CN116422701A - 一种轻质高强铝-钽复合型金属板材及其轧制成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轻质高强铝‑钽复合型金属板材及其轧制成型方法，属于金属材料加工技术领域。所述轻质高强铝‑钽复合型金属板材包括铝合金板层、纯铝中间层和纯钽板层。包括以下步骤：1)将选定的铝合金板、纯铝板和纯钽板进行退火处理，并将预结合面进行磨抛处理，获得表面平整光洁、无氧化的板材；2)将铝合金板、纯铝板和纯钽板按顺序堆叠，对得到的组合板加热至450℃并保温15‑30min，然后进行一道次大压下轧制成型，即得轻质高强铝‑钽复合型金属板材。本发明在保证轻质高强的前提下，提高了板材的结合强度。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种轻质高强铝-钽复合型金属板材及其轧制成型方法。
背景技术
探测器既需要面临强辐射，例如银河宇宙射线、太阳电磁辐射、太阳宇宙射线和宇宙微波背景辐射等，同时还需要面临减重的需求。因此提供轻质、稳定性、防辐射等要求的高性能金属零部件是至关重要的。
目前主要采用铝和钽叠加的方式作为辐射屏蔽罩的材料，铝对于高能电子的屏蔽性好，而钽对于中子流和质子流屏蔽性好，同时考虑到单层金属随着厚度的增加，屏蔽效果的边际收益会降低，故选择铝-钽复合板材组合的方式。目前，铝-钽复合金属板的生产，主要采用固固复合法、固液复合法和液液复合法。其中，扩散焊接法压力小，不产生宏观塑性变形，结合强度较低，适合焊后不再加工的精密零件。爆炸复合法噪音大、安全隐患大、生产效率低，不利于精确控制。挤压拉拔法连续性较差，仅适用于金属复合管、棒、线材。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种轻质高强铝-钽复合型金属板材及其轧制成型方法，该工艺简单，制备的材料强度高。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种轻质高强铝-钽复合型金属板材，所述轻质高强铝-钽复合型金属板材包括铝合金板层、纯铝中间层和纯钽板层。
进一步地，所述铝合金板层的厚度为2.5-4.5mm；所述纯铝中间层的厚度为0.1-0.5mm；所述纯钽板层的厚度为0.5-2.5mm。
本发明还提供一种所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材的轧制成型方法，包括以下步骤：
1)将选定的铝合金板、纯铝板和纯钽板进行退火处理，并将预结合面进行磨抛处理，获得表面平整光洁、无氧化的板材；
2)将铝合金板、纯铝板和纯钽板按顺序堆叠，对得到的组合板加热至450℃并保温15-30min，然后进行一道次大压下轧制成型，即得轻质高强铝-钽复合型金属板材。
进一步地，步骤1)中，所述退火处理温度为200-300℃，其中，铝合金板退火时间为1-3h，纯铝板退火时间为1-2h，纯钽板退火时间为2-5h。
进一步地，步骤1)中，所述磨抛处理具体是：首先采用角磨机对材料表面进行粗糙化处理，然后进行喷砂，最后再进行表面清洗。
进一步地，步骤2)中，堆叠后得到的组合板用铝制铆杆进行铆固。
进一步地，步骤2)中，加热保温过程中，对加热炉进行抽真空并通入氩气。
进一步地，步骤2)中，所述轧制成型过程中的参数控制为：轧辊的速度范围为50-70r/min，控制轧下量为60-70％。
本发明还提供一种所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材作为探测器材料的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过加纯铝中间层的方式对铝-钽复合板进行单道次轧制，在保证轻质高强的前提下，提高了板材的结合强度，减去了板材的轧制后的退火处理，能够有效防止板材的氧化。
该轻质高强铝-钽复合型金属板材的复合强度大(≥80Mpa)，铝-钽两种复合金属板不易剥离，延伸率好(≥200％)。
本发明具有生产工艺简约、节能环保、产品复合强度大、延展率高等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中轻质高强铝-钽复合型金属板材轧制工艺流程图；
图2为实施例1制备的轻质高强铝-钽复合型金属板材界面扫描电子显微图；
图3为对比例1制备的无纯铝中间层轧制板材界面扫描电子显微图及界面化合物；
图4为实施例1和对比例1制备的板材的结合强度；
图5为实施例1一道次轧制后的样品形态图；
图6为对比例1一道次轧制后的样品形态图；
图7为实施例2一道次轧制后的样品形态图；
图8为实施例2一道次轧制后的复合金属板材界面扫描电子显微图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
一种轻质高强铝-钽复合型金属板材，所述轻质高强铝-钽复合型金属板材包括铝合金板层、纯铝中间层和纯钽板层。
在一些优选实施例中，所述铝合金板层的厚度为2.5-4.5mm，优选为4mm；所述纯铝中间层的厚度为0.1-0.5mm，优选为0.35mm；所述纯钽板层的厚度为0.5-2.5mm，优选为1.7mm。
本发明还提供一种所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材的轧制成型方法，包括以下步骤：
1)将选定的铝合金板、纯铝板和纯钽板进行退火处理，并将预结合面进行磨抛处理，获得表面平整光洁、无氧化的板材；
2)将铝合金板、纯铝板和纯钽板按顺序堆叠，对得到的组合板加热至450℃并保温15-30min，优选30min，然后进行一道次大压下轧制成型，即得轻质高强铝-钽复合型金属板材。
本发明所用的铝合金板为7075铝合金，纯铝板为商用1060铝合金，符合国家标准GB/T 3190-2020中的规定。7075铝合金和1060铝合金成分如表1所示，纯钽的化学成分如表2所示。
表1铝板成分表
表2纯钽成分表
| 元素 | C | H | O | Nb | Fe | W | Mo | Si | T |
| (wt％) | 0.010 | 0.015 | 0.015 | 0.050 | 0.005 | 0.010 | 0.010 | 0.005 | 余量 |
在一些优选实施例中，步骤1)中，为了消除原始铝合金和纯钽材料的残余应力，需在开展复合板材的轧制前进行退火处理，控制所述铝合金板材的退火温度为200-300℃，优选为270℃，保温时间为1-3h，优选为2.5h，保温时间完成后，迅速拿出并空冷至室温；控制纯钽板的退火温度为气氛退火(氩气)，保温时间为2-5h，优选为4h，保温时间完成后，迅速拿出并空冷至室温；控制纯铝板退火保温时间为1-2h，优选1h，保温时间完成后，迅速拿出并空冷至室温。
在一些优选实施例中，步骤1)中，为了增加铝合金和中间层纯铝、纯钽材料的接触面积，需采用角磨机对材料表面进行粗糙化处理。对板材表面进行喷砂处理，获得一定的清洁度，提高了其抗疲劳性。对打磨之后的铝合金、纯铝板和纯钽板进行表面清洗处理，所述清理步骤为用无水乙醇超声波震洗材料表面，去除由于打磨加工等留下的油污；采用棉球蘸无水乙醇均匀擦拭材料表面约2min，擦拭完成后，待表面水渍干燥后迅速将铝合金、纯铝和纯钽材料堆叠。
在一些优选实施例中，步骤2)中，堆叠后得到的组合板用铝制铆杆进行铆固。
在一些优选实施例中，步骤2)中，加热保温过程中，对加热炉进行抽真空并通入氩气。
在一些优选实施例中，步骤2)中，所述轧制成型过程中的参数控制为：轧辊的速度范围为50-70r/min，优选为60r/min，控制轧下量为60-70％，优选为70％。
作为进一步优选方案，还可以增加轻质高强铝-钽复合型金属板材的原料层数，具体为：
一种所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材的轧制成型方法，包括以下步骤：
1)将选定的铝合金板、纯铝板和纯钽板进行退火处理，并将预结合面进行磨抛处理，获得表面平整光洁、无氧化的板材；
2)将铝合金板、纯铝板、纯钽板、纯铝板和铝合金板按顺序堆叠，对得到的组合板加热至450℃并保温15-30min，优选30min，然后进行一道次大压下轧制成型，即得轻质高强铝-钽复合型金属板材。
本发明还提供一种所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材作为探测器材料的应用。
实施例1
一种所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材的轧制成型方法，步骤如下：
1)准备7075铝合金，1060铝合金以及纯钽板，其中7075铝合金和纯铝中间层的化学成分应符合国家标准GB/T3190-2020中的规定，纯钽的化学成分如表2所示，且各材料的尺寸如下表3所示；
表3铝/铝/钽板材尺寸(mm)
| 材料 | 长 | 宽 | 厚 |
| 7075Al | 210(±1) | 80(±1) | 4(±0.1) |
| 1060Al | 210(±1) | 80(±1) | 0.2(±0.05) |
| 钽板 | 210(±1) | 80(±1) | 1.7(±0.1) |
将选定的铝合金板、纯铝板和纯钽板进行退火处理，控制铝合金板材的退火温度为270℃，保温时间为2.5h，保温完成后，迅速拿出并空冷至室温；控制纯钽板的退火温度270℃为气氛退火，保温时间为4h，保温完成后，迅速拿出并空冷至室温；控制纯铝板退火保温时间为1h，保温完成后，迅速拿出并空冷至室温。
2)将退火后的7075铝合金、1060铝板和纯钽板材表面用角磨机进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，打磨约1min；随后，用无水乙醇擦拭打磨过的材料表面，去除由于打磨加工等留下的油污，采用棉球蘸无水乙醇均匀擦拭材料表面约2min，擦拭完成，获得表面平整光洁、无氧化的板材；
3)如图1所示的处理流程，将上述处理后的板材样品，按照从下到上为7075铝合金-1060铝合金-纯钽板进行顺序堆叠，并使用铆钉进行锚固，得到组合板；
4)将得到的组合板放入加热炉中，在450℃真空下(氩气气氛)保温30min，然后进行一道次大压下轧制成型，轧辊速度60r/min，轧制压下量65％，即得轻质高强铝-钽复合型金属板材。
对比例1
同实施例1，区别在于，不添加纯铝板作为中间层。
图2为实施例1制备的轻质高强铝-钽复合型金属板材界面扫描电子显微图，从图中可以看出，添加纯铝中间层的情况下，纯铝中间层不会与钽层和7075铝合金形成界面化合物，保证了板材的结合性能。
图3为对比例1制备的无纯铝中间层轧制板材界面扫描电子显微图及界面化合物，从图中可以看出，不添加纯铝中间层的情况下，7075铝合金中的其他元素会与钽层形成界面化合物，极大的影响板材性能。
图4为实施例1和对比例1制备的板材的结合强度，从图中可以看出，含纯铝中间层的板材极限剪切应力(90.39Mpa)优于不含纯铝中间层的板材极限剪切应力(41.05Mpa)。
图5为实施例1一道次轧制后的形态图，图6为对比例1一道次轧制后的形态图。经过对比可以发现，实施例1含有纯铝中间层的板材成品与对比例1相比相对平整。并且测得实施例1制备的板材约为440mm(参见图5)。
对比例2
同实施例1，区别在于，1060铝合金的厚度为1mm。
结果发现，制备得到的板材极限剪切应力70.42Mpa。
对比例3
同实施例1，区别在于，不进行步骤1)中的退火处理，直接磨抛处理。
结果发现，制备得到的板材极限剪切应力60.15Mpa。
对比例4
同实施例1，区别在于，步骤4)中的组合板在500℃真空下(氩气气氛)保温20min。
结果发现，制备得到的板材极限剪切应力79.07Mpa。
实施例2
同实施例1，区别在于，步骤3)中，按照从下到上为7075铝合金-1060铝合金-纯钽板-1060铝合金-7075铝合金进行顺序堆叠，并使用铆钉进行锚固，得到组合板。
本实施例制备的板材极限剪切应力121.45Mpa，与实施例1和对比例1相比可以看出，含有纯铝中间层的板材拉剪试样剪切强度更高，结合强度更好。而以7075铝合金-1060铝合金-纯钽板-1060铝合金-7075铝合金结构的轧制板材，其结合强度更高。
图7为本实施例一道次轧制后的复合金属板材的形态图，可以看出版形良好且较为平直。
图8为本实施例一道次轧制后的复合金属板材界面扫描电子显微图，可以看出，经过多层复合后得到的板材界面结合性好，保证了板材的结合性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种轻质高强铝-钽复合型金属板材，其特征在于，所述轻质高强铝-钽复合型金属板材包括铝合金板层、纯铝中间层和纯钽板层。
2.根据权利要求1所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材，其特征在于，所述铝合金板层的厚度为2.5-4.5mm；所述纯铝中间层的厚度为0.1-0.5mm；所述纯钽板层的厚度为0.5-2.5mm。
3.一种如权利要求1或2所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材的轧制成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将选定的铝合金板、纯铝板和纯钽板进行退火处理，并将预结合面进行磨抛处理，获得表面平整光洁、无氧化的板材；
2)将铝合金板、纯铝板和纯钽板按顺序堆叠，对得到的组合板加热至450℃并保温15-30min，然后进行一道次大压下轧制成型，即得轻质高强铝-钽复合型金属板材。
4.根据权利要求3所述的轧制成型方法，其特征在于，步骤1)中，所述退火处理温度为200-300℃，其中，铝合金板退火时间为1-3h，纯铝板退火时间为1-2h，纯钽板退火时间为2-5h。
5.根据权利要求3所述的轧制成型方法，其特征在于，步骤1)中，所述磨抛处理具体是：首先采用角磨机对材料表面进行粗糙化处理，然后进行喷砂，最后再进行表面清洗。
6.根据权利要求3所述的轧制成型方法，其特征在于，步骤2)中，堆叠后得到的组合板用铝制铆杆进行铆固。
7.根据权利要求3所述的轧制成型方法，其特征在于，步骤2)中，加热保温过程中，对加热炉进行抽真空并通入氩气。
8.根据权利要求3所述的轧制成型方法，其特征在于，步骤2)中，所述轧制成型过程中的参数控制为：轧辊的速度范围为50-70r/min，控制轧下量为60-70％。
9.一种如权利要求1或2所述的轻质高强铝-钽复合型金属板材作为探测器材料的应用。
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