CN114850216B

CN114850216B - 一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法

Info

Publication number: CN114850216B
Application number: CN202210778079.5A
Authority: CN
Inventors: 张婷婷; 闫志航; 王文先; 孟義然
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2042-07-04
Also published as: CN114850216A

Abstract

本发明公开了一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，具体步骤为：将待复合的两种金属板材经预打磨后置于呈固定角度的夹具中，并通入高频脉冲电流进行电控微爆炸轧制，得到双金属复合板材。本发明通入高频脉冲电流时，出现趋肤效应与邻近效应，使电流密度都集中在界面处，提高了界面以及尖端温度。且由于尖端放电效应，电流密度在两金属板接触夹角处聚集，形成电弧击碎氧化膜，并通过电源短路爆炸现象出现波纹界面，提高了界面结合强度，实现机械结合与冶金结合的共同作用。本发明制备出的双金属复合板材具有良好的结合性能，满足工业需求，且对环境无污染，对材料的成型尺寸也可更精确的控制。

Description

一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法

技术领域

本发明属于金属复合板带的材料加工技术领域，具体涉及一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法。

背景技术

随着科技的发展，在汽车、船舶、航空航天等领域的制造业中对耐高温、耐腐蚀、抗氧化等极端材料的需求不断增大，单一金属或合金已经不能满足工程应用需求，复合材料应运而生。异质层状复合材料就是复合材料中最重要的一种，其可结合两种材料的优点，并具有高的比强度、比刚度、抗疲劳性以及更轻质的优良特性。但其复合难点在于结合界面处的氧化膜的去除以及抑制金属间脆性相的生成。

目前，异质复合板的制备方法主要有轧制复合法、爆炸复合法等。其中轧制复合法中有冷轧、热轧等方法，冷轧虽然可以控制复合板材的精度，但是其主要以机械结合为主，结合强度较低，并且存在残余应力，抗扭转能力差等劣势；热轧虽然可以提高材料的变形能力、使裂纹愈合并减少缺陷，但无法去除金属表面氧化物，并且无法很好的控制厚度方向的精度以及表面粗糙度。爆炸复合法目前是使用最广泛且结合性能最良好的复合方法，但由于其存在环境污染、成型形状尺寸精度不可控以及无法大规模生产导致生产效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使制备出的复合板界面处氧化物被挤出，出现波纹界面，在冶金结合的基础上进一步提高结合强度。采用电控微爆炸成型制备出的双金属复合板具有良好的结合性能，结合强度高，满足工业需求，且对环境无污染，对材料的成型尺寸也可更精确的控制。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，包括以下步骤：

准备坯料：将待复合的两种金属板材分别加工至所需尺寸，并将其表面清洗干净；

复合板材制坯：将两金属板材做表面处理后放入夹具中，并将脉冲电源的正极与负极分别与夹具的上下两侧连接，开启轧辊，将两金属板材同时送入轧辊后停止轧辊，形成闭合通路；

复合板坯加热：设置脉冲电流参数，对两金属板材进行通电处理，加热至所需温度；

复合板坯轧制：调整轧机参数，并开启轧辊进行脉冲电流辅助的电控微爆炸轧制，得到复合板。

进一步，所述复合板制坯步骤中表面处理采用角磨机对两金属板材进行打磨，以去除两金属板全部表面氧化膜以及杂质。

进一步，所述复合板制坯步骤中夹具为铜制夹具，夹角为20±2°，以使两金属板材在到达轧辊时正好接触。

进一步，所述复合板制坯步骤中将两金属板材同时送入轧辊并轧过1 cm长度，使两金属板材形成完全接触后立即停止轧辊，目的是为了使两板形成面接触以减小接触电阻，增大尖端处电流密度，提高局部温度。

进一步，所述复合板坯加热步骤中加热温度为两金属板材料的相变温度以上30～50 ℃；所述复合板坯加热步骤中脉冲电流参数为：电流300～500 A，频率20～60 kHz，占空比40～60%。通过查找两金属板材料的二元相图，确定所需形成的金属间化合物的温度，从而确定加热温度，最后通过电流预加载实验确定所需的电参数。

进一步，所述复合板坯轧制步骤中轧制下压量为20%～60%，轧制速度为4～10 r/min，不仅可以保证制备的复合板结合性能良好，并且对于塑性变形能力差的金属可以有效控制其开裂。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的技术方案中在轧机的压力与夹具的作用之下，两金属板呈固定角度20±2°。当通入高频脉冲电流时，由于空间磁场的变化，会在两金属板内形成涡流，出现趋肤效应与邻近效应，使电流密度都集中在表面且集中在两金属板相邻的面，即界面处，提高了界面以及尖端温度。且由于尖端放电效应，电流密度在两金属板接触夹角处聚集，形成电弧击碎氧化膜，并通过电源短路爆炸现象出现波纹界面，提高了界面结合强度，实现机械结合与冶金结合的共同作用。利用本发明的方法制备出的复合板材界面处氧化物及脆性化合物有效得到清除，显微组织改善，在机械结合与冶金结合的共同作用下使结合强度进一步提高，同时各项力学性能良好，满足工程应用需求，绿色环保，生产效率高，可大规模量产。本发明可解决异质复合板材结合强度低的问题，制备出的复合板材可在多领域广泛应用。

附图说明

图1为本发明双金属复合板制备的流程图；

图2为本发明双金属复合板脉冲电流辅助轧制的侧视图（其中：1为轧辊，2为金属板材，3为夹具，4为脉冲电源，5为脉冲电流输出波形）；

图3为本发明实施例1中铁铝二元相图；

图4为本发明实施例1中高频脉冲电流的波形图；

图5为本发明实施例1制备的铁铝复合板材波纹界面的微观形貌图；

图6为本发明实施例2中镁铝二元相图；

图7为本发明实施例2制备的镁铝复合板拉剪强度；

图8为本发明实施例3中铜铝二元相图；

图9为本发明实施例4中铁钛二元相图。

具体实施方式

以下所述实例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但并不限制本发明专利的保护范围，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种电控微爆炸成型制备铁铝复合板材的方法，具体包括以下步骤：

选取坯料：分别选择纯铁板与纯铝板加工至 80 mm×30 mm×2 mm，用角磨机对铁板与铝板的表面进行清洗，清除表面上的油污、杂质等；

复合板材制坯：将铁板与铝板用角磨机对铁板与铝板所有表面进行打磨，以便通入高频脉冲电流后铁板与铝板有良好的接触导电性；然后将铁板与铝板分别固定在呈20°角的铜制夹具中，使两板在到达轧辊时刚好出现线接触；将高频脉冲电源的正极与负极分别接在与铁板、铝板接触的铜制夹具上并固定好；随后开启轧辊将铁板与铝板轧过1 cm后停止轧辊，以便于使铁板与铝板形成面接触并减小接触电阻，进一步增大尖端部分的电流密度，提高局部温度；

复合板坯加热：如图3所示，由铁铝相图得知铁铝相变温度为550 ℃，从而确定所需加热温度为580～600 ℃；通过电流预加载实验确定所需脉冲电流参数为：电流400 A，频率为40 kHz，占空比为50%，脉冲波形如图4所示；

复合板坯轧制：设置轧制下压量为60%，轧辊转速为7 r/min，开启轧辊进行脉冲电流辅助轧制，最终得到如图5所示的波纹界面复合板材。采用本发明电控微爆炸制备的铁铝复合板剪切强度最高为80 MPa，可以满足工业需求。

实施例2

一种电控微爆炸成型制备镁铝复合板材的方法，具体包括以下步骤：

选取坯料：分别选择AZ31B镁板与纯铝板加工至80 mm×30 mm×2 mm，用角磨机对镁板与铝板的表面进行清洗，清除表面上的油污、杂质等；

复合板材制坯：使用角磨机对镁板与铝板所有表面进行打磨，以便通入高频脉冲电流后镁板与铝板有良好的接触导电性；然后将镁板与铝板分别固定在呈20°角的铜制夹具中，使两板在到达轧辊时刚好出现线接触。将高频脉冲电源的正极与负极分别接在与两板接触的铜制夹具上并固定好；随后开启轧辊将镁板与铝板轧过1 cm后停止轧辊，以便于形成面接触并减小接触电阻，进一步增大尖端部分的电流密度，提高局部温度；

复合板坯加热：如图6所示，由镁铝相图得知镁铝相变温度为450 ℃，从而确定所需加热温度为480~500 ℃；通过电流预加载实验确定所需脉冲电流参数为：电流300 A，频率为60 kHz，占空比为50%；

复合板坯轧制：设置轧制下压量为20%，轧辊转速为7 r/min，开启轧辊进行脉冲电流辅助轧制，最终得到镁铝复合板材，其剪切强度如图7所示，最高为75 MPa。

实施例3

一种电控微爆炸成型制备铜铝复合板材的方法，具体包括以下步骤：

选取坯料：分别选择铜板与铝板加工至80 mm×30 mm×2 mm，用角磨机对铜板与铝板的表面进行清洗，清除表面上的油污、杂质等；

复合板材制坯：使用角磨机对铜板与铝板所有表面进行打磨，以便通入高频脉冲电流后铜板与铝板有良好的接触导电性；然后将铜板与铝板分别固定在呈22°角的铜制夹具中，使两板在到达轧辊时刚好出现线接触；将高频脉冲电源的正极与负极分别接在与两板接触的铜制夹具上并固定好；随后开启轧辊将铜板与铝板轧过1 cm后停止轧辊，以便于形成面接触并减小接触电阻，进一步增大尖端部分的电流密度，提高局部温度；

复合板坯加热：如图8所示，由铜铝相图得知相变温度为550 ℃，从而确定所需加热温度为580~600 ℃；通过电流预加载实验确定所需脉冲电流参数为：电流300 A，频率为20 kHz，占空比为60%；

复合板坯轧制：设置轧制下压量为60%，轧辊转速为4 r/min，开启轧辊进行脉冲电流辅助轧制，最终得到铜铝复合板材，其剪切强度为100 MPa。

实施例4

一种电控微爆炸成型制备铁钛复合板材的方法，具体包括以下步骤：

选取坯料：分别选择铁板与钛板加工至80 mm×30 mm×2 mm，用角磨机对铁板与钛板的表面进行清洗，清除表面上的油污、杂质等；

复合板材制坯：使用角磨机对铁板与钛板所有表面进行打磨，以便通入高频脉冲电流后铁板与钛板有良好的接触导电性；然后将铁板与钛板分别固定在呈18°角的铜制夹具中，使两板在到达轧辊时刚好出现线接触；将高频脉冲电源的正极与负极分别接在与两板接触的铜制夹具上并固定好。随后开启轧辊将铁板与钛板轧过1 cm后停止轧辊，以便于形成面接触并减小接触电阻，进一步增大尖端部分的电流密度，提高局部温度；

复合板坯加热：如图9所示，由铁钛相图得知相变温度为1100 ℃，从而确定所需加热温度为1130~1150 ℃；通过电流预加载实验确定所需脉冲电流参数为：电流500 A，频率为60 kHz，占空比为40%；

复合板坯轧制：设置轧制下压量为40%，轧辊转速为10 r/min，开启轧辊进行脉冲电流辅助轧制，最终得到铁钛复合板材，其剪切强度为130 MPa。

Claims

1.一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

复合板材制坯：将两金属板材做表面处理，然后分别固定在呈20±2°角的铜制夹具中，使两金属板在到达轧辊时刚好出现线接触，并将脉冲电源的正极与负极分别与夹具的上下两侧连接，开启轧辊，将两金属板材同时送入轧辊后停止轧辊，形成闭合通路；

2.根据权利要求1所述的一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述复合板制坯步骤中表面处理采用角磨机对两金属板材进行打磨。

3.根据权利要求1所述的一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述复合板制坯步骤中将两金属板材同时送入轧辊并轧过1 cm长度，使两金属板材形成完全接触后立即停止轧辊。

4.根据权利要求1所述的一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述复合板坯加热步骤中加热温度为两金属板材料的相变温度以上30～50 ℃。

5.根据权利要求1所述的一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述复合板坯加热步骤中脉冲电流参数为：电流300～500 A，频率20～60 kHz，占空比40～60%。

6.根据权利要求1所述的一种电控微爆炸成型制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述复合板坯轧制步骤中轧制下压量为20 %～60 %，轧制速度为4～10 r/min。