一种高界面结合强度钛/铝复合材料及轧制复合成形方法

1.本发明属于金属层状复合材料制备技术领域，具体涉及一种高界面结合强度钛/铝复合材料及轧制复合成形方法。


背景技术：

2.钛/铝复合材料兼具钛的比强度高、耐腐蚀、耐高温和铝的低密度、低成本等优点，是一种综合性能优异的结构-功能一体化金属层状复合材料，在航空航天、轨道交通、建筑化工、国防军工和生活用品等领域用途广泛。
3.当前制备钛/铝复合材料的主要方法为爆炸复合法和轧制复合法。爆炸复合法通过爆炸产生的巨大冲击力和热量实现钛/铝界面间的强冶金结合。然而，爆炸复合法存在覆层厚度不均匀、表面质量差、环境污染大、只能生产钛/铝厚板等问题，无法实现大尺寸、大批量钛/铝复合材料连续化制备。轧制复合法具有工艺简单、生产效率高、安全绿色、可生产宽幅板带材和可连续化批量生产等优点，是钛/铝复合材料绿色成形的发展方向。然而，由于钛、铝的物理性能和力学性能差异较大，在传统的轧制复合过程中，钛、铝之间变形不协调，钛侧难变形导致钛板待复合表面硬化层开裂程度低、钛侧新鲜金属暴露少和铝侧金属嵌入量不足，使得钛/铝复合材料界面结合强度较低。因此，如何在轧制复合过程中提高钛板待复合表面的开裂程度，增加钛、铝异种金属的界面结合面积是获得高界面结合强度钛/铝复合材料的关键。
4.目前，为了促进组元难变形金属层的待复合表面开裂，有研究者采用氧化、渗碳、渗氮或氢化等手段对组元金属的待复合表面进行改性使其脆化。脆性层厚度的增加虽然能够有效促进组元金属的待复合表面在轧制复合过程中的开裂，但是引入的o、n等元素会阻碍组元金属层在界面处新鲜金属的接触和元素扩散，而且，外来元素与基体金属形成的脆性化合物分布在金属层状复合材料的界面处，会降低金属层状复合材料的界面性能。此外，氧化、渗碳、渗氮或氢化等表面改性手段通常在较高的温度下长时间进行，不仅诱发晶粒长大，同时还增加生产成本和工艺复杂性，不适宜大规模推广应用。
5.因此，开发一种短流程、高效、低成本的钛/铝复合材料表面预处理-轧制复合成形新方法，获得高界面结合强度的高性能钛/铝复合材料，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为解决传统轧制复合成形方法制备钛/铝复合材料过程中存在的钛板待复合表面开裂程度较低和钛/铝复合材料的界面结合强度低等难题，将表面自纳米化处理方法与轧制复合工艺相结合，提供一种高界面结合强度钛/铝复合材料及轧制复合成形方法。相较于传统钛板待复合表面预处理方法，表面自纳米化处理方法仅通过改变钛板待复合表面的力学性能，不改变化学成分，就可以获得具有一定厚度、硬度和粗糙度的表面梯度纳米晶结构层。采用表面自纳米化处理方法改性后的钛板待复合表面可在较低压下量下实现开裂，并增加界面原子的扩散驱动力，为高界面结合强度高性能钛/铝复合材料的
制备提供一种新方法。
7.根据本发明技术方案的第一方面，公开一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.步骤1：对钛板和铝板分别进行软化退火处理；
9.步骤2：对步骤1处理后的所述钛板的待复合表面进行表面自纳米化处理，在所述钛板的所述待复合表面构建具有特定的形貌、粗糙度、硬度和厚度的梯度纳米晶结构层；对步骤1处理后的所述铝板的待复合表面进行表面机械打磨处理；
10.步骤3：将步骤2处理后的所述钛板和所述铝板进行组坯，获得钛/铝组坯；
11.步骤4：对所述钛/铝组坯进行单道次轧制预复合，获得钛/铝预复合板坯；
12.步骤5：对所述钛/铝预复合板坯进行单道次热轧终复合，获得钛/铝复合板坯；
13.步骤6：将所述钛/铝复合板坯空冷至室温，获得钛/铝复合材料。
14.进一步地，所述步骤1中，所述钛板和所述铝板采用单张形式的板带材或成卷形式的板带材，所述钛板的材质为纯钛或钛合金中的至少一种，所述铝板的材质为纯铝或铝合金中的至少一种。
15.进一步地，所述步骤1中，所述钛板的软化退火处理的加热温度为650～850℃，保温时间为30～120min，冷却方式为空冷；所述铝板的软化退火处理的加热温度为400～500℃，保温时间为30～120min，冷却方式为空冷。
16.进一步地，所述步骤2中，所述钛板的表面自纳米化处理的方法为表面机械研磨法、机械喷丸法、超声喷丸法、超音速微粒轰击法、激光冲击法、超声冲击法、快速多重旋转碾压法、表面深滚法、超声滚压法或表面高压滚压法中的至少一种。
17.进一步地，所述步骤2中，所述梯度纳米晶结构层的厚度为0.01～150μm、粗糙度为0.1～10μm、梯度纳米晶的晶粒尺寸为1～100nm、硬度较基体的硬度提高5％～300％，特定形貌为镜面状、波纹状、沟槽状、陨坑状或网格状中的至少一种。
18.进一步地，所述步骤2中，所述铝板的表面机械打磨处理为砂纸打磨、百叶片打磨、钢丝刷打磨、砂轮打磨、金刚石磨轮打磨或激光打磨中的至少一种。
19.进一步地，所述步骤3中，所述钛/铝组坯为2～10层的钛/铝层叠组坯或钛/铝/钛层叠组坯。
20.进一步地，所述步骤4中，轧制速度《0.2m/s、轧制压下率为10％～50％、轧制温度为室温～250℃。
21.进一步地，所述步骤5中，所述单道次热轧终复合采用的加热设备为单温区加热设备或多温区加热设备，为离线加热设备或在线加热设备，加热方式为火焰加热、感应加热、辐射加热、脉冲加热、电阻加热或激光加热中的至少一种。
22.进一步地，所述步骤6中，轧制温度为350～450℃、加热时间为5～30min、轧制速度《0.2m/s、轧制压下率为10％～50％。
23.进一步地，所述轧制复合成形方法为连续式或间断式，对所述钛/铝复合材料进行后续扩散退火和矫直。
24.根据本发明技术方案的第二方面，提供一种高界面结合强度钛/铝复合材料，所述高界面结合强度钛/铝复合材料采用根据以上任一方面所述的方法制备获得。
25.本发明的有益效果：
26.1.本发明的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，针对传统轧制复合成形制备钛/铝复合材料时钛板待复合表面开裂不足和界面结合强度低的问题，将表面自纳米化处理方法与轧制复合工艺相结合，通过控制钛板待复合表面的形貌、粗糙度、硬度和梯度纳米晶结构层厚度，为钛板和铝板的待复合表面之间的物性参数合理有机协调匹配提供了更优选择，钛板待复合表面能够在更低的轧制压下率下萌生裂纹并扩展，有助于金属铝嵌入到钛侧裂纹中，进而提高界面结合面积，获得高界面结合强度的钛/铝复合材料。
27.2.本发明的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，通过在钛板待复合表面构建梯度纳米晶结构层为后续加热和热轧过程中原子扩散提供快速通道，可在较低温度下实现钛原子和铝原子的扩散，避免了钛/铝界面发生反应生成不利于高界面结合强度的金属间化合物，解决了传统热轧复合成形(需要较高温度和较长时间加热)或冷轧复合成形(后续需要进行长时间扩散热处理)难以获得高界面结合强度钛/铝复合材料的难题。
28.3.钛/铝复合材料的复合界面处的梯度纳米晶结构层分别与钛板基体的粗晶层和钛/铝复合材料界面之间存在“协同强化”效应，抑制后续深加工过程中钛/铝复合材料在界面处萌生裂纹并扩展，进一步提高了钛/铝复合材料的强韧性。
29.4.本发明的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，可在大气环境下直接进行，工序简单、生产效率高，可降低对设备轧制力的要求，节能降耗、生产成本低，制备的钛/铝复合材料界面结合强度更高、综合性能更好。
附图说明
30.图1是根据本发明技术方案的高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法流程图；
31.图2是根据实施例1制备的钛/铝复合材料的界面形貌；
32.图3是根据对比例1制备的钛/铝复合材料的界面形貌。
具体实施方式
33.以下结合实施例对本发明进行具体描述，需指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员可以根据本发明内容做出非本质的改进和调整。
34.本发明技术方案提供了一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，如图1所示，包括以下步骤：
35.步骤101：对钛板和铝板分别进行软化退火处理；
36.步骤102：对钛板的待复合表面进行表面自纳米化处理，在钛板的待复合表面构建具有特定的形貌、粗糙度、硬度和厚度的梯度纳米晶结构层；对铝板的待复合表面进行表面机械打磨处理；
37.步骤103：将钛板和铝板进行离线或在线组坯，获得钛/铝组坯；
38.步骤104：对钛/铝组坯进行单道次轧制预复合，轧制速度《0.2m/s、轧制压下率为10％～50％、轧制温度为室温～250℃，获得钛/铝预复合板坯；
39.步骤105：对钛/铝预复合板坯进行单道次热轧终复合，轧制温度为350～450℃、加热时间为5～30min、轧制速度《0.2m/s、轧制压下率为10％～50％，获得钛/铝复合板坯；
40.步骤106：将钛/铝复合板坯空冷至室温，获得钛/铝复合材料。
41.进一步的，钛板和铝板采用单张形式的板带材或成卷形式的板带材，钛板的材质为纯钛或钛合金中的至少一种，铝板的材质为纯铝或铝合金中的至少一种。
42.进一步的，钛板的软化退火处理的加热温度为650～850℃，保温时间为30～120min，冷却方式为空冷；铝板的软化退火处理的加热温度为400～500℃，保温时间为30～120min，冷却方式为空冷。
43.进一步的，钛板的表面自纳米化处理的方法为表面机械研磨法、机械喷丸法、超声喷丸法、超音速微粒轰击法、激光冲击法、超声冲击法、快速多重旋转碾压法、表面深滚法、超声滚压法或表面高压滚压法中的至少一种。
44.进一步的，梯度纳米晶结构层的厚度为0.01～150μm、粗糙度为0.1～10μm、梯度纳米晶的晶粒尺寸为1～100nm、硬度较基体的硬度提高5％～300％，特定形貌为镜面状、波纹状、沟槽状、陨坑状或网格状中的至少一种。
45.进一步的，铝板的表面机械打磨处理为砂纸打磨、百叶片打磨、钢丝刷打磨、砂轮打磨、金刚石磨轮打磨或激光打磨中的至少一种。
46.进一步的，钛/铝组坯为2～10层的钛/铝层叠组坯或钛/铝/钛层叠组坯。
47.进一步的，单道次热轧终复合采用的加热设备为单温区加热设备或多温区加热设备，为离线加热设备或在线加热设备，加热方式为火焰加热、感应加热、辐射加热、脉冲加热、电阻加热或激光加热中的至少一种。
48.进一步的，轧制复合成形方法为连续式或间断式，对钛/铝复合材料进行后续扩散退火和矫直。
49.本发明技术方案还提供一种高界面结合强度钛/铝复合材料，该高界面结合强度钛/铝复合材料采用根据以上任一方面所述的方法制备获得。
50.实施例1：
51.以厚度为1mm的单张形式的ta1纯钛板和厚度为3mm的单张形式的6061铝合金板为原材料，制备钛/铝复合材料。
52.步骤一：分别对ta1纯钛板和6061铝合金板进行软化退火处理，ta1纯钛板的软化退火温度为750℃、保温时间为30min，6061铝合金板的软化退火温度为450℃、保温时间为60min；
53.步骤二：对ta1纯钛板待复合表面进行超声喷丸处理，去除表面污染物和氧化层的同时构建具有一定粗糙度和厚度的梯度纳米晶结构层，喷丸时间60s，弹丸直径3mm，振幅40μm；对6061铝合金待复合表面采用磨轮打磨，去除表面氧化层和污染物，获得干净、粗糙的待复合表面；
54.步骤三：将表面预处理后的ta1纯钛板和6061铝合金板以上下叠放的方式进行层叠组坯，获得ta1/6061组坯；
55.步骤四：对ta1/6061组坯在室温下进行单道次轧制复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为45％，获得ta1/6061预复合板坯；
56.步骤五：对ta1/6061预复合板坯在空气氛围保温炉中进行400℃/10min保温后马
上进行单道次热轧终复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为25％，获得ta1/6061复合板坯；
57.步骤六：将ta1/6061复合板坯空冷至室温，获得高界面结合强度的钛/铝复合材料。该钛/铝复合材料界面处钛侧发生明显的开裂，裂口沿界面分布较为均匀，裂口宽度和深度较大，金属铝嵌入到钛侧裂口中，界面呈现“犬牙交错”状形貌，如图2所示。
58.实施例2：
59.以厚度为1mm的单张形式的ta1纯钛板和厚度为3mm的单张形式的1060纯铝板为原材料，制备钛/铝/钛复合材料。
60.步骤一：分别对ta1纯钛板和1060纯铝板进行软化退火处理，ta1纯钛板的软化退火温度为750℃、保温时间为30min，1060纯铝板的软化退火温度为450℃、保温时间为60min；
61.步骤二：对ta1纯钛板待复合表面进行表面机械研磨处理，去除表面污染物和氧化层的同时构建具有一定粗糙度和厚度的梯度纳米晶结构层，振动频率50hz，弹丸直径3mm，振动距离35mm，振动时间15min；对1060纯铝板待复合表面采用磨轮打磨，去除表面氧化层和污染物，获得干净、粗糙的待复合表面；
62.步骤三：将表面预处理后的ta1纯钛板和1060纯铝板以ta1/1060/ta1的方式进行叠层组坯，获得ta1/1060/ta1组坯；
63.步骤四：对ta1/1060/ta1组坯在室温下进行单道次轧制复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为50％，获得ta1/1060/ta1预复合板坯；
64.步骤五：对ta1/1060/ta1预复合组坯在空气氛围保温炉中进行400℃/10min保温后马上进行单道次热轧终复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为25％，获得ta1/1060/ta1复合板坯；
65.步骤六：将ta1/1060/ta1复合板坯空冷至室温，获得钛/铝/钛复合材料。
66.实施例3：
67.以厚度为1.5mm的单张形式的tc4钛合金板和厚度为3mm的单张形式的2024铝合金板为原材料，制备钛/铝复合材料。
68.步骤一：分别对tc4钛合金板和2024铝合金板进行软化退火处理，tc4钛合金板的软化退火温度为780℃、保温时间为30min，2024铝合金板的软化退火温度为450℃、保温时间为60min；
69.步骤二：对tc4钛合金板待复合表面进行快速旋转多重碾压处理，去除表面污染物和氧化层的同时构建具有一定粗糙度和厚度的梯度纳米晶结构层，处理时间30min，压力4.0mpa，样品速度2.0mm/s，工具头转速1400r/min；对2024铝合金待复合表面采用磨轮打磨，去除表面氧化层和污染物，获得干净、粗糙的待复合表面；
70.步骤三：将表面预处理后的tc4钛合金板和2024铝合金板以上下叠放的方式进行层叠组坯，获得tc4/2024组坯；
71.步骤四：对ta1/2024组坯在200℃/10min保温后马上进行单道次轧制复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为45％，获得ta1/2024预复合板坯；
72.步骤五：对ta1/2024预复合板坯在空气氛围保温炉中进行400℃/10min保温后马上进行单道次热轧终复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为30％，获得ta1/2024复合板
坯；
73.步骤六：将ta1/2024复合板坯空冷至室温，获得高界面结合强度钛/铝复合材料。
74.对比例：
75.以厚度为1mm的单张形式的ta1纯钛板和厚度为3mm的单张形式的6061铝合金板为原材料，传统机械打磨方式制备钛/铝复合材料。
76.步骤一：分别对ta1纯钛板和6061铝合金板进行软化退火处理，ta1纯钛板的退火制度为750℃保温30min，6061铝合金板的退火制度为450℃保温60min；
77.步骤二：对ta1纯钛板待复合表面采用磨轮打磨，去除表面污染物和氧化层；对6061铝合金待复合表面采用磨轮打磨，去除表面氧化层和污染物，获得干净、粗糙的待复合表面；
78.步骤三：将表面预处理后的ta1纯钛板和6061铝合金板以上下叠放的方式进行组坯，获得ta1/6061组坯；
79.步骤四：对ta1/6061组坯在室温下进行单道次轧制复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为45％，获得ta1/6061预复合板坯；
80.步骤五：对ta1/6061预复合板坯在空气氛围保温炉中进行400℃/10min保温后马上进行单道次热轧终复合，轧制速度为0.04m/s，轧制压下率为25％，获得ta1/6061复合板坯；
81.步骤六：将ta1/6061复合板坯空冷至室温，获得钛/铝复合材料。该钛/铝复合材料界面处钛侧未出现明显的裂口，界面较为平直，如图3所示。
82.综上，本发明提供了一种高界面结合强度钛/铝复合材料及轧制复合成形方法，采用表面自纳米化处理方法对钛板的待复合表面高能改性，构建具有特殊形貌、粗糙度、硬度和厚度的梯度纳米晶结构层，提高轧制过程中钛板待复合表面开裂程度，增加新鲜金属结合面积，并在钛板待复合表面累积大量缺陷，为后续热处理过程中的原子扩散提供快速通道，实现在更低温度下原子的高效扩散，提升钛/铝复合材料的界面结合强度。该方法解决了传统轧制复合制备钛/铝复合材料时存在的钛板待复合表面开裂不足和界面结合强度较低等难题，可在较低轧制压下量和较低扩散热处理温度下制备高界面结合强度钛/铝复合材料。
83.需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对钛板和铝板分别进行软化退火处理；步骤2：对步骤1处理后的所述钛板的待复合表面进行表面自纳米化处理，在所述钛板的所述待复合表面构建具有特定的形貌、粗糙度、硬度和厚度的梯度纳米晶结构层；对步骤1处理后的所述铝板的待复合表面进行表面机械打磨处理；步骤3：将步骤2处理后的所述钛板和所述铝板进行组坯，获得钛/铝组坯；步骤4：对所述钛/铝组坯进行单道次轧制预复合，获得钛/铝预复合板坯；步骤5：对所述钛/铝预复合板坯进行单道次热轧终复合，获得钛/铝复合板坯；步骤6：将所述钛/铝复合板坯空冷至室温，获得钛/铝复合材料。2.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤1中，所述钛板和所述铝板采用单张形式的板带材或成卷形式的板带材，所述钛板的材质为纯钛或钛合金中的至少一种，所述铝板的材质为纯铝或铝合金中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤1中，所述钛板的软化退火处理的加热温度为650～850℃，保温时间为30～120min，冷却方式为空冷；所述铝板的软化退火处理的加热温度为400～500℃，保温时间为30～120min，冷却方式为空冷。4.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤2中，所述钛板的表面自纳米化处理的方法为表面机械研磨法、机械喷丸法、超声喷丸法、超音速微粒轰击法、激光冲击法、超声冲击法、快速多重旋转碾压法、表面深滚法、超声滚压法或表面高压滚压法中的至少一种。5.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤2中，所述梯度纳米晶结构层的厚度为0.01～150μm、粗糙度为0.1～10μm、梯度纳米晶的晶粒尺寸为1～100nm、硬度较基体的硬度提高5％～300％，特定形貌为镜面状、波纹状、沟槽状、陨坑状或网格状中的至少一种。6.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤4中，轧制速度<0.2m/s、轧制压下率为10％～50％、轧制温度为室温～250℃。7.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤3中，所述钛/铝组坯为2～10层的钛/铝层叠组坯或钛/铝/钛层叠组坯。8.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述步骤6中，轧制温度为350～450℃、加热时间为5～30min、轧制速度<0.2m/s、轧制压下率为10％～50％。9.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，其特征在于，所述轧制复合成形方法为连续式或间断式，对所述钛/铝复合材料进行后续扩散退火和矫直。10.一种高界面结合强度钛/铝复合材料，其特征在于，所述高界面结合强度钛/铝复合材料采用根据权利要求1至9中任一项所述的轧制复合成形方法制备获得。

技术总结
一种高界面结合强度钛/铝复合材料轧制复合成形方法，属于金属层状复合材料制备技术领域。该方法包括：对钛板和铝板分别进行软化退火处理；对钛板的待复合表面进行表面自纳米化处理，构建梯度纳米晶结构层；对铝板的待复合表面进行表面机械打磨处理；将钛板和所述铝板进行组坯，获得钛/铝组坯；对钛/铝组坯进行单道次轧制预复合，获得钛/铝预复合板坯；对钛/铝预复合板坯进行单道次热轧终复合，获得钛/铝复合板坯；将钛/铝复合板坯空冷至室温，获得钛/铝复合材料。根据本发明技术方案的钛板待复合表面可在较低压下量下实现开裂，并增加界面原子的扩散驱动力，为高界面结合强度高性能钛/铝复合材料的制备提供一种新方法。钛/铝复合材料的制备提供一种新方法。钛/铝复合材料的制备提供一种新方法。


技术研发人员：刘雪峰 王雁鹏 张伟亮
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/8