本發(fā)明專利技術(shù)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(guò)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)明專利技術(shù)通過(guò)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。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)提供的是。以Ti箔和Al箔為原材料，將經(jīng)過(guò)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)。本專利技術(shù)通過(guò)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(shuō)明】
本專利技術(shù)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。
技術(shù)介紹
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(guò)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(kāi)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(kāi)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。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。軋制法即將互相交疊的坯料通過(guò)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(zhǎng)度增加的壓力加工方法。由于軋制的過(guò)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(wèn)題。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(jiǎn)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(guò)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。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:以Ti箔和Al箔為原材料，將經(jīng)過(guò)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)。本專利技術(shù)還可以包括: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(guò)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。2、所述將經(jīng)過(guò)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。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。本專利技術(shù)通過(guò)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。本專利技術(shù)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，而本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)歸結(jié)為:1.本專利技術(shù)可以通過(guò)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):1.本專利技術(shù)可以通過(guò)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。i1.本專利技術(shù)可以通過(guò)改變金屬箔材的總層數(shù)以改變層狀復(fù)合材料的厚度。ii1.本專利技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整真空熱壓過(guò)程中的溫度和各階段壓強(qiáng)等參數(shù)來(lái)調(diào)整復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。2.本專利技術(shù)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。3.本專利技術(shù)所制備的金屬間化合物基層狀復(fù)合材料是通過(guò)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(wú)缺陷，界面結(jié)合強(qiáng)度聞。 4.本專利技術(shù)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。5.本專利技術(shù)可以通過(guò)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。6.本專利技術(shù)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。7.本專利技術(shù)可以很方便的通過(guò)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。8.本專利技術(shù)所需的原始金屬箔材是商用本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
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(guò)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)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姜風(fēng)春，常云鵬，黨超，果春煥，哈金奮，張密林，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：哈爾濱工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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