行于复合界面方向取“凸”块状压剪试样二，金属A层厚度为3mm，长度为5mm，宽度为5mm；金属B层厚度为7mm，长度为15mm，宽度为5mm；
（2）压剪试样二用砂纸打磨抛光后，用酒精清洗干净；
（3）将压剪试样二装入顶端开有L型凹槽且尺寸为30×15×40mm的硬质合金压剪模具中，使压剪试样二金属B层位于模具凹槽内，金属A层位于压剪模具梯台上，然后置入万能试验机中完成压剪试验。
实施例
本实施例中，选用TA2和C含量为0.18%的低碳钢两种材料棒料热压。
具体操作步骤如下：
步骤1，表面处理：将两根尺寸为φ15×45mm的低碳钢棒料、尺寸为φ20×25 mm壁厚为2.5mm的低碳钢套筒以及尺寸为φ12×5mm的TA2棒料表面用砂纸打磨抛光，再用丙酮清洗后用酒精擦拭干净。
步骤2，组装试样：将TA2棒料组装在低碳钢套筒中间圆形台阶处，然后将两根低碳钢棒料分别组装在套筒两侧，端面紧贴TA2棒料的两端面；并将热电偶丝通过套筒上直径φ为2mm的套筒通孔焊在TA2棒料侧面上。
步骤3，隔离防粘：将两根低碳钢棒料的另两个端面涂抹高温润滑剂，依次黏贴石墨纸和钽片。
步骤4，热压与冷却：将组装好的试样放入Gleeble3500热模拟机的工作腔中，给予约2-5MPa的预紧力加紧试样，然后将热电偶丝接入控温装置中。根据预设的真空度抽真空至20-2Pa以下，然后按照热压工艺曲线进行热压，控制热压温度860°，压下量65%，热压结束，空冷至室温。
步骤5，完成制备：待试样冷却后，取出试样，完成异质金属复合块材试样的制备。
界面力学性能试验：
Z向拉伸试验：
S1，使用电火花线切割机，在所制备的试样上沿垂直于钛钢复合界面方向取长度为75mm，厚度为2mm，平行段长度为30mm，平行段宽度为5mm，过度圆弧R为5mm按TA2层对称分布的工字型试样一；
S2，用砂纸打磨工字型试样一上下表面以及侧面后用抛光机抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.8；
S3，将制好的工字型试样一放入万能试验机中，设置Z向拉伸工作参数，完成拉伸试验。
压剪试验：
（1）使用电火花切割机，沿平行于复合界面方向取“凸”块状压剪试样二。TA2层厚度为3mm，长度为5mm，宽度为5mm；低碳钢层厚度为7mm，长度为15mm，宽度为5mm；
（2）压剪试样二用砂纸打磨抛光后，用酒精清洗干净。
（3）将压剪试样二装入顶端开有L型凹槽尺寸为30×15×40mm硬质合金压剪模具中，使试样低碳钢层位于模具凹槽内，TA2层位于压剪模具梯台上，然后置入万能试验机中完成压剪试验。
按照本发明的制备方法和界面力学性能检测方法，进行低碳钢和TA2的热压工艺研究，对得到热压试样取金相样观察，如图6所示，复合界面光滑平整，无夹杂物的出现，和图7工业真空热轧工艺所得复合板界面金相比较，界面结合情况更好。
图8和图9分别为Z向拉伸实验和压剪实验所得的曲线，拉伸强度和剪切强度分别为344MPa和300MPa，均达到国标要求(GB/T 8165-2008，屈服强度大于基层标准值，剪切强度大于210MPa)。因此本发明能够在工艺参数准确受控的情况下很好地模拟复合板的真空热轧工艺，所得复合材料界面分布均匀、线条平滑。
综上所述，本发明通过对需复合的金属材料进行结构设计，通过热电偶丝对热压工艺参数进行控制，实现了对复合材料热压过程进行准确控制、快速制备及性能检测，来研究工艺参数对界面性能的影响，能够在保证界面性能的同时缩小工艺窗口，为金属复合材料的工业生产提供技术支持。

Claims (6)

1.一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，表面处理：将金属A棒料（6）、中间设置圆形台阶的金属B套筒（3）、规格尺寸一致的金属B棒料一（1）和金属B棒料二（2）的表面用砂纸打磨抛光，再用丙酮清洗后用酒精擦拭干净；
步骤2，组装试样：将所述金属A棒料（6）安放在所述金属B套筒（3）内中间的圆形台阶处，然后将所述金属B棒料一（1）和金属B棒料二（2）分别安放在所述金属B套筒（3）的左右两侧，所述金属B棒料一（1）和金属B棒料二（2）的端面紧贴所述金属A棒料（6）的两端面；将热电偶丝（4）通过设置在金属B套筒（3）中间的圆形台阶处上部的套筒通孔焊接在所述金属A棒料（6）的侧面上；
所述金属B套筒（3）与所述 金属B棒料一（1）和所述金属B棒料二（2）的棒料是同种金属；
步骤3，隔离防粘：将所述金属B棒料一（1）和金属B棒料二（2）的另两个端面涂抹高温润滑剂，准备好试样；
步骤4，热压与冷却：将步骤3中准备好的试样放入热模拟机的工作腔中，用热模拟机的工作腔卡具（5）固定，给予预紧力夹紧试样，然后将焊接在所述金属A棒料（6）上的热电偶丝（4）接入控温装置中；根据预设的真空度将热模拟机的工作腔抽真空，然后按照热压工艺曲线对试样进行热压；通过热电偶丝（4）能够实时监测热压工艺参数的控温装置控制热压参数；热压结束，空冷至室温；预紧力为2～5MPa；预设的真空度为抽真空至10-2Pa以下；
步骤5，完成制备：待试样冷却后，取出试样，完成异质金属复合块材试样的制备。
2.根据权利要求1所述的一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，其特征在于：步骤1、2中，所述金属A棒料（6）的尺寸与金属B套筒（3）中间的圆形台阶尺寸相匹配；所述金属B棒料一（1）和金属B棒料二（2）的直径尺寸与金属B套筒（3）的内径尺寸相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，其特征在于：步骤2中，所述套筒通孔的直径为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，其特征在于：步骤3中，所述高温润滑剂为依次黏贴的石墨纸和钽片。
5.根据权利要求1所述的一种异质金属复合块材试验用热压制备方法，其特征在于：步骤4中，所述热压工艺参数至少包括热压温度、压下量。
6.一种异质金属复合块材试验用性能测试方法，其中使用如权利要求1所述的一种异质金属复合块材试验用热压制备方法制备的异质金属复合块材试样，其特征在于：所述性能测试方法为界面力学性能测试方法，包括Z向拉伸试验方法和压剪试验方法；
所述Z向拉伸试验方法包括以下步骤：
S1，使用电火花线切割机，在所制备的试样上沿垂直于金属A、 B复合界面方向取长度为75mm，厚度为2mm，平行段长度为30mm，平行段宽度为5mm，过度圆弧R为5mm，按金属A层对称分布的工字型试样一；
S2，用砂纸打磨工字型试样一表面后用抛光机抛光，使工字型试样一表面粗糙度Ra≤0.8；
S3，将处理好的工字型试样一放入万能试验机中，设置Z向拉伸工作参数，完成拉伸试验；
所述压剪试验方法包括以下步骤：
（1）使用电火花切割机，在所制备的试样上沿平行于复合界面方向取“凸”块状压剪试样二，金属A层厚度为3mm，长度为5mm，宽度为5mm；金属B层厚度为7mm，长度为15mm，宽度为5mm；
（2）压剪试样二用砂纸打磨抛光后，用酒精清洗干净；
（3）将压剪试样二装入顶端开有L型凹槽且尺寸为30×15×40mm的硬质合金压剪模具中，使压剪试样二金属B层位于模具凹槽内，金属A层位于压剪模具梯台上，然后置入万能试验机中完成压剪试验。
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