CN113415063A - 一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，将锡铅青铜、钛合金加工为圆柱体，中间过渡层Ni箔备用；对锡铅青铜、中间过渡层Ni箔和钛合金进行预处理；预处理后的钛合金、中间过渡层Ni箔、锡铅青铜依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中，采用设计的特定的阶梯式加压方式，进行真空区域微熔界面连接，得到锡铅青铜/钛合金双金属试样；本发明形成的双金属既综合了铜合金和钛合金的优异性能，同时还具有良好的界面结合和较高的剪切强度。本发明公开的双金属材料可用作飞机、装甲车、重载卡车等液压作动及柱塞泵系统中的耐磨件，满足装备减重轻量化的服役要求。
Description
技术领域
本发明属于双金属制备技术领域，具体涉及一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法。
背景技术
异质材料的连接，是指两种或两种以上的不同材料在一定条件下进行连接进而形成完整结构的过程。异质材料连接由于能发挥材料各自的优良性能，在机械、化工、石油、天然气、电子、医疗器材、航空航天等领域具有广阔的应用前景。异种材料的物理、化学性能差异较大，易出现化学不相容、界面受热不均等难题，导致其综合力学性能较差，无法满足实际材料加工制造过程中的要求。在大量异种金属的连接中，铜合金/钛合金双金属材料主要应用在航空航天装备中的耐磨零部件上，其选材要求具有较好减摩耐磨性能的锡铅青铜和具有轻质高强特点的钛合金，然而其连接仍然存在界面化合物过量生成、连接处应力过大等难题，连接强度不高，综合性能较差。因此，需要提出一种新的工艺来制备出一种高界面强度的锡铅青铜/钛合金双金属材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，解决了目前锡铅青铜/钛合金双金属连接强度低、界面结合不良的缺点。
本发明所采用的技术方案是，一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，将锡铅青铜、钛合金加工为圆柱体，中间过渡层Ni箔备用；
步骤2，对锡铅青铜、中间过渡层Ni箔和钛合金进行预处理；
步骤3：将步骤2中得到的预处理后的钛合金、中间过渡层Ni箔、锡铅青铜依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中，采用设计的特定的阶梯式加压方式，进行真空区域微熔界面连接，得到锡铅青铜/钛合金双金属试样。
本发明的特点还在于：
其中步骤1中圆柱体的锡铅青铜和钛合金的外径尺寸均为20mm，高度为20mm，中间过渡层Ni箔直径尺寸为20mm，与母材合金保持同径；
其中步骤2中预处理过程具体为将锡铅青铜和钛合金表面进行打磨，打磨后对锡铅青铜、中间过渡层Ni箔和钛合金进行酸洗，然后清洗；
其中酸洗为将锡铅青铜、钛合金和中间过渡层Ni箔浸泡在10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，然后用酒精进行清洗；
其中步骤3中真空区域微熔界面连接过程具体为：使真空热压烧结炉的真空度达到6.67×10-3Pa～6.67×10-2Pa后开始加热，烧结时间为50～65min，加热温度到750～950℃后保温30～60min，全程中给其施加1～10MPa的压力，待挤压过程结束、锡铅青铜/钛合金双金属完成区域微熔界面连接后，随炉冷却后得到锡铅青铜/钛合金双金属；
其中步骤3中设计的特定的阶梯式加压方式具体为：在进行真空区域微熔界面连接时，改变温度与压力参数，通过大量实验得到不同温度下的临界压力，此临界压力指一旦超过该温度下的临界压力，金属将发生剧烈变形，在一定温度内施加特定的压力，在保证其低于临界压力的同时，使压力充分作用到双金属界面。
本发明的有益效果是：
本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，选择镍作中间过渡层不但减少了金属间化合物的种类与数量，避免了Sn、Pb元素的偏析，有效抑制了裂纹的产生，并于界面生成了硬质的金属间化合物，可以大幅提高界面强度。在真空区域微熔界面连接中，不断调整温度与压力参数，通过大量实验得到不同温度下的临界压力。由此设计了一种阶梯式加压方式，使压力充分作用到双金属界面。同时，形成的双金属除了具有铜合金和钛合金各自的优异性能外，还具备良好的界面结合，其界面剪切强度最高可达123MPa。
附图说明
图1是本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法中实施案例1中锡铅青铜/钛合金双金属的界面形貌图；
图2是本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法中实施案例2中锡铅青铜/钛合金双金属的界面形貌图；
图3是本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法中实施案例1中锡铅青铜/钛合金双金属的剪切强度曲线示意图；
图4是本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法中实施案例2中锡铅青铜/钛合金双金属的剪切强度曲线示意图；
图5是本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法中在真空区域微熔界面连接过程中设计的一种特定的阶梯式加压方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，具体按照如下步骤进行：
步骤1，将锡铅青铜、钛合金加工为圆柱体，准备中间过渡层Ni箔；圆柱体的锡铅青铜和钛合金的外径尺寸均为20mm，高度为20mm，中间过渡层Ni箔直径尺寸为20mm，与母材合金保持同径；
步骤2，对锡铅青铜和钛合金进行预处理，即将其表面打磨，并与中间过渡层Ni箔一起进行酸洗，所述酸洗具体过程为：将锡铅青铜、钛合金和中间过渡层Ni箔浸泡在10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，清洗采用酒精清洗，清洗后得到预处理后的锡铅青铜、钛合金和中间过渡层Ni箔；
步骤3，将步骤2中得到的预处理后的钛合金、中间过渡层Ni箔、锡铅青铜依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中，采用设计的特定的阶梯式加压方式，进行真空区域微熔界面连接，得到锡铅青铜/钛合金双金属试样；
真空区域微熔界面连接过程具体为：使真空热压烧结炉的真空度达到6.67×10- 3Pa～6.67×10-2Pa后开始加热，烧结时间为50～65min，加热温度到750～950℃后保温30～60min，全程中给其施加1～10MPa的压力，待挤压过程结束、锡铅青铜/钛合金双金属完成区域微熔界面连接后，随炉冷却后得到锡铅青铜/钛合金双金属；
如图5所示，设计的特定的阶梯式加压方式具体为：在进行真空区域微熔界面连接时，改变温度与压力参数，通过大量实验得到不同温度下的临界压力。此临界压力指一旦超过该温度下的临界压力，金属将发生剧烈变形。由此，设计了一种特定阶梯式加压方式，即在一定温度内施加特定的压力，在保证其低于临界压力的同时，使压力充分作用到双金属界面。
下面通过具体的实施案例对本发明一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法进行进一步详细解释。
实施例1
制备锡铅青铜/钛合金双金属，将牌号为CuSn10Pb1的锡铅青铜(以下简称为CuSn10Pb1)和TC6钛合金加工为Φ20mm×20mm圆柱体；将锡铅青铜和钛合金的表面打磨后，浸泡在10％硝酸酒精进行酸洗，再用酒精清洗后保存备用；
将预处理后的TC6和CuSn10Pb1配合好一并放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合处氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到6.20×10-3Pa后开始加热，烧结58min，加热温度到875℃后保温30min，只在保温过程中对热压模具施加压力5MPa，待锡铅青铜/钛合金完成真空区域微熔界面连接后停止加压加热，使其随炉冷却，得到锡铅青铜/钛合金双金属。通过对金相试样进行组织观察可知，其界面裂纹较大较多，存在缺陷，结合不良，如图1所示。经力学性能检测，如图3所示，其界面剪切强度为20MPa。
实施例2
制备锡铅青铜/钛合金双金属，将牌号为CuSn10Pb1的锡铅青铜(以下简称为CuSn10Pb1)和TC6钛合金加工为Φ20mm×20mm圆柱体，准备Φ20mm的中间过渡层Ni箔；将锡铅青铜和钛合金的表面打磨后，和Ni箔一起浸泡在10％硝酸酒精进行酸洗，再用酒精清洗后保存备用；
将预处理后的TC6、Ni箔和CuSn10Pb1依次配合好一并放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合处氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到6.70×10-3Pa后开始加热，烧结58min，加热温度到875℃后保温30min，采用阶梯式加压方式，全程中对热压模具施加压力1～10MPa，待锡铅青铜/钛合金完成真空区域微熔界面连接后停止加压加热，使其随炉冷却，得到锡铅青铜/钛合金双金属。通过对金相试样进行组织观察可知，其界面结合良好，无明显缺陷，在界面生成了硬质的金属间化合物，提高了界面连接强度，如图2所示。经力学性能检测，如图4所示，其界面剪切强度可达123MPa。
实施例3
制备锡铅青铜/钛合金双金属，将牌号为CuSn10Pb1的锡铅青铜(以下简称为CuSn10Pb1)和TC6钛合金加工为Φ20mm×20mm圆柱体，准备Φ20mm的中间过渡层Ni箔；将锡铅青铜和钛合金的表面打磨后，和Ni箔一起浸泡在10％硝酸酒精进行酸洗，再用酒精清洗后保存备用；
将预处理后的TC6、Ni箔和CuSn10Pb1依次配合好一并放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合处氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到6.50×10-3Pa后开始加热，烧结61min，加热温度到925℃后保温30min，采用阶梯式加压方式，全程中对热压模具施加压力1～10MPa，待锡铅青铜/钛合金完成真空区域微熔界面连接后停止加压加热，使其随炉冷却，得到锡铅青铜/钛合金双金属，经力学性能检测，其界面剪切强度为86MPa。
实施例4
制备锡铅青铜/钛合金双金属，将牌号为CuSn10Pb1的锡铅青铜(以下简称为CuSn10Pb1)和TC6钛合金加工为Φ20mm×20mm圆柱体，准备Φ20mm的中间过渡层Ni箔；将锡铅青铜和钛合金的表面打磨后，和Ni箔一起浸泡在10％硝酸酒精进行酸洗，再用酒精清洗后保存备用；
将预处理后的TC6、Ni箔和CuSn10Pb1依次配合好一并放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合处氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到7.20×10-3Pa后开始加热，烧结63min，加热温度到950℃后保温30min，采用阶梯式加压方式，全程中对热压模具施加压力1～10MPa，待锡铅青铜/钛合金完成真空区域微熔界面连接后停止加压加热，使其随炉冷却，得到锡铅青铜/钛合金双金属。经力学性能检测，其界面剪切强度为67MPa。
一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，选择镍作中间过渡层不但减少了金属间化合物的种类与数量，避免了Sn、Pb元素的偏析，有效抑制了裂纹的产生，并于界面生成了硬质的金属间化合物，可以大幅提高界面强度。在真空区域微熔界面连接中，不断调整温度与压力参数，通过大量实验得到不同温度下的临界压力。由此设计了一种阶梯式加压方式，使压力充分作用到双金属界面。同时，形成的双金属除了具有铜合金和钛合金各自的优异性能外，还具备良好的界面结合，其界面剪切强度较大。
Claims (6)
1.一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，将锡铅青铜、钛合金加工为圆柱体，中间过渡层Ni箔备用；
步骤2，对锡铅青铜、中间过渡层Ni箔和钛合金进行预处理；
步骤3：将步骤2中得到的预处理后的钛合金、中间过渡层Ni箔、锡铅青铜依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中，采用设计的特定的阶梯式加压方式，进行真空区域微熔界面连接，得到锡铅青铜/钛合金双金属试样。
2.根据权利要求1所述的一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，其特征在于，所述步骤1中圆柱体的锡铅青铜和钛合金的外径尺寸均为20mm，高度为20mm，中间过渡层Ni箔直径尺寸为20mm，与母材合金保持同径。
3.根据权利要求1所述的一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，其特征在于，所述步骤2中预处理过程具体为将锡铅青铜和钛合金表面进行打磨，打磨后对锡铅青铜、中间过渡层Ni箔和钛合金进行酸洗，然后清洗。
4.根据权利要求3所述的一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，其特征在于，所述酸洗为将锡铅青铜、钛合金和中间过渡层Ni箔浸泡在10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，然后用酒精进行清洗。
5.根据权利要求1所述的一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，其特征在于，所述步骤3中真空区域微熔界面连接过程具体为：使真空热压烧结炉的真空度达到6.67×10-3Pa～6.67×10-2Pa后开始加热，烧结时间为50～65min，加热温度到750～950℃后保温30～60min，全程中给其施加1～10MPa的压力，待挤压过程结束、锡铅青铜/钛合金双金属完成区域微熔界面连接后，随炉冷却后得到锡铅青铜/钛合金双金属。
6.根据权利要求1所述的一种锡铅青铜/钛合金双金属的制备方法，其特征在于，所述步骤3中设计的特定的阶梯式加压方式具体为：在进行真空区域微熔界面连接时，改变温度与压力参数，通过大量实验得到不同温度下的临界压力，此临界压力指一旦超过该温度下的临界压力，金属将发生剧烈变形，在一定温度内施加特定的压力，在保证其低于临界压力的同时，使压力充分作用到双金属界面。
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