CN112934964A - 一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，包括以下步骤：对待复合金属板带的基材和复材进行表面处理；对基材的待复合面物理气相沉积一层与复材同种金属的沉积层；将基材与复材的待复合面对扣进行制坯，得到双层复合带坯；将双层复合带坯放入真空加热炉中进行加热和保温；在双层复合带坯的基材侧接近辊缝的位置，施加激光能场对双层复合带坯进行激光补热；将激光补热后的双层复合带坯送入轧机轧制到所需厚度，得到双层复合带；利用退火炉对双层复合带进行再结晶退火处理和冷却处理，得到金属复合带成品。本发明沉积层元素单一，致密性高，加热速度快，操作简单，有效降低了复合带的氧化，提高了复合带轧制后界面结合的强度。
Description
技术领域
本发明属于金属复合带制备技术领域，具体为一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法。
背景技术
金属复合材料是指将不同种类的金属在物理、化学等作用下进行复合加工，得到性能更加优越的材料，其特点在于可以充分发挥各组元材料的优势，获得更好的综合性能，包括高熔点、低密度、高硬度、低电阻率、高温性质稳定、导电导热性好等，广泛运用于航空航天、能源、军事等多个领域。
常见的金属复合板带的生产方法包括：爆炸复合、轧制复合、扩散焊接等。其中传统轧制复合法的一般过程为通过轧辊对待复合材料施加轧制力，使其在整个接触面上相互牢固的结合在一起，并通过后续的热处理，进一步提升其结合强度。其优点相比于其他材料复合法为：生产成本低、加工方法简单、生产质量高、节约贵重金属，可实现机械化、自动化及连续化生产。但由于异种金属存在物理性能方面的差异，导致轧制后复合带材结合强度低、易开裂等，极大降低了产品质量和生产效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法。该金属复合带轧制方法沉积层元素单一，致密性高，加热速度快，操作简单，有效地降低了复合带的氧化，提高了复合带轧制后界面结合的强度。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，包括以下步骤：
1)表面处理：对待复合金属板带的基材和复材进行表面处理；
2)物理气相沉积：对基材的待复合面物理气相沉积一层与复材同种金属的沉积层；
3)制坯：将基材与复材的待复合面对扣进行制坯，得到双层复合带坯；
4)加热炉加热：将双层复合带坯放入真空加热炉中进行加热和保温，并根据相应的技术要求和金属特性，采用不同加热温度和保温时间；
5)激光补热：在双层复合带坯的基材侧接近辊缝的位置，施加激光能场对双层复合带坯进行激光补热；所述激光补热是通过激光加热系统工作完成的，所述激光加热系统包括激光器，所述激光器通过光纤连接激光发射器，所述激光发射器通过多角度机械臂固定在工作台上，所述激光发射器发射出的激光通过聚焦模组形成激光光斑，调整激光照射的位置，使激光光斑投射在基材侧接近辊缝的位置，实现对复合带的均匀加热，所述聚焦模组的作用为提高激光能量，实现加热完毕后直接进行轧制，减小极薄带表面氧化，在激光能场施加过程中，激光器的发射率，要根据基材所需要的加热温度来设定；
6)轧制：将激光补热后的双层复合带坯送入轧机轧制到所需厚度，得到双层复合带；
7)成品热处理：利用退火炉对双层复合带进行再结晶退火处理和冷却处理，得到金属复合带成品；冷却处理应根据金属复合带成品的技术要求和金属特性，采取不同的冷却制度；
8)精整：对得到的金属复合带成品进行矫直、剪切及缺陷清理，得到合格的金属复合带成品。
进一步，所述基材的变形抗力大于复材的变形抗力。
再进一步，所述步骤1)表面处理：对待复合金属板带的基材和复材进行表面处理的具体步骤为：采用打磨机清理基材和复材的待复合面，直至见到新鲜金属基体，随后将基材放置在超声波清洗机中用无水乙醇清洗表面，把复材放置在超声波清洗机中用去离子水清洗表面，再将清洗过的基材和复材烘干。
更进一步，所述步骤2)物理气相沉积：对基材的待复合面物理气相沉积一层与复材同种金属的沉积层的具体步骤为：
2.1)将烘干后的基材放置于物理气相沉积装置中，随后对物理气相沉积装置进行抽真空处理，使其真空度为1×10-3～1×10-4Pa；
2.2)调整物理气相沉积装置的工艺参数，使沉积率达到0.5～0.6μm/min，对基材的待复合面进行单侧沉积，沉积时间为20～30min；
2.3)将单侧沉积得到的基材，在氢气的保护下进行退火处理，形成靶材沉积层，完成物理气相沉积工艺；退火处理过程中，根据不同的金属材料，选择与其特性相应的退火温度和退火时间。
更进一步，所述步骤3)制坯：将基材与复材的待复合面对扣进行制坯，得到双层复合带坯的具体步骤为：将基材与复材的待复合面对扣，将对扣后的基材与复材的周边封装焊接，在焊缝上钻孔，对基材与复材之间的空腔进行抽真空，随后封闭该孔，得到双层复合带坯。
更进一步，所述步骤6)中的轧机为二辊轧机、四辊轧机、六辊轧机、二十辊轧机或异步轧机中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过在轧制前，在变形抗力大的基材一侧进行物理气相沉积，沉积层与基材金属产生钩连效应和铆接效应，因而其界面结合强度大于单纯进行基材/复材轧制复合后的界面结合强度，由于沉积层和复材属于同一金属材料，在轧制复合时，沉积层与复材产生共塑性变形且变形速率相同，有效解决了不同金属薄带间轧制复合产生的结合强度低的问题，得到一种变形协调、界面结合强度高的金属复合带材，轧制后配合再结晶退火，可以进一步细化晶粒，提高其综合力学性能；
2、本发明选择在真空条件下进行物理气相沉积，能避免空气中杂质元素进入沉积层，可以保证沉积层元素单一；相比于其他化学沉积、电沉积方法，物理气相沉积能在确定沉积层的厚度的同时，保证沉积层组织的致密性、沉积层的元素分布均匀、沉积层质量高，有利于提高轧制后结合界面的强度；物理气相沉积效率高，操作简单，有利于提高生产效率；
3、本发明采用激光能场辅助加热的优点包括：加热速度快、操作简单等，从而有效降低复合带的氧化，以及提高复合带加热轧制效率；在双层复合带坯进入轧缝前，通过激光照射基材表面，在极短时间内，提高基材侧的温度，有效的降低了复合带的金属流变应力，提高了轧制后复合带界面结合强度。
附图说明
图1为对基材进行物理气相沉积后的示意图；
图2为双层复合板坯示意图；
图3为双层复合板坯轧制示意图；
图4为激光加热系统示意图；
图中：1-沉积层；2-基材；3-复材；4-上工作辊；5-下工作辊；6-激光发射器；7-聚焦模组；8-控制器；9-电线；10-电源；11-激光器；12-光纤；13-多角度机械臂；14-工作台。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
选取尺寸为0.5mm×50mm×50mm的304不锈钢带，作为基材；选取尺寸为0.5mm×50mm×50mm的6061铝带，作为复材。
一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，包括以下步骤：
1)表面处理：对待复合不锈钢带和铝带进行表面处理：
具体为用打磨机清理304不锈钢带和6061铝带的待复合面，直至见到新鲜金属基体，随后将304不锈钢带放置在超声波清洗机中用无水乙醇清洗表面，把6061铝带放置在超声波清洗机中用去离子水清洗表面，再将清洗过的304不锈钢带和6061铝带烘干。
2)物理气相沉积，具体步骤为：
2.1)将烘干后的304不锈钢带放置于物理气相沉积装置中，随后对物理气相沉积装置进行抽真空处理，使其真空度为1×10-3～1×10-4Pa；
2.2)调整物理气相沉积装置的工艺参数，控制铝蒸汽的沉积率达到0.5～0.6μm/min，对不锈钢带的待复合面进行单侧沉积，沉积时间为20～30min，获得相应的沉积厚度；
2.3)将单侧沉积得到的304不锈钢带，在氢气的保护下进行400～800℃的退火处理，退火处理的时间为1小时，最终获得铝沉积层，考虑到沉积速率对镀层质量的影响，此次沉积层厚度较小，故采用相同沉积速度沉积，从而获得致密性高、元素分布均匀的沉积层。
3)制坯：将304不锈钢带的沉积面与6061铝带的待复合面对扣叠装，并进行封装焊接，在焊缝上钻孔，对304不锈钢带与6061铝带之间的空腔进行抽真空，随后封闭该孔，得到不锈钢/铝复合带坯。
4)加热炉加热：将不锈钢铝复合带坯放入真空加热炉中进行加热，加热温度为400℃，保温时间为1小时。
5)激光补热：将激光器11的功率调整为6kW，中心波长设为1064nm，焦距设为300mm，激光光斑设为1.5mm×50mm矩形光斑，频率范围为0.05～50kHz，并安装好聚焦模组7；通过工作台上的多角度机械臂13调整激光发射器6的位置和角度，将激光通过聚焦模组7形成的激光光斑调整至不锈钢带侧靠近工作辊辊缝处，实现激光补热完毕后直接进行轧制，减小极薄带表面氧化。
6)轧制：将激光补热后的不锈钢/铝复合带坯送入二辊可逆轧机，设置二辊可逆轧机的压下率为42％，轧制的速度为36r/min，轧制到所需厚度，得到不锈钢/铝复合带。
7)成品热处理：利用罩式退火炉，对不锈钢/铝复合带进行再结晶退火处理，退火温度为850℃，保温2小时，随炉冷却，得到不锈钢/铝复合带成品。
8)精整：对得到的不锈钢/铝复合带成品进行矫直、剪切及缺陷清理，得到合格的不锈钢铝复合带成品，缺陷清理包括毛刺和飞边等。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)表面处理：对待复合金属板带的基材和复材进行表面处理；
2)物理气相沉积：对基材的待复合面物理气相沉积一层与复材同种金属的沉积层；
3)制坯：将基材与复材的待复合面对扣进行制坯，得到双层复合带坯；
4)加热炉加热：将双层复合带坯放入真空加热炉中进行加热和保温；
5)激光补热：在双层复合带坯的基材侧接近辊缝的位置，施加激光能场对双层复合带坯进行激光补热；
6)轧制：将激光补热后的双层复合带坯送入轧机轧制到所需厚度，得到双层复合带；
7)成品热处理：利用退火炉对双层复合带进行再结晶退火处理和冷却处理，得到金属复合带成品；
8)精整：对得到的金属复合带成品进行矫直、剪切及缺陷清理，得到合格的金属复合带成品。
2.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，其特征在于：所述基材的变形抗力大于复材的变形抗力。
3.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，其特征在于：所述步骤1)表面处理：对待复合金属板带的基材和复材进行表面处理的具体步骤为：采用打磨机清理基材和复材的待复合面，直至见到新鲜金属基体，随后将基材放置在超声波清洗机中用无水乙醇清洗表面，把复材放置在超声波清洗机中用去离子水清洗表面，再将清洗过的基材和复材烘干。
4.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，其特征在于：所述步骤2)物理气相沉积：对基材的待复合面物理气相沉积一层与复材同种金属的沉积层的具体步骤为：
2.1)将烘干后的基材放置于物理气相沉积装置中，随后对物理气相沉积装置进行抽真空处理，使其真空度为1×10-3～1×10-4Pa；
2.2)调整物理气相沉积装置的工艺参数，使沉积率达到0.5～0.6μm/min，对基材的待复合面进行单侧沉积，沉积时间为20～30min；
2.3)将单侧沉积得到的基材，在氢气的保护下进行退火处理，形成靶材沉积层，完成物理气相沉积工艺。
5.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，其特征在于：所述步骤3)制坯：将基材与复材的待复合面对扣进行制坯，得到双层复合带坯的具体步骤为：将基材与复材的待复合面对扣，将对扣后的基材与复材的周边封装焊接，在焊缝上钻孔，对基材与复材之间的空腔进行抽真空，随后封闭该孔，得到双层复合带坯。
6.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积与激光能场辅助的金属复合带轧制方法，其特征在于：所述步骤6)中的轧机为二辊轧机、四辊轧机、六辊轧机、二十辊轧机或异步轧机中的任意一种。
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