CN117772780A - 一种钛铝双金属复合型材制备工艺及型材 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属复合材料制备技术领域，公开了一种钛铝双金属复合型材制备工艺及型材，本发明通过对钛合金进行非连续的退火处理、剥皮处理、冷拉处理，有效去除表面富氧化层，减少表面残余应力，同时，对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，且对该连续拉拔后的铝合金扁材不进行固溶处理，获得低硬度的铝合金，利于后续的表面处理及矫直处理，以及轧制复合时的塑性变形；最后经异步异温轧制复合后的连续热处理等后续步骤，提高了复合型材中铝合金的硬度及界面结合强度，采用本发明创新工艺制备的钛铝复合型材界面结合力更均匀。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材料制备技术领域，尤其涉及一种钛铝双金属复合型材制备工艺及型材。
背景技术
层状金属复合材料制备技术主要包括板材制备技术和型材制备技术两种，现有的金属复合板材制备技术较为成熟，但是存在明显的技术缺陷，比如板材复合不能连续生产；设备重、大，成本高；产品复合强度均匀性差、厚度均匀性差，成材率低等，因而，逐渐有材料开发人员提出了更为精细的金属复合型材制备技术，但该项技术尚不成熟，传统的金属复合板材的制备工艺及设备也无法直接应用于复合型材的制备工艺当中，这使得本领域技术人员无法将基于板材的制备工艺及经验转移到复合型材制备中，因而，需要探索全新的制备型材的工艺。
层状金属复合材料制备工艺主要有固-固相复合法、液-固相复合法、液-液相复合法。 其中，固-固相复合法包括轧制复合法、焊接复合法等。轧制复合法的成本低、产量高、尺寸精度高，工艺及装备较为成熟，钛铝层状复合材料是一种具有代表性的金属层状复合材料，它结合了铝材料的质量轻、成本低和钛材料高强度、耐腐蚀的特点，具有优良的综合性能，在诸如电子产品中用作结构件能够起到良好的支撑、保护作用，同时具有良好的散热效果。
现有的型材轧制复合技术，由于还处于技术研究的初期阶段，仍然存在诸多技术缺陷，比如：（1）制备出的钛铝复合材料，界面结合力低且不均匀；（2）轧制温度与速度、形变量参数不佳，导致不同金属型材的结合差；（3）扩散热处理，温度与时间选择不佳，导致复合界面生成高硬、脆且连续状的金属间化合物；（4）现有的复合前钛合金胚材制备工艺，形成的富氧化层（表面氧化层、富氧α层）厚度过大，且对富氧化层清除不干净，进而影响后续复合环节的复合效果，无法实现复合界面的强结合；（5）现有的复合前后铝合金热处理工艺导致复合后的型材无法同时满足铝合金硬度的提高以及复合界面强度的提升。
例如，专利申请（公开号CN116037693A）公开的钛合金铝合金复合条带制备方法，虽然在一定程度上缓解了钛合金条/带制备的过程中易出现开裂、变形不均匀等问题，但是制备出钛铝双金属复合型材仍然存在界面结合力低且不均匀，界面结合调控技术差，钛铝复合材料由于塑性变形不一致，导致轧制出口绕辊、绕曲现象，不利于企业高质量生产。
因此，开发一种更优化的钛铝复合型材制备技术，这是摆在本领域技术人员面前亟需解决的实际问题。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的诸多实际问题，本发明旨在提供一种钛铝双金属复合型材制备工艺及型材，以克服现有技术存在的：制备出的钛铝复合型材界面结合力低且不均匀，钛合金富氧化层过厚后导致后续复合处理阶段无法实现界面强结合，钛铝复合材料由于塑性变形不一致，导致轧制出口绕辊，绕曲现象，不利于生产的技术问题。
本发明提供一种钛铝双金属复合型材的制备工艺，包括如下步骤：
S1：复合前钛合金处理
对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮及冷拉处理，制备得到后续复合步骤使用的钛合金扁材，其中所述退火、剥皮及冷拉处理包括至少两次非连续的退火处理、至少两次非连续的剥皮及至少两次非连续的冷拉处理；
步骤S1中对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮、冷拉处理，其中所述至少两次非连续的退火处理、至少两次非连续的剥皮及至少两次非连续的冷拉处理，具体包括进行两次非连续的退火处理、两次非连续的剥皮处理、和两次非连续的冷拉处理。具体处理步骤为：
S11：对钛合金进行连续热轧，形成扁材；
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理；
S13：对进行第一次退火处理后的钛合金扁材进行第一次剥皮处理，通过第一次剥皮，以部分移除热轧加工造成的表面氧化层、富氧α层及坑点、刮擦伤痕；
S14：对进行第一次剥皮处理后的钛合金扁材进行第一次冷拉处理，通过第一次冷拉处理，对第一次剥皮后的扁材进行尺寸调整，以降低后续第二次剥皮处理的移除量和材料损耗率；
S15：对进行第一次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次剥皮处理，通过第二次剥皮处理，可以完全移除扁材平面及角部的富氧α层；
S16：对进行第二次剥皮处理后的钛合金扁材进行第二次冷拉处理，通过第二次冷拉，将扁材调整至复合所需钛合金扁材尺寸，同时消除因剥皮导致的模具磨损引起的扁材头尾尺寸偏差；
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理；其中第二次退火处理选择在结晶温度以上进行气氛保护下进行退火处理，以消除因剥皮、冷拉造成的加工应力，改善钛合金扁材微观组织，使其等轴化，改善机械力学性能。
S2：复合前铝合金处理
S21： 复合前，对铝合金进行连续轧制；
S22：对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，对连续拉拔后的铝合金扁材不再进行固溶处理。
本方案选择不进行固溶处理，是因为现有技术中铝合金拉拔后均进行固溶处理，这样会导致铝合金硬度变高，进而引起后续进行表面处理时不利于表面处理及矫直，因而本发明方案创造性的选择不进行后续固溶处理，这样获得的此阶段的铝合金硬度比固溶热处理后硬度低，利于进行后续的表面处理及矫直处理，利于在轧制复合时的塑性流动及变形。
S3：毛化与清洗处理
对步骤S1和步骤S2处理得到的钛合金、铝合金的待复合表面分别进行毛化处理及清洗处理，这样在前序处理工艺基础上经过毛化处理，可以技术上做好将富氧化层彻底清除，进而利于后续的复合处理中的复合强度的提升，使得两种金属界面处异种金属原子的间距可以达到原子尺度。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，对加热后的钛合金及铝合金铆接件进行异步和异温轧制，本方案采用管式炉进行加热，加热均匀性高，对钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，更利于实现两种不同金属扁材的强复合。
S5：后处理
将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理，切割、矫直处理。
具体的，对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理、多点恒速矫直处理，具体包括以下子步骤：
S51：连续热处理
将钛铝合金复合扁材置于加热炉内，调节加热炉的热处理温度至500-800℃的高温环境下，控制热处理时间在5-8min，继续调节加热炉的热处理温度至800-900℃的高温环境下，控制热处理时间在3-6min；
S52：矫直处理
将热处理后的钛铝合金置于矫直机内进行矫正，得到钛铝合金型材；
S53：时效热处理
对矫直定型处理后的钛铝合金型材进行时效热处理，保温温度控制在160-178℃之间，保温时间控制在4.0-5.0h；
S54：多点恒速矫直处理
对进行时效热处理后的钛铝合金型材进行进一步多点恒速矫直处理，以消除部分残余应力，通过界面扩散形成更牢固的冶金结合、控制界面脆性相的生成，提高界面剪切强度，同时采用此顺序处理铝合金，可以在此阶段有效提升铝合金强度，且同时不影响复合强度。
进一步地，对加工得到卷状或条状的钛铝双金属复合型材，对其进行界面应力、复合界面剪切强度的性能检测。
优选地，步骤S11对钛合金进行连续热轧，轧制次数3-6次，优选6次，具体数量根据实际轧制量微调，以避免轧制过程出现过轧导致开裂变形、组织不均匀、性能降低或失效，降低钛合金的残余应力。
优选地，双金属材料的钛合金和铝合金分别为TC4钛合金和6013铝合金。
所述步骤S11中对钛合金进行连续热轧，
包括至少2-6次连续热轧，
其中至少一次的热轧进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为850～980℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4～6min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度3～5m/min；
在至少一次的后续热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，设定不同的轧制变形量，加热温度为820～880℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为3～5min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为5～8m/min。
本发明通过控制工艺参数控制钛合金和铝合金的复合效果。
进一步优选的技术方案还有，所述S4复合步骤中，加热炉温度为380℃～500℃。
本发明还提供一种钛铝双金属复合型材，其采用本发明提供的钛铝双金属复合型材的制备工艺进行制备，所述复合型材包括铝合金层和钛合金层，其中的铝合金层和钛合金层依据应用需求进行材质选择、组合(两层或多层设计)设计，达到近净成形设计目的。
进一步地，所述双金属的材料优选为6013铝合金和TC4钛合金。
进一步地，所述钛铝双金属复合型材中铝合金层与钛合金层的厚度比为1：（0.2~0.4），以实现结构与功能一体化。
进一步地，所述钛铝双金属复合型材界面平整度为±0.1mm。
进一步的，所述钛铝双金属复合型材界面平整度优选为±0.02mm。
进一步地，所述钛合金的表面富氧层厚度≤10μm，优选地为0μm~8μm。
进一步地，所述复合双金属型材的钛合金截面硬度200~360HV，铝合金截面硬度≥120HV，Z向抗拉强度Rm≥1000MPa，伸长率A≥21%，复合界面剪切强度≥200Mpa。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
（1）通过对钛合金按照第一次退火处理、第一次剥皮处理、第一次冷拉处理、第二次剥皮处理、第二次冷拉处理、第二次退火处理的顺序进行复合前处理，能够有效降低复合层界面分界线波动，减少钛合金的残余应力，通过第一道次剥皮部分移除热轧加工造成的表面氧化层、富氧α层及坑点、刮擦伤痕；通过第一次冷拉处理对第一次剥皮后的扁材料卷进行尺寸调整以降低第二次剥皮处理的移除量和材料损耗率；通过第二次剥皮完全移除扁材平面及角部的富氧α层；通过第二次冷拉将扁材调整至复合所需钛合金扁材尺寸，同时消除因剥皮模具磨损造成的大卷扁材头尾尺寸偏差；通过第二次在再结晶温度以上进行气氛保护退火处理消除因剥皮、冷拉造成的加工应力，改善钛合金扁材微观组织，使其等轴化，改善机械力学性能；在实际的作业过程中，可根据具体工艺尺寸要求做适当微调，对工艺增加或删减。该方案在简化制程流程基础上，仍能保持相对宽松可控的制程能力，平衡材料性能、成材良率和生产效率，严格执行碳中和及循环回收理念，实现可持续发展。且非连续的处理方式，更利于富氧化层的去除，最大限度的减少富氧化层的厚度，利于后续的复合步骤的强复合，产品性能更佳。
（2）对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，对连续拉拔后的铝合金扁材不再进行固溶处理，目的是因为现有技术铝合金拉拔后均进行固溶处理，这样会导致铝合金硬度变高，进而引起后续进行表面处理时不利于表面处理及矫直，因而本发明方案创造性的选择不进行后续固溶处理，这样获得的铝合金硬度比固溶热处理后硬度低，利于进行后续的表面处理及矫直处理，利于在轧制复合时的塑性流动及变形。
（3）进一步地，对复合后处理步骤中，又创造性的按照顺序进行固溶连续热处理、矫直定型及时效热处理，通过连续热处理及时效热处理，这又能够进一步提升复合后型材铝合金的硬度，并能够同时提升复合界面结合强度，克服现有技术采用的处理方式无法同时做到在提升铝合金硬度的同时做到复合界面的强结合性的缺陷，本发明制备出的复合型材的铝合金部分具备足够刚性，能够在铝合金型材上进行打孔，又确保了复合型材的结合强度，两者兼得。
本发明提供的技术方案，通过各工艺步骤的紧密衔接，能极大地改善和优化复合型材成品的性能，制备出的钛铝复合型材界面结合力更均匀，复合层界面分界线波动明显降低，复合界面结合力强，且由于复合前钛合金胚材的独特制备工艺使得后续复合阶段不易出现轧制出口绕辊，绕曲现象，更利于生产，提高了成品率及产品性能。
附图说明
图1是本发明实施例1对钛合金进行复合前处理后，利用显微镜观测钛合金富氧化层厚度图。
图2是本发明对比例1对钛合金进行复合前处理后，利用显微镜观测钛合金富氧化层厚度图。
具体实施方式
下面将从本发明的技术方案结合不同的具体实施例，对本发明的各具体实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可通过普通商业途径获得。
本发明所涉及的一种钛铝双金属复合型材的制备工艺，包括如下步骤：
S1：复合前钛合金处理
对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮及冷拉处理，制备得到后续复合步骤使用的钛合金扁材，其中所述退火、剥皮及冷拉处理包括至少两次非连续的退火处理、至少两次非连续的剥皮及至少两次非连续的冷拉处理；
S2：复合前铝合金处理
S21： 复合前，对铝合金进行连续轧制；
S22：对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理；
S3：毛化与清洗处理
对步骤S1和步骤S2处理得到的钛合金、铝合金的待复合表面分别进行毛化处理及清洗处理；
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后进行加热，对加热后的钛合金及铝合金铆接件进行轧制；
S5：后处理
将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理和矫直处理。
优选地，步骤S1中对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮、冷拉处理，其中所述至少两次非连续的退火处理、至少两次非连续的剥皮及至少两次非连续的冷拉处理包括进行两次的退火处理、两次的剥皮处理、和两次的冷拉处理，具体处理步骤如下：
S1：复合前钛合金处理：
S11：对钛合金进行连续热轧，形成扁材；
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理；
S13：对进行第一次退火处理后的钛合金扁材进行第一次剥皮处理，通过第一次剥皮，以部分移除热轧加工造成的表面氧化层、富氧α层及坑点、刮擦伤痕；其中第一次剥皮处理采用酸洗方式进行剥皮处理；
S14：对进行第一次剥皮处理后的钛合金扁材进行第一次冷拉处理，通过第一次冷拉处理，对第一次剥皮后的扁材进行尺寸调整，以降低后续第二次剥皮处理的移除量和材料损耗率；
S15：对进行第一次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次剥皮处理，通过第二次剥皮处理，以完全移除扁材平面及角部的富氧α层，实际检测此步骤后富氧化层的厚度接近0μm；
S16：对进行第二次剥皮处理后的钛合金扁材进行第二次冷拉处理，通过第二次冷拉，将扁材调整至复合所需钛合金扁材尺寸，同时消除因剥皮导致的模具磨损引起的扁材头尾尺寸偏差，通过非连续的两次剥皮处理，可以更为有效的去除因连续热轧表面氧化层、富氧α层，使得在第二次剥皮处理后氧化层厚度达到0-8μm的厚度，实际检测结果接近0μm；
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理；其中第二次退火处理选择在结晶温度以上进行气氛保护下进行退火处理，以消除因剥皮、冷拉造成的加工应力，改善钛合金扁材微观组织，使其等轴化，改善机械力学性能。
S2：复合前铝合金处理
S21 ：复合前，对铝合金进行连续轧制；
S22 ：对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，对连续拉拔后的铝合金扁材不再进行固溶处理；本方案选择不进行固溶处理的目的，是因为现有技术铝合金拉拔后均进行固溶处理，这样会导致铝合金硬度变高，进而引起后续进行表面处理时不利于表面处理及矫直，因而本发明方案创造性的选择不进行后续固溶处理，这样获得的铝合金硬度比固溶热处理后硬度低，利于进行后续的表面处理及矫直处理，利于在轧制复合时的塑性流动及变形。
S3：毛化与清洗处理
对步骤S1和步骤S2处理得到的钛合金、铝合金的待复合表面分别进行毛化处理及清洗处理，通过此处的毛化处理，是为了确保前述步骤S1：复合前钛合金处理中对表面氧化层的彻底清楚，做到彻底清除表面氧化层、富氧α层，使得两种金属界面处异种金属原子的间距可以达到原子尺度。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，采用管式炉进行加热，加热均匀性高，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，是针对钛合金和铝合金的各自特性选择的轧制方式，更利于实现复合界面强结合，至于异步和异温轧制工艺本身，属于行业的成熟技术，在此不再赘述。
S5：后处理
将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理，切割、矫直处理。
具体的，对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理、多点恒速矫直处理，具体包括以下子步骤：
S51：连续热处理
将钛铝合金复合扁材置于加热炉内，调节加热炉的热处理温度至500-800℃的高温环境下，控制热处理时间在5-8min，继续调节加热炉的热处理温度至800-900℃的高温环境下， 控制热处理时间在3-6min；
S52：矫直处理
将热处理后的钛铝合金置于矫直机内进行矫正， 得到钛铝合金型材；
S53：时效热处理
对矫直定型处理后的钛铝合金型材进行时效热处理，保温温度控制在160-178℃之间，保温时间控制在4.0-5.0h；
S54：多点恒速矫直处理
对进行时效热处理后的钛铝合金型材进行进一步多点恒速矫直处理，以消除部分残余应力，通过界面扩散形成更牢固的冶金结合、控制界面脆性相的生成，提高界面剪切强度。具体进行连续固溶热处理、矫直定型及时效热处理，进一步提升复合后型材铝合金的硬度，并能够同时不影响复合界面结合强度，克服现有技术存在的采用的复合后处理工艺不同而导致在此阶段无法做到提高铝合金硬度的同时不影响复合界面的强结合性的缺陷，很好的做到了铝合金硬度提升以及复合界面结合强度提升的双提升。
进一步地，对加工得到卷状或条状的钛铝双金属复合型材，对其进行界面应力、复合界面剪切强度的性能检测。
优选地，步骤S11对钛合金进行连续热轧，轧制次数3-6次，优选6次，具体数量根据实际轧制量微调，以避免轧制过程出现过轧导致开裂变形、组织不均匀、性能降低或失效，降低钛合金的残余应力。
优选地，双金属材料的钛合金和铝合金分别为TC4钛合金和6013铝合金。
优选地，所述步骤S11中对钛合金进行连续热轧，包括至少2-4次连续热轧，
前期至少一次进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为850～980℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4～6min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度5～8m/min；
在后续至少一次热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，设定不同的轧制变形量，加热温度为820～880℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为2～5min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为5～8m/min。
本发明通过控制工艺参数控制钛合金和铝合金的复合效果。
进一步优选的技术方案还有，所述复合步骤中，加热炉温度为380℃～500℃。
本发明还提供一种钛铝双金属复合型材，其采用本发明提供的钛铝双金属复合型材的制备工艺进行制备，所述复合型材包括铝合金层和钛合金层，优选地，所述复合型材包括铝合金层和钛合金层，且型材具有型腔，所述复合型材具有的宽厚比<5:1，其中的铝合金层和钛合金层依据应用需求进行材质选择、组合(两层或多层设计)设计，达到近净成形设计目的。
优选地实施例，所述双金属材料优选为6013铝合金和TC4钛合金。
优选地实施例，所述钛铝双金属复合型材中铝合金层与钛合金层的厚度比为1：（0.2~0.4），以实现结构与功能一体化。
优选地实施例，所述钛铝双金属复合型材界面平整度为±0.1mm；
优选地实施例，所述钛铝双金属复合型材界面平整度优选为±0.02mm。
所述钛合金的表面富氧层厚度≤20μm，优选0-8μm，最优为0μm，即不再具有表面富氧层（即表面氧化层及富氧α层）。
优选地实施例，所述复合双金属型材的钛合金截面硬度200~360HV，具体TC4钛合金的钛合金截面硬度270~360HV；铝合金截面硬度≥120HV，Z向抗拉强度Rm≥1000MPa，伸长率A≥21%，复合界面剪切强度≥200Mpa，优选250.15 MPa。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施例不限于此，除特别说明，本发明采用的设备、方法为本领域常规方法及设备。
钛铝双金属复合型材的制备工艺如下：
实施例1：本实施例提供一种钛铝双金属复合型材的制备工艺，包括如下步骤：
S1：复合前钛合金处理，钛合金选择TC4钛合金；
S11：对钛合金进行连续三次热轧，形成扁材；
其中前两次进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为850℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度5m/min；
第三次热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，加热温度为820℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为2min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为5m/min。
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理，退火温度为600℃，第一次退火时长为5min。
S13：对进行第一次退火处理后的钛合金扁材进行第一次剥皮处理，通过第一次剥皮，以部分移除热轧加工造成的表面氧化层、富氧α层及坑点、刮擦伤痕；其中第一次剥皮处理采用酸洗方式进行剥皮处理，第一次剥皮处理后，检测结果显示富氧化层厚度DY为20.0123μm。
S14：对进行第一次剥皮处理后的钛合金扁材进行第一次冷拉处理。
S15：对进行第一次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次剥皮处理，通过第二次剥皮处理，以完全移除扁材平面及角部的富氧α层，实际检测此步骤后富氧化层的厚度DY接近0μm，具体检测结果显示为1.01μm。
S16：对进行第二次剥皮处理后的钛合金扁材进行第二次冷拉处理。
通过非连续的两次剥皮处理，可以更为有效的去除因连续热轧表面的富氧化层（氧化层及富氧α层），使得在第二次剥皮处理后富氧化层厚度DY接近0μm。
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理，第二次退火温度为450℃，第二次退火时长为6min；
其中第二次退火处理选择在结晶温度以上进行气氛保护下进行退火处理，以消除因剥皮、冷拉造成的加工应力，改善钛合金扁材微观组织，使其等轴化，改善机械力学性能。
S2：复合前铝合金处理，铝合金选择6013铝合金：
S21 ：复合前，对铝合金进行连续轧制；
S22 ：对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，对连续拉拔后的铝合金扁材不再进行固溶处理。
S3：毛化与清洗处理
对步骤S1和步骤S2处理得到的钛合金、铝合金的待复合表面分别进行毛化处理及清洗处理，此时检测钛合金富氧层厚度，结果显示钛合金富氧层厚度DY为0μm，具体见说明书附图图1。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，加热温度380℃，加热时长5分钟，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，接着采用管式炉进行加热，加热温度400℃，加热时长7分钟。
S5：后处理
将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理，切割、矫直处理。
具体的，对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理、多点恒速矫直处理，具体包括以下子步骤：
S51：连续热处理
将钛铝合金复合扁材置于加热炉内，调节加热炉的热处理温度至600℃的高温环境下，控制热处理时间在8min，继续调节加热炉的热处理温度至900℃的高温环境下，控制热处理时间在6min；
S52：矫直处理
将热处理后的钛铝合金置于矫直机内进行矫正，得到钛铝合金型材；
S53：时效热处理
对矫直定型处理后的钛铝合金型材进行时效热处理，保温温度控制在168℃之间，保温时间控制在5.0h；
S54：多点恒速矫直处理。
对进行时效热处理后的钛铝合金型材进行进一步多点恒速矫直处理以消除部分残余应力，通过界面扩散形成更牢固的冶金结合、控制界面脆性相的生成，提高界面剪切强度。
进一步地，对加工得到卷状或条状的钛铝双金属复合型材，对其进行界面应力、复合界面剪切强度的性能检测，经检测，复合界面剪切强度为253.17Mpa。
实施例2：本实施例2与实施例1的不同之处在于：
S11：对钛合金进行连续4次热轧，形成扁材；
其中前两次进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为900℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4.5min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度6m/min；
后两次热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，设定不同的轧制变形量，加热温度为880℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为3min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为6m/min。
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理，退火温度为620℃，第一次退火时长为6min。
第一次剥皮处理后，检测富氧化层厚度，检测结果显示富氧化层厚度DY为21.25μm。
通过第二次剥皮处理，检测此步骤富氧化层的厚度DY为1.15μm。
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理，第二次退火温度为480℃，第二次退火时长为7min。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，加热温度420℃，加热时长6分钟，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，采用管式炉进行加热，加热温度430℃，加热时长7分钟。
S5：后处理
对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理、多点恒速矫直处理，连续热处理时长8min，时效热处理时长4h，提高界面剪切强度。
经检测，复合界面剪切强度为247.51Mpa。
实施例3：本实施例3与实施例1的不同之处在于：
S11：对钛合金进行连续5次热轧，形成扁材；
其中前两次进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为920℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为5min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度8m/min；
后三次热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，设定不同的轧制变形量，加热温度为920℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为6m/min。
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理，退火温度为660℃，第一次退火时长为7min；
第一次剥皮处理后，检测富氧化层厚度，检测结果显示厚度DY为22.75μm。
通过第二次剥皮处理，检测此步骤富氧化层的厚度DY为2.08μm。
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理，第二次退火温度为500℃，第二次退火时长为8min。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，加热温度460℃，加热时长7分钟，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，采用管式炉进行加热，加热温度450℃，加热时长8分钟。
S5：后处理
对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理、多点恒速矫直处理，连续热处理时长8min，时效热处理时长5h，提高界面剪切强度。
经检测，复合界面剪切强度为235.5Mpa。
实施例4：本实施例4与实施例1的不同之处在于：
S11：对钛合金进行连续6次热轧，形成扁材；
其中前两次进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为980℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为5min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度8m/min；
后四次热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，设定不同的轧制变形量，加热温度为980℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为5min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为8m/min。
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理，退火温度为700℃，第一次退火时长为8min；
第一次剥皮处理后，检测富氧化层厚度，检测结果显示富氧化层厚度DY为23.05μm。
通过第二次剥皮处理，检测此步骤富氧化层的厚度为2.75μm；
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理，第二次退火温度为520℃，第二次退火时长为9min。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，加热温500℃，加热时长8分钟，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，采用管式炉进行加热，加热温度450℃，加热时长8分钟。
S5：后处理
对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理、多点恒速矫直处理，连续热处理时长8min，时效热处理时长4.5h，提高界面剪切强度。
经检测，复合界面剪切强度为228.01Mpa。
实施例1-实施例4的制备工艺各项参数选择及重要参数检测值具体参见表1：
表1：实施例1-实施例4工艺参数选择及数据检测结果对照表
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 复合前钛合金热轧次数及热轧形式 | 3次，前两次热轧，加热温度为850℃，在炉时间为4min，轧制速度5m/min；第三次热轧，加热温度为820℃，在炉时间为2min，轧制速度为5m/min | 4次，前两次加热温度为900℃，在炉时间为4.5min，轧制速度6m/min；后两次加热温度为880℃，在炉时间为3min，轧制速度为6m/min。 | 5次，其中前两次加热温度为920℃，在炉时间为5min，轧制速度8m/min；后三次热轧加热温度为920℃，在炉时间为4min，轧制速度为6m/min。 | 6次，其中前两次加热温度为980℃，在炉时间为5min，轧制速度8m/min；后四次热轧步骤中，加热温度为980℃，在炉时间为5min，轧制速度为8m/min。 |
| 第一次退火温度及时长 | 600℃，5min | 620℃，6min | 660℃，7min | 700℃，8min |
| 第二次退火温度及时长 | 450℃，6min | 480℃，7min | 500℃，8min | 520℃，9min |
| 第一次剥皮后检测富氧化层厚度DY | 20.01μm | 21.25μm | 22.75μm | 23.05μm |
| 第二次剥皮后检测富氧化层厚度DY | 1.01μm | 1.15μm | 2.08μm | 2.75μm |
| 步骤S3毛化与清洗处理后，检测富氧化层厚度DY | 0μm | 0μm | 0μm | 0μm |
| S4轧制复合实施参数 | 铆接加热温度380℃，加热时长5min；异步和异温轧制，加热温度400℃，加热时长7min | 铆接加热温度420℃，加热时长6min；异步和异温轧制，加热温度430℃，加热时长7min | 铆接加热温度460℃，加热时长7min；异步和异温轧制，加热温度450℃，加热时长8min | 铆接加热温度500℃，加热时长8min；异步和异温轧制，加热温度450℃，加热时长8min |
| 步骤S22对铝合金不进行固溶处理时检测铝合金截面硬度 | 100.11HV | 99.25HV | 105.13HV | 102.41HV |
| S4复合后检测复合界面剪切强度值 | 250.15Mpa | 245.81Mpa | 230.58Mpa | 210.01Mpa |
| S5步骤后处理结束后复合界面剪切强度值 | 253.17Mpa | 247.51Mpa | 235.50Mpa | 228.01Mpa |
| S5步骤后处理结束后检测铝合金截面硬度 | 120.16HV | 130.16HV | 128.37HV | 140.28HV |
对比例1:本对比例提供一种钛铝双金属复合型材的制备工艺，其采用传统的连续剥皮、拉拔工艺进行钛合金的复合前处理，对复合前的铝合金扁材拉拔后进行固溶处理，复合后处理直接进行连续固溶热处理，具体采用步骤：
S1：复合前钛合金处理：
钛合金选用TC4钛合金，具体处理步骤如下：
S11：对钛合金进行连续三次热轧，形成扁材；
其中前两次进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为850℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度5m/min；
第三次热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，加热温度为820℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为2min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为5m/min。
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行进行第一次退火处理，第一次退火处理的退火温度均为600℃，退火时长均为5分钟；
S13：对进行第一次退火处理后的钛合金扁材进行连续两次的剥皮处理，经过两次连续剥皮处理后，检测富氧化层厚度为17.851μm。
S14：对进行两次剥皮处理后的钛合金扁材进行连续两次的冷拉处理，即进行第一次冷拉处理和第二次冷拉处理。
S15对：进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理，第二次退火温度为450℃，第二次退火时长为4分钟。
其中第二次退火处理选择在结晶温度以上进行气氛保护下进行退火处理，以消除因剥皮、冷拉造成的加工应力，改善钛合金扁材微观组织，使其等轴化，改善机械力学性能。
S2：复合前铝合金处理，铝合金选择6013铝合金：
S21： 复合前，对铝合金进行连续轧制；
S22 ：对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，对连续拉拔后的铝合金扁材进行固溶处理。
S3：毛化与清洗处理
对步骤S1和步骤S2处理得到的钛合金、铝合金的待复合表面分别进行毛化处理及清洗处理，此时检测钛合金富氧层厚度为16.658μm，具体见说明书附图图2。
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后采用管式炉进行加热，加热温度380℃，加热时长5分钟，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制，采用管式炉进行加热，加热温度400℃，加热时长7分钟。
S5：后处理
将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理，切割、矫直处理。
具体的，对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、多点恒速矫直处理。
进一步地，对加工得到卷状或条状的钛铝双金属复合型材，对其进行界面应力、复合界面剪切强度的性能检测，经检测，复合界面剪切强度为180.15 Mpa，S5步骤后处理结束后检测铝合金截面硬度109.18HV。
表2：对比例1工艺参数选择及数据检测结果
| 对比例1 | |
| 复合前钛合金热轧次数及热轧形式 | 3次，前两次热轧，加热温度为850℃，在炉时间为4min，轧制速度5m/min；第三次热轧，加热温度为820℃，在炉时间为2min，轧制速度为5m/min |
| 第一次退化温度及时长 | 退火温度：600℃退火时长：5min |
| 第二次退化温度及时长 | 退火温度：450℃退火时长：4min |
| 两次连续剥皮处理后，检测富氧化层厚度DY | 17.851μm |
| 步骤S3毛化与清洗处理后，检测富氧化层厚度DY | 16.658μm |
| S4轧制复合实施参数 | 铆接加热温度380℃，加热时长5min；异步和异温轧制，加热温度400℃，加热时长7min |
| 步骤S22对铝合金进行固溶处理时检测铝合金截面硬度 | 108.14HV |
| S4复合后检测复合界面剪切强度值 | 176.15Mpa |
| S5步骤后处理结束后复合界面剪切强度值 | 180.15 Mpa |
| S5步骤后处理结束后检测铝合金截面硬度值 | 109.18HV |
对比例2:对比例2与实施例1的不同之处在于：对连续拉拔后的铝合金扁材进行固溶处理，固溶温度为490℃，时间为20min。其余与实施例1相同。
对对比例2获得的钛铝双金属复合型材进行性能检测，其复合界面剪切强度为172.76Mpa，铝合金界面硬度为102.13HV，均低于实施例1的复合界面剪切强度检测值（253.17Mpa）以及铝合金界面硬度检测值（120.16HV）。
对比例3:对比例3与实施例1的不同之处在于：对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型及多点恒速矫直处理，具体的操作流程与实施例1相同。即对比例3不进行时效热处理，其余与实施例1相同。
对对比例3获得的钛铝双金属复合型材进行性能检测，其复合界面剪切强度为169.78Mpa，铝合金界面硬度为99.76HV，均低于实施例1的复合界面剪切强度检测值（253.17Mpa）以及铝合金界面硬度检测值（120.16HV）。
综上所述，从本发明实施例1~4各项检测指标的结果以及对比例1~3各项检测指标的结果来看，可得出，采用本发明实施例1~4工艺制备获得的钛铝合金复合型材，不论在界面复合强度还是最终铝合金硬度，都较对比例1~3的型材制备工艺明显优秀。
实施例5：一种钛铝双金属复合型材，其采用本发明实施例1提供的钛铝双金属复合型材的制备工艺进行制备，复合型材包括6013铝合金层和TC4钛合金层，且型材具有型腔，铝合金层与钛合金层的厚度比为1：0.3，以实现结构与功能一体化。钛铝双金属复合型材界面平整度为±0.02mm，钛合金的表面富氧层厚度为0μm，即不再具有表面富氧层（即表面氧化层及富氧α层）。
实施例5的复合双金属型材的钛合金截面硬度为290.32HV，TC4钛合金的钛合金截面硬度320.85HV；铝合金截面硬度为120.16HV，Z向抗拉强度Rm为1000MPa，伸长率A为25.1%，复合界面剪切强度为253.17Mpa。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种钛铝双金属复合型材的制备工艺，包括如下步骤：
S1：复合前钛合金处理
对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮及冷拉处理，制备得到后续轧制复合步骤使用的钛合金扁材，其中所述退火、剥皮及冷拉处理包括至少两次非连续的退火处理、至少两次非连续的剥皮及至少两次非连续的冷拉处理；
S2：复合前铝合金处理
S21： 复合前，对铝合金进行连续轧制；
S22： 对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理；
S3：毛化与清洗处理
对步骤S1和步骤S2处理得到的钛合金、铝合金的待复合表面分别进行毛化处理及清洗处理；
S4：轧制复合
将清洗干净的钛合金扁材和铝合金扁材进行铆接，然后进行加热，对加热后的钛合金及铝合金铆接件进行轧制；
S5：后处理
将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理和矫直处理。
2.根据权利要求1所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：步骤S1中对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮、冷拉处理，其中所述至少两次非连续的退火处理、至少两次非连续的剥皮及至少两次非连续的冷拉处理具体为进行两次非连续的退火处理、两次非连续的剥皮处理、和两次非连续的冷拉处理。
3.根据权利要求1或2所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：步骤S1中对钛合金进行连续热轧、退火、剥皮、冷拉处理的具体处理步骤为：
S11：对钛合金进行连续热轧，形成扁材；
S12：对连续热轧后钛合金扁材进行第一次退火处理；
S13：对进行第一次退火处理后的钛合金扁材进行第一次剥皮处理；
S14：对进行第一次剥皮处理后的钛合金扁材进行第一次冷拉处理；
S15：对进行第一次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次剥皮处理；
S16：对进行第二次剥皮处理后的钛合金扁材进行第二次冷拉处理；
S17：对进行第二次冷拉处理后的钛合金扁材进行第二次退火处理。
4.根据权利要求1所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：
所述步骤S22中，对轧制好的铝合金扁材进行连续拉拔处理，对连续拉拔后的铝合金扁材不再进行固溶处理。
5.根据权利要求1所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：
所述步骤S4中，对复合金属扁材进行加热，具体采用管式炉进行加热，对加热后的钛合金扁材及铝合金扁材进行异步和异温轧制。
6.根据权利要求1所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：
所述步骤S5中，将步骤S4轧制得到的复合材料进一步进行切割处理和矫直处理，具体包括以下子步骤：
对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理及多点恒速矫直处理。
7.根据权利要求3所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：
步骤S11对钛合金进行连续热轧，轧制次数3-6次。
8.根据权利要求6所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：
步骤S5中对热轧得到的钛铝双金属复合扁材依次进行连续热处理、矫直定型、时效热处理及多点恒速矫直处理；具体包括以下子步骤：
S51：连续热处理
将钛铝合金复合扁材置于加热炉内，调节加热炉的热处理温度至500-800℃的高温环境下，控制热处理时间在5-8min，继续调节加热炉的热处理温度至800-900℃的高温环境下，控制热处理时间在3-6min；
S52：矫直处理
将热处理后的钛铝合金置于矫直机内进行矫正， 得到钛铝合金型材；
S53：时效热处理
对矫直定型处理后的钛铝合金型材进行时效热处理，保温温度控制在160-178℃之间，保温时间控制在4.0-5.0h；
S54：多点恒速矫直处理
对进行时效热处理后的钛铝合金型材进行进一步多点恒速矫直处理。
9.根据权利要求1所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺，其特征在于：
步骤S11对钛合金进行连续热轧，包括至少2-6次连续热轧，
其中至少一次热轧步骤中进行盘圆轧扁线热轧，将钛合金在管式电阻加热炉中进行加热，加热温度为850～980℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为4～6min，然后在平辊轧机上进行轧制，轧制速度5～8m/min；
至少一次后续热轧步骤中，将钛合金线材在管式加热炉中进行加热，设定不同的轧制变形量，加热温度为850～980℃，加热过程采用惰性气体保护，在炉时间为2～5min，然后在轧机上进行轧制，轧制速度为5～8m/min；
所述步骤S4复合步骤中，所述加热温度为380℃～500℃。
10.一种钛铝双金属复合型材，其特征在于，所述钛铝双金属复合型材采用权利要求1-9任一项所述的钛铝双金属复合型材的制备工艺进行制备，
所述复合型材包括铝合金层和钛合金层。
11.根据权利要求10所述的一种钛铝双金属复合型材，其特征在于，所述双金属的材料为6013铝合金和TC4钛合金。
12.根据权利要求10所述的一种钛铝双金属复合型材，其特征在于，所述钛铝双金属复合型材中铝合金层与钛合金层的厚度比为1：（0.2~0.4）。
13.根据权利要求10所述的一种钛铝双金属复合型材，其特征在于，所述钛铝双金属复合型材界面平整度为±0.1mm。
14.根据权利要求10所述的一种钛铝双金属复合型材，其特征在于，所述钛合金的表面富氧层厚度≤10μm。
15.根据权利要求10所述的一种钛铝双金属复合型材，其特征在于，所述钛铝双金属复合型材的钛合金截面硬度200~360HV，铝合金截面硬度≥120HV，Z向抗拉强度Rm≥1000MPa，伸长率A≥21%，复合界面剪切强度≥200Mpa，所述钛合金的表面富氧层厚度≤8μm。
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