專利名稱：Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及復合材料制備技術，具體地說是一種Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法。
背景技術：
作為復合材料的一個重要分支，層狀復合材料占有重要的地位。早在本世紀初期，層狀結構設計就已初具雛形，而后發展更為迅速。研究初期，材料基本通過物理粘結而成，界面與基體材料為非同類元素物質，而基體材料為性能類似的物質，如木制的層合板。后來研究者開始利用爆炸焊接等方法進行了金屬板的結合，達到了不再借助其他物質而達到層狀物層間結合的目的。目前層狀復合材料的制備方法有很多，例如鑄造復合法、爆炸復合法、軋制復合法、擠壓復合法和擴散焊接法；20世紀80年代以來又發展了一些新興的層狀復合材料的制備技術，例如噴射沉積復合技術、高速熱浸鍍技術和反向凝固復合技術等。但比較常用而且研究比較深入的制備方法是金屬材料的擴散結合。鈦合金和鋁合金是應用廣泛的優良材料，它們的應用領域有很大的交叉，因此有必要將Ti和Al連接起來構成復合結構。Ti/Al復合結構已經應用到飛機上，例如飛機機翼就是由鈦合金蒙皮和鋁合金的蜂窩夾層連接而形成的復合結構。由于Ti和Al是一對物理-化學性質和機械性能性差很多的金屬，因此很難用熔焊工藝將Ti和Al連接起來制得Ti/Al復合材料。若采用鑄造復合法制備，容量產生界面污染，金屬間界面相容性不好；采用爆炸復合法制備，具有一定的危險性而且工藝很難控制；采用噴射沉積復合技術則致密度不理想，質地疏松，不能一次性完成復合材料的制備，且成本高。
發明內容
為實現將Ti和Al連接起來構成復合結構，本發明目的在于提供一種采用擴散技術制備的Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，本發明可以一次性完成復合材料的制備，從而降低了生產成本，且產品質量好。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是取Ti箔和Al箔為原材料，先經表面處理，再將Ti箔和Al箔交替疊層放置，然后立即置于模具中進行真空熱壓制得多層層狀復合材料；具體可按如下步驟進行1)原材料的表面清潔處理首先取原材料為Ti箔和Al箔，用有機溶劑擦洗Ti箔和Al箔表面；再將Ti箔和Al箔分別進行酸洗或堿洗；2)將所述Ti箔和Al箔切割成小片，然后交替疊層放置，其中最上端和最下端皆為Ti箔或Al箔，為防止箔片散開可再在外面包裹一層Al箔或Ti箔，制成熱壓試樣，備用；3)真空熱壓將所述熱壓試樣放置在模具中進行真空熱壓，熱壓反應溫度為450～650℃，升溫速度為5℃～10℃/分，壓力為30Mpa～60Mpa，保壓時間為1～4h，保壓結束后卸載壓力，完成后樣品隨爐冷卻即可；所述堿洗是對Al箔使用溫度為30～50℃，濃度為5％～20％的NaOH水溶液堿洗10min～30min后取出，用清水沖洗干凈，再置于20～40％的稀硝酸溶液中進行5min～10min光化處理，以中和余堿，避免堿液繼續腐蝕Al基體，然后用清水沖洗干凈，吹干；所述酸洗是對Ti箔使用濃度為5％～15％HNO3-HF水溶液酸洗10min～20min，再用清水沖洗干凈，吹干；所述升溫加壓方法為為防止爐溫升溫過快超過擴散反應溫度，可在升溫過程中距所述反應溫度以下50～80℃時保溫30min～60min，然后繼續升溫至反應溫度，這樣可以很好的將反應溫度控制在設定溫度范圍內；到達設定反應溫度時開始加壓，加壓速率為0.5～1.0噸/分鐘；Ti箔和Al箔交替疊層放置層數至少為3層；模具采用石墨或高溫合金材料的模具；整個復合材料制備過程中真空度1.0×10-2Pa～5.0×10-3Pa；所述有機溶劑為石油醚、丙銅或甲醇。
本發明具有如下優點1.采用本發明可以一次性完成復合材料的制備，生產工藝簡單易行，成本低。
2.本發明制備過程無污染，復合材料界面結合良好，Ti/Al界面處可生成約為0.5～2.7um厚的界面反應層。
3.本發明層狀復合材料的厚度可以方便地通過調整Ti箔和Al箔交替疊層的數目或原材料本身的厚度而得到不同厚度的層狀復合材料。
4.本發明制備出的復合材料的屈服強度可達312Mpa，抗拉強度可達357MPa，伸長率可為22％。可得到理想的致密度。
附圖1為層狀復合材料的制備工藝簡圖。
附圖2為熱壓工藝的熱循環曲線。
附圖3為實施例1中制備試樣的掃描電鏡背反射照片。
附圖4為實施例2中制備試樣的掃描電鏡背反射照片。
附圖5為實施例3中制備試樣的掃描電鏡背反射照片。
附圖6為實施例5中制備試樣的掃描電鏡背反射照片。
附圖7為實施例6中制備試樣的掃描電鏡背反射照片。
附圖8為實施例6中制備試樣的電子探針線掃描分析。
具體實施例方式
下面結合附圖詳述本發明。
實施例1如圖1、2所示，取Ti箔和Al箔為原材料，先經表面(清潔)處理，再將Ti箔和Al箔交替疊層放置，然后立即置于模具中進行真空熱壓制得多層層狀復合材料。具體可按如下步驟進行1)原材料的表面處理原材料為Ti箔(TAl)和Al箔(L3)，原始厚度分別為110μm和100μm，首先，用石油醚擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；再對Al箔用溫度為50℃，濃度為10％的NaOH水溶液堿洗10min后取出，用清水沖洗5min，再置于30％的稀硝酸溶液中進行5min光化處理以中和余堿，避免堿液繼續腐蝕Al基體，再用清水沖洗干凈，吹干；對Ti箔用10％HNO3-HF水溶液酸洗15min，用清水沖洗5min，吹干；經表面處理后的Ti箔厚度約為105μm，Al箔厚度約為94μm；2)將表面處理過的金屬箔片切割成75mm×40mm的長方形小片，將切割好的Ti箔和Al箔交替疊層放置共51層，其中最上端和最下端皆為Ti箔，為防止箔片散開可在外面包裹一層Al箔，制成熱壓試樣備用；3)表面處理過的Ti箔和Al箔立即置于高溫合金模具中，采用ZRY45B型真空熱壓爐進行真空熱壓，到達設定反應溫度時開始加壓，加壓速度為1.0噸/分鐘，壓力為60Mpa，保壓2小時；本實施例反應溫度設定為480℃，為防止爐溫升溫過快超過設定的反應溫度，可在升溫過程中在所設定的反應溫度以下50℃即430℃時保溫30min，然后繼續升溫，這樣可以很好的將反應溫度控制在所設定的反應溫度范圍內，本實施例升溫速度為5℃/分；從開始加熱前到達到設定反應溫度時真空度為1.0×10-2Pa，熱壓完成后樣品隨爐冷卻。
本實施例工藝參數在圖2中用數字1描述，即480℃/60MPa/2h。
其結果從圖3中可以看到Ti層和Al層之間的界面線平直(灰色為Ti層，黑色為Al層)，界面結合良好。
實施例2與實施例1不同之處在于1)用石油醚擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；對Al箔用溫度為30℃，濃度為20％的NaOH水溶液堿洗20min后取出，用清水沖洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中進行光化處理10min，再用清水沖洗干凈，吹干；對Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過的金屬箔片交替疊層放置共11層，其中最上端和最下端皆為Al箔；為防止箔片散開可在外面包裹一層Ti箔，制成熱壓試樣備用；3)真空熱壓時，加壓速度為0.5噸/分鐘，壓力為60Mpa，保壓2小時；本實施例反應溫度設定為560℃，為防止爐溫升溫過快超過設定的反應溫度，可在升溫過程中在所設定的反應溫度以下80℃即480℃時保溫60min，然后繼續升溫，本實施例升溫速度為10℃/分；從開始加熱前到達到設定反應溫度時真空度為5×10-3Pa。其模具采用高溫合金材料的模具。
層狀復合材料試樣工藝參數560℃/60MPa/2h參見圖2中數字2的描述。
其結果從圖4中可以看到Ti層和Al層之間的界面線平直(灰色為Ti層，黑色為Al層)，界面結合良好。圖4中Ti/Al界面處生成了約為0.6um厚的界面反應層(灰色為Ti層，黑色為Al層，灰黑色為界面反應層)，界面反應層與基體層金屬結合良好。
實施例3與實施例1不同之處在于1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用溫度為30℃，濃度為20％的NaOH水溶液堿洗20min后取出，用清水沖洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中進行光化處理10min，再用清水沖洗干凈，吹干；Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過的金屬箔片交替疊層放置共41層，其中最上端和最下端皆為Al箔；真空熱壓時，加壓速度為0.5噸/分鐘，壓力為60Mpa，保壓1小時；本實施例反應溫度設定為635℃，為防止爐溫升溫過快超過設定的反應溫度，可在升溫過程中在所設定的反應溫度以下70℃即565℃時保溫60min，然后繼續升溫，本實施例升溫速度為10℃/分；從開始加熱前到達到設定反應溫度時真空度為5×10-3Pa。
層狀復合材料試樣工藝參數635℃/60MPa/1h參見圖2中數字3的描述。
其結果從圖5中可以看到，Ti/Al界面處生成了約為1.0um厚的界面反應層(灰色為Ti層，黑色為Al層，灰黑色為界面反應層)，界面反應層與基體層金屬結合良好。
實施例4與實施例1不同之處在于1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用溫度為40℃，濃度為5％的NaOH水溶液堿洗30min后取出，用清水沖洗5min，再置于40％的稀硝酸溶液中進行光化處理7min，再用清水沖洗干凈，吹干；Ti箔用10％HNO3-HF水溶液酸洗20min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過的金屬箔片交替疊層放置共31層，其中最上端和最下端皆為Ti箔，在外面包裹一層Ti箔，制成熱壓試樣備用；真空熱壓時，加壓速度為0.7噸/分鐘，壓力為60Mpa，保壓2小時；本實施例反應溫度設定為635℃，為防止爐溫升溫過快超過設定的反應溫度，可在升溫過程中在所設定的反應溫度以下60℃即575℃時保溫50min，然后繼續升溫，本實施例升溫速度為7℃/分；從開始加熱前到達到設定反應溫度時真空度為3×10-3Pa。
層狀復合材料試樣工藝參數635℃/60MPa/2h參見圖2中數字4的描述。
本發明635℃真空熱壓2h工藝制備出厚度約為5mm的復合材料的屈服強度為238Mpa，抗拉強度為309MPa，伸長率為22％。
實施例5與實施例1不同之處在于1)用甲醇擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用溫度為30℃，濃度為20％的NaOH水溶液堿洗20min后取出，用清水沖洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中進行光化處理10min，再用清水沖洗干凈，吹干；Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過的金屬箔片交替疊層放置共21層，其中最上端和最下端皆為Al箔；真空熱壓時，加壓速度為0.5噸/分鐘，壓力為60Mpa，保壓3小時；本實施例反應溫度設定為635℃，為防止爐溫升溫過快超過設定的反應溫度，可在升溫過程中在所設定的反應溫度以下70℃即565℃時保溫60min，然后繼續升溫，本實施例升溫速度為10℃/分；從開始加熱前到達到設定反應溫度時真空度為5×10-3Pa。其模具采用石墨模具。
層狀復合材料試樣工藝參數635℃/60MPa/3h參見圖2中數字5的描述。
其結果從圖6中可以看到，Ti/Al界面處生成了約為1.9um厚的界面反應層(灰色為Ti層，黑色為Al層，灰黑色為界面反應層)，界面反應層與基體層金屬結合良好。
實施例6與實施例1不同之處在于1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用溫度為30℃，濃度為20％的NaOH水溶液堿洗20min后取出，用清水沖洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中進行光化處理10min，再用清水沖洗干凈，吹干；Ti箔用5％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水沖洗5min，吹干；2)將表面處理過的金屬箔片交替疊層放置共11層，其中最上端和最下端皆為Al箔；真空熱壓時，加壓速度為0.5噸/分鐘，壓力為60Mpa，保壓4小時；本實施例反應溫度設定為635℃，為防止爐溫升溫過快超過設定的反應溫度，可在升溫過程中在所設定的反應溫度以下70℃即565℃時保溫60min，然后繼續升溫，本實施例升溫速度為10℃/分；從開始加熱前到達到設定反應溫度時真空度為5×10-3Pa。
層狀復合材料試樣工藝參數635℃/60MPa/4h參見圖2中數字6的描述。
其結果從圖7中可以看到，Ti/Al界面處生成了約為2.7um厚的界面反應層(灰色為Ti層，黑色為Al層，灰黑色為界面反應層)，界面反應層與基體層金屬結合良好。圖8中Ti/Al界面反應層處的Ti/Al原子比約為1∶3，根據相圖可以確定界面反應層相組成為TiAl3金屬間化合物。
本發明通過635℃真空熱壓4h工藝制備出厚度約為5mm的復合材料的屈服強度為312Mpa，抗拉強度為357MPa，伸長率為14％。
權利要求
1.一種Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于取Ti箔和Al箔為原材料，先經表面處理，再將Ti箔和Al箔交替疊層放置，然后立即置于模具中進行真空熱壓制得多層層狀復合材料；具體可按如下步驟進行1)原材料的表面處理首先取原材料為Ti箔和Al箔，用有機溶劑擦洗Ti箔和Al箔表面，再將Ti箔和Al箔分別進行酸洗或堿洗；2)將所述Ti箔和Al箔切割成小片，然后交替疊層放置，其中最上端和最下端皆為Ti箔或Al箔，可再在外面包裹一層Al箔或Ti箔，制成熱壓試樣，備用；3)真空熱壓將所述熱壓試樣放置在模具中進行真空熱壓，熱壓反應溫度為450～650℃，升溫速度為5℃～10℃/分，壓力為30Mpa～60Mpa，加壓速率為0.5～1.0噸/分鐘，保壓時間為1～4h，保壓結束后卸載壓力，而后樣品隨爐冷卻即可。
2.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于所述堿洗是對Al箔使用溫度為30～50℃，濃度為5％～20％的NaOH水溶液堿洗10min～30min后取出，用清水沖洗干凈，再置于20～40％的稀硝酸溶液中進行5min～10min光化處理以中和余堿，避免堿液繼續腐蝕Al基體，然后用清水沖洗干凈，吹干。
3.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于所述酸洗是對Ti箔使用濃度為5％～15％HNO3-HF水溶液酸洗10min～20min，再用清水沖洗干凈，吹干。
4.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于所述升溫加壓方法為為防止爐溫升溫過快超過擴散反應溫度，可在升溫過程中距所述反應溫度以下50～80℃時保溫30min～60min，然后繼續升溫至反應溫度；到達設定反應溫度時開始加壓。
5.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于Ti箔和Al箔交替疊層放置層數至少為3層。
6.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于模具采用石墨或高溫合金材料的模具。
7.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于整個復合材料制備過程中真空度1.0×10-2Pa～5.0×10-3Pa。
8.按照權利要求1所述Ti-Al-Ti多層狀復合材料的制備方法，其特征在于所述有機溶劑為石油醚、丙銅或甲醇。
全文摘要
本發明涉及復合材料制備技術，具體地說是一種Ti－Al－Ti多層層狀復合材料的制備方法，其特征在于取Ti箔和Al箔為原材料，先經表面清潔處理，再將Ti箔和Al箔交替疊層放置，然后立即置于模具中進行真空熱壓制得層狀復合材料。本發明為低成本制備Ti－Al－Ti多層層狀復合材料提供了一條可行的技術路線，制備過程無污染、復合材料界面結合良好；另外，生產工藝簡單易行、生產成本低。
文檔編號B32B15/01GK1535812SQ03111
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月11日 優先權日2003年4月11日
發明者徐磊, 崔玉友, 楊銳, 徐 磊 申請人:中國科學院金屬研究所