Ti-Al-Ti多层层状复合材料的制备方法 【技术领域】
本发明涉及复合材料制备技术，具体地说是一种Ti-Al-Ti多层层状复合材料的制备方法。
背景技术
作为复合材料的一个重要分支，层状复合材料占有重要的地位。早在本世纪初期，层状结构设计就已初具雏形，而后发展更为迅速。研究初期，材料基本通过物理粘结而成，界面与基体材料为非同类元素物质，而基体材料为性能类似的物质，如木制的层合板。后来研究者开始利用爆炸焊接等方法进行了金属板的结合，达到了不再借助其他物质而达到层状物层间结合的目的。目前层状复合材料的制备方法有很多，例如铸造复合法、爆炸复合法、轧制复合法、挤压复合法和扩散焊接法；20世纪80年代以来又发展了一些新兴的层状复合材料的制备技术，例如喷射沉积复合技术、高速热浸镀技术和反向凝固复合技术等。但比较常用而且研究比较深入的制备方法是金属材料的扩散结合。钛合金和铝合金是应用广泛的优良材料，它们的应用领域有很大的交叉，因此有必要将Ti和Al连接起来构成复合结构。Ti/Al复合结构已经应用到飞机上，例如飞机机翼就是由钛合金蒙皮和铝合金的蜂窝夹层连接而形成的复合结构。由于Ti和Al是一对物理-化学性质和机械性能性差很多的金属，因此很难用熔焊工艺将Ti和Al连接起来制得Ti/Al复合材料。若采用铸造复合法制备，容量产生界面污染，金属间界面相容性不好；采用爆炸复合法制备，具有一定的危险性而且工艺很难控制；采用喷射沉积复合技术则致密度不理想，质地疏松，不能一次性完成复合材料的制备，且成本高。
【发明内容】
为实现将Ti和Al连接起来构成复合结构，本发明目地在于提供一种采用扩散技术制备的Ti-Al-Ti多层层状复合材料的制备方法，本发明可以一次性完成复合材料的制备，从而降低了生产成本，且产品质量好。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：取Ti箔和Al箔为原材料，先经表面处理，再将Ti箔和Al箔交替叠层放置，然后立即置于模具中进行真空热压制得多层层状复合材料；具体可按如下步骤进行：
1)原材料的表面清洁处理：首先取原材料为Ti箔和Al箔，用有机溶剂擦洗Ti箔和Al箔表面；再将Ti箔和Al箔分别进行酸洗或碱洗；
2)将所述Ti箔和Al箔切割成小片，然后交替叠层放置，其中：最上端和最下端皆为Ti箔或Al箔，为防止箔片散开可再在外面包裹一层Al箔或Ti箔，制成热压试样，备用；
3)真空热压：将所述热压试样放置在模具中进行真空热压，热压反应温度为450～650℃，升温速度为5℃～10℃/分，压力为30Mpa～60Mpa，保压时间为1～4h，保压结束后卸载压力，完成后样品随炉冷却即可；
所述碱洗是对Al箔使用温度为30～50℃，浓度为5％～20％的NaOH水溶液碱洗10min～30min后取出，用清水冲洗干净，再置于20～40％的稀硝酸溶液中进行5min～10min光化处理，以中和余碱，避免碱液继续腐蚀Al基体，然后用清水冲洗干净，吹干；所述酸洗是对Ti箔使用浓度为5％～15％HNO3-HF水溶液酸洗10min～20min，再用清水冲洗干净，吹干；
所述升温加压方法为：为防止炉温升温过快超过扩散反应温度，可在升温过程中距所述反应温度以下50～80℃时保温30min～60min，然后继续升温至反应温度，这样可以很好的将反应温度控制在设定温度范围内；到达设定反应温度时开始加压，加压速率为0.5～1.0吨/分钟；Ti箔和Al箔交替叠层放置层数至少为3层；模具采用石墨或高温合金材料的模具；整个复合材料制备过程中真空度1.0×10-2Pa～5.0×10-3Pa；所述有机溶剂为石油醚、丙铜或甲醇。
本发明具有如下优点：
1.采用本发明可以一次性完成复合材料的制备，生产工艺简单易行，成本低。
2.本发明制备过程无污染，复合材料界面结合良好，Ti/Al界面处可生成约为0.5～2.7um厚的界面反应层。
3.本发明层状复合材料的厚度可以方便地通过调整Ti箔和Al箔交替叠层的数目或原材料本身的厚度而得到不同厚度的层状复合材料。
4.本发明制备出的复合材料的屈服强度可达312Mpa，抗拉强度可达357MPa，伸长率可为22％。可得到理想的致密度。
【附图说明】
附图1为层状复合材料的制备工艺简图。
附图2为热压工艺的热循环曲线。
附图3为实施例1中制备试样的扫描电镜背反射照片。
附图4为实施例2中制备试样的扫描电镜背反射照片。
附图5为实施例3中制备试样的扫描电镜背反射照片。
附图6为实施例5中制备试样的扫描电镜背反射照片。
附图7为实施例6中制备试样的扫描电镜背反射照片。
附图8为实施例6中制备试样的电子探针线扫描分析。
【具体实施方式】
下面结合附图详述本发明。
实施例1
如图1、2所示，取Ti箔和Al箔为原材料，先经表面(清洁)处理，再将Ti箔和Al箔交替叠层放置，然后立即置于模具中进行真空热压制得多层层状复合材料。具体可按如下步骤进行：
1)原材料的表面处理：原材料为Ti箔(TAl)和Al箔(L3)，原始厚度分别为110μm和100μm，首先，用石油醚擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；再对Al箔用温度为50℃，浓度为10％的NaOH水溶液碱洗10min后取出，用清水冲洗5min，再置于30％的稀硝酸溶液中进行5min光化处理以中和余碱，避免碱液继续腐蚀Al基体，再用清水冲洗干净，吹干；对Ti箔用10％HNO3-HF水溶液酸洗15min，用清水冲洗5min，吹干；经表面处理后的Ti箔厚度约为105μm，Al箔厚度约为94μm；
2)将表面处理过的金属箔片切割成75mm×40mm的长方形小片，将切割好的Ti箔和Al箔交替叠层放置共51层，其中最上端和最下端皆为Ti箔，为防止箔片散开可在外面包裹一层Al箔，制成热压试样备用；
3)表面处理过的Ti箔和Al箔立即置于高温合金模具中，采用ZRY45B型真空热压炉进行真空热压，到达设定反应温度时开始加压，加压速度为1.0吨/分钟，压力为60Mpa，保压2小时；本实施例反应温度设定为480℃，为防止炉温升温过快超过设定的反应温度，可在升温过程中在所设定的反应温度以下50℃即430℃时保温30min，然后继续升温，这样可以很好的将反应温度控制在所设定的反应温度范围内，本实施例升温速度为5℃/分；从开始加热前到达到设定反应温度时真空度为1.0×10-2Pa，热压完成后样品随炉冷却。
本实施例工艺参数在图2中用数字1描述，即：480℃/60MPa/2h。
其结果从图3中可以看到Ti层和Al层之间的界面线平直(灰色为Ti层，黑色为Al层)，界面结合良好。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
1)用石油醚擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；对Al箔用温度为30℃，浓度为20％的NaOH水溶液碱洗20min后取出，用清水冲洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中进行光化处理10min，再用清水冲洗干净，吹干；对Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水冲洗5min，吹干；
2)将表面处理过的金属箔片交替叠层放置共11层，其中最上端和最下端皆为Al箔；为防止箔片散开可在外面包裹一层Ti箔，制成热压试样备用；
3)真空热压时，加压速度为0.5吨/分钟，压力为60Mpa，保压2小时；本实施例反应温度设定为560℃，为防止炉温升温过快超过设定的反应温度，可在升温过程中在所设定的反应温度以下80℃即480℃时保温60min，然后继续升温，本实施例升温速度为10℃/分；从开始加热前到达到设定反应温度时真空度为5×10-3Pa。其模具采用高温合金材料的模具。
层状复合材料试样工艺参数560℃/60MPa/2h参见图2中数字2的描述。
其结果从图4中可以看到Ti层和Al层之间的界面线平直(灰色为Ti层，黑色为Al层)，界面结合良好。图4中Ti/Al界面处生成了约为0.6um厚的界面反应层(灰色为Ti层，黑色为Al层，灰黑色为界面反应层)，界面反应层与基体层金属结合良好。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用温度为30℃，浓度为20％的NaOH水溶液碱洗20min后取出，用清水冲洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中进行光化处理10min，再用清水冲洗干净，吹干；Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水冲洗5min，吹干；
2)将表面处理过的金属箔片交替叠层放置共41层，其中最上端和最下端皆为Al箔；真空热压时，加压速度为0.5吨/分钟，压力为60Mpa，保压1小时；本实施例反应温度设定为635℃，为防止炉温升温过快超过设定的反应温度，可在升温过程中在所设定的反应温度以下70℃即565℃时保温60min，然后继续升温，本实施例升温速度为10℃/分；从开始加热前到达到设定反应温度时真空度为5×10-3Pa。
层状复合材料试样工艺参数635℃/60MPa/1h参见图2中数字3的描述。
其结果从图5中可以看到，Ti/Al界面处生成了约为1.0um厚的界面反应层(灰色为Ti层，黑色为Al层，灰黑色为界面反应层)，界面反应层与基体层金属结合良好。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用温度为40℃，浓度为5％的NaOH水溶液碱洗30min后取出，用清水冲洗5min，再置于40％的稀硝酸溶液中进行光化处理7min，再用清水冲洗干净，吹干；Ti箔用10％HNO3-HF水溶液酸洗20min，用清水冲洗5min，吹干；
2)将表面处理过的金属箔片交替叠层放置共31层，其中最上端和最下端皆为Ti箔，在外面包裹一层Ti箔，制成热压试样备用；真空热压时，加压速度为0.7吨/分钟，压力为60Mpa，保压2小时；本实施例反应温度设定为635℃，为防止炉温升温过快超过设定的反应温度，可在升温过程中在所设定的反应温度以下60℃即575℃时保温50min，然后继续升温，本实施例升温速度为7℃/分；从开始加热前到达到设定反应温度时真空度为3×10-3Pa。
层状复合材料试样工艺参数635℃/60MPa/2h参见图2中数字4的描述。
本发明635℃真空热压2h工艺制备出厚度约为5mm的复合材料的屈服强度为238Mpa，抗拉强度为309MPa，伸长率为22％。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
1)用甲醇擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用温度为30℃，浓度为20％的NaOH水溶液碱洗20min后取出，用清水冲洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中进行光化处理10min，再用清水冲洗干净，吹干；Ti箔用15％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水冲洗5min，吹干；
2)将表面处理过的金属箔片交替叠层放置共21层，其中最上端和最下端皆为Al箔；真空热压时，加压速度为0.5吨/分钟，压力为60Mpa，保压3小时；本实施例反应温度设定为635℃，为防止炉温升温过快超过设定的反应温度，可在升温过程中在所设定的反应温度以下70℃即565℃时保温60min，然后继续升温，本实施例升温速度为10℃/分；从开始加热前到达到设定反应温度时真空度为5×10-3Pa。其模具采用石墨模具。
层状复合材料试样工艺参数635℃/60MPa/3h参见图2中数字5的描述。
其结果从图6中可以看到，Ti/Al界面处生成了约为1.9um厚的界面反应层(灰色为Ti层，黑色为Al层，灰黑色为界面反应层)，界面反应层与基体层金属结合良好。
实施例6
与实施例1不同之处在于：
1)用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面的油污；Al箔用温度为30℃，浓度为20％的NaOH水溶液碱洗20min后取出，用清水冲洗5min，再置于20％的稀硝酸溶液中进行光化处理10min，再用清水冲洗干净，吹干；Ti箔用5％HNO3-HF水溶液酸洗10min，用清水冲洗5min，吹干；
2)将表面处理过的金属箔片交替叠层放置共11层，其中最上端和最下端皆为Al箔；真空热压时，加压速度为0.5吨/分钟，压力为60Mpa，保压4小时；本实施例反应温度设定为635℃，为防止炉温升温过快超过设定的反应温度，可在升温过程中在所设定的反应温度以下70℃即565℃时保温60min，然后继续升温，本实施例升温速度为10℃/分；从开始加热前到达到设定反应温度时真空度为5×10-3Pa。
层状复合材料试样工艺参数635℃/60MPa/4h参见图2中数字6的描述。
其结果从图7中可以看到，Ti/Al界面处生成了约为2.7um厚的界面反应层(灰色为Ti层，黑色为Al层，灰黑色为界面反应层)，界面反应层与基体层金属结合良好。图8中Ti/Al界面反应层处的Ti/Al原子比约为1∶3，根据相图可以确定界面反应层相组成为TiAl3金属间化合物。
本发明通过635℃真空热压4h工艺制备出厚度约为5mm的复合材料的屈服强度为312Mpa，抗拉强度为357MPa，伸长率为14％。