本發(fā)明涉及一種制備金屬封裝金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲的新方法。

背景技術(shù)：

金屬間化合物基層狀復(fù)合材料是在天然生物材料貝殼微結(jié)構(gòu)和強(qiáng)韌化機(jī)理研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型層狀復(fù)合材料，由韌性金屬和脆性金屬間化合物組成。該類復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度的優(yōu)異性能，還具有強(qiáng)大的吸收沖擊功的能力，可作為超高吸能裝甲防護(hù)材料，在航空航天、地面武器裝備的裝甲防護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)達(dá)國(guó)家多年前就已計(jì)劃將Ti-Al₃Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料應(yīng)用于航空航天、武器裝備及地面戰(zhàn)車的裝甲防護(hù)系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于該種新型輕質(zhì)裝甲材料制備技術(shù)是真空熱壓燒結(jié)、無(wú)真空熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等。 20世紀(jì)90年代，Alman[1]、Rawers[2]、常云鵬[3-5]等人采用真空熱壓燒結(jié)法研制出Ti-Al₃Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料。真空熱壓方法優(yōu)點(diǎn)是界面結(jié)合牢固、無(wú)孔洞、可避免加工過(guò)程中材料氧化、材料組織結(jié)構(gòu)均勻，但高溫下長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)會(huì)造成晶粒粗化、晶界污染等，而且真空條件成本較高，微疊層復(fù)合材料尺寸受真空室尺寸限制。加州大學(xué)Vecchio[6]、Patselov [7]、蓋鵬濤[17]等人采用無(wú)真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出了致密的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti-Al₃Ti。非真空熱壓制備方法對(duì)設(shè)備要求大大降低，熱壓爐不需真空系統(tǒng), 縮減材料制備成本, 為材料商業(yè)化生產(chǎn)提供可能。但也存在一定局限性，如制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氧化膜，減緩元素 Ti 和 Al 的反應(yīng)速率，進(jìn)而影響材料性能。 Maier[9]、孫彥波[10]等人利用累積疊軋和后續(xù)熱處理方法成功制備了Ti/Al 層狀復(fù)合材料。這種方法對(duì)軋機(jī)功率要求高，軋制變形大，而且軋制后往往還需對(duì)材料進(jìn)行后續(xù)熱處理，但生產(chǎn)成本較低，可制備出較大長(zhǎng)度和寬度的制品，因此，適用于大批量、卷狀連續(xù)化生產(chǎn)。徐磊[11,12]采用熱軋復(fù)合法，在950℃熱軋制備出Ti-Al₃Ti層狀復(fù)合材料。熱軋復(fù)合法所需軋制力較小，對(duì)軋機(jī)要求不高，工藝比較簡(jiǎn)單，成本較低，而且制備出的復(fù)合材料界面處結(jié)合牢固，但是在制備過(guò)程中層間距、層厚比不容易控制，還易在界面上產(chǎn)生氧化物，影響復(fù)合材料的性能。熱軋復(fù)合技術(shù)適用于小批量、多品種、塊狀生產(chǎn)。馬 李[13,14] 采用電子束氣相沉積法( EB-PVD) 制備了厚度為 0.12mm 的大尺寸 Ti/ Ti-Al疊層狀復(fù)合材料。通過(guò)EB- PVD制備出的Ti/Ti-Al疊層化合物界面平直，但后續(xù)需熱壓處理。

由上述分析可知無(wú)真空熱壓燒結(jié)技術(shù)為Ti-Al₃Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料商業(yè)化生產(chǎn)提供可能，但制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氧化膜，減緩元素 Ti 和 Al 的反應(yīng)速率。

參考文獻(xiàn)：

[1] Alman DE, Do?n CP, Hawk JA, et al. Processing, structure and properties of metal?intermetallic layered composites [J]. Materials Science and Engineering A，1995，192：624-632；

[2] Rawers JC, Alman DE. Fracture characteristics of metal/intermetallic laminar composites produced by reaction sintering and hot processing [J]. Composites Science and Technology, 1995, 54 (4) 379-384；

[3]常云鵬， 哈金奮， 黨超， 等. 金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti-Al₃Ti制備及其力學(xué)行為 [C] //第 17 屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 北京:北京中航時(shí)代文化傳播有限公司，2012；

[4] Peng L M， Li H， Wang J H. Processing and mechanical behavior of laminated titanium?titanium tri?aluminide（Ti?Al 3 Ti）composites [J] . Materials Science and Engineering A, 2005,406 (1):309-318；

[5] Peng L M，Wang J H， Li H. Synthesis and micro-structural characterization of Ti?Al 3 Ti metal-intermetallic laminate (MIL) composites [J]. Scrip mater 2005,52:243；

[6] Vecchio KS. Synthetic multifunctional metallic?intermetallic laminate composites [J]. JOM, 2005, 57 (3):25-31；

[7] Patselov AM, Rybin VV, Grinberg BA，et al. Synthesis and properties of Ti?Al laminated composites with an intermetallic layer [J]. Russian Metallurgy （Metally）,2011 (4)： 356-360；

[8] 蓋鵬濤，吳 為，曾元松. 熱壓復(fù)合制備 Ti -Al 3 Ti 層狀復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)研究. 材料科學(xué)與工藝. 2013,21(2):45-49；

[9] Maier V，H?ppel HW，G?ken M． Nano-mechanical Behaviour of Al- Ti Layered Composites Produced by Accumulative Roll Bonding ；[J]． Journal of Physics: Conference Series，2010,240 (1):102 -108；

[10]孫彥波，趙業(yè)青，張迪． 箔-箔法制備微疊層 Ti-Al 系金屬間化合物基合金板材[J]．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, s1 : 064 – 067；

[11] 徐磊， 崔玉友， 楊銳. Ti-Al 3 Ti層板復(fù)合材料熱壓制備研究[J] . 金屬基復(fù)合材料， 2008,15 (6) : 677；

[12] Xu L， Cui Y Y， Hao Y L， et al. Growth of intermetallic layerin multi?laminated Ti/Al diffusion couples[J] . Materials Science and Engineering A，2006,435:638-647；

[13] 馬李，孫躍，赫曉東．Ti/Ti-Al 微疊層復(fù)合材料的微觀組織與性能研究[J]. 材料工程, 2007 (增刊1): 69-72；

[14] MA L， SUN Y， HE XD． Preparation and performance of large-sized Ti/Ti-Al microlaminated composite [J]. Ｒare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(2):325 -329。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前Ti-Al₃Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料在商業(yè)化生產(chǎn)中存在的制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氧化膜，減緩元素 Ti 和 Al 的反應(yīng)速率等技術(shù)問(wèn)題，提供一種制備金屬封裝金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲的方法。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種制備金屬封裝金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲的方法，包括以下步驟：

（1）砂紙磨光和丙酮超聲清洗的表面處理：

裁剪金屬Ti箔與金屬Al箔，對(duì)所裁剪好的金屬Ti箔和金屬Al箔進(jìn)行上下表面打磨以除去金屬箔表面的氧化膜和其他雜質(zhì)；所述金屬Ti箔與金屬Al箔的數(shù)目相差一個(gè)；

將打磨好的金屬Ti箔和金屬Al箔分別置于已經(jīng)清洗的兩個(gè)燒杯之中，把丙酮溶液倒入燒杯至溶液完全浸沒(méi)金屬箔材，將裝有丙酮和金屬箔材的燒杯進(jìn)行超聲波清洗；后將清洗完成的金屬Ti箔與Al箔取出，進(jìn)行真空干燥處理，以備后續(xù)使用；

（2）交替疊加并軋制：

將已干燥的金屬Ti箔與金屬Al箔上下交替疊層，形成疊層結(jié)構(gòu)，疊層總數(shù)為奇數(shù)層且保證上下最外兩層為同一種金屬箔；在疊層過(guò)程中保持每個(gè)金屬箔片的中心軸線對(duì)齊；將疊好的試樣進(jìn)行冷軋?zhí)幚恚堉谱冃瘟繛?%，分兩道次完成，其中第一道次變形量約為3%，得到預(yù)制坯；

（3）封裝抽真空：

將冷軋后得到的預(yù)制坯置于由厚度為0.05mm的金屬箔制成的包套之中，包套與真空泵相連接，通過(guò)機(jī)械泵抽真空至1Pa左右然后開(kāi)啟分子泵，待真空度穩(wěn)定在10^-3Pa以下時(shí)將金屬箔包套密封；

（4）燒結(jié)：

將封裝完成的疊層試樣置于GST-高溫?zé)釅籂t中，疊層試樣位于上下壓頭之間，初始?jí)毫閴侯^的自重，熱壓工藝為650℃/5~6MPa/3~8h，升溫速率為10℃/min，之后隨爐冷卻，得到金屬封裝金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲。

步驟（1）中打磨時(shí)力度要適宜，避免用力過(guò)度將表面氧化膜下的金屬顆粒大量蹭出致使箔材表面不平滑，打磨的范圍要涉及到金屬箔的整個(gè)表面，打磨時(shí)所用砂紙的粒度由粗到細(xì)、均勻過(guò)渡。

將裝有丙酮和金屬箔材的燒杯置于超聲波器皿中進(jìn)行超聲波清洗以進(jìn)一步除去金屬箔表面殘留的雜質(zhì)。

步驟（2）中在冷軋后，金屬Ti箔和金屬Al箔之間緊密接觸，排擠了箔材之間的殘余空氣，一定程度上制約界面氧化物的生成，促進(jìn)了界面Ti、Al的熱化學(xué)反應(yīng)。若軋制變形量過(guò)大或軋制次數(shù)較多，將會(huì)損傷金屬Ti箔中的晶粒形態(tài)，使其變?yōu)殚L(zhǎng)條狀嵌入金屬Al箔中。

步驟（3）中包套（可采用鈦合金箔如TC4箔材）抽真空密封后避免了在熱化學(xué)反應(yīng)中氧化物等雜質(zhì)產(chǎn)物的生成，保證了金屬Ti箔與金屬Al箔間熱化學(xué)反應(yīng)純粹性。

步驟（4）熱壓結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。在650℃下，金屬Al箔呈半固態(tài)狀，金屬Ti箔與半固態(tài)Al箔間由于元素的擴(kuò)散而發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，由Ti-Al二元相圖可知（圖4）Ti-Al熱化學(xué)反應(yīng)有四種化合物相生成，分別為α₂-Ti₃Al、γ-TiAl、TiAl₂、TiAl₃相，Al₃Ti在Ti/Al界面處形核引起的界面能增加最小，這種界面熱力學(xué)條件決定了Al₃Ti相優(yōu)先生長(zhǎng)，且在Al箔完全消耗完之前只有Al₃Ti相生成。在熱壓燒結(jié)過(guò)程中，溫度稍低于Al的熔點(diǎn)，原子之間的束縛減弱，且金屬Ti箔與金屬Al箔之間緊密接觸，Al原子的擴(kuò)散變得更為容易，發(fā)生劇烈的熱化學(xué)反應(yīng)Ti+Al→Al₃Ti，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中金屬箔材厚度變小，金屬Al箔逐漸被Al₃Ti層取代，形成Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖5 為Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料掃面電鏡圖。

韌化相鈦合金與高硬度、高剛度的Al₃Ti金屬間化合物組成Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料， 該種疊層復(fù)合材料具有能量耗散結(jié)構(gòu)，可作為抗沖擊防護(hù)材料。圖6為有限元模擬鎢合金破片侵徹Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料過(guò)程，由圖6可知，破片侵徹過(guò)程失效模式有傾斜裂紋、界面脫粘、剪切充塞。圖7 為初始速度為900m/s的鎢合金破片侵徹單相Al₃Ti和Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合靶材剩余速度隨時(shí)間變化。從圖7可以看出，40μs后Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合靶材剩余速度比單相Al₃Ti低400m/s。進(jìn)一步證明Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料具有良好的抗沖擊防護(hù)性能。

本發(fā)明為了避免金屬箔之間氧化反應(yīng)和反應(yīng)速率得降低，預(yù)先對(duì)金屬箔進(jìn)行冷軋和抽真空封裝，最后進(jìn)行無(wú)真空熱壓燒結(jié)。該制備工藝即是把冷軋、抽真空封裝及無(wú)真空熱壓燒結(jié)技術(shù)三者結(jié)合起來(lái)形成一種新的制備金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的工藝。另外，為了加強(qiáng)韌性金屬為脆性金屬間化合物的約束作用，對(duì)傳統(tǒng)的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料進(jìn)行了金屬封裝。

本發(fā)明把冷軋和熱壓燒結(jié)聯(lián)合起來(lái)制備新型金屬封裝金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲，其工藝路線獨(dú)特、簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、適于商業(yè)化生成。所制備的金屬封裝金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲具有較高的抗侵徹能力，有望成為一種有效的輕質(zhì)裝甲防護(hù)材料。

附圖說(shuō)明

圖1 步驟2所述Ti箔-Al箔-Ti箔交替疊層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2步驟2中所述的冷軋示意圖。

圖3熱壓燒結(jié)示意圖。

圖4 Ti-Al二元相圖。

圖5 Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料掃面電鏡圖。

圖6 Ti/Al₃Ti疊層復(fù)合材料彈道侵徹模擬過(guò)程。

圖7 破片侵徹單相Al₃Ti和Ti/Al₃Ti復(fù)合靶材剩余速度隨時(shí)間變化。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

制備鈦合金封裝Ti-Al₃Ti 金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲：注意選擇金屬箔片時(shí)候，Ti箔比Al箔長(zhǎng)寬各大10mm；

TC4箔長(zhǎng)、寬、厚分別為300mm、300mm、0.027mm；

Al箔長(zhǎng)、寬、厚分別為290mm、290mm、0.027mm；

（1）砂紙磨光和丙酮超聲清洗的表面處理：將0.027mm厚的金屬Ti箔裁剪為300×300 mm，0.027mm厚的金屬Al箔裁剪為290×290 mm，其中Ti箔裁剪數(shù)量為11層，Al箔為10層；然后將所裁剪的金屬箔材依次用800目、1500目砂紙均勻打磨至出現(xiàn)金屬光澤，并將打磨完成的金屬箔材分類放置；用丙酮溶液將玻璃燒杯預(yù)先清洗干凈，把已打磨的金屬Ti箔和金屬Al箔分別放入已清洗的玻璃燒杯之中并加入丙酮溶液至完全浸沒(méi)金屬箔材（金屬Ti和金屬Al箔要分別放入兩個(gè)不同的玻璃燒杯），把裝有丙酮溶液和金屬箔材的燒杯放入超聲波器皿中超聲波清洗20min；最后用干凈鑷子將清洗完成的金屬Ti箔和金屬Al箔分別放入兩個(gè)潔凈的玻璃燒杯中，并將燒杯放入真空干燥箱進(jìn)行真空干燥處理；

（2）交替疊加并軋制：將已干燥的金屬Ti箔和金屬Al箔依次按照Ti箔、Al箔、Ti箔的順序疊層，保持上下兩層金屬箔片的中心軸線對(duì)齊，使金屬Al箔完全被金屬Ti箔覆蓋，疊層總數(shù)為21層并保證上下最外層為金屬Ti箔；將疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷軋?zhí)幚?，軋制量?%，分兩道次完成，第一道次軋制量約為3%；

（3）封裝抽真空：將軋制完成的疊層結(jié)構(gòu)預(yù)制坯放入金屬箔包套中，金屬箔包套與真空泵相連接，通過(guò)機(jī)械泵和分子泵抽真空至10^-3Pa以下密封金屬箔包套；

（4）燒結(jié)：將帶有金屬箔包套的疊層結(jié)構(gòu)預(yù)制坯放入GST-高溫?zé)釅籂t中，初始?jí)毫閴侯^自重，熱壓工藝為650℃/5MPa/6h，升溫速率為10℃/min，隨爐冷卻處理；

制備出Ti/Al₃Ti金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲。

實(shí)施例2：

制備鋁合金封裝Al -Al₃Ti 金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲：注意選擇金屬箔片時(shí)候，Al箔比Ti箔長(zhǎng)寬各大10mm；

TC4箔長(zhǎng)、寬、厚分別為290mm、290mm、0.02mm；

Al箔長(zhǎng)、寬、厚分別為300mm、300mm、0.08mm；

（1）砂紙磨光和丙酮超聲清洗的表面處理：將0.08mm厚的金屬Al箔裁剪為300×300 mm，0.02mm厚的金屬Ti箔裁剪為290×290 mm，其中Al箔裁剪數(shù)量為11層，Ti箔為10層；然后將所裁剪的金屬箔材依次用800目、1500目砂紙均勻打磨至出現(xiàn)金屬光澤，并將打磨完成的金屬箔材分類放置；用丙酮溶液將玻璃燒杯預(yù)先清洗干凈，把已打磨的金屬Al箔和金屬Ti箔分別放入已清洗的玻璃燒杯之中并加入丙酮溶液至完全浸沒(méi)金屬箔材（金屬Al箔和金屬Ti箔分別放入兩個(gè)不同的玻璃燒杯），把裝有丙酮溶液和金屬箔材的燒杯放入超聲波器皿中超聲波清洗20min；最后用干凈鑷子將清洗完成的金屬Ti箔和金屬Al箔分別放入兩個(gè)潔凈的玻璃燒杯中，并將燒杯放入真空干燥箱進(jìn)行真空干燥處理；

（2）交替疊加并軋制：將已干燥的金屬Al箔和金屬Ti箔依次按照Al箔、Ti箔、Al箔的順序疊層，保持上下兩層金屬箔片的中心軸線對(duì)齊，使金屬Ti箔完全被金屬Al箔覆蓋，疊層總數(shù)為21層并保證上下最外層為金屬Al箔；將疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷軋?zhí)幚?，軋制量?%，分兩道次完成，第一道次軋制量約為3%；

（3）封裝抽真空：將軋制完成的疊層結(jié)構(gòu)預(yù)制坯放入金屬箔包套中，金屬箔包套與真空泵相連接，通過(guò)機(jī)械泵和分子泵抽真空至10^-3Pa以下密封金屬箔包套；

（4）燒結(jié)：將帶有金屬箔包套的疊層結(jié)構(gòu)預(yù)制坯放入GST-高溫?zé)釅籂t中，初始?jí)毫閴侯^自重，熱壓工藝為650℃/6MPa/8h，升溫速率為10℃/min，隨爐冷卻處理；

制備出Al/Al₃Ti金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲。

實(shí)施例3：

制備鈦合金封裝Ti -Al₃Ti- Al 金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲：注意選擇金屬箔片時(shí)候，Ti箔比Al箔長(zhǎng)寬各大10mm；

TC4箔長(zhǎng)、寬、厚分別為300mm、300mm、0.027mm；

Al箔長(zhǎng)、寬、厚分別為295mm、295mm、0.054mm；

（1）砂紙磨光和丙酮超聲清洗的表面處理：將0.027mm厚的金屬Ti箔裁剪為300×300 mm，0.054mm厚的金屬Al箔裁剪為290×290 mm，其中Ti箔裁剪數(shù)量為11層，Al箔為10層；然后將所裁剪的金屬箔材依次用800目、1500目砂紙均勻打磨至出現(xiàn)金屬光澤，并將打磨完成的金屬箔材分類放置；用丙酮溶液將玻璃燒杯預(yù)清洗干凈，把已打磨的金屬Ti箔和金屬Al箔分別放入已清洗的玻璃燒杯之中并加入丙酮溶液至完全浸沒(méi)金屬箔材（金屬Ti和金屬Al箔要分別放入兩個(gè)不同的玻璃燒杯），把裝有丙酮溶液和金屬箔材的燒杯放入超聲波器皿中超聲波清洗20min；最后用干凈鑷子將清洗完成的金屬Ti箔和金屬Al箔分別放入兩個(gè)潔凈的玻璃燒杯中，并將燒杯放入真空干燥箱進(jìn)行真空干燥處理；

（2）交替疊加并軋制：將已干燥的金屬Ti箔和金屬Al箔依次按照Ti箔、Al箔、Ti箔的順序疊層，保持上下兩層金屬箔片的中心軸線對(duì)齊，使金屬Al箔完全被金屬Ti箔覆蓋，疊層總數(shù)為21層并保證上下最外層為金屬Ti箔；將疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷軋?zhí)幚?，軋制量?%，分兩道次完成，第一道次軋制量約為3%；

（3）封裝抽真空：將軋制完成的疊層結(jié)構(gòu)預(yù)制坯放入金屬箔包套中，金屬箔包套與真空泵相連接，通過(guò)機(jī)械泵和分子泵抽真空至10^-3Pa以下密封金屬箔包套；

（4）燒結(jié)：將帶有金屬箔包套的疊層結(jié)構(gòu)預(yù)制坯放入GST-高溫?zé)釅籂t中，初始?jí)毫閴侯^自重，熱壓工藝為650℃/5MPa/3h，升溫速率為10℃/min，隨爐冷卻處理；

制備出Ti/Al₃Ti/Al金屬間化合物基疊層復(fù)合裝甲（圖5為Ti/Al₃Ti/Al掃描電鏡圖）。