一種輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法。以Ti箔和Al箔為原材料，將經(jīng)過預(yù)處理的Ti箔和Al箔交替疊放并保證最外層為Ti箔，進(jìn)行真空熱壓處理，所述真空熱壓處理的條件為：本底真空度為6.67×10-3Pa，反應(yīng)溫度為640～685℃，升溫速率為1～10℃/min，施加壓強(qiáng)為0～4MPa，保溫時(shí)間為1-10小時(shí)。本發(fā)明通過真空熱壓法使相互交疊的Ti箔與Al箔發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，生成金屬間化合物Al3Ti，并與剩余的Ti層形成以Ti層為增強(qiáng)體的層狀復(fù)合材料。由于金屬間化合物Al3Ti具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度且脆性較大，而Ti層則是韌性較好的增強(qiáng)體，因而使獲得的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料在具有高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上也具有高的韌性。
【專利說明】一種輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料的制備方法，具體涉及一種利用金屬箔冶金法制備輕質(zhì)高性能Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物學(xué)研究表明貝殼的主要組成成分是CaCO3,然而這種強(qiáng)度低、脆性高的材料在貝殼上卻表現(xiàn)出優(yōu)異的高強(qiáng)度和高韌性。通過研究貝殼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn):貝殼中的0&0)3呈層狀分布，其間隙由有機(jī)物緊密填充，正是這種層狀結(jié)構(gòu)使其具有良好的機(jī)械性能。因此，人們以仿生學(xué)為依據(jù)，設(shè)計(jì)制備出了這種具有貝殼結(jié)構(gòu)的層狀復(fù)合材料，如新型的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti。與其他金屬間化合物(如TiAl，Ti3Al等)相比，Al3Ti的密度最小、比強(qiáng)度最高、抗高溫氧化性能最好。因此，以Al3Ti為基體制備的層狀復(fù)合材料具有高強(qiáng)度(和高強(qiáng)鋼相同)、高硬度、高剛度(是鋼的2倍)、低密度(不到鋼的二分之一)以及較好的斷裂性能(是金屬間化合物Al3Ti的5倍)等優(yōu)異性能。另外，由于該復(fù)合材料具有特殊的疊層結(jié)構(gòu)，在高速載荷的作用下，這類材料失效時(shí)形成層間開裂和大量的吸能裂紋，導(dǎo)致了高吸能機(jī)制，使得金屬間化合物基層狀復(fù)合材料吸收沖擊功的能力可以和高性能的裝甲鋼相媲美。研究表明，金屬間化合物基層狀復(fù)合材料具有的耐高速碰撞的優(yōu)異性能是基于能量耗散的機(jī)理。Ti層與Al3Ti層相互交替的排列使得在較脆的Al3Ti層中出現(xiàn)的裂紋在擴(kuò)展至韌性Ti的時(shí)候遇到阻礙，產(chǎn)生“橋聯(lián)”效應(yīng)，避免了大規(guī)模脆性斷裂的發(fā)生。在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，層狀復(fù)合材料的失效形式是層間開裂和產(chǎn)生橫向裂紋(垂直于層片的裂紋)，這些裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展吸收了大量的沖擊能量，從而使金屬間化合物基層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的高吸能特性和抗沖擊能力，可以廣泛地應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域，其發(fā)展領(lǐng)域和前景十分廣泛。
[0003]這類層狀復(fù)合材料的制備方法目前主要有軋制法、爆炸焊接法等。
[0004]軋制法即將互相交疊的坯料通過一對(duì)旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙，坯料因受軋輥的壓縮使材料截面積減小，長度增加的壓力加工方法。由于軋制的過程中會(huì)出現(xiàn)一定的塑性流變，在層狀復(fù)合材料的制備中，通常會(huì)采用包套的方法，但是仍然存在一些不足，如層片分布不均勻、界面處有較多氧化物、界面結(jié)合力低等問題。
[0005]爆炸焊接法則是以炸藥爆炸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力使兩種金屬或多種金屬之間產(chǎn)生高速碰撞，清除待焊金屬表面的氧化膜從而使相同或不同金屬連接在一起的方法。該方法具有低成本、靈活性強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很突出，即對(duì)于強(qiáng)度高和韌性低的金屬由于其焊接強(qiáng)度低而使其在室溫下爆炸容易脆裂，生產(chǎn)過程中噪聲大、煙霧大，生產(chǎn)安全性差，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種制備出的層狀復(fù)合材料具有相當(dāng)高的界面結(jié)合強(qiáng)度的輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法。[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]以Ti箔和Al箔為原材料，將經(jīng)過預(yù)處理的Ti箔和Al箔交替疊放并保證最外層為Ti箔，進(jìn)行真空熱壓處理，所述真空熱壓處理的條件為:本底真空度為6.67X10_3Pa，反應(yīng)溫度為640~685°C，升溫速率為I~10°C /min，施加壓強(qiáng)為O~4MPa，保溫時(shí)間為1_10小時(shí)。
[0009]本發(fā)明還可以包括:
[0010]1、所述真空熱壓處理是分步進(jìn)行的，本底真空度下先以10°C /min的升溫速率升溫至640°C保溫lh，然后以3°C /min的升溫速率加熱到670°C保溫lh，最后以1°C /min的升溫速率加熱到685°C，保溫5h ;在升溫過程中和640°C保溫階段中均施加4MPa的壓強(qiáng)，在670°C保溫階段和685°C保溫階段前2h內(nèi)均加壓IMPa，在685°C保溫的后3h階段內(nèi)加壓2MPa，在降溫階段再加壓至4MPa。
[0011]2、所述將經(jīng)過預(yù)處理的Ti箔和Al箔交替疊放中Al箔的層數(shù)為10~15層，Ti箔的層數(shù)為Al箔層數(shù)加I。
[0012]3、所述預(yù)處理的方法為:將切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面進(jìn)行打磨，直至露出新鮮表面，然后用超聲 波處理打磨后的Ti箔和Al箔，時(shí)間為15-20min，最后用酒精清洗表面，去除殘留的氧化物顆粒和雜質(zhì)，最后進(jìn)行干燥處理。
[0013]本發(fā)明通過真空熱壓法使相互交疊的Ti箔與Al箔發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，生成金屬間化合物Al3Ti,并與剩余的Ti層形成以Ti層為增強(qiáng)體的層狀復(fù)合材料。由于金屬間化合物Al3Ti具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度且脆性較大，而Ti層則是韌性較好的增強(qiáng)體，因而使獲得的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料在具有高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上也具有高的韌性。
[0014]本發(fā)明的制備方法相較于以往的制備方法的特點(diǎn)在于:在采用以往方法制備出的復(fù)合材料中，金屬間化合物主要存在于Ti層和Al層的交界處，對(duì)材料整體的強(qiáng)度提升有限，而本發(fā)明中，原始金屬鋁箔完全和鈦箔反應(yīng)生成了金屬間化合物Al3Ti,而原始金屬鈦箔有一定的剩余。即制備出的復(fù)合材料中Al層完全被Al3Ti金屬間化合物層所取代。同時(shí)由于是在真空條件下制備的復(fù)合材料，不發(fā)生氧化現(xiàn)象，在復(fù)合材料界面上的氧化物和雜質(zhì)很少。因此，制備出的層狀復(fù)合材料具有相當(dāng)高的界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)歸結(jié)為:
[0016]1.本發(fā)明可以通過調(diào)整以下幾種工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的設(shè)計(jì):
[0017]1.本發(fā)明可以通過改變金屬箔材的厚度達(dá)到特定的層厚比以改變層狀復(fù)合材料的厚度和性能。
[0018]i1.本發(fā)明可以通過改變金屬箔材的總層數(shù)以改變層狀復(fù)合材料的厚度。
[0019]ii1.本發(fā)明可以通過調(diào)整真空熱壓過程中的溫度和各階段壓強(qiáng)等參數(shù)來調(diào)整復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。
[0020]2.本發(fā)明所制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，高于采用其他制備方法所制備出的同類層狀復(fù)合材料。
[0021]3.本發(fā)明所制備的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料是通過兩種金屬箔材的界面冶金反應(yīng)，剩余金屬層與新生成的金屬間化合物層之間的結(jié)合緊密，無缺陷，界面結(jié)合強(qiáng)度聞。[0022] 4.本發(fā)明所設(shè)定的特殊工藝參數(shù)有利于反應(yīng)生成單一的金屬間化合物Al3Ti相，與同其他類型的金屬間化合物(如TiAl，Ti3Al等)相比，Al3Ti具有高的彈性模量(216GPa)、低密度(3.5g/cm3)以及高抗氧化能力，因此形成的層狀復(fù)合材料具有良好的性能。
[0023]5.本發(fā)明可以通過改變箔材的成分，可以方便地把合金化元素、增強(qiáng)相(顆粒、纖維、晶須等)引入到反應(yīng)后生成的金屬間化合物，從而進(jìn)一步改善金屬間化合物的脆性。
[0024]6.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能和產(chǎn)品設(shè)計(jì)一體化，完成復(fù)合材料可設(shè)計(jì)和可預(yù)測(cè)的全新概念，將智能元件，如壓電陶瓷、光纖等埋入基體中，設(shè)計(jì)和制備出多功能和智能化復(fù)合材料。
[0025]7.本發(fā)明可以很方便的通過改變起始疊層的層片厚度、層片類型、疊層順序制備出梯度功能復(fù)合材料。
[0026]8.本發(fā)明所需的原始金屬箔材是商用鈦板和鋁板，其生成產(chǎn)物僅有金屬間化合物Al3Ti,因此整個(gè)的制備過程是無毒、環(huán)保的，屬于綠色加工方法。
[0027]9.本發(fā)明利用液-固兩相低溫反應(yīng)一次性真空熱壓成型，工藝簡單易行，制備成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為Ti和Al兩種金屬猜片置放不意圖。
[0029]圖2為實(shí)例I中40%Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的制備工藝曲線。
[0030]圖3為實(shí)例I中40%Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(掃描電鏡背反射照片)。
[0031]圖4a_圖4b為壓縮試樣加載方向不意圖,其中圖4a為載荷垂直于疊層方向；圖仙為載荷平行于疊層方向。
[0032]圖5為實(shí)例2中30%Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的制備工藝曲線。
[0033]圖6為實(shí)例2中30%Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(掃描電鏡背反射照片)。
[0034]圖7為實(shí)例3中20%Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(掃描電鏡背反射照片)。
[0035]圖8為實(shí)例4中15%Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(掃描電鏡背反射照片)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)描述，應(yīng)理解的是，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，在本發(fā)明的構(gòu)思前提下對(duì)本發(fā)明做簡單改進(jìn)，都屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
[0037]結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本次實(shí)驗(yàn)的具體步驟:
[0038]實(shí)例I
[0039]原材料表面的預(yù)處理:選用厚度分別為520 μ m和620 μ m的Ti箔和Al箔，并將金屬箔片切割成IOOmmX IOOmm的正方形以便于進(jìn)行表面預(yù)處理,首先用砂紙將Ti箔和Al箔的表面進(jìn)行打磨，去除表面氧化皮，直至露出新鮮表面，然后用超聲波處理打磨后的Ti箔和Al箔，時(shí)間為15-20min，最后用酒精清洗表面，去除剩余的氧化物顆粒和雜質(zhì)，風(fēng)干后放入干燥皿待處理。
[0040]把兩種箔片相互交疊，Ti箔和Al箔的層數(shù)分別為14層和13層，并使最外層是Ti箔，最終層數(shù)為27層，其疊放方式參見附圖1。[0041]將上述金屬箔材的疊層放入真空熱壓爐的石墨模具中，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，其本底真空度為6.67X10_3Pa，其工藝曲線參見附圖2，以10°C /min的升溫速率升溫到640°C，保溫Ih。再以3.5°C /min升溫到675°C保溫Ih。1°C /min升溫到685 °C /min保溫5h。在升溫過程和640°C保溫階段中施加4MPa的壓強(qiáng)，在675°C保溫階段和685°C保溫前2h階段內(nèi)施加施壓IMPa，在685°C保溫的后3h階段壓強(qiáng)增大至2MPa，在降溫階段加壓至4MPa，最后隨爐冷卻，當(dāng)溫度降至室溫時(shí)卸壓，取出已經(jīng)制備好的層狀復(fù)合材料。
[0042]反應(yīng)后經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn):材料中的Al層完全與Ti層反應(yīng)，形成金屬間化合物Al3Ti,而Ti層則有剩余，Ti層和Al3Ti層的厚度分別為370 μ m和555 μ m，增強(qiáng)體Ti在整個(gè)復(fù)合材料中的體積百分比為40%，為了闡述方便把該復(fù)合材料命名為40%Ti/Al3Ti的復(fù)合材料。附圖3中較亮層片為Ti層，較暗層片為Al3Ti層，兩種層片邊界清晰，結(jié)合緊密。經(jīng)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)后，得到材料在載荷垂直和平行與層片兩個(gè)方向上的平均屈服強(qiáng)度分別720MPa和860MPa，附圖4為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮方向示意圖。
[0043]實(shí)例2 [0044]與實(shí)例I相比:其材料的表面預(yù)處理過程與材料的成分，層片的厚度、層數(shù)和疊放方式完全相同，而真空熱壓的工藝參數(shù)有所不同。
[0045]實(shí)例2的真空熱壓工藝參見附圖5:其本底真空度為6.67X 10?,以10°C /min的升溫速率升溫到640°C保溫lh，然后以3.5°C /min的升溫速率升溫到675°C，保溫lh，然后以1°C /min的升溫速率加熱到685°C /min，保溫7h。在升溫過程和640°C保溫階段施加4MPa的壓強(qiáng)，在675 °C保溫階段和685 °C保溫階段的前2h不加壓，在685 °C保溫階段的后5h施加壓2MPa，在降溫階段再施加壓4MPa。
[0046]此次燒結(jié)與40%Ti/Al3Ti的燒結(jié)工藝區(qū)別在于保溫時(shí)間增長到7h，Al箔全部與Ti箔反應(yīng)生成Al3Ti。經(jīng)測(cè)量，反應(yīng)結(jié)束后Ti層和Al3Ti層的厚度分別為330 μ m和770 μ m,Al3Ti層厚占總體層厚的70%，增強(qiáng)體Ti的含量為30%，將此試樣命名為30%Ti/Al3Ti，參見附圖6。通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得復(fù)合材料在載荷垂直和平行與層片的兩個(gè)方向上的屈服強(qiáng)度分別為840MPa和940MPa。
[0047]實(shí)例I與實(shí)例2的對(duì)比后證明了:在金屬箔材的表面預(yù)處理過程與原始材料的成分，層片的厚度、層數(shù)和疊放方式都相同的情況下，真空熱壓的工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料層厚度t匕、力學(xué)性能等方面都有影響。
[0048]實(shí)例3
[0049]與實(shí)例I相比:其金屬箔材的表面預(yù)處理過程完全相同，原始材料的成分不變。Ti箔的厚度不變，使用的Al箔的厚度為840 μ m, Ti箔和Al箔的層數(shù)分別調(diào)整為13層和12層，將表面處理過的金屬箔片相互疊交并使最外端為Ti層。
[0050]實(shí)例3所采用的熱處理工藝與實(shí)例2相同，工藝參數(shù)參見附圖5。
[0051]實(shí)例3中制得的復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)參見附圖7。經(jīng)測(cè)量，Ti層和Al3Ti層的厚度分別為240 μ m和960 μ m，其增強(qiáng)體Ti在復(fù)合材料中的體積百分?jǐn)?shù)為20%，將此試樣命名為20%Ti/Al3Ti。將熱壓處理后的復(fù)合材料進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)得到復(fù)合材料的力學(xué)性能為，在載荷垂直和平行與層片的兩個(gè)方向上的屈服強(qiáng)度分別為1330MPa和1020MPa。
[0052]實(shí)例3與實(shí)例2相比，其工藝參數(shù)相同而層厚比不同，得到了比前兩種材料增強(qiáng)體Ti體積百分?jǐn)?shù)小而屈服強(qiáng)度高的復(fù)合材料，體現(xiàn)了層數(shù)和層厚對(duì)復(fù)合材料性能的影響。[0053]實(shí)例4
[0054]實(shí)例4中，金屬箔材表面預(yù)處理過程與原始金屬箔材的成分、箔材的厚度、層片的層數(shù)和疊放方式與實(shí)例3完全相同。采用的主要工藝措施在于在其熔點(diǎn)溫度附近提前卸壓，使得半熔融狀態(tài)的Al金屬液體與Ti箔充分反應(yīng)，從而保證層狀復(fù)合材料中僅有韌性金屬Ti和金屬間化合物Al3Ti。
[0055]復(fù)合材料在掃描電鏡下的顯微組織參見附圖8。經(jīng)測(cè)量，Ti層和Al3Ti層的厚度分別為175μπι和1125 μ m，其增強(qiáng)體Ti在材料中的體積百分比為15%，將其命名為15%Ti/Al3Ti0將制備的復(fù)合材料進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得復(fù)合材料在層片垂直和平行兩個(gè)方向上的屈服強(qiáng)度分別為1200MPa和890MPa。 [0056]實(shí)例4與實(shí)例3相比其反應(yīng)過程中施加的壓強(qiáng)參數(shù)不同，得到了增強(qiáng)體Ti層所占比例更低的復(fù)合材料，其相應(yīng)的屈服強(qiáng)度則未隨增強(qiáng)體所占比例的的下降而升高。
【權(quán)利要求】
1.一種輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征是:以Ti箔和Al箔為原材料，將經(jīng)過預(yù)處理的Ti箔和Al箔交替疊放并保證最外層為Ti箔，進(jìn)行真空熱壓處理，所述真空熱壓處理的條件為:本底真空度為6.67 X 10?,反應(yīng)溫度為640~685°C，升溫速率為1~10℃ /min，施加壓強(qiáng)為O~4MPa，保溫時(shí)間為1-10小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征是:所述真空熱壓處理是分步進(jìn)行的，本底真空度下先以10°C /min的升溫速率升溫至640°C保溫lh，然后以3°C /min的升溫速率加熱到670°C保溫lh，最后以1°C /min的升溫速率加熱到685°C，保溫5h ;在升溫過程中和640°C保溫階段中均施加4MPa的壓強(qiáng)，在670°C保溫階段和685°C保溫階段前2h內(nèi)均加壓IMPa，在685°C保溫的后3h階段內(nèi)加壓2MPa，在降溫階段再加壓至4MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征是:所述將經(jīng)過預(yù)處理的Ti箔和Al箔交替疊放中Al箔的層數(shù)為10~15層，Ti箔的層數(shù)為Al箔層數(shù)加I。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征是:所述預(yù)處理的方法為:將切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面進(jìn)行打磨，直至露出新鮮表面，然后用超聲波處理打磨后的Ti箔和Al箔，時(shí)間為15-20min，最后用酒精清洗表面，去除殘留的氧化物顆粒和雜質(zhì)，最后進(jìn)行干燥處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征是:所述預(yù)處理的方法為:將切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面進(jìn)行打磨，直至露出新鮮表面，然后用超聲波處理打磨后的Ti箔和Al箔，時(shí)間為15-20min，最后用酒精清洗表面，去除殘留的氧化物顆粒和雜質(zhì)，最后進(jìn)行干燥處理。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK103572187SQ201310563533
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】姜風(fēng)春, 常云鵬, 黨超, 果春煥, 哈金奮, 張密林 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)