一種輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法

2023-04-28 17:56:06

一種輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法
【專利摘要】本發明提供的是一種輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法。以Ti箔和Al箔為原材料，將經過預處理的Ti箔和Al箔交替疊放並保證最外層為Ti箔，進行真空熱壓處理，所述真空熱壓處理的條件為：本底真空度為6.67×10-3Pa，反應溫度為640～685℃，升溫速率為1～10℃/min，施加壓強為0～4MPa，保溫時間為1-10小時。本發明通過真空熱壓法使相互交疊的Ti箔與Al箔發生擴散反應，生成金屬間化合物Al3Ti，並與剩餘的Ti層形成以Ti層為增強體的層狀複合材料。由於金屬間化合物Al3Ti具有高強度、高硬度、低密度且脆性較大，而Ti層則是韌性較好的增強體，因而使獲得的金屬間化合物基層狀複合材料在具有高強度的基礎上也具有高的韌性。
【專利說明】一種輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種複合材料的製備方法，具體涉及一種利用金屬箔冶金法製備輕質高性能Ti/Al3Ti層狀複合材料的方法。
【背景技術】
[0002]生物學研究表明貝殼的主要組成成分是CaCO3,然而這種強度低、脆性高的材料在貝殼上卻表現出優異的高強度和高韌性。通過研究貝殼的組織結構發現:貝殼中的0&0)3呈層狀分布，其間隙由有機物緊密填充，正是這種層狀結構使其具有良好的機械性能。因此，人們以仿生學為依據，設計製備出了這種具有貝殼結構的層狀複合材料，如新型的金屬間化合物基層狀複合材料Ti/Al3Ti。與其他金屬間化合物(如TiAl，Ti3Al等)相比，Al3Ti的密度最小、比強度最高、抗高溫氧化性能最好。因此，以Al3Ti為基體製備的層狀複合材料具有高強度(和高強鋼相同)、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)等優異性能。另外，由於該複合材料具有特殊的疊層結構，在高速載荷的作用下，這類材料失效時形成層間開裂和大量的吸能裂紋，導致了高吸能機制，使得金屬間化合物基層狀複合材料吸收衝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複合材料具有的耐高速碰撞的優異性能是基於能量耗散的機理。Ti層與Al3Ti層相互交替的排列使得在較脆的Al3Ti層中出現的裂紋在擴展至韌性Ti的時候遇到阻礙，產生「橋聯」效應，避免了大規模脆性斷裂的發生。在強動載荷作用下，層狀複合材料的失效形式是層間開裂和產生橫向裂紋(垂直於層片的裂紋)，這些裂紋的產生和擴展吸收了大量的衝擊能量，從而使金屬間化合物基層狀複合材料具有優異的高吸能特性和抗衝擊能力，可以廣泛地應用於航空航天、船舶等領域，其發展領域和前景十分廣泛。
[0003]這類層狀複合材料的製備方法目前主要有軋製法、爆炸焊接法等。
[0004]軋製法即將互相交疊的坯料通過一對旋轉軋輥的間隙，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。由於軋制的過程中會出現一定的塑性流變，在層狀複合材料的製備中，通常會採用包套的方法，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、界面結合力低等問題。
[0005]爆炸焊接法則是以炸藥爆炸產生的驅動力使兩種金屬或多種金屬之間產生高速碰撞，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、操作簡單等優點，但其缺點也很突出，即對於強度高和韌性低的金屬由於其焊接強度低而使其在室溫下爆炸容易脆裂，生產過程中噪聲大、煙霧大，生產安全性差，對環境造成嚴重影響。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於提供一種製備出的層狀複合材料具有相當高的界面結合強度的輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法。[0007]本發明的目的是這樣實現的:
[0008]以Ti箔和Al箔為原材料，將經過預處理的Ti箔和Al箔交替疊放並保證最外層為Ti箔，進行真空熱壓處理，所述真空熱壓處理的條件為:本底真空度為6.67X10_3Pa，反應溫度為640~685°C，升溫速率為I~10°C /min，施加壓強為O~4MPa，保溫時間為1_10小時。
[0009]本發明還可以包括:
[0010]1、所述真空熱壓處理是分步進行的，本底真空度下先以10°C /min的升溫速率升溫至640°C保溫lh，然後以3°C /min的升溫速率加熱到670°C保溫lh，最後以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，在670°C保溫階段和685°C保溫階段前2h內均加壓IMPa，在685°C保溫的後3h階段內加壓2MPa，在降溫階段再加壓至4MPa。
[0011]2、所述將經過預處理的Ti箔和Al箔交替疊放中Al箔的層數為10~15層，Ti箔的層數為Al箔層數加I。
[0012]3、所述預處理的方法為:將切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面進行打磨，直至露出新鮮表面，然後用超聲 波處理打磨後的Ti箔和Al箔，時間為15-20min，最後用酒精清洗表面，去除殘留的氧化物顆粒和雜質，最後進行乾燥處理。
[0013]本發明通過真空熱壓法使相互交疊的Ti箔與Al箔發生擴散反應，生成金屬間化合物Al3Ti,並與剩餘的Ti層形成以Ti層為增強體的層狀複合材料。由於金屬間化合物Al3Ti具有高強度、高硬度、低密度且脆性較大，而Ti層則是韌性較好的增強體，因而使獲得的金屬間化合物基層狀複合材料在具有高強度的基礎上也具有高的韌性。
[0014]本發明的製備方法相較於以往的製備方法的特點在於:在採用以往方法製備出的複合材料中，金屬間化合物主要存在於Ti層和Al層的交界處，對材料整體的強度提升有限，而本發明中，原始金屬鋁箔完全和鈦箔反應生成了金屬間化合物Al3Ti,而原始金屬鈦箔有一定的剩餘。即製備出的複合材料中Al層完全被Al3Ti金屬間化合物層所取代。同時由於是在真空條件下製備的複合材料，不發生氧化現象，在複合材料界面上的氧化物和雜質很少。因此，製備出的層狀複合材料具有相當高的界面結合強度。
[0015]本發明的優點歸結為:
[0016]1.本發明可以通過調整以下幾種工藝參數實現對複合材料的結構和力學性能的設計:
[0017]1.本發明可以通過改變金屬箔材的厚度達到特定的層厚比以改變層狀複合材料的厚度和性能。
[0018]i1.本發明可以通過改變金屬箔材的總層數以改變層狀複合材料的厚度。
[0019]ii1.本發明可以通過調整真空熱壓過程中的溫度和各階段壓強等參數來調整複合材料的結構和性能。
[0020]2.本發明所製備的複合材料具有優異的力學性能，高於採用其他製備方法所製備出的同類層狀複合材料。
[0021]3.本發明所製備的金屬間化合物基層狀複合材料是通過兩種金屬箔材的界面冶金反應，剩餘金屬層與新生成的金屬間化合物層之間的結合緊密，無缺陷，界面結合強度聞。[0022] 4.本發明所設定的特殊工藝參數有利於反應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，因此形成的層狀複合材料具有良好的性能。
[0023]5.本發明可以通過改變箔材的成分，可以方便地把合金化元素、增強相(顆粒、纖維、晶須等)引入到反應後生成的金屬間化合物，從而進一步改善金屬間化合物的脆性。
[0024]6.本發明可實現複合材料性能和產品設計一體化，完成複合材料可設計和可預測的全新概念，將智能元件，如壓電陶瓷、光纖等埋入基體中，設計和製備出多功能和智能化複合材料。
[0025]7.本發明可以很方便的通過改變起始疊層的層片厚度、層片類型、疊層順序製備出梯度功能複合材料。
[0026]8.本發明所需的原始金屬箔材是商用鈦板和鋁板，其生成產物僅有金屬間化合物Al3Ti,因此整個的製備過程是無毒、環保的，屬於綠色加工方法。
[0027]9.本發明利用液-固兩相低溫反應一次性真空熱壓成型，工藝簡單易行，製備成本低。
【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為實例I中40%Ti/Al3Ti層狀複合材料的製備工藝曲線。
[0030]圖3為實例I中40%Ti/Al3Ti層狀複合材料的微觀結構(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為載荷垂直於疊層方向；圖仙為載荷平行於疊層方向。
[0032]圖5為實例2中30%Ti/Al3Ti層狀複合材料的製備工藝曲線。
[0033]圖6為實例2中30%Ti/Al3Ti層狀複合材料的微觀結構(掃描電鏡背反射照片)。
[0034]圖7為實例3中20%Ti/Al3Ti層狀複合材料的微觀結構(掃描電鏡背反射照片)。
[0035]圖8為實例4中15%Ti/Al3Ti層狀複合材料的微觀結構(掃描電鏡背反射照片)。
【具體實施方式】
[0036]以下通過具體的實施例對本發明的技術方案做詳細描述，應理解的是，這些實施例是用於說明本發明，而不是對本發明的限制，在本發明的構思前提下對本發明做簡單改進，都屬於本發明要求保護的範圍。
[0037]結合【專利附圖】

【附圖說明】本次實驗的具體步驟:
[0038]實例I
[0039]原材料表面的預處理:選用厚度分別為520 μ m和620 μ m的Ti箔和Al箔，並將金屬箔片切割成IOOmmX IOOmm的正方形以便於進行表面預處理,首先用砂紙將Ti箔和Al箔的表面進行打磨，去除表面氧化皮，直至露出新鮮表面，然後用超聲波處理打磨後的Ti箔和Al箔，時間為15-20min，最後用酒精清洗表面，去除剩餘的氧化物顆粒和雜質，風乾後放入乾燥皿待處理。
[0040]把兩種箔片相互交疊，Ti箔和Al箔的層數分別為14層和13層，並使最外層是Ti箔，最終層數為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，進行真空熱壓燒結，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，在675°C保溫階段和685°C保溫前2h階段內施加施壓IMPa，在685°C保溫的後3h階段壓強增大至2MPa，在降溫階段加壓至4MPa，最後隨爐冷卻，當溫度降至室溫時卸壓，取出已經製備好的層狀複合材料。
[0042]反應後經檢測發現:材料中的Al層完全與Ti層反應，形成金屬間化合物Al3Ti,而Ti層則有剩餘，Ti層和Al3Ti層的厚度分別為370 μ m和555 μ m，增強體Ti在整個複合材料中的體積百分比為40%，為了闡述方便把該複合材料命名為40%Ti/Al3Ti的複合材料。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，結合緊密。經準靜態壓縮試驗後，得到材料在載荷垂直和平行與層片兩個方向上的平均屈服強度分別720MPa和860MPa，附圖4為準靜態壓縮方向示意圖。
[0043]實例2 [0044]與實例I相比:其材料的表面預處理過程與材料的成分，層片的厚度、層數和疊放方式完全相同，而真空熱壓的工藝參數有所不同。
[0045]實例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，然後以3.5°C /min的升溫速率升溫到675°C，保溫lh，然後以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，在675 °C保溫階段和685 °C保溫階段的前2h不加壓，在685 °C保溫階段的後5h施加壓2MPa，在降溫階段再施加壓4MPa。
[0046]此次燒結與40%Ti/Al3Ti的燒結工藝區別在於保溫時間增長到7h，Al箔全部與Ti箔反應生成Al3Ti。經測量，反應結束後Ti層和Al3Ti層的厚度分別為330 μ m和770 μ m,Al3Ti層厚佔總體層厚的70%，增強體Ti的含量為30%，將此試樣命名為30%Ti/Al3Ti，參見附圖6。通過準靜態壓縮實驗測得複合材料在載荷垂直和平行與層片的兩個方向上的屈服強度分別為840MPa和940MPa。
[0047]實例I與實例2的對比後證明了:在金屬箔材的表面預處理過程與原始材料的成分，層片的厚度、層數和疊放方式都相同的情況下，真空熱壓的工藝參數對複合材料層厚度t匕、力學性能等方面都有影響。
[0048]實例3
[0049]與實例I相比:其金屬箔材的表面預處理過程完全相同，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箔的層數分別調整為13層和12層，將表面處理過的金屬箔片相互疊交並使最外端為Ti層。
[0050]實例3所採用的熱處理工藝與實例2相同，工藝參數參見附圖5。
[0051]實例3中製得的複合材料的微結構參見附圖7。經測量，Ti層和Al3Ti層的厚度分別為240 μ m和960 μ m，其增強體Ti在複合材料中的體積百分數為20%，將此試樣命名為20%Ti/Al3Ti。將熱壓處理後的複合材料進行壓縮實驗得到複合材料的力學性能為，在載荷垂直和平行與層片的兩個方向上的屈服強度分別為1330MPa和1020MPa。
[0052]實例3與實例2相比，其工藝參數相同而層厚比不同，得到了比前兩種材料增強體Ti體積百分數小而屈服強度高的複合材料，體現了層數和層厚對複合材料性能的影響。[0053]實例4
[0054]實例4中，金屬箔材表面預處理過程與原始金屬箔材的成分、箔材的厚度、層片的層數和疊放方式與實例3完全相同。採用的主要工藝措施在於在其熔點溫度附近提前卸壓，使得半熔融狀態的Al金屬液體與Ti箔充分反應，從而保證層狀複合材料中僅有韌性金屬Ti和金屬間化合物Al3Ti。
[0055]複合材料在掃描電鏡下的顯微組織參見附圖8。經測量，Ti層和Al3Ti層的厚度分別為175μπι和1125 μ m，其增強體Ti在材料中的體積百分比為15%，將其命名為15%Ti/Al3Ti0將製備的複合材料進行壓縮實驗測得複合材料在層片垂直和平行兩個方向上的屈服強度分別為1200MPa和890MPa。 [0056]實例4與實例3相比其反應過程中施加的壓強參數不同，得到了增強體Ti層所佔比例更低的複合材料，其相應的屈服強度則未隨增強體所佔比例的的下降而升高。
【權利要求】
1.一種輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法，其特徵是:以Ti箔和Al箔為原材料，將經過預處理的Ti箔和Al箔交替疊放並保證最外層為Ti箔，進行真空熱壓處理，所述真空熱壓處理的條件為:本底真空度為6.67 X 10?,反應溫度為640~685°C，升溫速率為1~10℃ /min，施加壓強為O~4MPa，保溫時間為1-10小時。
2.根據權利要求1所述的輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法，其特徵是:所述真空熱壓處理是分步進行的，本底真空度下先以10°C /min的升溫速率升溫至640°C保溫lh，然後以3°C /min的升溫速率加熱到670°C保溫lh，最後以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，在670°C保溫階段和685°C保溫階段前2h內均加壓IMPa，在685°C保溫的後3h階段內加壓2MPa，在降溫階段再加壓至4MPa。
3.根據權利要求1或2所述的輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法，其特徵是:所述將經過預處理的Ti箔和Al箔交替疊放中Al箔的層數為10~15層，Ti箔的層數為Al箔層數加I。
4.根據權利要求1或2所述的輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法，其特徵是:所述預處理的方法為:將切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面進行打磨，直至露出新鮮表面，然後用超聲波處理打磨後的Ti箔和Al箔，時間為15-20min，最後用酒精清洗表面，去除殘留的氧化物顆粒和雜質，最後進行乾燥處理。
5.根據權利要求3所述的輕質金屬間化合物基層狀複合材料的製備方法，其特徵是:所述預處理的方法為:將切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面進行打磨，直至露出新鮮表面，然後用超聲波處理打磨後的Ti箔和Al箔，時間為15-20min，最後用酒精清洗表面，去除殘留的氧化物顆粒和雜質，最後進行乾燥處理。
【文檔編號】C22F1/18GK103572187SQ201310563533
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】姜風春, 常雲鵬, 黨超, 果春煥, 哈金奮, 張密林 申請人:哈爾濱工程大學